新型水上自救裝置設計

李永平, 王帥軍, 潘震, 高超楠, 田智齊

（浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山316022）

0 引 言

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

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

1 現有救生圈存在的問題

救生圈是現代水上救援設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重要的作用。現有救生圈主要存在的問題如下[2-3]。

1）續航能力低。對于傳統的救生圈而言，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、環境惡劣的條件下，電池耗能嚴重，會出現救援途中電量供應不足讓溺水人員再次陷入危險的局面。

2）穩定性差。在大風浪條件下，救生圈會出現難以操控、偏離救援路線、失控觸礁、被風浪掀翻等情況，導致救援事故的發生。

3）人體易失溫。無論是傳統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 設計思路

2.1 功能需求分析

針對現有救生圈存在續航能力低、穩定性差、易致使人體失溫等問題，本文設計了一種新型水上自救裝置，對其功能的需求分析如下：1）針對續航能力低的問題，救生裝置應設有發電裝置，收集并利用波浪和人體運動的能量，通過某種機械結構將往復運動轉化為使電動機發電的回轉式運動，使得電動機發電為裝置的運行提供充足的電力。2）救生裝置的內部組件結構需合理布置，使得裝置具有較高的穩定性，裝置的操作能力和抗傾覆能力需要進一步加強。3）救生裝置需要設計一個供溫系統，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生。

2.2 解決方案

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

本裝置增設了發電系統，在風浪大的條件下將裝置上下浮動的往復式運動通過傳動機構轉變成回轉式運動，從而實現將波浪能轉化為電能，為裝置持續提供電力以滿足續航。

合理安放內部組件，使裝置受力平衡，救生裝置內側增設氣囊以增大裝置在水中的受力面積，使其浮力和穩定性進一步增強，降低被風浪掀翻的幾率。搭乘人員可以通過助力機構（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生，以實現在大風浪條件下的自救。

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

3 設計內容

3.1 基本參數

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 ℃。發電機采用外轉子結構形式，內圓充磁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軟件平臺設計出新型水上自救裝置結構，如圖1所示。

圖1 新型水上自救裝置設計圖

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，人體經連接帶與本體連接在一起，并且通過本體產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，本體內的偏轉盤經連桿帶動而發生轉動，偏轉盤帶動樞軸，樞軸經傳動機構驅動發電機轉軸轉動發電，即通過連接桿、轉盤、樞軸、傳動機構等機械結構將本體上下的往復運動轉變成帶動電動機轉動的回轉運動，帶動發電機運作產生電能，進而實現了將波浪能轉變為電能的設計要求，使得裝置具有了一定的續航能力[4-5]。發電流程圖如圖2所示。

圖2 發電流程圖

2）穩定性原理。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，還由于本體內的水流相對平靜，從而顯著提高使用者在水中的穩定性，降低使用者被波浪沖翻的幾率。而且本體經助力機構帶動在水中前進，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。長期在水中會導致人體失溫、手無力。為防止手低溫、無力的情況發生，使用者按壓橫桿，壓縮復位彈簧，并使囊體體積減小，囊體經排氣管向安裝槽排出空氣；當手松開在橫桿后，復位彈簧復原，囊體體積變大恢復原狀，此時安裝槽內的空氣經排氣管流進囊體內。由于蓄電池和照明燈工作時將產生熱量，該熱量加熱了安裝槽內的空氣。因此通過上述過程，將蓄電池和照明燈工作時產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。而且排氣管經排氣單向閥和進氣單向閥分別排氣及吸氣，該結構有效提高安裝槽內空氣的流動性[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）發電系統。位于U形本體的中間部位，包括安裝腔里的發電機及相關傳動裝置、氣囊、連接帶、助力機構。其中發電主要機構具體如圖4所示。

連接帶設置在本體內側面上，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 發電機主要機構設計圖

發電機設置在本體內，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，樞軸上設有固定的偏轉盤，偏轉盤上設有滑槽，滑槽內設置有與連桿一端鉸連的滑塊，偏轉盤與連接帶之間設置有連桿，連桿的一段活絡連接在偏轉盤上，另一端伸出本體外且端部活絡連接在連接帶上，連接桿活動設置在本體上。

氣囊設置在連接帶內側面上，與本體上的充氣機構相連，充氣機構可給氣囊充氣。

助力機構與發電機電連接，是驅動本體前進的動力元件，助力機構包括蓄電池和兩個泵噴射推進器，推進器設置在本體尾部與蓄電池電連接。

2）供溫系統。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構如圖5所示。

圖5 握把裝置具體結構圖

兩個握把對稱設置在本體上，內部均具有空腔，空腔中設有與排氣管和安裝槽相連通的囊體，上部均插設有丁字形活動架，活動架的豎桿一端深入空腔內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，豎桿上套設有復位彈簧，彈簧的一端抵壓在橫桿上。三通管設置在排氣管伸入安裝槽的一端上，兩個端口分別設有進排氣單向閥。

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，方便溺水人員抓住救生裝置。

4 可行性分析

4.1 結構可行性

救生裝置的部件大都置于裝置的內部，質量均勻分布，在保證穩定性的同時，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壁。發電系統內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，有助于系統及時對裝置的上下浮動做出反應，同時也減小了波浪對人體的沖擊。裝置整體結構一體化，連接合理，符合設計要求。

4.2 技術可行性

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

在5級風浪條件下，本體與氣囊相對上下運動的頻率大約是1.8 次/s，傳遞給樞軸的轉速n1約為100 r/min，第一齒輪齒數Z1=60,模數m1=0.6,第二齒輪齒數Z2=10,模數m2=0.6，傳動比i=Z1/Z2=60÷10=6，則n2=600 r/min。發電機輸出電壓有效值U=WΦn。式中：Ke為電勢系數；W為每相繞組線圈數；Φ為每極磁通；n為轉子轉速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航能力[7-8]。

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

根據船舶原理，為保證船舶具有足夠的初穩性，初穩性高度必須達到一定的數值范圍，引用在救生裝置上也是如此。適當提高救生裝置的初穩性高度，可以增強裝置的穩定性，其在風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性，采用了調整內部組件位置降低重心G和增大水線面積AW升高穩心M的方法。

初穩性高度GM的計算公式為

式中：KM為穩心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，此時穩心半徑r增大；調整內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。供熱系統是利用氣囊內空氣的流動將蓄電池和燈泡工作時產生的熱量傳遞到握把上，從而實現供熱的原理，將工作元件散發的熱量合理地利用起來，體現了綠色環?？沙掷m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 經濟可行性

該裝置本體可通過模具鑄造，其內部系統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。裝置預期使用壽命高，維修保養簡單，能耗低，具有經濟可行性。

5 結 語

本文通過分析救生圈在大風浪條件下實施救援存在穩定性差、續航能力低、難以操控等問題，從功能需求和解決方案出發，設計出了一種能夠利用波浪發電提供續航、合理利用蓄電池和照明燈工作產生的熱量進行供暖、增設氣囊減小波浪對人體的沖擊，并且提高裝置穩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，最后從結構可行性、技術可行性、經濟可行性三方面進行分析，得出該裝置具有可實現性，能夠為水上救援提供一種新的救生工具。