基于系統(tǒng)論的公共救援設(shè)備設(shè)計開發(fā)
——以救援升降設(shè)備為例

劉世玉，董 振

（天津理工大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，天津 300384）

基于系統(tǒng)論的公共救援設(shè)備設(shè)計開發(fā)
——以救援升降設(shè)備為例

劉世玉，董 振

（天津理工大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，天津 300384）

近年來國內(nèi)在低高空作業(yè)過程中因為應(yīng)急設(shè)備在功能上存在缺陷造成了一些事故及損失，針對這一問題文章以升降機(jī)作為載體進(jìn)行搶險救援設(shè)備的設(shè)計研發(fā)。通過綜合分析，在滿足應(yīng)急需要及保護(hù)工作人員生命安全的基礎(chǔ)上，運用機(jī)構(gòu)組合方法，形成一款單體設(shè)備多種功能的設(shè)計思路。在設(shè)備的操作方面更為簡便快捷，性能上更為平穩(wěn)、設(shè)備作業(yè)更為有序、可靠。進(jìn)而滿足救援工作中對功能的需要，較為全面地縮小風(fēng)險，提高救援的成功率。

應(yīng)急救援；升降機(jī)構(gòu)；便攜；人機(jī)工程學(xué)

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一、引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在公路、消防領(lǐng)域的急救需求大量增加，電力、通信、航空、大型車間廠礦等部門的應(yīng)急救援需求也在快速增長。應(yīng)急救援設(shè)備主要被運用于機(jī)場事故的搶險、火災(zāi)現(xiàn)場救援和通訊設(shè)施搶險維修、交通事故的緊急救援、電力系統(tǒng)的緊急搶險等場所。近年來，因為環(huán)境的惡化導(dǎo)致了頻繁的自然災(zāi)害，更凸顯出搶險救援設(shè)備的重要性。為了應(yīng)對市場的需求，滿足更高的技術(shù)要求，當(dāng)前對急救設(shè)施、急救設(shè)施的性能呈現(xiàn)出功能多樣化的需求趨勢，傳統(tǒng)的應(yīng)急救援設(shè)施設(shè)備上存在著功能上的短板，無法滿足實際救援的需要。文章研究來源于“電網(wǎng)應(yīng)急救援設(shè)備的啟發(fā)”，主要目的是研究多功能應(yīng)急救援車的設(shè)計，以提高設(shè)備在應(yīng)急救援過程中的穩(wěn)定性，使其具有良好的操控性和靈活性，并對舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使之達(dá)到最佳工況的客觀條件。多功能應(yīng)急救援設(shè)備是一種具有升降機(jī)構(gòu)的多功能類型，起頂部連接工作平臺，用以承載人員進(jìn)行高空作業(yè)，一般為曲柄臂式通用型機(jī)構(gòu)。該型的優(yōu)點是操作方便，運行范圍寬，并且還具有可以增加橫向擴(kuò)展的優(yōu)點，還可以旋轉(zhuǎn)角度，在一定高度范圍內(nèi)容易越過障礙到達(dá)需要的位置，擁有一個比較理想的工作位置。在電源上可以由交流電源啟動，也可以通過液壓或者其他方式驅(qū)動，是現(xiàn)今較為理想的高空作業(yè)設(shè)備。升降機(jī)設(shè)備被廣泛的運用于市政、電力、公路、碼頭、廣告、廠礦等多種領(lǐng)域。文章設(shè)計開發(fā)的設(shè)備類似一種可升降的功能車，主要包括機(jī)架、拖板回程機(jī)構(gòu)、曲柄臂、液壓缸、操作系統(tǒng)和高空作業(yè)平臺。

二、系統(tǒng)論指導(dǎo)下的公共救援設(shè)備情況

（一）系統(tǒng)論

系統(tǒng)論是在研究設(shè)計系統(tǒng)當(dāng)中較為常用的運用模式，是與之相關(guān)物體結(jié)構(gòu)和自身內(nèi)在規(guī)律的一個學(xué)科，主要是研究每個系統(tǒng)當(dāng)中的相同的特征形式，然后再運用數(shù)學(xué)測繪的形式方法展示它的功能，它是一門邏輯和數(shù)學(xué)科學(xué)，目的是為了尋求一個能適用于任何系統(tǒng)的科學(xué)原理。

（二）公共救援設(shè)備國外現(xiàn)狀

縱觀全球，在應(yīng)急救援領(lǐng)域，以美國、德國、英國、日本等國技術(shù)最為先進(jìn)。小型升降設(shè)備，被運用于基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，以及電網(wǎng)、電信、公路搶險救援。在工業(yè)時代和信息時代的今天，不難看出國外應(yīng)急救援方面的設(shè)備制造商都比較注重將最新的科學(xué)技術(shù)成果運用到下一代產(chǎn)品上，把救援產(chǎn)品的功能性、通用性、安全性以及智能化提到一個更高的水平，具體運用在這些方面：（1）將通訊技術(shù)運用到救援設(shè)備上，建立起救援過程中施救者與被施救者之間的相互溝通；（2）國外先進(jìn)的傳感設(shè)備和人體檢測技術(shù)的運用，通過在救援設(shè)備上安裝各種傳感器來探測受害者的生命特征，進(jìn)而縮小救援范圍并劃定確切的救援位置，使得救援工作更具有針對性。能夠在有限的時間范圍內(nèi)，以較高的效率完成救援工作，從而最大化的降低各方面的損失。

（三）公共救援設(shè)備國內(nèi)現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)研顯示，我國在20世紀(jì)80年代初才開始自行研發(fā)具有救援功能的設(shè)備，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，在救援設(shè)備的科技含量上有了很大程度的提高，功能也逐步得到完善，但在設(shè)備的通用性方面不是很強(qiáng)，存在著較大的局限性。目前，我國的救援設(shè)施在關(guān)鍵技術(shù)上仍然有著較大的缺陷，整體的技術(shù)含量還不是很高，成套可移動的設(shè)備不多。設(shè)備存在著體塊大、移動遲緩等問題。國內(nèi)升降機(jī)主要有以下四種運動類型：升降臂結(jié)構(gòu)伸縮臂、壁掛式、混合式，以及垂直升降式，伸縮臂式汽車傳動缸布置較為復(fù)雜，其工作范圍在60-100m的操作高度；折疊臂式車結(jié)構(gòu)靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)水平延伸、旋轉(zhuǎn)，也能夠輕松到達(dá)比較理想的工作位置，是較為理想化的低空作業(yè)設(shè)備；混合式動力設(shè)備的優(yōu)點在于將上述兩種設(shè)備結(jié)合了起來，增加了工作的高度和范圍，并且設(shè)備工作的的位置較理想，但有一點它屬于升降臂折疊機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上相對上述的復(fù)雜；垂直升降式作業(yè)車的作業(yè)幅度只限于垂直方向的施工作業(yè)。折疊式功能車在國內(nèi)多被應(yīng)用于低空類相關(guān)工作。本文在研究設(shè)計過程中遵循以應(yīng)急救援為主旨，以升降設(shè)備為運作載體，以人機(jī)工程學(xué)為輔助設(shè)計，并達(dá)到便攜的目的，可以有效的節(jié)省人力、財力、物力。

三、現(xiàn)有救援設(shè)備存在的缺陷

很顯然，通過近些年的努力，我國在應(yīng)急救援設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域取得了一些成績，但同時在關(guān)鍵技術(shù)上也存在著諸多的缺陷。目前應(yīng)急救援領(lǐng)域的設(shè)計研發(fā)普遍存在著過度重視硬件方面的建設(shè)，對軟件和信息之間的應(yīng)用及相互之間融合的問題不夠重視。在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，存在著類型數(shù)量稀少，使用時間比較長，應(yīng)急救援整體效率低以及安全性能系數(shù)比較低等問題，很難符合發(fā)展的需要；另外應(yīng)急救援設(shè)備功能上較為單一，應(yīng)急救援的需求和設(shè)備之間的供給存在著矛盾?，F(xiàn)代應(yīng)急救援要求對設(shè)備的環(huán)保、功能、智能和機(jī)動快捷化的要求越來越高，設(shè)備在以上方面的功能缺陷，使得救援設(shè)備的發(fā)展與需求之間的矛盾日漸凸顯。

四、救援升降設(shè)備功能定位

從目前的市場需求來看，國內(nèi)市場對于高空類搶險救援作業(yè)車的需求不僅巨大而且還比較迫切。中國是一個發(fā)展中國家，基礎(chǔ)設(shè)施仍然存在著缺陷，城市建設(shè)差距比較大，救援升降設(shè)備還有很大程度的改進(jìn)空間?？缮档亩喙δ苘囌加每臻g面積小，其靈活方便的特點可以很好的滿足搶險救援的需求，這一要點是本文設(shè)計研究的一個總體定位。該緊急救援設(shè)備多功能車采用的升降機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動。液壓驅(qū)動的長處在于有著相當(dāng)大的傳送力量，在體積、空間、重量方面比較適中，還有一個優(yōu)點就是運動方式上比較平穩(wěn)。但也存在著缺點，即不適合用在傳動要求高的救援工作上，在距離上還有一定的限制，另外在部件的精度要求方面也是很苛刻的。

（一）本文研究設(shè)計主要的重點在于，設(shè)備整體的穩(wěn)定性控制設(shè)計以及實際操作過程中所應(yīng)對的工作環(huán)境。

（二）保護(hù)電路的設(shè)計將電子控制系統(tǒng)的主控部分設(shè)計成回路控制，提高系統(tǒng)運行的整體可靠性，確保在工作狀態(tài)下排除設(shè)備故障威脅，最大限度的降低機(jī)械故障。

（三）針對平坦或陡坡等多種情形下?lián)岆U救援車的功能設(shè)計。

（四）診斷系統(tǒng)：機(jī)械自身出現(xiàn)故障，進(jìn)行自我診斷，同時發(fā)出警報。

基于本文篇幅，本文僅對多功能搶險救援車的整車穩(wěn)定性設(shè)計、升降機(jī)構(gòu)、工作狀況、人機(jī)工程方面進(jìn)行研究。

五、救援升降設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

通過調(diào)研分析，以及對國內(nèi)外同類作業(yè)車進(jìn)行相互比較，同時再考慮到升降機(jī)構(gòu)安裝空間和工作范圍的限制，故在運動方式上選擇折疊升降機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)作為該車的主要部件，分為動力裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、執(zhí)行配件、輔助裝置等機(jī)構(gòu)部分。

升降設(shè)備通常情況是由以下四個機(jī)構(gòu)組成，分別是：移動、液壓、電機(jī)控制、支撐機(jī)構(gòu)。升降設(shè)備中的油是由內(nèi)部的葉片泵在工作當(dāng)中構(gòu)成一定量的壓力，通過過濾器、控制閥，單項控制閥、平衡閥諸多部件運動到液缸的末端，使得液缸的活塞來回向上運動的過程，從而完成作業(yè)。

另外，為了使工作平臺在回收過程中能夠保持平穩(wěn)，在制動的可靠性上設(shè)計一個平衡閥門，在回路上保持壓力的平衡，從而使其在下降的速度上不會受到重物的影響。為了確保制動的安全性、可靠性，避免意外的發(fā)生，設(shè)置了單項控制閥，就是一個液壓鎖，能應(yīng)對來自液壓管線及其他部件發(fā)生意外的時候進(jìn)行自鎖，這一設(shè)置能夠極為有效的提高設(shè)備的安全系數(shù)，在應(yīng)對不樂觀的作業(yè)環(huán)境下作為最后一道防線保護(hù)工作人員的人身安全。

當(dāng)搶險救援升降設(shè)備到達(dá)救援現(xiàn)場后，由液壓系統(tǒng)啟動電機(jī)驅(qū)動液壓泵，控制平衡支腿起升取代車輪支撐，升降設(shè)備開始運行，進(jìn)行搶險救援工作。當(dāng)救援工作結(jié)束后，進(jìn)行回收的動作控制即可。

六、救援升降設(shè)備設(shè)計方向

本文所研究設(shè)計的搶險救援設(shè)備，是針對在一定的高度范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)急救援作業(yè)，在應(yīng)對緊急情況下是通過升降機(jī)構(gòu)及工作平臺將工作人員送到理想位置進(jìn)行搶險救援，使其完成搶險救援的任務(wù)。針對救援設(shè)備可能應(yīng)對到諸多特殊的工作環(huán)境研發(fā)設(shè)計出一款綜合應(yīng)對能力較強(qiáng)的搶險救援設(shè)備。

根據(jù)應(yīng)急救援的需求，救援升降設(shè)備設(shè)計方向上總體朝著傳動機(jī)構(gòu)的高壓、電子設(shè)施上的集成、電子設(shè)備的大功率、運作機(jī)械高效、較長使用年限、設(shè)備污染小、噪音低、較高性能的方向設(shè)計研發(fā)。鑒于計算機(jī)技術(shù)的普通運用，把智能型的操作控制方式應(yīng)用到設(shè)計當(dāng)中更能符合時代的需求。

結(jié)合調(diào)研，參考現(xiàn)有的救援升降設(shè)備，被運用到社會生活中比較多的是以汽車作為移動載體，進(jìn)而在汽車上安裝伸縮梯架，作業(yè)的運動方式是升降機(jī)構(gòu)環(huán)繞著固定的軸在液壓缸的作用下來實現(xiàn)上下抬升的功能。傳動動力是由汽車馬達(dá)來提供支持。

鑒于此，從設(shè)施自身來考慮，為了滿足設(shè)備在機(jī)動性方面的要求，設(shè)計方向上要讓設(shè)備完全獨立，成為一個個體，減小對汽車載體的依賴，能夠提高設(shè)備自身的安全系數(shù)。同時由于液壓機(jī)構(gòu)在作業(yè)過程中的速度是一定的，無法實現(xiàn)在速度上的增或者減，因此設(shè)備在靈活性能上受到很大的影響，隨之工作效率也會因此受到影響，設(shè)備的安全系數(shù)也會降低，受到阻力的啟發(fā)，設(shè)計一個調(diào)節(jié)速度的調(diào)節(jié)閥，由此就可以解決上述的不便，實現(xiàn)設(shè)備在升起和回收設(shè)備時速度上的變化，這樣可以減小設(shè)備自身的損耗，同時在使用期限上又是一次延伸。

七、結(jié)論

鑒于搶險救援設(shè)備在整個應(yīng)急救援系統(tǒng)中占據(jù)著主角的地位，本文從對實際現(xiàn)狀的調(diào)研分析出發(fā)，針對以升降機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的設(shè)備進(jìn)行研發(fā)設(shè)計，探究了搶險救援設(shè)施在設(shè)計過程中如何取長補短完善自身的方法，從而最大限度地避免救援設(shè)備在突發(fā)事件過程中由于自身問題而帶來的不足，進(jìn)而降低不必要的損失和影響。文章設(shè)計研究的搶險救援設(shè)備以人機(jī)工程學(xué)為指導(dǎo)原則，使得產(chǎn)品的設(shè)計更趨于人性化，設(shè)備的使用方式更為合理、方便。在協(xié)助人員的共同幫助下完成搶險救援的作業(yè)，考慮到較為惡劣的救援環(huán)境，設(shè)置最后一道救援防線，最大限度的保護(hù)救援者自身的生命安全?！?/p>

本文為天津理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目《基于系統(tǒng)論的公共救援便攜設(shè)備設(shè)計與開發(fā)》研究部分之一（項目編號：201610060095）

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Design and Development of Public Rescue Equipment Based on SystemTheory, Taking the Rescue Lifting Equipment as an Example

LiU shi-yu DONG Zhen
（TUT school of Art & Design, Tianjin 300384, china）

In recent years, the domestic in the low high-altitude operation process because of emergency equipment, in the function defects caused by accidents and losses, according to the design and development of this problem to lift carrier as rescue equipment. Based on the comprehensive analysis, in order to meet the emergency needs and protect the life safety of the staff, this paper uses the method of mechanism combination to design a kind of design idea of a single equipment. In the operation of the equipment is more simple and quick, more stable performance, more orderly and reliable equipment operation. To meet the needs of the rescue work, a more comprehensive risk reduction, improve the success rate of rescue.

emergency rescue; construction lifts; portable; ergonomics

TB472

A

1008-2832(2017)06-0094-03

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