机械创新设计大作业之救灾背包设计剖析

机械创新设计

题目：多功能救灾背包设计

学院：机电工程

专业：机械设计制造及其自动化

目录

摘要 (3)

1.研制背景及意义 (3)

2.设计方案

a)总体设计构想 (4)

b)金属框架方案比较

c)背包侧连接机构方案比较 (5)

d)背包与担架布体方案比较

3.理论设计计算

a)总体尺寸设计 (7)

b)强度与刚度校核 (8)

4.工作原理及性能

a)工作原理 (11)

b)性能 (14)

5.创新点及应用 (15)

6.参考文献 (16)

摘要：以便捷、实用、高效的解决救灾过程中的运输、医疗救治、住宿、饮食问题的设备为研究对象。提出了一种可分离的四折叠框架结构，再巧妙地配以折叠帆布和帐篷，便制成了一种可运输物资又可变为担架、帐篷的背包。实验结果表明，该设备工作稳定，性能可靠，功能实现效果良好。

关键词：背包；担架；帐篷；多功能；救援避难

作品内容简介

本作品跟据本届机械创新设计大赛的主旨要求而设计，属于“救援、避难类机械”。此背包主体为金属框架结构，宽50cm，厚30cm，高70cm，净重8kg。背包状态可用来运送物资。卸下物品后开启侧连接机构，展开背包变为担架，担架长200cm，宽50cm。翻转担架并开启开合装置，揭开粘扣，向两侧拉开担架，拉出帐篷与担架布面结合，再由折叠杆撑起即变为帐篷，底面边长2m×1.8m，高145cm，可容纳三人居住。

此背包设计容量90L，内装供三人三天使用的食物，饮用水及药品。再放入轻薄的防潮垫和三个睡袋以结合帐篷使用。这样每个背包就可解决三个人灾后三天内的基本生存问题，还可用担架将受伤严重的人抬出至附近的基站救治。

1 研制背景及意义

在像玉树地震、舟曲泥石流等这类自然灾害发生时，由于道路损毁、大型救援设备数量不足，都会造成很多民众被困重灾区。短期内面临没有食物、饮用水、药品以及住所等问题。没有大型设备的帮助，到达灾区外围的士兵往往没有高效的救援方法，而是以人力一次又一次的向灾区运送单一物资，很难满足灾民短期生存的多种需求。对于这类自然灾害救援过程中存在的问题我们应当考虑如下几点：

1）运送的物资应当具有集成性，以便于之前的统一生产、调配与运输；

2）送入灾区的设备应当尽可能多的解决灾民所面临的各种基本困难，如温饱、住宿以及医疗救治问题；

3）送入灾区的设备除了消耗品外可以反复再利用。

此多功能救灾背包旨在解决灾难刚过，大型救援设备到来前的几天内灾民面临的各种基本困难。它平时可大批量库存，当灾难发生，有民众被困且短时间无法解救时，可将食物和饮用水、医药用品、三个睡袋及防潮垫分别打包，把他们全部装进背包。此背包由救援部队士兵徒步背入灾区（特殊情况可加装降落伞采用空投方式），卸下物品后可将背包变形为三人帐篷，每个背包内的物品则是供给这三人使用的。这样每个背包就可解决三个人灾后两三天内的基本生存问题。如果有需要，还可将背包变形为担架将受伤严重的人抬出至附近的基站救治。

2 设计方案

2.1总体设计构想

为了实现背包的容纳功能与担架的承载功能，背包与担架共用同一金属框架。背包要求金属框架可折叠，担架要求金属框架水平时只能单向折叠。为了使帐篷便于和各种地面固定，担架采用了两端可开合的结构，可将帐篷折叠杆固定在分开的担架框架的四个角上，这样借助担架框架的重量，即使不用地钉帐篷也不会被风吹走。

2.2金属框架方案比较

为了使人背负舒适，背包应上不过颈、下不过臀，故背包高度取60~70cm。再根据成年人的负重能力及美观角度考虑，背包厚度取30cm。背包的宽度即担架的宽度，故综合较大的背包宽度尺寸、较小的担架宽度尺寸，定为50cm。根据市场主流担架尺寸，担架的长度取200~210cm。由此产生以下两种方案：

方案一（图1）采用了三对限位铰链来实现担架的折叠，采用了一对30cm 的伸缩机构来降低担架变为背包时的高度。此结构担架长度较长，为210厘米，便于躺人。背包高度较低，易于背运。但结构较复杂，不以制造和使用。

方案二（图2）采用了三对限位铰链来实现担架的折叠，这样背包状态的高度有所增加变为70cm，担架的长度也有所减小，变为200cm，基本不影响背包和担架的使用。结构大大简化，制造容易，使用方便。

综合考虑，采用方案二。

图1 方案一图2 方案二

2.3背包侧连接机构方案比较

担架折叠为背包后需要一装置将前后框架连接，如图3红圈处，由此我们设计了侧连接机构。

图3 前后框架连接位置

方案一（图4）中，左右框架采用扁钢折成的矩形框加装可转动的U型弹簧销连接，借助框架管上带卡槽的套管，矩形框便可绕框架径向转动。这样变为帐篷时转动矩形框与地面平行，帐篷便可稳定置于地面。此方案结构较为简单，制造容易，但实验发现背包倾斜时U型弹簧销会脱出，结构不够可靠。

方案二（图5）与方案一类似，但上下都加装了U型弹簧销，中间采用拉簧连接。此方案制造稍费时间，但结构可靠。

综合考虑，采用方案二。

图4 方案一

图5 方案二

2.4背包与担架布体方案比较

背包与担架共用同一布体，由于担架变形为帐篷时需要拉伸担架，这样就产生了两种布体的设计，可拆卸式和折叠式。

方案一（图6）布体采用可拆卸式，周围伸出的布块带有粘扣。背包与担架状态布体用粘扣与框架连接，变形帐篷时需卸下布体。其优点在于布体结构简单，轻便。缺点是用粘扣连接承载强度低，由于要拆卸，一体化程度差，不方便携带。

方案二（图7）布体采用折叠式，周围伸出的布块绕过框架管与自身相逢合。背包与担架布体为折叠状态，变形帐篷时展开布体，与帐篷底面相连。其优点在