机械创新设计大赛全国一等奖说明书

第四届全国大学生机械创新设计大赛决赛参赛作品

多功能救灾背包设计说明书

设计者：杨凯，徐超，张恩，吴刚亮，杨飞

指导教师：朱育权，万宏强 西安工业大学机电学院

2010年10月

多功能救灾背包

设计者：杨凯，徐超，张恩，吴刚亮，杨飞

指导教师：朱育权，万宏强

（西安工业大学 机电工程学院，西安710032）

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。

联系人：万宏强

联系电话：[1**********] EMAIL：[email protected]

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

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

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。其优点在于将所有布整合为一体连接在框架上，易于操作，便于携带，并且为帐篷加厚了底面，使其更加舒适。缺点是结构较为复杂。

综合考虑，采用方案二。

图6 方案一

左图红圈中布体折叠方法示意图

图7 方案二

3 理论设计计算

3.1总体尺寸设计

此作品最大特点在于背包、担架、帐篷三种状态之间的转换，因此只有设计好各状态的结构尺寸才能合理、协调的实现其功能。

（1）背包外形尺寸：

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。

（2）担架外形尺寸：

根据市场主流担架尺寸，担架的长度取200cm，两端各留出10cm的距离供人手抓握，因而担架实际承载布面长度为180cm。

（3）帐篷外形尺寸：

根据市场主流三人帐篷尺寸，帐篷底面边长取2m×1.8m，高145cm。 （4）结构协调尺寸：

为了满足三种状态之间的转换，各部分的尺寸取值如图８所示。

图8 金属框架结构尺寸示意图

3.2强度与刚度校核

此作品对背包与帐篷的强度设计没有特别要求，必然满足使用条件。担架设计载重120kg，我们参考了市场上性能类似担架的选材，并结合此作品的结构及设计要求对承重管件进行了校核（图9）。

担架杆

120kg

图9 担架承重模拟示意图

3.2.1担架杆强度校核

担架框架上，限位铰链和伸缩管的选材强度远大于担架的管材，就承重而言，担架框架可简化为两根1976mm的长直管，担架承载布面受力可视为受均布载荷。

担架杆的受力可以简化为如下简支梁模型，其中L1760mm。

已知：担架杆的材料为铝合金6070，屈服强度s276Mpa，弹性模量E70Gpa，取安全系数s1.2，担架杆的外径为28mm，内径为24mm，设计承受最大重量为120kg，受力如图10所示。

图10 担架杆受力图

（１）计算最大工作载荷 担架承受最大的载荷

Gmg12010N1200N

单根担架杆承受的最大载荷 G1200FN600N

22均布载荷 F600N

q340.91

L1.76

（２）计算支座反力 由载荷的对称性可知：

F600

FRAFRBN300Ｎ

22

（３）计算剪力F和弯矩M （（sx）sx）剪力Fs(x)FRAqx

1弯矩Ms(x)FRAxqx2

2

（４）画出剪力图和弯矩图如图11所示。

图11 担架杆剪力、弯矩图

（５）计算最大弯曲正应力 对Z轴的惯性矩

d428424

Iz[1()][1()4]1.39104mm4

64D6428

D4

抗弯界面系数

Iz1.39104

Wmm3992.86mm3

ymax14最大弯曲正应力 M132

maxmaxpa132.94Mpa

W992.86109

（６）校核担架杆的强度 许用弯曲应力

s276Mpa230Mpa

s1.2

显然max[]，满足强度要求。

3.2.2担架杆的刚度计算

由以上简化模型可知，在担架承受最大载荷状态下的最大变形量（挠度）为：

5qL45340.911.764

max0.044m4.4cm 32

384EIz38470101.3910

由此，担架的最大弯曲变形为4.4cm，并且出现在担架杆的中心位置，完全满足使用要求。

3.3部分工程图

图12 开和装置外套 图14 卡环

图13 开和装置内套

图15 挡圈

4 工作原理及性能

4.1工作原理

下面对背包变为担架，再变为帐篷的过程予以说明。

（1）如图16为背包状态。黑色的带子为固定带，背包状态时可约束包体，担架状态可固定伤员。

（2）揭开背包盖，打开侧连接机构(图17)，揭开背包两侧的粘扣，展开背包，变为担架（图18）。这时侧连接机构为担架的四个支座，如图19所示。

图16 背包

图17 侧连接机构

图18 担架

图19 担架支座

（3）翻转担架，将侧连接机构扭转90°与地面平行，用于帐篷和地面的固定。

（4）取出折叠干，翻起帐篷包（图20），打开两端的螺纹开合装置（图21），将担架分为两部分， 揭开粘扣，向两侧拉开担架，如图22所示。

图20 帐篷包

图21 开合装置

图22 拉开担架

（5）铺开帐篷，与担架地面用拉链拉合。接好两根折叠杆，插入四个角框架上的圆孔中，如图23所示。

图23 帐篷折叠杆安装图

（6）拉起帐篷布体，与折叠杆绑定，及变为帐篷，如图24所示。

图24 帐篷

4.2性能

（1）背包宽50cm，高70cm，厚30cm，自重约8kg，设计容量90L。

（2）担架长200cm，承载布面长180cm，宽50cm，设计承重120kg。

（3）帐篷底面边长为2m×1.8m，高145cm，可容纳三人居住。

5 实物照片

背包、担架和帐篷实物图分别见图25-27。

图25 背包

图26 担架

图27 帐篷

6 创新点及应用

6.1创新点

1）将与救援、避难有关的三件设备巧妙的结合了起来，独立解决了救灾过程中的一系列问题。

2）四折叠可分离框架结构、侧连接机构、开合装置的创新设计。

3）采用时间分离原理的设计及布置，实现了侧连接机构、帆布、固定带在不同状态下的不同功能。

6.2应用

此多功能救灾背包可大批量库存。地震、洪水、山崩、泥石流等自然灾害发生时，可集成放入卧具、食品、药品，供救援人员使用。可以解决灾后中小规模的物资运输、被困灾民的医疗救治、伤员的转移，以及被困灾民的住宿这一系列问题。

除救灾外还可用于几个人的户外徒步旅行。

此背包重量轻、制造容易、使用方便，单件制造成本为480元，批量化生产成本还可降低，有良好的市场前景。

参考文献

[1] 濮良贵，纪名刚. 机械设计.北京：高等教育出版社.2006

[2] 张占新．材料力学．西安：西北工业大学出版社．2005

[3] 于永泗，齐民．机械工程材料．大连：大连理工大学出版社．2007

[4] 机械设计手册编委会．机械设计手册．北京：机械工业出版社．2005

[5] 大连理工大学工程图学教研室．机械制图（第六版）．北京：高等教育出版社．2007

第四届全国大学生机械创新设计大赛决赛参赛作品

多功能救灾背包设计说明书

设计者：杨凯，徐超，张恩，吴刚亮，杨飞

指导教师：朱育权，万宏强 西安工业大学机电学院

2010年10月

多功能救灾背包

设计者：杨凯，徐超，张恩，吴刚亮，杨飞

指导教师：朱育权，万宏强

（西安工业大学 机电工程学院，西安710032）

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。

联系人：万宏强

联系电话：[1**********] EMAIL：[email protected]

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

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

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。其优点在于将所有布整合为一体连接在框架上，易于操作，便于携带，并且为帐篷加厚了底面，使其更加舒适。缺点是结构较为复杂。

综合考虑，采用方案二。

图6 方案一

左图红圈中布体折叠方法示意图

图7 方案二

3 理论设计计算

3.1总体尺寸设计

此作品最大特点在于背包、担架、帐篷三种状态之间的转换，因此只有设计好各状态的结构尺寸才能合理、协调的实现其功能。

（1）背包外形尺寸：

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。

（2）担架外形尺寸：

根据市场主流担架尺寸，担架的长度取200cm，两端各留出10cm的距离供人手抓握，因而担架实际承载布面长度为180cm。

（3）帐篷外形尺寸：

根据市场主流三人帐篷尺寸，帐篷底面边长取2m×1.8m，高145cm。 （4）结构协调尺寸：

为了满足三种状态之间的转换，各部分的尺寸取值如图８所示。

图8 金属框架结构尺寸示意图

3.2强度与刚度校核

此作品对背包与帐篷的强度设计没有特别要求，必然满足使用条件。担架设计载重120kg，我们参考了市场上性能类似担架的选材，并结合此作品的结构及设计要求对承重管件进行了校核（图9）。

担架杆

120kg

图9 担架承重模拟示意图

3.2.1担架杆强度校核

担架框架上，限位铰链和伸缩管的选材强度远大于担架的管材，就承重而言，担架框架可简化为两根1976mm的长直管，担架承载布面受力可视为受均布载荷。

担架杆的受力可以简化为如下简支梁模型，其中L1760mm。

已知：担架杆的材料为铝合金6070，屈服强度s276Mpa，弹性模量E70Gpa，取安全系数s1.2，担架杆的外径为28mm，内径为24mm，设计承受最大重量为120kg，受力如图10所示。

图10 担架杆受力图

（１）计算最大工作载荷 担架承受最大的载荷

Gmg12010N1200N

单根担架杆承受的最大载荷 G1200FN600N

22均布载荷 F600N

q340.91

L1.76

（２）计算支座反力 由载荷的对称性可知：

F600

FRAFRBN300Ｎ

22

（３）计算剪力F和弯矩M （（sx）sx）剪力Fs(x)FRAqx

1弯矩Ms(x)FRAxqx2

2

（４）画出剪力图和弯矩图如图11所示。

图11 担架杆剪力、弯矩图

（５）计算最大弯曲正应力 对Z轴的惯性矩

d428424

Iz[1()][1()4]1.39104mm4

64D6428

D4

抗弯界面系数

Iz1.39104

Wmm3992.86mm3

ymax14最大弯曲正应力 M132

maxmaxpa132.94Mpa

W992.86109

（６）校核担架杆的强度 许用弯曲应力

s276Mpa230Mpa

s1.2

显然max[]，满足强度要求。

3.2.2担架杆的刚度计算

由以上简化模型可知，在担架承受最大载荷状态下的最大变形量（挠度）为：

5qL45340.911.764

max0.044m4.4cm 32

384EIz38470101.3910

由此，担架的最大弯曲变形为4.4cm，并且出现在担架杆的中心位置，完全满足使用要求。

3.3部分工程图

图12 开和装置外套 图14 卡环

图13 开和装置内套

图15 挡圈

4 工作原理及性能

4.1工作原理

下面对背包变为担架，再变为帐篷的过程予以说明。

（1）如图16为背包状态。黑色的带子为固定带，背包状态时可约束包体，担架状态可固定伤员。

（2）揭开背包盖，打开侧连接机构(图17)，揭开背包两侧的粘扣，展开背包，变为担架（图18）。这时侧连接机构为担架的四个支座，如图19所示。

图16 背包

图17 侧连接机构

图18 担架

图19 担架支座

（3）翻转担架，将侧连接机构扭转90°与地面平行，用于帐篷和地面的固定。

（4）取出折叠干，翻起帐篷包（图20），打开两端的螺纹开合装置（图21），将担架分为两部分， 揭开粘扣，向两侧拉开担架，如图22所示。

图20 帐篷包

图21 开合装置

图22 拉开担架

（5）铺开帐篷，与担架地面用拉链拉合。接好两根折叠杆，插入四个角框架上的圆孔中，如图23所示。

图23 帐篷折叠杆安装图

（6）拉起帐篷布体，与折叠杆绑定，及变为帐篷，如图24所示。

图24 帐篷

4.2性能

（1）背包宽50cm，高70cm，厚30cm，自重约8kg，设计容量90L。

（2）担架长200cm，承载布面长180cm，宽50cm，设计承重120kg。

（3）帐篷底面边长为2m×1.8m，高145cm，可容纳三人居住。

5 实物照片

背包、担架和帐篷实物图分别见图25-27。

图25 背包

图26 担架

图27 帐篷

6 创新点及应用

6.1创新点

1）将与救援、避难有关的三件设备巧妙的结合了起来，独立解决了救灾过程中的一系列问题。

2）四折叠可分离框架结构、侧连接机构、开合装置的创新设计。

3）采用时间分离原理的设计及布置，实现了侧连接机构、帆布、固定带在不同状态下的不同功能。

6.2应用

此多功能救灾背包可大批量库存。地震、洪水、山崩、泥石流等自然灾害发生时，可集成放入卧具、食品、药品，供救援人员使用。可以解决灾后中小规模的物资运输、被困灾民的医疗救治、伤员的转移，以及被困灾民的住宿这一系列问题。

除救灾外还可用于几个人的户外徒步旅行。

此背包重量轻、制造容易、使用方便，单件制造成本为480元，批量化生产成本还可降低，有良好的市场前景。

参考文献

[1] 濮良贵，纪名刚. 机械设计.北京：高等教育出版社.2006

[2] 张占新．材料力学．西安：西北工业大学出版社．2005

[3] 于永泗，齐民．机械工程材料．大连：大连理工大学出版社．2007

[4] 机械设计手册编委会．机械设计手册．北京：机械工业出版社．2005

[5] 大连理工大学工程图学教研室．机械制图（第六版）．北京：高等教育出版社．2007