水上单人救生装置设计说明书

水上单人救生装置设计说明书

设计者：尤佳，王晶，田文娟

（淄博职业学院机电工程系，淄博255314）

作品内容简介

本装置用于发生洪水时人员落水后的救生工作。该装置采用遥控操作，主要由船体、控

制系统、动力系统、传动系统、执行系统组成，体积小，结构简单，运动灵活。动力部分采用蓄电池，由电动机带动螺旋桨转动，实现装置的运动。执行部分主要是压缩救生圈的抛投装置，主要由压缩气囊（救生圈）、微型气泵、电动机、变速箱和开关构成。控制部分采用四通道的无线电遥控器。装置配有夜间照明灯，可执行夜间救援工作。在洪灾发生或者是有人落水且救援人员不易接近进行施救的情况下，通过操纵控制手柄使本装置游向落水者，接近后，操纵人员便可按下开关，使装置壳体内的弹力装置向落水者抛出救生圈，并可人为控制施救人员和落水者之间的位置和距离。救生圈和装置之间有绳索进行联接，当落水者抓住救生圈后，装置可在救援人员的遥控操作下拖着落水者靠岸。本装置能节省落水者的体力，在被救者体力不支时将其顺利救上岸，同时也保证了施展救援人员的安全。

联系人：尤佳 联系电话：15269332276 EMALL：asdfggfdsa567@sina.com

摘要：在洪水灾害中，落水人员的救助是一件困难的事情，有时会伤害到施救人员。本救生装置采用接受器接收施救人员发出的控制信号，连接减速箱的电动机旋转，使救生装置靠近被救人员。电机带动减速箱转动，微型气泵同时启动。减速箱变速，并通过轴将动力传递给击打衔铁，衔铁触动开关，救生圈通过下方处于压缩状态下弹簧弹力的作用，抛射到落水人员附近。落水人员抓住救生圈，由救生装置带到岸边，从而获救。采用遥控装置避免了施救人员与落水者的身体接触，提高了安全性能。

1 研制背景及意义

我国南方夏季多雨，1998年发生了历史上罕见的洪水灾害，特别是长江流域，发生了1954年以来又一次全流域型的大洪水，东北的嫩江和松花江也出现了特大洪水。洪水不仅造成了1600多亿元的经济损失，还夺走了很多人的生命。我们知道洪水后救援是一个要求快速反应

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的工作，因此我们需要的是尽快地实施搜索和营救。但在洪水中进行施救又是非常困难和危险的，且现在的救生装置大都是一些救生筏和救生快艇，体积庞大，重量很重，难以搬运，且需要救援人员在船上操作，加大了救援人员的危险。于是我们就想设计一种灵巧轻便，便于搬运的救生装置，且最好是无人操作，通过操纵控制手柄就可以对落水人员施展救援。目前中国南方经过大旱后又遭受到暴雨的袭击，本救援装置的设计具有重要的现实意义。

下面介绍国内外关于水上救生装置的研究现状。国际救生协会的目标之一是“寻求最佳的方式和方法救助水上遇难生命，对明显溺水者进行抢救和紧急处理” 和“教授救生方法并确立对于水上救生技巧和实施方法教育的交流”。这一目标促进了救生技术的发展。经过长期的救生技术的演变，逐渐形成了一套合理、可行的救生技术体系，在营救的过程中得到体现。一次营救过程就是救生技术操作的完整运用过程，主要包括4大步骤。首先是观察判断，这是营救过程的起点：第二个过程是赴救过程，包括水中赴救和陆上赴救，是观察与判断的延续。经过长期的实践，总结出了救生员可行的水中赴救程序：入水——接近——寻找——解脱——拖带——上岸。第三个过程是急救过程。该过程是上岸后采取的紧急救生措施，主要包括现场急救和脊柱受伤的救护。现场急救一般的步骤是：判断意识——急救体位——打开气道——人工呼吸——人工循环——紧急止血——保护脊柱。脊柱在水环境中是很容易受伤的，国外有资料统计，30％左右的溺水者都有不同程度的脊柱损伤。这也是国外救生技术发展的重点之一。第四过程是报告事件，是在事后对整个过程进行全面的描述，并且要得到现场目击者的证实，将之作为事故处理的法律依据，因此是非常重要的。而国内救生往往忽略了这一过程，在救生教材和培训方面都没有涉及到此项内容

水上救生装备是保证在水域活动者或落水者安全的一种水上防护用品，广泛用于渔业、水上作业、水上运动等活动及海关缉私军队等特殊行业和部门。英、美等国一直致力于水上救生材料的研究和开发，并在技术上处于领先地位。

美、日、俄等国从20世纪60年代末开始研究高强度浮力材料，以用于大洋深海海底的开发事业。目前已研制出可用于6 000 m 的载人潜器，日本已开始研制1万m深的水下机器人。我国对浮力材料的研究起步较晚，青岛海洋化工研究院研制的固体浮力材料可用于1000m的水深，对于6000 m水深的浮力材料研究正在探索实验阶段。水上救生材料的研发历史长，进展缓慢，直到二战中，海上死亡人数惊人，才引起了各国对水上救生材料的重视。

20世纪50年代，英国首先研制出了充气式救生衣，与此同时，美国也开始研究木棉、

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泡沫塑料、玻璃纤维等固体浮力救生衣并比较其优缺点，也研制出了充气救生衣，之后又在结构设计，材料开发方面做了大量研究，取得显著进展。

目前洪水的救援装置水上主要有：冲锋舟、救生筏、救生圈等，岸上救援主要依靠绳索，抛绳器等。这些装备的救援能力都是十分有限的。一般水上救生装备救援能力有限，且不具备高处救生，夜间救生，危险性大。岸上救援装备一般作为辅助救援。

图1 冲锋舟水上施救

冲锋舟又叫帝诺亚冲锋舟或称帝诺亚舸冲锋舟，主要于水上侦察、巡逻、救生等。舟体材料多用玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)、胶合板和橡胶布等。水上多用操舟机驱动，也可用桨划行。 590型冲锋舟，可以承载13人，时速最高可以达到50公里/小时，主要用来在沿海或内河抢险之用，船是双壳体，在满载的情况下，船内注满了水仍然可以继续航行，另一种是“430”型冲锋舟，船身是平底的，主要用于城市内涝。

救生筏是船舶配备的用于紧急情况下脱离危险区域，或从遇难船舶紧急撤离的设施和装备。救生筏平时包装存放在玻璃钢存放筒内，救生筏安装在船舷专用筏架上，可将筏直接抛入水中，救生筏既可自动充胀成形，供遇险人员乘坐。救生筏可以作为普通老百姓自备的一种防灾救生设施。普通救生筏一般为无动力，只能依靠桨或人手前进，速度较慢。

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图2 水上救生筏

2主要功能和性能指标

1. 可实现500米范围内的遥控操作。 2. 在3~5米范围内定位抛射救生圈。

3. 携带一个成年人在水中的最大行进距离大于1000m。 4. 具有一定的抗沉能力和稳定性。

5. 装置采用保护设计，防止伤害被救助人员。

3设计方案

3.1执行系统

执行系统主要是完成对落水人员解救工作。

第一套解决方案我们选择了一种弹性的钩子，这种钩在材料的选择上要求具有一定的弹性和柔韧性，在对落水者施救过程中避免对其造成伤害，此套方案优点的高效快速，能够快速的对落水人员进行营救，缺点是无法使落水者总是处于上浮的状态，落水者有可能溺水。

第二套解决方案是一个无线控制的动力船模型及一个合体救生筏，两者结合为一体，到达预定地点后救生阀充气，此时动力船与救生筏软性连接，不受救生筏状态的影响，即保持最大限度的不倾覆。救生筏经过特殊改装顶部加装刚性装置，如可伸缩钢管，防止其他意外情况对落水人员的伤害，本套救生一体装置可无线控制返航及人力滑行返航适用面广泛。此

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装置设计可承载一到两人

此套方案设计过程中遇到的主要问题的动力船与救生筏的机械结构连接，如何使它们连接到一起并最小程度的减小对动力船航行性能的影响，在到达预定地点后怎样使其分离并软性的连接。

第三套解决方案是由电动机.变速箱.控制开关.弹簧，钢片和压缩的救生圈组成的抛投装置。此装置通过电磁信号控制开启开关，释放压缩救生圈。救生圈产生浮力，托起落水者。人类是经过长久的进化后已经是大部分时间生活于陆地是哺乳动物，很大一部分人是不会游泳的，因此需要额外的浮力使其在特殊状况下生存，这套装置的浮力即产生于救生圈。

电动机选用大功率体积小的，为开关提供足够的力矩。开关装置与一块T字型衔铁，弹簧及击打的铁片组成。开关的支撑面板采用具有一定厚度的塑料板材，击打开关的衔铁由减速箱引出。

压缩的救生圈装在方形的盒子中，盒子通过一块长方体的塑料块与救生装置底部相连，长方体下部有一圆柱形插销插入救生装置底板上的套内。

图3 救生圈抛射装置原理

装置设计过程中的主要问题在于救生圈抛投动作的实现，及抛投方向如何合理的选择。 3.2控制系统

控制系统主要是在现有成熟遥控电路的基础上改装而成。通过遥控手柄发射的电磁信号来控制整个装置的运动和抛投动作的完成。我们采用可以完成四个以上动作的模型电路板，截取其中“后退”这一动作的信号来完成装置抛投动作及充气动作的控制。此方案成本低，易于实现。

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3.3动力系统

第一套动力方案是采用小型内燃机作为整个装置的动力来源，优点是功率大可实现更加快速而有效的救助行动，缺点是对环境有污染，造价较高，不利于大面积的使用和推广。

第二套动力解决方案是由安装在装置下方的电动机和与之相连的螺旋桨构成，此系统为整个装置提供动力，此装置高效，易于实现，我们最终选用此套动力方案。 3.4传动系统

装置的传动系统主要由减速箱及数根轴组成，减速箱设计为齿轮传动，传动比依据电动机转速确定。齿轮材料选择普通钢或塑料亦可，减速箱为四级传动。 3.5总体方案如图

总体设计中主要的问题在船体稳定性方面，若使用普通单体船型，在落水人员抓住救生装置后产生晃动的话，装置动力会损失，或者整个装置会有倾覆的危险，我们查阅资料后决定使用这种双体船，这种船体的稳定性好，抗沉性佳。

关于装置实物尺寸，我们的设计为浮筒长在350mm左右。

图4 水上救生装置整体布局图

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图5 三维效果图

4理论设计计算

M（力矩）=F.S

5工作原理及性能分析

施救人员在岸上或者其他大型船舶上通过遥控手柄控制救生装置的运动方向，方向有三个即“前进、左转、右转”，到达被救者周围后，装置停止运动，此装置设计为可视范围内，由于水流，风力及其他外界因素的影响，装置定位精度有限，因此需要施救者判断救生装置到达后救生圈释放位置和时间。

按下遥控手柄上的充气救生圈释放按钮，救生装置上的接受器接受到控制信号，连接减速箱的电动机旋转，带动减速箱转动，微型气泵同时启动。减速箱变速，并通过轴将力传递给击打衔铁，衔铁触动开关，此过程中需克服开关上弹簧弹力及摩擦力压缩救生圈通过下方处于压缩状态下弹簧弹力的作用，被抛射出去，在这个过程中微型气泵对救生圈进行充气。 待救生圈完全打开后，对装置进行位置调整，使被救人员抓住充气气囊，然后通过自带动力将被救人员拉向岸边。水上救援任务完成，采用遥控装置避免了施救人员与落水者的身体接触，提高了安全性能。

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图6 救生圈抛射工作图

6创新及应用

1）体积小，重量轻，救生效率较高。

2）操作和控制简便，任何工作人员很容易地使用它。

3）采用遥控装置避免了施救人员与落水者的身体接触，提高了安全性能。

4）目前南方大部分地区突降骤雨，必要的救生设备有限且不方便，大部分救生装置都需要改进，因此应用前景很广。

参考文献

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[2] 赵小峰. 便携式水上个人救生装置，中国专利：CN200520101911，1992.2

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2kf3.html