新型水上自救裝置設(shè)計

李永平, 王帥軍, 潘震, 高超楠, 田智齊

（浙江海洋大學(xué)港航與交通運輸工程學(xué)院，浙江 舟山316022）

0 引 言

隨著生活物質(zhì)水平的不斷提高，人們對個人安全尤其是水上安全越發(fā)重視，同時對救生設(shè)備的安全性能有了更高的要求。

傳統(tǒng)的救生圈功能的單一和救援的低效已經(jīng)不能滿足救援的需求，而現(xiàn)在興起的帶有動力、可遠程操控的救生裝置雖然能夠提高救援效率、節(jié)約救援成本，但是在風(fēng)浪大、距離遠、耗時長的救援情況下，往往會出現(xiàn)能量供應(yīng)不足、方向不受控制、易被風(fēng)浪掀翻等問題，從而導(dǎo)致救援失敗。因此，如何能夠在大風(fēng)浪條件下實現(xiàn)安全有效的救援是目前水上救援急需解決的問題[1]。

1 現(xiàn)有救生圈存在的問題

救生圈是現(xiàn)代水上救援設(shè)備中使用最廣泛的水體救生裝置之一，在水上救援中起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)有救生圈主要存在的問題如下[2-3]。

1）續(xù)航能力低。對于傳統(tǒng)的救生圈而言，使用者只能憑借自己的體力在水中拼命地劃水以求到達安全岸邊，或是在水中等待，其救援效率極低，耗時又耗力；而對于帶有動力的救生圈來說，雖然可以提高救援效率，但在救援距離長、環(huán)境惡劣的條件下，電池耗能嚴重，會出現(xiàn)救援途中電量供應(yīng)不足讓溺水人員再次陷入危險的局面。

2）穩(wěn)定性差。在大風(fēng)浪條件下，救生圈會出現(xiàn)難以操控、偏離救援路線、失控觸礁、被風(fēng)浪掀翻等情況，導(dǎo)致救援事故的發(fā)生。

3）人體易失溫。無論是傳統(tǒng)救生圈還是帶動力的救生裝置，都沒有考慮保溫供熱這一功能，人在水中太久，會出現(xiàn)失溫、手腳無力等狀況，從而造成人體活動困難、意識昏迷，甚至死亡。

2 設(shè)計思路

2.1 功能需求分析

針對現(xiàn)有救生圈存在續(xù)航能力低、穩(wěn)定性差、易致使人體失溫等問題，本文設(shè)計了一種新型水上自救裝置，對其功能的需求分析如下：1）針對續(xù)航能力低的問題，救生裝置應(yīng)設(shè)有發(fā)電裝置，收集并利用波浪和人體運動的能量，通過某種機械結(jié)構(gòu)將往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為使電動機發(fā)電的回轉(zhuǎn)式運動，使得電動機發(fā)電為裝置的運行提供充足的電力。2）救生裝置的內(nèi)部組件結(jié)構(gòu)需合理布置，使得裝置具有較高的穩(wěn)定性，裝置的操作能力和抗傾覆能力需要進一步加強。3）救生裝置需要設(shè)計一個供溫系統(tǒng)，為人體提供一定的溫度，避免溺水人員在救援過程中失溫狀況的發(fā)生。

2.2 解決方案

針對上述傳統(tǒng)主流的救生裝置在風(fēng)浪大等惡劣條件下續(xù)航能力差、操控精度下降等弊端，設(shè)計了一種新型水上自救裝置，具有利用波浪發(fā)電提供動力、自供暖等功能，實現(xiàn)了在風(fēng)浪條件下進行自救，為水上安全救援提供了一種新的解決方式。

本裝置增設(shè)了發(fā)電系統(tǒng)，在風(fēng)浪大的條件下將裝置上下浮動的往復(fù)式運動通過傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)變成回轉(zhuǎn)式運動，從而實現(xiàn)將波浪能轉(zhuǎn)化為電能，為裝置持續(xù)提供電力以滿足續(xù)航。

合理安放內(nèi)部組件，使裝置受力平衡，救生裝置內(nèi)側(cè)增設(shè)氣囊以增大裝置在水中的受力面積，使其浮力和穩(wěn)定性進一步增強，降低被風(fēng)浪掀翻的幾率。搭乘人員可以通過助力機構(gòu)（即推進裝置）輔助人體在水中運動，有助于使用者對方向的把控，避免了觸礁或偏離救援路線等情況發(fā)生，以實現(xiàn)在大風(fēng)浪條件下的自救。

考慮到長期在水中會導(dǎo)致人體失溫、手無力等情況發(fā)生，設(shè)計了供溫系統(tǒng)。使用者利用氣囊中的氣體流動將電器設(shè)備工作時產(chǎn)生的熱量帶到握把處給人體供暖，以維持一定的溫度。

3 設(shè)計內(nèi)容

3.1 基本參數(shù)

新型水上自救裝置的長度為80 cm,寬為75 cm,高為21 cm;蓄電池采用容量為16 000 mA·h,電壓為22.2 V的鋰電池，工作時的溫度為30～40 ℃；照明燈為10 W的LED燈，工作溫度為50～60 ℃。發(fā)電機采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)圓充磁12個極, 表面磁場可達0.19 T以上，采用三相集中繞組。

3.2 工作原理

利用AutoCAD軟件平臺設(shè)計出新型水上自救裝置結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 新型水上自救裝置設(shè)計圖

1）自供電原理。當人員進入救生裝置后，將連接帶的兩端連接起來，打開充氣機構(gòu)給氣囊充氣，這樣氣囊膨脹后可與人體腰部緊密貼合。此時，人體經(jīng)連接帶與本體連接在一起，并且通過本體產(chǎn)生的浮力漂浮在水面上。當本體在水中前進時，波浪沖擊本體，使得本體不斷上下浮動，而內(nèi)部氣囊的浮動相對平緩，這時氣囊與本體并非同步上下浮動，利用兩者浮動的相對位置差來帶動連接兩者的連接帶和連桿運動，此時，本體內(nèi)的偏轉(zhuǎn)盤經(jīng)連桿帶動而發(fā)生轉(zhuǎn)動，偏轉(zhuǎn)盤帶動樞軸，樞軸經(jīng)傳動機構(gòu)驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動發(fā)電，即通過連接桿、轉(zhuǎn)盤、樞軸、傳動機構(gòu)等機械結(jié)構(gòu)將本體上下的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變成帶動電動機轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)運動，帶動發(fā)電機運作產(chǎn)生電能，進而實現(xiàn)了將波浪能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑O(shè)計要求，使得裝置具有了一定的續(xù)航能力[4-5]。發(fā)電流程圖如圖2所示。

圖2 發(fā)電流程圖

2）穩(wěn)定性原理。氣囊充氣后，使氣囊膨脹后緊貼在人體腰部，可以有效避免人與裝置被風(fēng)浪沖散的情況。同時，膨脹后的氣囊一方面體積變大，有助于增大浮力；另一方面增加人體與水面的接觸面積，還由于本體內(nèi)的水流相對平靜，從而顯著提高使用者在水中的穩(wěn)定性，降低使用者被波浪沖翻的幾率。而且本體經(jīng)助力機構(gòu)帶動在水中前進，輔助人體在水中運動，避免偏離路線、觸礁等事故，有助于使用者脫險。

3）自供溫原理。長期在水中會導(dǎo)致人體失溫、手無力。為防止手低溫、無力的情況發(fā)生，使用者按壓橫桿，壓縮復(fù)位彈簧，并使囊體體積減小，囊體經(jīng)排氣管向安裝槽排出空氣；當手松開在橫桿后，復(fù)位彈簧復(fù)原，囊體體積變大恢復(fù)原狀，此時安裝槽內(nèi)的空氣經(jīng)排氣管流進囊體內(nèi)。由于蓄電池和照明燈工作時將產(chǎn)生熱量，該熱量加熱了安裝槽內(nèi)的空氣。因此通過上述過程，將蓄電池和照明燈工作時產(chǎn)生的熱量及時加熱握把，進而為手提供熱量，使手保持一定溫度，同時也使手具有一定的靈活度。而且排氣管經(jīng)排氣單向閥和進氣單向閥分別排氣及吸氣，該結(jié)構(gòu)有效提高安裝槽內(nèi)空氣的流動性[6]。供溫流程圖如圖3所示。

圖3 供溫流程圖

3.3 主要組成部分

1）發(fā)電系統(tǒng)。位于U形本體的中間部位，包括安裝腔里的發(fā)電機及相關(guān)傳動裝置、氣囊、連接帶、助力機構(gòu)。其中發(fā)電主要機構(gòu)具體如圖4所示。

連接帶設(shè)置在本體內(nèi)側(cè)面上，兩端采用脫卸式連接，當兩端連接在一起時，其形狀與人的腰部相匹配。

圖4 發(fā)電機主要機構(gòu)設(shè)計圖

發(fā)電機設(shè)置在本體內(nèi)，其輸出軸與第二齒輪連接，第一齒輪與樞軸連接，兩齒輪嚙合傳動，樞軸上設(shè)有固定的偏轉(zhuǎn)盤，偏轉(zhuǎn)盤上設(shè)有滑槽，滑槽內(nèi)設(shè)置有與連桿一端鉸連的滑塊，偏轉(zhuǎn)盤與連接帶之間設(shè)置有連桿，連桿的一段活絡(luò)連接在偏轉(zhuǎn)盤上，另一端伸出本體外且端部活絡(luò)連接在連接帶上，連接桿活動設(shè)置在本體上。

氣囊設(shè)置在連接帶內(nèi)側(cè)面上，與本體上的充氣機構(gòu)相連，充氣機構(gòu)可給氣囊充氣。

助力機構(gòu)與發(fā)電機電連接，是驅(qū)動本體前進的動力元件，助力機構(gòu)包括蓄電池和兩個泵噴射推進器，推進器設(shè)置在本體尾部與蓄電池電連接。

2）供溫系統(tǒng)。位于本體前端，包括握把裝置、照明燈蓄電池、排氣管、三通管等元件組成。其中握把裝置具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 握把裝置具體結(jié)構(gòu)圖

兩個握把對稱設(shè)置在本體上，內(nèi)部均具有空腔，空腔中設(shè)有與排氣管和安裝槽相連通的囊體，上部均插設(shè)有丁字形活動架，活動架的豎桿一端深入空腔內(nèi)且端部與囊體固定連接，豎桿的另一端伸出握把外且端部與活動架的橫桿固定連接，豎桿上套設(shè)有復(fù)位彈簧，彈簧的一端抵壓在橫桿上。三通管設(shè)置在排氣管伸入安裝槽的一端上，兩個端口分別設(shè)有進排氣單向閥。

3）其他輔助裝置。主要包括折射板、防滑繩、照明燈，照明燈用于照明并提供熱量，折射板放置在照明燈前端，用于折射光線，擴大照明范圍；防滑繩對稱布置在救生裝置本體兩側(cè)，方便溺水人員抓住救生裝置。

4 可行性分析

4.1 結(jié)構(gòu)可行性

救生裝置的部件大都置于裝置的內(nèi)部，質(zhì)量均勻分布，在保證穩(wěn)定性的同時，極大減小了在水中運行的阻力。各部件大多采用螺栓連接固定在救生裝置內(nèi)壁。發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部零件采用機械連接，在一定程度上可以提高傳動效率，方便拆裝；氣囊與本體通過鉸鏈連接，有助于系統(tǒng)及時對裝置的上下浮動做出反應(yīng)，同時也減小了波浪對人體的沖擊。裝置整體結(jié)構(gòu)一體化，連接合理，符合設(shè)計要求。

4.2 技術(shù)可行性

1）續(xù)航能力的分析。本裝置的發(fā)電系統(tǒng)所采用的技術(shù)主要是利用氣囊吸收波浪上下浮動的機械能，通過傳動機構(gòu)驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，即通過本體將波浪能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電原理，只要氣囊與本體有上下的相對運動，就可以實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，有了發(fā)電機的持續(xù)供電，可彌補蓄電池電量耗完的問題，使得自救裝置的續(xù)航能力得到提高，具有一定的技術(shù)可行性。

在5級風(fēng)浪條件下，本體與氣囊相對上下運動的頻率大約是1.8 次/s，傳遞給樞軸的轉(zhuǎn)速n1約為100 r/min，第一齒輪齒數(shù)Z1=60,模數(shù)m1=0.6,第二齒輪齒數(shù)Z2=10,模數(shù)m2=0.6，傳動比i=Z1/Z2=60÷10=6，則n2=600 r/min。發(fā)電機輸出電壓有效值U=WΦn。式中：Ke為電勢系數(shù)；W為每相繞組線圈數(shù)；Φ為每極磁通；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2。通過該公式計算出有效電壓U為1.4 V，該電壓能夠為裝置提供一定的續(xù)航能力[7-8]。

2)抗傾覆能力的分析。通過合理布置內(nèi)部組件，使其重心降低且質(zhì)量分布均勻，并利用氣囊在充氣狀態(tài)下的體積變大來增大裝置與水的接觸面積，以提高穩(wěn)定性。外部本體與內(nèi)部氣囊相結(jié)合的設(shè)計可以減少風(fēng)浪對人體的沖擊。

根據(jù)船舶原理，為保證船舶具有足夠的初穩(wěn)性，初穩(wěn)性高度必須達到一定的數(shù)值范圍，引用在救生裝置上也是如此。適當提高救生裝置的初穩(wěn)性高度，可以增強裝置的穩(wěn)定性，其在風(fēng)浪條件下的抗傾覆能力也會得到增強。為保證裝置具有足夠的初穩(wěn)性，采用了調(diào)整內(nèi)部組件位置降低重心G和增大水線面積AW升高穩(wěn)心M的方法。

初穩(wěn)性高度GM的計算公式為

式中：KM為穩(wěn)心M點距基線高度；KB為浮心B點距基線的高度；KG為重心G點距基線的高度；r為穩(wěn)心半徑。

由平衡方程可知：Mg=F浮=ρ液gV排，其中V排又等于裝置的水線面積AW與吃水高度d的乘積。在裝置載人重力不變的情況下，打開空氣瓶為氣囊充氣，此時裝置的水線面積AW變大、d會變小，即裝置升高，又因為浮心就是被排開流體的重心位置，則浮心的位置會上移，使得KB增大；穩(wěn)心半徑r=I/ ，其中：I為水線面面積對傾軸的面積慣性矩；為排水體積。在氣囊充氣后，水線面積AW變大使得I變大但 不變，此時穩(wěn)心半徑r增大；調(diào)整內(nèi)部組件的位置使重心降低，使得KG減小。兩種措施使得GM適當增加，提高了裝置的抗傾覆能力[9-10]。

3）供熱能力的分析。供熱系統(tǒng)是利用氣囊內(nèi)空氣的流動將蓄電池和燈泡工作時產(chǎn)生的熱量傳遞到握把上，從而實現(xiàn)供熱的原理，將工作元件散發(fā)的熱量合理地利用起來，體現(xiàn)了綠色環(huán)?？沙掷m(xù)的理念。裝置中的蓄電池工作溫度為30～40 ℃，照明燈的工作溫度為50～60 ℃，通過氣囊中的氣體流動將熱量帶到握把處，此時握把的溫度大約為在25 ℃，正好是人體較為適宜的溫度，可以滿足供溫需求。

4.3 經(jīng)濟可行性

該裝置本體可通過模具鑄造，其內(nèi)部系統(tǒng)的組成部件為通用件或標準件，易購得且成本可估算和控制。裝置預(yù)期使用壽命高，維修保養(yǎng)簡單，能耗低，具有經(jīng)濟可行性。

5 結(jié) 語

本文通過分析救生圈在大風(fēng)浪條件下實施救援存在穩(wěn)定性差、續(xù)航能力低、難以操控等問題，從功能需求和解決方案出發(fā)，設(shè)計出了一種能夠利用波浪發(fā)電提供續(xù)航、合理利用蓄電池和照明燈工作產(chǎn)生的熱量進行供暖、增設(shè)氣囊減小波浪對人體的沖擊，并且提高裝置穩(wěn)定性的新型水上自救裝置。介紹了裝置的工作原理和主要組成部件，最后從結(jié)構(gòu)可行性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟可行性三方面進行分析，得出該裝置具有可實現(xiàn)性，能夠為水上救援提供一種新的救生工具。