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1、附录三高速无人智能搜救巡逻艇技术说明书目 录 前 言3 船体设计部分3一、船体方案的选择41、小水线面双体船方案42、梭型双壳体船63、单体自动扶正救助艇7二、船体设计说明91、本船的主尺度102、干舷计算103、阻力及航速说明114、吨位计算125、动力装置126、稳性计算127、自动扶正的实现138、抗风浪阻尼式可转内层舱13 救生机构设计部分19一、救生机构设计部分的工作要求和所要完成的任务19二、救助机构设计方案201、救助机构方案的确定202、固定的实现原理203、传动机构设计214、绞车选配26三、强度校核27四、救助机构材料的选取28五、智能救生捕捉网及其机构设计30 控制系统部
2、分32一、控制系统部分的工作要求和所要完成的任务32二、系统的整体框架32三、各子系统初步细化331、环境感知子系统332、环境建模子系统333、任务分析子系统354、轨迹生成子系统36四、各子-子系统的进一步细化371、环境感知子系统中的摄像头定向、聚焦子-子系统372、GFS的相关概念及其在本智能系统中的实现373、环境建模子系统中的定位测距方案讨论384、任务分析子系统中的指令生成与参数计算425、轨迹生成子系统中的Bang-Bang控制策略436、轨迹生成子系统中的避障策略43 作品的经济性分析和市场前景预测45一、船价估算451、钢船体价格452、舾装价格453、机电设备464、造船
3、总价46二、前景预测46 专利申报情况48一、查新检索结果48二、正在申请的专利48 结语49附录A 测距定位方案的进一步讨论50附录B 仿真程序介绍52 前 言本部分阐述了高速无人智能搜救巡逻艇船体结构的选择，和船上各部分功能机构的初步设计方案。针对现有救生艇航速较慢、需要有人员操作、很难在大风大浪情况下救人、救人效率低等的劣势，设计一种新型的、无人驾驶、智能、高速的搜救巡逻艇，采用程控和遥控相结合的控制系统，自动将落水者救回的小艇。本次设计的搜救巡逻艇包括以下功能：1、海上救助落水人员，如军舰作战时，远洋船舶遇难有人落水时等，特别是在比较恶劣海况，人工救助艇力不能及的环境下；2、海滩、海边
4、浴场外围的巡逻，取代人工监视，防止游客在离海岸较远处溺水或被浪卷离海滩；3、海岸自动巡逻守卫功能(军用)；4、夜间搜救落水者时，用智能艇的红外线探测能很方便地确定目标位置；5、其它海上作业(如海洋平台)配备作为救生装置。本次设计采用了很多现有成熟技术，参考了上海交通大学船舶与海洋工程国家实验室的一些研究成果，充分利用了问题的特殊性，有针对性的对解决方案进行了最大的合理的简化和创新。 船体设计部分一、船体方案的选择一般来说，海上救助有以下特点：(1)海上风浪大，小型的救生艇摇摆和振荡都很厉害，对人(救助人员和被救的落水者)的舒适性有很大的影响。有时甚至出现救助艇稳性不足，翻船的现象；(2)恶劣海
5、况下，救生艇容易失速，无法达到目的地；(3)海上救助需要及时快速。海水温度比人的体温低，落水者在海水浸泡中时间较长就会死亡；(4)落水者随风浪漂流，救助时很难定位；(5)落水事故发生在夜间或者早晨有雾时，能见度低，可视距离短。针对以上特点，本组成员初步设计了以下三种不同的方案1、小水线面双体船方案小水线面双体船由两个潜水体(通常所说的双体)、一个水上箱体以及将它们连接起来的两个流线型支柱组成(如图1) 。与气垫船、水翼艇、地效翼艇等船型不同，小水线面双体船从本质上讲，仍属于排水型。 但是同传统的单体排水型船相比它却具有很多独到之处。在主尺度相近的情况下，双体船与常见的单体船而言，具有如下优势：
6、(1)耐波性能优良：由于小水线面双体船具有较小的水线面面积，所受干扰力也就相对较小，且其固有周期比常见的波浪周期长得多，不易发生共振，从而使运动幅值较小，因此 最大的特点就是耐波性好，尤其是在高海况、高航速时，这一特点更为明显；(2)快速性能显著：小水线面双体船由于大部分排水体积分布在水下较深的地方，并且在水线附近的水线面积较小，所以兴波阻力比常规单体船小得多，在高速情况下更是如此。因此，尽管小水线面双体船的摩擦阻力比单体船大，但在高海况、高速情况下，兴波阻力才是总阻力中的主要部分，故总阻力比单体船要小得多。因此小水线面双体船在恶劣海况下的快速性能是非常显著的；(3)操纵性能良好：小水线面双体
7、船由于是双体、双桨，在中高速航行时航向稳定性极好，即使在低速时，在波浪中也容易控制。同时，由于该船船体较宽，桨距和舵距较大，因此具有舵效好的特点，单机工作时使用舵仍可保持直航，停车时惯性滑行距离也小，制动时间较短。若采用双体船，拟在船头装一个红外线探测仪，扫描范围为前方120度或180度，两侧靠尾部各装一个，扫描两侧各180度。探测到落水的人并定位完毕后，船头对着人慢慢驶过去。上船体部分底部中间稍靠后开一个类似于“天窗”的舱门，后端绞接于船体，可绕其旋转，前端用连杆与船体连接，可以开启和关闭(如图2)图1. 双体船上层甲板以下结构示意图图2. 船体部分开口示意图当救生船离落水人员较近时(如10
8、米左右)，底部的门开启，慢慢放下，直至最大位置。此时船未停止，当板进入水中时会产生较大的阻力，使船加速停止。同时从开启的门内射出智能网将落水者网住，慢慢收回，船缓慢向前开，将人从板上托回船上，最后将门收起关闭。由于底部门的开启，会造成水进入舱中，拟将船舱设计成两层，内底在吃水线以上，减少海水的涌入，同时在上船体底部靠后处沿船宽方向开一条狭长的缝。进舱的水漏到下层，船向前开时水往后到达缝隙处便会漏到船外，如此可基本保证被救者在船舱中的不会因浸泡于水中而不适。2、梭型双壳体船智能搜救巡逻艇船长约为5米左右。在海况恶劣的情况下该艇会由于的浪的拍击，在横向、纵向和垂向产生摇摆和振荡。本次设计的智能搜救
9、巡逻艇船长和船宽都很小，无法保证其稳性。不管浪从哪个方向拍击船体，小艇都可能被打翻，这样非但救不了落水者，甚至会使救助艇上的人员落水。因此在恶劣海况下，一般的救助艇无法作业。本方案梭型双壳体船，设计为内外双壳体。外壳为流线型的梭子形状，减少阻力，而内壳作为机舱，控制舱和救助舱 (具体结构如图3)。图3. 梭型双壳体船示意图内外壳通过轴连接，轴安装在内外壳的中心线上。当外层船壳受到外界的风、浪、流的作用力后，绕轴转动。内壳的重心保持在中心线以下，外壳翻转后，内壳会自动回复到初始位置(相对于地球坐标系)。内外壳的轴承上加上一定的阻尼，减小内层的回复速度，同时也减少了转动的加速度，使得内舱中机器设备
10、不至于因为回转速度和加速度过大，在机器和舱底的连接处产生大的应力，另外也保证了舱中被救人员的舒适性。采用这种船型，桨和舵装在船体的中心线的轴上，与内层舱固结，这样则可以保证桨和舵始终浸没在水中，不会产生飞车现象。3、单体自动扶正救助艇单体船是现有船型最普通最常见的一种，现有的人工救助艇都是采用单体形式。单体救助艇尺寸小，速度快，在大风浪容易翻船。为了提高船舶的稳性，设计中多采用加大船宽来增加稳性，但在本次设计中，如果单纯的靠增大船宽来增加稳性，并不能保证此艇在任何巨大的风浪下都能保证浮性，而且加大船宽后，小艇短而肥胖，兴波阻力大大增加(高速行驶的船中，兴波阻力占大部分)，航速下降。所以本组成员
11、认为，保证智能救助巡逻艇在极其恶劣的海况条件下不翻是不现实的，所以此方案的重点在于船翻后能否继续作业。“自动扶正”这个创新点便是针对解决这一问题。自动扶正，即船倾斜甚至180o翻转后(船底朝上)，船舶不需要自身动力机构的辅助，仅凭自身重力和水的浮力自动回复到正浮状态。换句话讲，只要船体外壳不破损，即使船内主机无法提供动力，此船也永远不会沉没，且在风浪作用力矩小于回复力矩时，自动回复到正浮状态。图4. 自动扶正实现原理另外，如果推进系统采用螺旋桨和舵，则可能在小艇大倾角倾斜状态下，螺旋桨和舵脱离水面(即通常说的飞车)，此时推进效率和舵效都大大降低，小艇无法正常作业，且螺旋桨叶片时而出水，时而入水
12、，桨叶很可能因为与水的撞击而损坏。所以拟采用喷水装置代替螺旋桨和舵，喷水装置靠高压泵向船尾喷水产生推反力。喷水可以在水面之上，也可以在水面以下，均不影响喷水的推进装置。我们只要保证入水口在水中就可以了(可以在船尾开多个进水口，以保证船舶在任何浮态下至少一个入水口浸没在水中)，此方法即解决了推进装置的出水问题。综合考虑以上三个方案，各有优点和缺点。方案1，双体船由于水线面很小，兴波阻力和摩擦阻力都很小，因此在相同的主机功率下，双体船的速度快，推进效率高；另外双体船船宽大，则稳性大，不易倾覆，但对于小船来说，不易倾覆是在一般风浪情况或者较恶劣的风浪情况下，但是对于海面上的狂风巨浪，小艇还是会从纵向
13、和横向倾覆。倾覆180o后(即船底朝上)，同样的因为船宽大，稳性足，不易再回复到原始的正浮状态。所以方案1中的双体船没有完全解决稳性的问题，如果船倾侧180o，很难回复正浮状态，救助艇无法正常作业。方案2，梭型双壳体船的外壳在风、浪、流作用下横向转动，但内壳与外壳并不固结，而是通过轴连接在一起，内壳的重心在中心线以下，则当外壳转动时，内壳因重力产生回复力矩自动反转，同时因阻尼的存在使得回复力速度缓慢直至停止。那么内壳中的主机、控制设备、被救助的落水人员便处在一个缓慢转动或相对固定的舱室内，设备不会移动，人员也不会因为摇动产生的加速度感到不适。但内层舱内的设备、人员及其他物品的重量全靠首尾两根轴
14、支承，应力集中现象非常严重，这需要轴和内外壳与轴连接处有很大的刚性，工艺上难以满足。第二，为了保证螺旋桨和舵浸没在水中，红外线探测装置和智能网发射装置在水面以上，转动结构比较复杂。如果模仿内层舱的原理采用轴与内壳固结，那么螺旋桨、舵、红外线探测装置和智能救生网发射装置不可避免的有小幅度的转动，则螺旋桨在转动过程中推进效率下降，红外线探测不准，智能网发射时可能与目标产生误差。最后，旋转的外壳如何开口把被救的落水人员传送内层舱内，这也是一个难题。方案3，允许小艇倾侧任意角度，并能自动回复到正浮状态，而且在倾覆的过程中，小艇的推进功率只受轻微影响或完全不受影响。但船在倾覆过程中，可能会因为船体浸没形
15、状的影响，增加摩擦阻力和兴波阻力。且自动扶正的船重心较低，这样初稳性很好，但是摇摆周期变短，即自动扶正时，回复速度和加速度都很大，让舱内的被救人员感到很不舒服，尤其是在被救人员身体很虚弱的情况下。以上三个方案各有优点和缺点，对于方案3中横摇速度过快的缺点，我们可以借鉴方案2中的做法，设计一个有阻尼可旋转的舱室来抵消风、浪、流的影响。这个舱室只设计成容纳一个落水人员，而不摆放任何设备和其他物品，那么对于方案2中应力集中的问题也可以得到简化，同时也弥补了被救人员感觉不适的缺点。最终方案选定 采用方案3的船形、喷水装置和自动扶正的性能，船体内部设计一个只容纳一个人员的小型可转动式内层舱。由于船长大于
16、船宽，因此船横摇幅度大于纵摇幅度，所以可转动式内层舱的支撑轴纵向设计，使得内层舱借助自身的旋转消除船体摇摆的不利影响，体现设计者人性化的思路(更多的图片见附录A)图5. 船体的外形示意图二、船体设计说明本船采用流线型船体，旨在减少船体阻力，降低船舶主机功率，满足航速要求。在恶劣海况条件下，船体因风、浪、流的作用产生剧烈的摇摆和振动。现有人工救生艇(筏)无法解决摇摆和振动幅度过大的弊端，在恶劣海况下无法实施救生作业。本设计采用了自动扶正技术，可以克服船体颠覆后无法作业的缺点，且抗风浪可旋转内层舱缓解了由摇摆和振荡带来的不适性。智能高速搜救巡逻艇船形特点 流线型船体、自动扶正、抗风浪可旋转内舱1、
17、本船的主尺度船长：指最小型深百分之八十五处水线总长的百分之九十六，或是沿该水线从首柱前缘至舵杆中心线的长度，取最大值。总长 船宽 型深 方形系数 航速 (约为46km/h)吃水由压载时排水量计算得出： 2、干舷计算本计算按中华人民共和国船舶与海上设施法定检验规则第二分册“国际航行海船法定检验技术规则(1999年)”及其附录(1988LL议定书附则.的有关条款)的规定计算。同时还根据1988LL议定书附则B修正案计算最小船首高度和储备浮力。按1988LL议定书附则B修正案第39条规定，第39条规定：在首垂线向后0.15L范围内，夏季载重水线和甲板边线之间的侧投影面积与封闭上层建筑的侧投影面积之和
18、应不小于式中夏季最小干舷按下式计算(1)基本干舷的确定查B型船的表列干舷或查A型船的表列干舷。(2)船长对干舷的修正本艇船长， (3)方形系数对干舷的修正因为本船的方形系数为0.50.68，所以我们取。(4)计算型深对干舷的修正(5)上层建筑对干舷的修正(6)舷弧对干舷的修正本船舷弧为非标准舷弧，对于干舷修正按下式计算3、阻力及航速说明船的有效功率和航速根据船身有效马力曲线和喷水推进装置的推马力曲线插值得到，此时为最佳工况，船身效率最高。本次设计的高速智能搜救守卫艇，属于过渡型船舶。柏林水池的系列试验指出：在，由于排水量引起的剩余阻力变化成1.6次方关系。由瑞典Nordstrom资料可知剩余阻
19、力系数增加而增加，且在阻力系数曲线“峰值”区内影响最显著。船模试验是确定过渡型艇阻力的最主要方法之一，但本次船体设计采用由瑞典船模试验池SSPA型系列快艇生成型线，故快艇的阻力可以根据SSPA型快艇的系列图谱估算，精确度较高。4、吨位计算本船的吨位计算根据1969年国际船舶吨位丈量公约的规定进行计算。本计算书是根据初步设计的图纸进行，计算结果供参考。总吨位计算总吨位其中，为船舶总容积，为上甲板以下所有围蔽处所的型容积，为上甲板以上所有围蔽处所的型容积。5、动力装置(1)通过海军系数法计算功率母型船选取BAYLINER 1600 Capri LSV,其相关主尺度如下 =85kw 设计的高速无人智
20、能搜救巡逻艇排水量根据海军系数法(2)主机选型根据计算得出的功率，我们选用了Volvo Penta公司生产的TAMD41型艇用柴油机螺旋桨轴功率 kW/hp曲轴功率 kW/hp额定转速 rpm缸数排量 litres/cui104-142/141-193107-147/146-2002600-380063.6/220(3)喷水推进装置的选择根据以上计算,喷水推进装置选择美国双环公司TWIN DISC INC生产的TDJ60型喷水推进装置规格功率输入转速(RPM)TDJ60( 203mm )100( 75 )55006、稳性计算国际海事组织在1969年通过了“关于船长不足100m的船的完整稳性的建
21、议案”，本船就是按照本建议来设计的。(1)复原力臂曲线(静稳性曲线)下的面积，在横倾角度时，不小于0.055mrad，横倾角达度或进水角(如小于40度)，应不小于0.09mrad。此外，在横倾角30度和40度之间或30度和之间(如小于40度时)，复原力臂曲线下的面积应不小于0.03mrad；(2)在横倾角等于或大于30度处的复原力臂为0.2m；(3)最大复原力臂在横倾角大于30度处；(4)初稳性高度为0.15m；(5)稳性横准。船舶所核算的各种载荷情况的稳性横准数，应符合下列要求式中为最小倾覆力矩；为风压倾侧力矩。此横准式的含义是把船舶中发生共振横摇时具有的抵抗外力矩的能力与受到的外力相比较。
22、这个横准又称为天气横准，因为考虑了风浪等天气因素。7、自动扶正的实现为了能适应恶劣海况，高速智能无人搜救守卫艇采用了自动扶正技术。自动扶正，即船倾斜甚至180o翻转后(船底朝上)，船舶不需要自身动力机构的辅助，仅凭自身重力和水的浮力自动回复到正浮状态。即只要船体外壳不破损，无需船内主机无法提供动力，此船可以保持正浮状态。当船体由于风、浪、流的作用倾斜或倾覆时，风浪流的倾覆力矩小于回复力矩，船体可自动回复到正浮状态。(如28页图4)重力的力臂大于浮力的力臂，重力即可克服浮力自动扶正。因此，在自航试验时，可通过在船底加压铁降低船的重心高度，实现自动扶正的功能。8、抗风浪阻尼式可转内层舱在恶劣海况下
23、，由于风、浪、流对船体的抨击，船体在六个自由度方向产生剧烈的摇摆和振荡，虽然船体可以自动扶正，但无法克服任何一个自由度方向上的摇摆或振荡。对于刚被救助的落水人员来讲，长时间的海水浸泡和挣扎，体力消耗很大。此时，舒适性对于被救助人员来讲非常重要。众所周知，摇摆和振荡产生的加速度是降低舒适性的最主要因素。因此，从人性化的理念来考虑，本次设计采用了旋转内舱，以降低摇摆和振荡引起的加速度。可转内舱的设想是将其设计成一个封闭的舱室，两端通过转轴与船体内舱壁连接(如图6)。连接处均采用接触式密封轴承滑动连接。由于船长大于船宽，则船体横摇幅度大于纵摇的幅度，所以转轴沿船长纵向布置，即可旋转内舱可以左右摇摆，
24、以减小主船体横摇对内层舱的影响。当主船体发生横摇时，可转内舱由于重力的作用，将回复到原来的位置，即转动的方向与主船体横摇的方向相反，两者的作用相互抵消，内层舱中被救助人员的舒适性得到了保证。为了保证轴连接处的强度达到要求，轴与舱壁连接处设置双层舱壁，共同支承连接轴。另外在舱壁板件与轴连接处也可局部加强，防止应力集中，例如可以在板开口处加焊一块钢板。在落水人员被救助至甲板上时，甲板开口和内层舱舱门同时开启，为了避免被救助者直接“掉进”内舱受伤或死亡，内舱中设一斜坡，可使被救助者自行“滚入”内舱(如图3)。 图6. 可转内舱的布置在主船体受到风、浪、流的作用发生倾斜的时候，可转内舱因为回复力的作用
25、，相对主船体转动，回复到原来位置。但是如果风、浪、流的作用较大，主船体倾斜的角度较大，则回复力也比较大，回复加速度也比较大。较大的回复加速度同样使人感到不适，此时无法体现可转动内舱的优势。同样的，从人性化的理念来考虑，本次设计在转动内舱上施加一定的阻尼，减缓转动内舱的回复速度，保持一定的人体舒适度。可转内舱的设计关键在于转轴的设计和轴上阻尼的选择。(1)转轴设计和疲劳校核a.转轴设计转轴的选择应该从强度的角度考虑按照第三强度理论，轴上最危险截面的当量应力，其强度条件为其中为危险截面上弯矩产生的弯曲应力，为转矩产生的扭切应力。所以由于一般转轴的为对称循环变应力，而的循环特性与不同，故对上式中的转
26、矩T乘以折合系数，即其中为当量弯矩，是根据转矩性质而定的折合系数，对于频繁正反转的轴，可作为循环变应力，取 是对称循环的许用弯曲应力根据以上的计算可知，转轴的直径应满足b.轴连接处的疲劳寿命估算由于海上的风浪较大，主船体处于不断的摇摆和振荡中，因此抗风浪阻尼式可转内舱处于不停的回复状态，轴、轴承及连接得舱壁处于不断得相对转动中，轴和轴连接处在循环应力和循环应变的作用下，容易疲劳，产生裂纹甚至断裂。因此在本次设计中，弹簧连接处的结构疲劳和弹簧失效必须考虑。结构的疲劳无法避免和排除，只能采取措施预防。根据现有的疲劳理论估算结构的疲劳寿命，根据估算的疲劳寿命，定期的对艇内轴和轴连接处的结构进行检查，
27、发现细小裂纹，即需对轴及其连接处进行修复。本次设计采用科尔顿多兰法预测非线性累积损伤。以下是计算原理。科尔顿多兰法认为疲劳裂纹形成和扩展归纳为三个阶段：第一阶段在结构的局部地区产生加工硬化；第二阶段是在这些局部地区产生微观空穴或微裂纹；第三阶段是在亚微观空穴或裂纹进一步扩展和结合形成宏观裂纹，继而扩展到断裂。基于以上的疲劳破坏过程，可以建立疲劳损伤模型，计算疲劳寿命。在裂纹核形成以后，每个裂纹核造成的损伤用循环指数函数表示其中是与应力水平有关的常数，是与应力水平有关的损伤增长系数若试件内存在个裂纹核时当试件受命为N时，破坏的损伤量为对于等幅应力或非等幅应力和作用时，有由上式可以得出上式意味着在
28、下受命为时，在下的受命为。因此在和交替作用下寿命，和以应力幅单独作用时的寿命有下述关系当时，即1时，由上式可以得出两级试验中的寿命估算公式为(2)阻尼的选择a.阻尼的原理选择合适的阻尼可以减少可旋转内舱的回复加速度，避免了由于回复力过大引起的回复加速度的增加，且由于阻尼的衰减作用，使得内舱的旋转速度逐渐趋于零，从而可以保证舱内被救助人员的舒适性。将内层舱看成一个质点，内舱绕转轴转动的模型可简化如下(如图7)。在回转速度不大的情况下，可认为阻尼引起的阻力正比于质点转动速度，即阻力 回复力 所以，质点有阻尼振动方程为：图7. 内舱转动模型令，原方程可化成 解上述方程i) 小阻尼情况，即，解得其中i
29、i)大阻尼情况，即，解得其中临界阻尼情况，解得大阻尼临界阻尼小阻尼画出以上三种阻尼情况下得振动图形(如图8)图8. 不同阻尼情况下得振动图形由以上图形可以看出(1)小阻尼情况下，质点仍作周期运动，但运动幅度因为阻尼而衰减，阻尼越大，衰减越快；(2)大阻尼情况下，质点以非周期方式平衡；(3)临界阻尼情况下，质点不产生振动，很快回复平衡位置。因此我们选择的阻尼应在临界阻尼附近，阻尼过小，衰减作用不明显，达不到减摇的效果；阻尼过大，内舱的回复速度很慢，同样达不到减摇的效果，尤其是当阻尼趋近于无穷大的时候，内舱无法转动，相当于与舱壁固结。b.阻尼的实现方式在主船体和可转动舱壁之间，沿着船长方向布置四个
30、气囊，左右舷对称布置(如图9)。利用空气的可压缩性，产生一定的压阻力，利用这个压阻力即可实现阻尼。例如当主船体向左舷倾斜时，由于惯性作用，可转动内舱随着主船体也向左舷倾斜，此时压缩左舷的气囊，由于空气可压缩性，产生一定的压力，阻止可转动内舱向左舷倾斜。当可转内舱向右舷回复时，右舷气体被压缩，产生一个与回复力相反的作用力。这样一来，削弱了回复力及回复力矩，减小得回复加速度，保证了舱内人员的舒适度。图9. 抗风浪阻尼式内舱橡胶气囊布置图气囊采用强力橡胶制成，沿船长纵向布置，且左右舷对称。为了避免橡胶气囊的位置随着主船体和可转内舱的相对运动发生偏移，可将橡胶气囊与主船体舱壁内侧和可转内舱外侧固结，这
31、样又可以避免橡胶在两个舱壁间滑动产生磨损，或者引起舱壁结构的磨损。 救生机构设计部分一、救生机构设计部分的工作要求和所要完成的任务在红外线探测器已经探得需要救助人员的精确位置后，把位置信号传至船舶的自动控制中心，然后由自控中心向救助网喷射枪给出命令，根据具体位置确定喷射枪本身所要进行的调整(提高自身高度，一定范围内转动方向)，将救助网向需要救助的人的方向喷出救助网，此救助网在空中自行张开，形成米的范围，然后救助网入水，将落水人员包起来。在救助网上接有强度很高的尼龙绳，同时又比较轻，在网抛射的时候可以随往一起前进，当网把人已经包起来的时候，位于船体内部的马达启动，把尼龙绳收回，进而把网和人拉到船
32、上来(见附录B)。二、救助机构设计方案救助机构要求i)能适应海上有风浪时恶劣的工况；ii)可靠性高；iii)能够方便的下放和回收；iv)所有动作均可在计算机中枢的控制下自动准确完成。1、救助机构方案的确定采用如下的方案：通过一块救助板帮助救人。救助板平时在船体上表面静置，当救人时，通过一套机构将板从船尾斜向放下，末端入水，此时马达转动，收紧系在网上的绳子，将人带网通过此板拖至船上来。板通过传动装置由船体上方至船尾斜向入水。采用双板绞结固定式机构。2、固定的实现原理如上两图，救助板的形式为按照1：3比例分割的两板，中间用合页相接。通过传动机构控制板一至船体边缘，此时板二由于重力作用自然搭接在船尾
33、的斜向部分上，同时，控制中心给出信号，电磁插销自动弹出和救助板上的插槽相耦合。此阶段执行工作任务，完成救人。工作完成后，由控制中心给出信号，电磁插销收回，传动机构电机反转，将板一和板二传至平常位置。由于在救人过程中由电磁插销把救助板固定在船体后方，故此方案称为双板绞结固定式。入水前图10. 入水前救助板示意图入水后图11. 入水后救助板示意图3、传动机构设计首先，执行传动的原动件为电动机，而根据前文所述，执行机构板一完成的是固定轨迹上的直线定期往返运动。如何把电机的圆周运动转化为执行部件的直线运动？自然的选择是最简单的曲柄滑块机构，但是另外一个问题，曲柄工作转速不大，和电机提供的动辄几百转甚至
34、上千转的转速存在矛盾，为了解决这个问题，还需要一个小型的减速部件。a.电机选择由于本机构中电机完成的是原动件的工作，提供整个机构的动力。对电机的要求是：在满足使用要求的前提下，尽可能的采用低转速，可以防止对减速部件提出过高要求。由此要求，选用桂林电器科学研究所研究的CDL系列印制绕组电机。型号及属性如下表示型号typeCDL-ZACDL-2BCDL-3ADCDL-3BD轮毂外径Outer diameter of hub(mm)190190190190轴档尺寸Hub installation width(mm)112112112112电机功率Rated power (w)120-15018012
35、0-150180-200额定电压Rated Voltage DC(V)24243636额定电流Rated current (A)88.5104667.5额定转速Rated speed (r/min)150208150208174208174208过载能力Over load capacity (times)3333重量weight (Kg)3.23.23.23.2具体根据本机构的实际应用，选择CDL-2B型电机，转速只有150到208，由于船上采用蓄电池，电压不能过高，该电机电压24伏，符合要求。转速选择150(如图12)。图12. CDL-2B型电机b.蜗轮蜗杆设计减速部件有很多，在这里采用涡
36、轮蜗杆机构。这是因为：蜗杆传动具有以下优点i)能够得到很大的传动比，在分度机构中传动比i可达1000，在动力传动中通常也可达到80；ii)结构紧凑节省空间；iii)传动平稳可靠性高；iv)噪声小。蜗轮蜗杆传动比公式 ，为蜗杆头数，可取1，2，4，大传动比时通常取1，但传动效率较低，为提高效率多采用多头螺杆，=2或4。为蜗轮齿数，可取28至82甚至更高。蜗轮蜗杆的几何尺寸计算公式如下名 称计算公式蜗杆蜗轮蜗杆、蜗轮分度圆直径d1 =mqd2 =mz2齿顶高ha =mha =m齿根高hf =1.2mhf =1.2m蜗杆齿顶圆直径蜗轮后圆直径da1=m(q+2)da2=m(z2+2)齿根圆直径df1
37、=m(q-2.4)df2=m(z2-2.4)蜗杆轴向齿距蜗轮端面齿距Pa1 =Pt1 = Px =m径向间隙c=0.20m中心距a=0.5(d1 +d2)=0.5m(q+ z2)给出传动比和蜗轮模数，即可求解整个蜗轮蜗杆机构。本船中，初步计算后取螺杆模数蜗杆分度圆直径d1=40mm 蜗杆直径系数q=d1/m=40/4=10 导程角=arctan(z1/q)=11.3099o 蜗轮齿数z2 =39蜗轮分度圆直径d2 =mz2 =156mm 传动的中心距a=0.5m(q+z2)=90mmc.曲柄滑快机构曲柄滑块机构机构应用很广，曲柄和滑块均可作为主动件，此处以曲柄为主动件。当曲柄旋转时，带动滑块在
38、制定直线轨迹上滑动。应用在本船上，滑块即是板一，曲柄AB和蜗轮固结，蜗轮转动时，固接其上的曲柄AB也转动，带动连杆BC，从而带动滑块运动。曲柄滑块机构分为对心式和偏心式，此处用偏心式。结构示意图如下图13. 曲柄滑快机构结构示意图由于船舱的舱容有限，故而对曲柄滑块提出了较高的布置要求。机构的重要参数有滑块行程H，行程速比系数K，极限夹角，偏心距e，曲柄长度L1，连杆长度L2，滑块左极限XCMIN，最小传动角min 。它们中间存在下列关系行程速比系数K1，一般取K2；偏置距e0，在未知时，可以任选，但一般不宜过大，过大将影响最小传动角。改变e可优化；传动角是表征机构传力性能的重要指标，其值越大越
39、好。最小传动角发生在曲柄与导路垂直的两个可能位置上。一般要求35-45。知道其中关键的三个：H、K、e，就可以求出另外的。例如，根据船体舱容，初步确定H=150cm，K=1.2，e=10cm，可计算得曲柄长度L1=74.277cm连杆长度L2=104.121cm滑块左极限XCMIN=-28.119cm最小传动角=35.961度图14. 曲柄滑快机构的运动分析4、绞车选配当捕捉网将落水者网住后，船上绞车收紧系结在网上的牵索，此时，传动机构已将板放下水，落水者就有牵索牵拉至甲板上来。船用绞车属于甲板机械，布置在甲板上。ISO要求绞车的公称规格和其公称负载相对应。所谓公称负载是指绞车直接操作室(吊杆
40、上下两端均装一单滑轮)时，钓钩上额定提升的最大工作载荷。本例中，由下面的公式决定其中P0为落水者的重量，K1为附连水系数，表示落水者入水后由于衣服吸水而增加的重量，通常取1.5。K2为牵索通过滑轮时的摩擦损失，一般取1.1，P0取90KG，此时，PMAX为148.5KG。根据这个最大力选取绞车，同时注意绞车的大小要满足艇上甲板的布置要求。不可以太大。根据以上论述，选择美国保利沃特(亚洲)有限公司的3020小型绞车。a.基本配置：本田4冲程、2马力汽油发动机、绞盘轮、井口支撑框架、产品编号：3020-1000b.技术参数：牵引力：约150kp最大牵引速度：50米/分钟发动机：4冲程、2马力本田汽
41、油发动机外型尺寸：640*640*370毫米重量：21公斤绞盘：铝质，最小直径100毫米可见，以上要求均满足。三、强度校核机构的力学模型当板平放在船体上时，不必考虑其受力情况，只需考虑受力最大时候，即是在板二已经完全置于工作位置时。图15. 救助机构工作示意图及救助板力学模型简化示意图双板受的力有a点A、B、C处的力FAX，FAY，FBX，FBY，FCX，FCY ；b船体在平面和斜面上分别给板一和板二的支持力N1，N2；c板入水后自身的重力G0和浮力F0；d人体的重力G1(分布力简化为集中力，可移动)；e将人体向船体上拖动时人体给板二的摩擦力f；求解时，将板一和板二分开，可列六个方程对于板一
42、1 X方向上 2 Y方向上 3 对绞支点A ;对于板二 4 X方向上 5 Y方向上 6 对绞支点C ；由此六个方程，可对板的受力求解。绞支A、B、C的受力大小确定后，可对插销和合页的进行强度校核。校核公式为：四、救助机构材料的选取板的材料选用青岛图博板材有限公司出的塑料蜂窝板pp系列 图16. 塑料蜂窝板型号PP8-80PP12-70颜色白白峰芯名义尺寸(mm)812容量(Kg/m3 )80-9070-80抗压强度(MPa)2.32.0抗剪强度(MPa)0.50.5有效温度范围()-30-+80-30-+80热导系数(W/mk，10)0.1020.102标准尺寸为1200*2400，其余尺寸可
43、定做 上述物理性能试验方法参照GB1453-87; GB1452-87; GB1455-88; GB1453-87; GB1455-88; GB1446-83此材料重量轻，强度高，耐水，耐潮，表面可与各种不同材质的面板结合(如钢板，铝板，纸板，玻璃钢板 石材等);因此可做地板、隔板、顶板的夹层材料。此处外层包一层铝制面板。此材料同比钢材，强度保证应用的情况下，密度仅为钢材的1.01%(pp8-80密度80kg/m3，钢材为7.9X103 kg/m3)电磁插销中销子的材料选用45号钢强度极限屈服极限延伸率 符合设计中的强度要求。蜗轮蜗杆的材料，由于其减速作用，材料必须耐磨损度高，采用含锡青铜制造
44、，减摩性和抗腐蚀性很好。五、智能救生捕捉网及其机构设计高速无人智能搜救守卫艇所采用的智能捕捉网是受到警用的飞网捕捉器(又名“天罗地网”)的启发，经过重新设计后应于海上救人。该救生设备是一种气动水面救生网枪装置，固定于船后部的支架上。其外部形状就是一圆柱体，类似于枪筒，在其主体的后部置有高压储气筒，筒口有气体发射机构，主体前部置有储藏的网和发射机构，该机构包括发射头及发射头内的网，还具有一网口收紧提升机构，该机构内的牵引绳的一端与网相连，另一端与绳的收放装置相连。图17. 网枪发射装置示意图网是采用常见的带有网眼的形式，其展开大致3.53.5米大小，但是用强度高而材质较轻的材料以确保网的重量较轻
45、(300500g)。考虑到水中所受的阻力较大，为了能顺利将落水者网住，在网的四周帮上68个小铁块，每个铁块大概150g左右(质量不大，即使网发射可能产生的偏差而将铁块射到落水者身上，也不会使其受伤)。在救助落水者时，只需将发射头对准被救助目标，启动气体发射机构，使高压气体释放后冲击并射出网，网射出张开落到水面后，四周的铁块由于质量相对较大，下沉速度较快，能够较好的将落水者网住。当绳子开始往回收时，由于外力作用自动将网口收拢，以确保网住落水者不再滑出，然后将其救回艇上，安置在旋转内舱。图18. 救助网示意图由于海上情况复杂，艇受到海浪作用时刻处于摇晃状态，故此配备三张捕捉网以提高救生成功率。 控制系统部分
