一种便携式水上救援弹射器及其弹射方法
阅读说明：本技术 一种便携式水上救援弹射器及其弹射方法 (Portable water rescue catapult and catapulting method thereof ) 是由 张巨勇 沈亚文 尹爱国 许嘉钦 严琦森 方铁锋 刘若愚 李蓉 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种便携式水上救援弹射器及其弹射方法。人工抛投救生装置精度难以保证,高压气体实施抛射,携带不便,不适用复杂危险场合。本发明的滑动助推器由扳机机构触发,带动压缩弹簧和拉伸弹簧；且滑动助推器可张紧弹簧片机构。因此,本发明在弹性绳、压缩弹簧和拉伸弹簧三重弹力作用下,弹射救生装置的距离和精度上与高压气体抛投相当,但携带、操作使用等过程中,安全性得到了较好的保证,且结构简捷,便于携带,造价低,适用于各种复杂、危险的工况；在成品中标注救生弹能达到的最远水平距离,可以设计不同规格的成品,救援人员目测落水人员离岸边的水平距离后,可根据救生弹能达到的最远水平距离和站立点与岸边的估计距离选择站立点。(The invention discloses a portable water rescue catapult and a catapult method thereof. The precision of the manual throwing lifesaving device is difficult to guarantee, the high-pressure gas is thrown, the carrying is inconvenient, and the manual throwing lifesaving device is not suitable for complex dangerous occasions. The sliding booster is triggered by a trigger mechanism to drive a compression spring and an extension spring; and the sliding booster can tension the spring leaf mechanism. Therefore, under the triple elasticity action of the elastic rope, the compression spring and the extension spring, the distance and the precision of the ejection life-saving device are equivalent to those of high-pressure gas throwing, but in the processes of carrying, operating and using and the like, the safety is better ensured, and the ejection life-saving device has a simple structure, is convenient to carry, has low manufacturing cost and is suitable for various complex and dangerous working conditions; the farthest horizontal distance which can be reached by the lifesaving bullet is marked in the finished product, the finished products with different specifications can be designed, and after a rescuer visually inspects the horizontal distance from the shore of a person falling into the water, a standing point can be selected according to the farthest horizontal distance which can be reached by the lifesaving bullet and the estimated distance between the standing point and the shore.)
技术领域
本发明属于水上救援设备领域，具体涉及一种便携式水上救援弹射器及其弹射方法。
背景技术
当发生人员不慎跌落江、河、湖泊或遭遇洪涝灾害时，由于落水人员和救援人员本身不习水性、或在水面复杂的情况下，急需实施救援，救援人员在自身安全考虑下不能下水时，需要救援人员在路面或船上，将救生装置迅速且有效地抛送至落水人员的目标地点，且帮助其回归上岸，这是实施水面救援的重要途径之一。但现有的救生装置大都是一些救生筏和救生快艇，体积庞大，笨重且不易搬移，救援效率低，并不能适用于一些复杂、危险的场合。
目前，在现实生活中，我们经常会遇到这种不幸的情况：在偏僻的陌生环境下，有人不幸落水且落水点距离岸边较远，但是现场没有人会游泳或者水性不好，将救生衣、救生圈等救生装置送至落水遇难者地点，主要采用人工抛投。但人工抛投距离上有很大的限制，且精度难以保证，无法达到理想的状态。现在市场上出现了利用高压气体实施抛射的救援设备，但该设备较为笨重，在携带及使用的安全性能上存在较大不足，且价格较贵，因此，难以得到较好的推广。
因此，目前急需一种便携式、操作安全可靠、成本低且适用于各种复杂危险场合的水上救援弹射器。
发明内容
本发明针对水上救援设备的现有缺陷，提供了一种利用机械弹性势能将救援装置弹射到落水遇难者地点实施救援的便携式水上救援弹射器及其弹射方法，该弹射器结构简单，便于携带，使用方便，能安全、快速地将救生装置弹射到一定距离范围内的落水者地点，且帮助其返回上岸，能有效地实施救援。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一种便携式水上救援弹射器，包括机架、弹簧片机构、救生弹、压缩弹簧、扳机机构、滑动助推器、V型导向侧板、拉伸弹簧、导杆和手托架；所述的手托架固定在机架底部前端位置；所述的滑动助推器包括助推杆、滚轮和导向块；所述的导向块与固定在机架上的导杆构成滑动副，前端与机架通过拉伸弹簧连接，后端与机架通过压缩弹簧连接；所述导向块的前端开设有沟槽；沟槽外侧设有一体成型的凸条；所述的压缩弹簧套置在导杆上；导向块的两侧铰接有两个滚轮；两个滚轮与固定在机架上的两根导向滑轨分别形成滚动摩擦；所述导向块的底部呈楔形，斜面朝后设置；助推杆固定在导向块顶部。所述的弹簧片机构包括定滑轮、弹性绳和弹簧片；弹簧片的中部固定在机架前端，两端分别铰接有定滑轮；环形的弹性绳套置在两个定滑轮上，且与弹簧片两端均固定。所述机架的顶部固定有间距设置的两个V型导向侧板，救生弹置于两个V型导向侧板之间；所述的救生弹包括救生弹壳和救生衣组件；救生弹壳与两个V型导向侧板均构成滑动副；所述的救生衣组件包括救生衣、高压气瓶、触发开关和绳线；高压气瓶的出气口与救生衣内腔连通，且高压气瓶的出气口处设有触发开关；绳线的一端与高压气瓶的触发开关固定，另一端与滑动助推器的助推杆固定，且绳线缠绕在助推杆上；所述的救生衣和高压气瓶均置于救生弹壳内。
所述的扳机机构包括锁杆、固定螺栓、扳手和定位销；锁杆的中部与机架底部通过定位销铰接，且与机架通过套置在定位销上的扭簧连接；所述锁杆的顶端铰接有滚子；机架在锁杆的顶部靠近弹簧片机构的一侧固定有对锁杆顶部限位的固定螺栓；扳手的中部与机架底部通过定位销铰接，且扳手的顶部与锁杆的底部接触；机架在扳手中部的定位销下方且靠近弹簧片机构的一侧固定有对扳手限位的固定螺栓。
优选地，所述的滚轮通过卡簧轴向定位。
优选地，所述的机架在锁杆的底部靠近弹簧片机构的一侧固定有对锁杆限位的固定螺栓。
优选地，发射角为θ时，救生弹弹射的水平距离计算如下：
弹射时拉伸弹簧和压缩弹簧做功的总和E1为：
其中，k1为拉伸弹簧的弹性系数，l1为拉伸弹簧的变形量，k2为压缩弹簧的弹性系数，l2为压缩弹簧的变形量。
弹簧片和弹性绳做功的总和E2设计为：
E2＝0.7×E1 (2)
弹射过程中，能量的传递效率设为90％，根据能量守恒原理得：
其中，m为救生弹的质量，V为救生弹弹出的初始速度。
联立式(1)、(2)和(3)，得：
救生弹斜抛运动过程中，到达最高点所需时间t1为：
t1＝Vsinθ/g
救生弹上升到的最大高度与弹出初始位置的竖直距离h1为：
由最高点降落到目标位置所用时间t2根据下式求解：
其中，h2为救生弹弹出初始位置与水面的垂直距离；则得：
从而，救生弹能达到的最远水平距离S为：
该便携式水上救援弹射器的弹射方法，具体如下：
步骤一、救援人员目测落水人员离岸边的水平距离，并根据救生弹能达到的最远水平距离和站立点与岸边的估计距离选择站立点；然后，救援人员将滑动助推器沿导杆向后移动，滚轮在导向滑轨上滚动，使得压缩弹簧压缩，拉伸弹簧拉伸；当滑动助推器的导向块到达扳机机构上方时，导向块底部的斜面向下压锁杆，扭簧储存能量；导向块越过锁杆后，锁杆在扭簧回复力作用和锁杆顶部的固定螺栓限位作用下复位；锁杆带动扳手顶部向后摆动，扳手靠近中部定位销下方位置被该定位销下方的固定螺栓限位；而导向块越过锁杆后，救援人员松开滑动助推器，滑动助推器在压缩弹簧和拉伸弹簧的回复力作用下向上顶锁杆顶部位置，但被锁杆顶部限位；再将弹性绳张开并挂在导向块沟槽外侧的凸条上，此时弹性绳处于拉伸状态。
步骤二、对准落水人员位置扣动扳机，使得扳机底部向后摆动，扳机顶部带动锁杆底部向前摆动，锁杆顶部向后摆动，从而推动滑动助推器向后移动；当锁杆越过滑动助推器后，滑动助推器不再受锁杆约束，从而在弹性绳、压缩弹簧和拉伸弹簧的回复力作用下沿导杆向前移动，将救生弹沿着V型导向侧板发射出去；当救生弹到达落水人员附近时，与助推杆连接的绳线被拉紧，绳线打开高压气瓶的触发开关，高压气瓶给救生衣充气，此时充满气体的救生衣冲破救生弹壳并飘落在落水人员的身边；然后，在救生衣和绳线的协同作用下对落水人员实施远程救援。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
1)与人工抛投相比，本发明弹射救生装置的距离和精度大大提高，实用性和有效性得到增强。
2)与高压气体抛投相比，本发明在弹性绳、压缩弹簧和拉伸弹簧三重弹力作用下，弹射救生装置的距离和精度上与高压气体抛投相当，但本发明采用的是机械弹性势能弹射，平时携带、操作使用等过程中，安全性得到了较好的保证，且结构简捷，便于携带，造价低。
3)与救生筏、救生快艇相比，本发明体积小，方向性好，简单方便，操作安全可靠，适用于各种复杂、危险的工况。
4)与人工抛投和高压气体抛投相比，本发明可在成品中标注救生弹能达到的最远水平距离，可以设计不同规格的成品，救援人员目测落水人员离岸边的水平距离后，可根据救生弹能达到的最远水平距离和站立点与岸边的估计距离选择站立点。
附图说明
图1为本发明的整机结构立体图；
图2为本发明的局部结构示意图；
图3为本发明中弹簧片机构的立体图；
图4为本发明中救生弹的结构立体图；
图5为本发明中救生衣组件的结构示意图；
图6为本发明中扳机机构的立体图；
图7为本发明中滑动助推器的结构立体图；
图8为本发明中压缩弹簧和拉伸弹簧的变形量示意图；
图9为本发明中救生弹的弹射轨迹图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，一种便携式水上救援弹射器，包括机架1、弹簧片机构2、救生弹3、压缩弹簧4、扳机机构5、滑动助推器6、V型导向侧板8、拉伸弹簧9、导杆10和手托架11；手托架11固定在机架1底部前端位置；如图7所示，滑动助推器6包括助推杆6-1、滚轮6-2和导向块6-3；导向块6-3与固定在机架1上的导杆10构成滑动副，前端与机架1通过拉伸弹簧9连接，后端与机架1通过压缩弹簧4连接；导向块6-3前端开设有沟槽；沟槽外侧设有一体成型的凸条；压缩弹簧4套置在导杆10上；导向块6-3的两侧铰接有两个滚轮6-2；两个滚轮6-2与固定在机架1上的两根导向滑轨7分别形成滚动摩擦，降低弹性势能的损耗；导向块6-3底部呈楔形，斜面朝后设置；助推杆6-1固定在导向块6-3顶部。如图3所示，弹簧片机构2包括定滑轮2-1、弹性绳2-2和弹簧片2-3；弹簧片2-3的中部固定在机架1前端，两端分别铰接有定滑轮2-1；环形的弹性绳2-2套置在两个定滑轮2-1上，且与弹簧片2-3两端均固定。机架1顶部固定有间距设置的两个V型导向侧板8，救生弹3置于两个V型导向侧板8之间；如图4所示，救生弹3包括救生弹壳3-1和救生衣组件3-2；救生弹壳3-1与两个V型导向侧板8均构成滑动副；如图5所示，救生衣组件3-2包括救生衣3-2-1、高压气瓶3-2-2、触发开关3-2-3和绳线3-2-4；高压气瓶3-2-2的出气口与救生衣3-2-1内腔连通，且高压气瓶3-2-2的出气口处设有触发开关3-2-3；绳线3-2-4的一端与高压气瓶3-2-2的触发开关3-2-3固定，另一端与滑动助推器6的助推杆6-1固定，且绳线3-2-4缠绕在助推杆6-1上；救生衣3-2-1和高压气瓶3-2-2均置于救生弹壳3-1内。
如图6所示，扳机机构5包括锁杆5-1、固定螺栓5-2、扳手5-3和定位销5-4；锁杆5-1的中部与机架1底部通过定位销5-4铰接，且与机架1通过套置在定位销5-4上的扭簧连接；锁杆5-1顶端铰接有滚子；机架1在锁杆5-1的顶部靠近弹簧片机构2的一侧固定有固定螺栓5-2，该固定螺栓5-2对锁杆5-1的顶部进行限位；扳手5-3的中部与机架1底部通过定位销5-4铰接，且扳手5-3的顶部与锁杆5-1的底部接触；机架1在扳手5-3中部的定位销5-4下方且靠近弹簧片机构2的一侧固定有固定螺栓5-2，该固定螺栓5-2对扳手5-3中部的定位销5-4以下位置进行限位。
作为一个优选实施例，滚轮6-2通过卡簧6-4轴向定位。
作为一个优选实施例，机架1在锁杆5-1的底部靠近弹簧片机构2的一侧固定有固定螺栓5-2，该固定螺栓5-2对锁杆5-1的底部进行限位。
发射角为θ(机架1与水平面的夹角，本实施例取θ＝45°)时，救生弹弹射的水平距离计算如下：
弹射时拉伸弹簧和压缩弹簧做功的总和E1为：
其中，拉伸弹簧的弹性系数k1＝1.786N/mm，拉伸弹簧的变形量l1＝150mm，压缩弹簧的弹性系数k2＝2.7N/mm，压缩弹簧的变形量l2＝120mm，如图8所示。
弹簧片和弹性绳做功的总和E2设计为：
E2＝0.7×E1 (2)
弹射过程中，考虑到摩擦、空气阻力等外界因素影响，能量的传递效率设为90％，根据能量守恒原理得：
其中，m为救生弹的质量(本实施例取m＝0.8千克)，V为救生弹弹出的初始速度。
联立式(1)、(2)和(3)，得：
救生弹斜抛运动过程中，到达最高点所需时间t1为：
t1＝V sinθ/g
如图9所示，救生弹上升到的最大高度与弹出初始位置的竖直距离h1为：
由最高点降落到目标位置所用时间t2根据下式求解：
其中，h2为救生弹弹出初始位置与水面的垂直距离(本实施例取h2＝2，单位为m)；则得：
从而，救生弹能达到的最远水平距离S为：
代入数据求解，得本实施例中S＝24米。
该便携式水上救援弹射器的弹射方法，具体如下：
步骤一、救援人员目测落水人员离岸边的水平距离，并根据救生弹能达到的最远水平距离(成品中进行标注，可以设计不同规格的成品)和站立点与岸边的估计距离选择站立点；然后，救援人员将滑动助推器6沿导杆10向后移动，滚轮6-2在导向滑轨7上滚动，使得压缩弹簧4压缩，拉伸弹簧9拉伸；当滑动助推器6的导向块6-3到达扳机机构5上方时，导向块6-3底部的斜面向下压锁杆5-1，扭簧储存能量；导向块6-3越过锁杆5-1后，锁杆5-1在扭簧回复力作用和锁杆5-1顶部的固定螺栓5-2限位作用下复位；锁杆5-1带动扳手5-3顶部向后摆动，扳手5-3靠近中部定位销5-4下方位置被该定位销5-4下方的固定螺栓5-2限位；而导向块6-3越过锁杆5-1后，救援人员松开滑动助推器6，滑动助推器6在压缩弹簧4和拉伸弹簧9的回复力作用下向上顶锁杆5-1顶部位置，但被锁杆5-1顶部限位；再将弹性绳2-2张开并挂在导向块6-3沟槽外侧的凸条上，此时弹性绳2-2处于拉伸状态。
步骤二、对准落水人员位置扣动扳机5-3，使得扳机5-3底部向后摆动，扳机5-3顶部带动锁杆5-1底部向前摆动，锁杆5-1顶部向后摆动，从而推动滑动助推器6向后移动；当锁杆5-1越过滑动助推器6后，滑动助推器6不再受锁杆5-1约束，从而在弹性绳2-2、压缩弹簧4和拉伸弹簧9的回复力作用下沿导杆10向前移动，将救生弹3沿着V型导向侧板8发射出去；当救生弹3到达落水人员附近时，与助推杆6-1连接的绳线3-2-4被拉紧，绳线3-2-4打开高压气瓶3-2-2的触发开关3-2-3，高压气瓶3-2-2给救生衣3-2-1充气，此时充满气体的救生衣3-2-1冲破救生弹壳3-1并飘落在落水人员的身边；然后，在救生衣3-2-1和绳线3-2-4的协同作用下对落水人员实施远程救援。
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