熊林林，劉士林，李冬清，楊曉琳，李雨航

（佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154000）

0 引言

根據(jù)世衛(wèi)組織公布的數(shù)據(jù)，全球每年死于溺水者達(dá)37.2萬(wàn)人，而中國(guó)這樣的問(wèn)題更加嚴(yán)重。中國(guó)疆域廣闊，水域面積較大，且部分地區(qū)多洪澇災(zāi)害，每年溺水傷亡比比皆是。據(jù)中國(guó)衛(wèi)生部發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)溺水死亡的人數(shù)占非正常死亡人數(shù)的8.77%，每年有57 000 人溺水死亡，僅在2007年全國(guó)溺水死亡的就高達(dá)11.7萬(wàn)人[1]。大家都知道落水救援分秒必爭(zhēng)，在一般情況下，落水者溺水5 min內(nèi)被打撈上岸，有90%的可能性被搶救過(guò)來(lái)，若是溺水5～10 min，則有10%的可能性被搶救過(guò)來(lái)，而若溺水時(shí)間超過(guò)10 min，除非有奇跡，溺水者幾乎無(wú)生還可能?？焖俑咝У木仍梢酝炀仍S多落水者的生命，中國(guó)雖然有龐大的需求市場(chǎng)，但水上救援市場(chǎng)存在救援設(shè)備簡(jiǎn)陋，大多需要施救人員下水救援，下水救援有潛在危險(xiǎn)性，因此需要一款無(wú)需人員下水的高效水上救援的人性化設(shè)備，來(lái)提高水上救援效率[2]。拋投器將救援拋投彈拋出去后，救援彈就不受救援人員控制了，其準(zhǔn)確落點(diǎn)無(wú)法確定，無(wú)法滿足快速精確救援的目的，且現(xiàn)有救生拋投器拋投精度不足，入水后救援拋投彈無(wú)法移動(dòng)修正方位，針對(duì)這些問(wèn)題，本文對(duì)現(xiàn)有水上救生拋投器的拋投救援彈進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，旨在提高救援拋投器的救援效率，使其勝任大部分水上救援任務(wù)，挽救更多落水者的生命以及避免下水施救的潛在危險(xiǎn)性。

1 新型水上救援拋投彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 基本整體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，新型水上救援拋投彈由供能控制模塊、氣囊釋放及充氣模塊和噴水推進(jìn)及轉(zhuǎn)向模塊組成。通過(guò)PTC Creo 軟件采用TOP-DOWN 自頂向下的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出救援拋投彈的各個(gè)功能模塊，并將各個(gè)功能模塊進(jìn)行拆分出來(lái)[3-4]；拋投救援彈外形采用拉長(zhǎng)的水滴型，便于救援彈在水中的移動(dòng)，殼體采用高強(qiáng)度ABS 材料制成，堅(jiān)固耐用，抗一定的沖擊力，且救援拋投彈外殼由多個(gè)殼體以螺紋連接而成以及連接處有密封橡膠環(huán)來(lái)保證連接處的密封性，這樣設(shè)計(jì)，便于更換電池和氣瓶以及便于維修和更換模塊。當(dāng)殼體全部連接好后，拋投彈內(nèi)部的空腔可以保證拋投彈能浮在水面上，并且拋投彈內(nèi)部設(shè)備都位于一側(cè)，可使拋投彈拋入水中永遠(yuǎn)都是另一側(cè)朝上。

圖1 新型水上救援拋投彈

1.2 氣囊釋放及充氣模塊設(shè)計(jì)

氣囊釋放及充氣模塊設(shè)計(jì)如圖2 所示，氣囊材料采用高強(qiáng)度TPU 尼龍材料，擁有足夠的強(qiáng)度，使用救援拋投彈前，將撞擊桿拉到指定的距離后，通過(guò)釋放桿與撞擊桿底部凹槽相互配合鎖定，儲(chǔ)備撞擊撞針的能量。當(dāng)拋投救援彈入水后，并接收到相應(yīng)遙控信號(hào)后，舵機(jī)帶動(dòng)螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放桿隨著螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)而下降，解除與撞擊桿的鎖定狀態(tài)，拉簧的彈力轉(zhuǎn)化為撞擊桿的撞擊撞針的動(dòng)力，撞針受到撞擊刺破氣瓶瓶口，二氧化碳?xì)馄績(jī)?nèi)的液體二氧化碳迅速汽化，汽化后的二氧化碳高壓氣體快速為氣囊充氣[5]，氣囊膨脹并將拋棄殼頂開，以此實(shí)現(xiàn)氣囊釋放及充氣的功能，為落水者提供浮力，保證落水者在等待下一步救援時(shí)能在水面上正常呼吸。

圖2 氣囊釋放及充氣模塊

1.3 噴水推進(jìn)及轉(zhuǎn)向模塊設(shè)計(jì)

如圖3 所示，噴水推進(jìn)及轉(zhuǎn)向模塊由推進(jìn)部分和轉(zhuǎn)向部分構(gòu)成。電機(jī)采用40 A無(wú)刷電機(jī)，功率為300 W，電機(jī)KV值為3 500 kV，轉(zhuǎn)向舵機(jī)采用9 g全金屬舵機(jī)，扭矩為4.6 kg/cm，速度為0.09 s/60°，工作電壓為4.8～6 V；通過(guò)無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)槳葉高速運(yùn)轉(zhuǎn)將水從船底孔吸入，經(jīng)舷部管子把水錐形的直流噴口高速噴出，靠水的反作用力來(lái)推進(jìn)拋投救援彈，以此為救援拋投彈在水中前進(jìn)提供所需的動(dòng)力。通過(guò)轉(zhuǎn)向舵機(jī)、轉(zhuǎn)向?qū)U、直齒圓錐齒輪的相互配合控制高速噴出的水流噴出方向，從而改變救援彈的移動(dòng)方向。推進(jìn)部分與轉(zhuǎn)向部分相互配合，可將救援拋投彈準(zhǔn)確無(wú)誤地送達(dá)到落水者身前，極大提高了落水救援的成功率[6-7]。

圖3 噴水推進(jìn)及轉(zhuǎn)向模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 供能控制模塊設(shè)計(jì)

救援拋投彈的控制系統(tǒng)如圖4所示?？刂颇K采用PWM/SBUS雙信號(hào)、6通道2.4 G無(wú)線設(shè)備作為無(wú)線控制的核心，可保證無(wú)線遙控?fù)碛锌垢蓴_能力，該遙控設(shè)備有效遙控距離在800 m以內(nèi)，可以滿足大部分水上救援任務(wù)。救援拋投彈的所有功能模塊均受無(wú)線遙控設(shè)備的控制，通過(guò)2.4 G無(wú)線遙控設(shè)備可以控制拋投彈在水中的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向、以及氣囊的充氣釋放，通過(guò)各個(gè)功能模塊的相互配合來(lái)救援落水者；電源模塊采用一塊2 300 mAh_3S_11.1V_25.5 Wh 的聚合物鋰電池供電，為系統(tǒng)各個(gè)部分供電，可滿足絕大部分距離下的救援任務(wù)[8]。

圖4 救援拋投彈的控制系統(tǒng)框圖

2 新型救援拋投彈工作流程

新型救援拋投彈的工作流程如圖5 所示，根據(jù)落水者離岸邊的遠(yuǎn)近，選擇拋投方式。救援近岸落水者，采用手拋的形式將救援彈拋到落水者附近，通過(guò)救援彈上電機(jī)和舵機(jī)的配合將救援彈送到落水者面前，該模式下不用打開氣囊，救援彈外殼上掛有救援繩，落水者抓住救援繩，被岸邊的救援人員拉上岸。若距離較遠(yuǎn)且在安全繩的長(zhǎng)度范圍之內(nèi)，可以通過(guò)氣動(dòng)拋投器進(jìn)行遠(yuǎn)距離拋投救援彈，當(dāng)救援拋投彈入水后，岸上的施救者在通過(guò)無(wú)線遙控裝置，利用救援拋投彈的推進(jìn)及轉(zhuǎn)向模塊進(jìn)行方位修正，將救援拋投彈遙控到落水者面前，再遠(yuǎn)程遙控打開氣囊釋放及充氣裝置，為氣囊充氣，落水者抓住氣囊可使落水者浮在水面上，保持落水者的有效呼吸，然后通過(guò)救援拋投彈外掛的救援繩，將落水者拉回岸邊，以此達(dá)到快速精準(zhǔn)救援目的，也避免了施救者下水救援的危險(xiǎn)性。

圖5 救援流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)疆域廣闊，水域面積較大，且南方地區(qū)多降雨，易引發(fā)洪澇災(zāi)害，導(dǎo)致溺水事件頻繁發(fā)生，而落水救援卻十分困難且具有一定的危險(xiǎn)性，為了解決此問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有救援設(shè)備的缺點(diǎn)，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。本文針對(duì)現(xiàn)有救生拋投彈拋投到水后無(wú)法進(jìn)行方位修正，可靠性不高、救援難度大等問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有救援拋投彈進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，從而研發(fā)一款新型救生設(shè)備，該設(shè)備適用于不同距離下的水上救援任務(wù)。該款救生設(shè)備是在現(xiàn)有救生拋投器的基礎(chǔ)上，對(duì)原有救援拋投彈進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，使救援拋投彈在拋射到水中后，仍然具有方位修正的能力，以此提高救援的效率以及成功率，使落水者能夠得到及時(shí)的救援，挽救落水者生命安全，避免了施救人員不必要傷亡，能夠勝任絕大部分水上救援任務(wù)。該設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，且制作成本較為低廉，原理簡(jiǎn)單，容易上手，可大規(guī)模推廣，有很好的應(yīng)用前景。