基本信息
- 项目名称：
- 面向地震救援应用的起重/支撑器设计与研制
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 地震中受灾人员致死的最主要的原因是由于房屋损毁、倒塌所造成的砸伤和掩埋。地震救援主要是指迅速搜索与营救由于地震造成的建筑物破坏而被压埋人员的举动，由于余震和受损建筑物的不稳定性，这对救援人员及被困人员来说都是一项非常危险的工作。针对被困人员已经定位，在挖掘救援过程中所出现的两个主要的问题：（1）大型设备如挖掘机，起重机等无法到达事发现场，而轻型机械设备如千斤顶、倒链等又无法有效的进行使用；（2）大型机械设备到达现场，但在挖掘过程中如果没有保护措施又可能造成倒塌房屋等设施对被困人员的二次挤压；本作品所设计的起重/支撑器，既可以作为起重设备来使用，撑起压在被困人员身上的水泥板等将被困人员救出，亦可作为保护装置，在大型机械设备进行挖掘救援时为被困人员提供支撑保护免受倒塌房屋对被困人员的二次挤压。该设计具有支撑力大、结构简单、便于操作、对不同环境适应性强等优点，可作为地震救援过程中的有效辅助工具进行使用。
- 详细介绍：
- 地震是自然界最可怕的现象之一。有历史记载以来，地震已经导致了无法估量的财产损失，并夺去了千百万人的生命。仅上一世纪，所发生的地震灾难就超过了150多万次。通常，并不是地震本身夺走人的生命，而是地震引起的人造建筑的毁坏以及随之而来的其他自然灾害（比如海啸、雪崩以及塌方）造成人员伤亡。 地震救援主要是指迅速搜索与营救由于地震造成的建筑物破坏而被压埋人员的举动。这个过程主要包括被困人员的位置确定（搜寻阶段）和被困人员的救援（救援阶段）两个主要环节。针对第一阶段，目前国际上常用的搜寻手段主要包括：生命探测仪、热红外生命探测仪、“蛇眼”、声波振动生命探测仪、搜救犬、救援机器人等，由于本作品的设计所面向的阶段为救援阶段，所以搜寻阶段所涉及的工作就不再一一赘述。 地震灾后，一旦被困人员的位置被确定，接下来的工作便是救援，也就是尽快将被困人员救出。综合相关资料，在地震过程中房屋倒塌而导致屋内人员被困，主要有两种形式：被困人员没有直接被房屋的水泥板等物砸中，而是被困在一个狭小的空间中；二是被困人员被水泥板等物砸中，但不是致命部位或砸中时载荷较小，使得被困人员受伤但在一段时间内仍能够继续生存。为把被困人员救出，最直接的办法就是把压在被困人员身上的水泥板、瓦砾等物移开，这个工作目前通常有两种方式：一是人工挖掘，二是利用大型的机械设备如挖掘机、起重机等进行挖掘。对于人工挖掘，显然工作量巨大，工作效率较低，对于那些流血较为严重的被困人员，时间将是非常珍贵的，而且由于余震及受损房屋的不稳定性这也会对救援人员的安全产生威胁；对于大型机械设备的挖掘，工作效率虽然高，但是在挖掘的过程中，由于本身的负载以及较大的挖掘力，可能导致被损房屋的再次倒塌，从而可能产生对被困人员的二次挤压。 针对救援过程中所面临的以上问题，本作品设计出面向地震救援过程中的辅助工具—起重/支撑器。对于压在被困人员身上的水泥板等物较少时（百吨重以内，并不直接作用于被困人员），此起重/支撑器可作为起重设备使用，将压在被困人员身上的水泥板等杂物托起，给被困人员以充足的移动空间和救援空间；对于压在被困人员身上的水泥板等物较重时（数百吨重，并不直接作用于被困人员），而必须要由大型机械进行挖掘时，此起重/支撑器可作为支撑保护装置来使用，确保机械挖掘过程中被困人员不再遭受建筑物的二次挤压。 本设计该设计具有支撑力大、结构简单、便于操作、对不同环境适应性强等优点，可作为地震救援过程中的有效辅助工具进行使用。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本设计旨在解决地震救援过程中所面对的两个关键问题：救援和救援过程中的保护，面对被困人员所面临的不同情况，本作品既可作为起重器来使用亦可作为支撑器来使用。本设计将正四面体、球体元素，以及并联驱动等要素综合考虑，以满足起重/支撑器的设计目的。起重/支撑器未工作状态为一球体，设计为球体的主要目的是便于将此设备投放到被困人员身边，起重/支撑器工作时，将以正四面体的形式通过并联形式的液压驱动从球体中伸出，正四面体形式的伸展可以以稳固的姿态进行起重或是支撑，并联形式的液压驱动可以为机构提供足够的起重输出力或是支撑力。 该设计的创新点在于打破传统的千斤顶式的单一方向的起重方式，将承载的接触点增加至四个（根据需要可以设置更多的接触点），这样在起重的时候就可以更大范围内将压在被困人员身上的水泥板等物起重起来或支撑住，也增加了此设备对不同环境的适应能力，无需人工定位，通过正四面体的四个顶点设备会自动调节其姿态以适应起重/支撑环境。 技术的关键在于并联形式的液压驱动的实现，以及机构工作过程也就是以正四面体形式伸展过程中的四个节点处运动副的设计及位置布置。 设计的主要指标包括：起重/支撑量、工作行程、自身外形尺寸及重量等。
科学性、先进性
- 在地震救援过程中，为移除倒塌房屋的水泥板等杂物，人们所使用的简单的机械设备主要包括千斤顶、手动葫芦等设备。千斤顶其结构简单，承载力大，在诸多领用都得到了广泛的应用，但在救援过程中，如果使用千斤顶顶起压在被困人员身上的水泥板等物，则需要较大的空间，还要对千斤顶的底座部分的承载物进行清理加固，从力学的角度来看，千斤顶与水泥板之间的接触近似为点接触，在起重时，非常容易导致水泥板的破碎，从而导致起重失败。 本作品所设计的起重/支撑器，克服了传统器械在救援工作中的诸多约束，利用正四面体形式的支撑点来对埋压物进行起重，一是增加了接触点，由点接触变为面接触，从而可以大大提高起重的重量和起重的稳定性；二是对工作空间要求较小，只需将未工作状态的球体形起重/支撑器放入需起重的埋压物下即可，起重/支撑器工作时将自动调整姿态以适应起重环境。另外，根据球体直径的大小可以对起重/支撑器系列化，在不同的工况下选择不同的尺寸，也可不同尺寸结合起来使用，由小到大逐步将埋压物起重起足够大的救援空间。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 方案确定，准备样机制造。
技术转让方式
- 专利或成品设备。
作品可展示的形式
- 样机现场操作演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该设计在常态下为一球体，在球体内部为一可伸缩的正四面体起重/支撑机构和液压驱动杆件（动力外置，可手动也可电动）。对于压在被困人员身上的水泥板等物较少时（百吨重以内，并不直接作用于被困人员），此起重/支撑器可作为起重设备使用，将压在被困人员身上的水泥板等杂物托起，给被困人员以充足的移动空间和救援空间；对于压在被困人员身上的水泥板等物较重时（数百吨重，并不直接作用于被困人员），而必须要由大型机械进行挖掘时，此起重/支撑器可作为支撑保护装置来使用，确保机械挖掘过程中被困人员不再遭受建筑物的二次挤压。本设计该设计具有支撑力大、结构简单、便于操作、对不同环境适应性强等优点，可作为地震救援过程中的有效辅助工具进行使用。 作为专业性的救援工具，没有类似机构上市，相关的文献中还没有类似机构的介绍，研制上基本属于空白。因此此作品将有较好的推广前景及巨大的社会及经济价值。
同类课题研究水平概述
- 地震救援主要是指迅速搜索与营救由于地震造成的建筑物破坏而被压埋人员的举动。这个过程主要包括被困人员的位置确定（搜寻阶段）和被困人员的救援（救援阶段）两个主要环节。针对第一阶段，目前国际上常用的搜寻手段主要包括：生命探测仪、热红外生命探测仪、“蛇眼”、声波振动生命探测仪、搜救犬、救援机器人等，这些手段的目的只有一个寻找到被困人员。由于本作品的设计所面向的阶段为救援阶段，所以搜寻阶段所涉及的工作就不再一一赘述。 一旦被困人员的位置被确定，接下来的工作便是救援，也就是尽快将被困人员救出。相对于搜寻阶段，救援阶段的手段显然不如前者发展的迅速。这个工作目前通常有两种方式：一是人工挖掘，二是利用大型的机械设备如挖掘机、起重机等进行挖掘。对于人工挖掘，显然工作量巨大，工作效率较低，对于那些流血较为严重的被困人员，时间将是非常珍贵的，而且由于余震及受损房屋的不稳定性这也会对救援人员的人身安全产生威胁；对于大型机械设备的挖掘，工作效率虽然高，但是在挖掘的过程中，由于本身的负载以及较大的挖掘力，可能导致被损房屋的再次倒塌，从而可能产生对被困人员的二次挤压。因此，“找人难，找到人救出来更难”。 目前我国在地震救援方面所使用的辅助工具还主要是常用的普通非专业的救援工具，如千斤顶、倒链、小气垫、轻型钻机等简单的机械设备，对专业性的救援工具的研发目前基本还没有形成体系，因此在专业救援方面所能运用的工具就相对有限，与之相对比的是，俄罗斯建有“技术安全和新技术特别中心”，能提供统一的技术保障，保证技术的正确性，保证搜索、救援以及其他营救装备的技术安全性；俄罗斯还建有“民防和应急科学研究院”，已完成1000多项科学研究和建设的实验任务，其中包括新技术的开发、搜索和救援设备的生产。美国成立有“搜索与救援跨部门委员会”（ICSAR），专门设立救援装备与技术工作组，与若干所大学合作共同设立城市搜救装备的研发机构；而在日本，开发救灾技术已成为一种常规的工业。 本设计针对地震救援过程中所面临的几个关键问题，设计研制既能作为起重器使用又能作为支撑保护使用的起重/支撑器，为灾后救援提供一种辅助工具。目前国内外还没有相关文献有此种设备的介绍，研发还处于空白。
