基于系统论的公共救援设备设计开发——以救援升降设备为例

刘世玉，董 振

（天津理工大学 艺术学院，天津 300384）

基于系统论的公共救援设备设计开发
——以救援升降设备为例

刘世玉，董 振

（天津理工大学 艺术学院，天津 300384）

近年来国内在低高空作业过程中因为应急设备在功能上存在缺陷造成了一些事故及损失，针对这一问题文章以升降机作为载体进行抢险救援设备的设计研发。通过综合分析，在满足应急需要及保护工作人员生命安全的基础上，运用机构组合方法，形成一款单体设备多种功能的设计思路。在设备的操作方面更为简便快捷，性能上更为平稳、设备作业更为有序、可靠。进而满足救援工作中对功能的需要，较为全面地缩小风险，提高救援的成功率。

应急救援；升降机构；便携；人机工程学

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一、引言

随着经济的快速发展，在公路、消防领域的急救需求大量增加，电力、通信、航空、大型车间厂矿等部门的应急救援需求也在快速增长。应急救援设备主要被运用于机场事故的抢险、火灾现场救援和通讯设施抢险维修、交通事故的紧急救援、电力系统的紧急抢险等场所。近年来，因为环境的恶化导致了频繁的自然灾害，更凸显出抢险救援设备的重要性。为了应对市场的需求，满足更高的技术要求，当前对急救设施、急救设施的性能呈现出功能多样化的需求趋势，传统的应急救援设施设备上存在着功能上的短板，无法满足实际救援的需要。文章研究来源于“电网应急救援设备的启发”，主要目的是研究多功能应急救援车的设计，以提高设备在应急救援过程中的稳定性，使其具有良好的操控性和灵活性，并对举升机构进行稳定性分析和结构优化，使之达到最佳工况的客观条件。多功能应急救援设备是一种具有升降机构的多功能类型，起顶部连接工作平台，用以承载人员进行高空作业，一般为曲柄臂式通用型机构。该型的优点是操作方便，运行范围宽，并且还具有可以增加横向扩展的优点，还可以旋转角度，在一定高度范围内容易越过障碍到达需要的位置，拥有一个比较理想的工作位置。在电源上可以由交流电源启动，也可以通过液压或者其他方式驱动，是现今较为理想的高空作业设备。升降机设备被广泛的运用于市政、电力、公路、码头、广告、厂矿等多种领域。文章设计开发的设备类似一种可升降的功能车，主要包括机架、拖板回程机构、曲柄臂、液压缸、操作系统和高空作业平台。

二、系统论指导下的公共救援设备情况

（一）系统论

系统论是在研究设计系统当中较为常用的运用模式，是与之相关物体结构和自身内在规律的一个学科，主要是研究每个系统当中的相同的特征形式，然后再运用数学测绘的形式方法展示它的功能，它是一门逻辑和数学科学，目的是为了寻求一个能适用于任何系统的科学原理。

（二）公共救援设备国外现状

纵观全球，在应急救援领域，以美国、德国、英国、日本等国技术最为先进。小型升降设备，被运用于基础设施的建设，以及电网、电信、公路抢险救援。在工业时代和信息时代的今天，不难看出国外应急救援方面的设备制造商都比较注重将最新的科学技术成果运用到下一代产品上，把救援产品的功能性、通用性、安全性以及智能化提到一个更高的水平，具体运用在这些方面：（1）将通讯技术运用到救援设备上，建立起救援过程中施救者与被施救者之间的相互沟通；（2）国外先进的传感设备和人体检测技术的运用，通过在救援设备上安装各种传感器来探测受害者的生命特征，进而缩小救援范围并划定确切的救援位置，使得救援工作更具有针对性。能够在有限的时间范围内，以较高的效率完成救援工作，从而最大化的降低各方面的损失。

（三）公共救援设备国内现状

根据调研显示，我国在20世纪80年代初才开始自行研发具有救援功能的设备，经过近几十年的发展，在救援设备的科技含量上有了很大程度的提高，功能也逐步得到完善，但在设备的通用性方面不是很强，存在着较大的局限性。目前，我国的救援设施在关键技术上仍然有着较大的缺陷，整体的技术含量还不是很高，成套可移动的设备不多。设备存在着体块大、移动迟缓等问题。国内升降机主要有以下四种运动类型：升降臂结构伸缩臂、壁挂式、混合式，以及垂直升降式，伸缩臂式汽车传动缸布置较为复杂，其工作范围在60-100m的操作高度；折叠臂式车结构灵活，能够实现水平延伸、旋转，也能够轻松到达比较理想的工作位置，是较为理想化的低空作业设备；混合式动力设备的优点在于将上述两种设备结合了起来，增加了工作的高度和范围，并且设备工作的的位置较理想，但有一点它属于升降臂折叠机构，结构上相对上述的复杂；垂直升降式作业车的作业幅度只限于垂直方向的施工作业。折叠式功能车在国内多被应用于低空类相关工作。本文在研究设计过程中遵循以应急救援为主旨，以升降设备为运作载体，以人机工程学为辅助设计，并达到便携的目的，可以有效的节省人力、财力、物力。

三、现有救援设备存在的缺陷

很显然，通过近些年的努力，我国在应急救援设备研发领域取得了一些成绩，但同时在关键技术上也存在着诸多的缺陷。目前应急救援领域的设计研发普遍存在着过度重视硬件方面的建设，对软件和信息之间的应用及相互之间融合的问题不够重视。在现有设备基础上，存在着类型数量稀少，使用时间比较长，应急救援整体效率低以及安全性能系数比较低等问题，很难符合发展的需要；另外应急救援设备功能上较为单一，应急救援的需求和设备之间的供给存在着矛盾。现代应急救援要求对设备的环保、功能、智能和机动快捷化的要求越来越高，设备在以上方面的功能缺陷，使得救援设备的发展与需求之间的矛盾日渐凸显。

四、救援升降设备功能定位

从目前的市场需求来看，国内市场对于高空类抢险救援作业车的需求不仅巨大而且还比较迫切。中国是一个发展中国家，基础设施仍然存在着缺陷，城市建设差距比较大，救援升降设备还有很大程度的改进空间。可升降的多功能车占用空间面积小，其灵活方便的特点可以很好的满足抢险救援的需求，这一要点是本文设计研究的一个总体定位。该紧急救援设备多功能车采用的升降机构是液压驱动。液压驱动的长处在于有着相当大的传送力量，在体积、空间、重量方面比较适中，还有一个优点就是运动方式上比较平稳。但也存在着缺点，即不适合用在传动要求高的救援工作上，在距离上还有一定的限制，另外在部件的精度要求方面也是很苛刻的。

（一）本文研究设计主要的重点在于，设备整体的稳定性控制设计以及实际操作过程中所应对的工作环境。

（二）保护电路的设计将电子控制系统的主控部分设计成回路控制，提高系统运行的整体可靠性，确保在工作状态下排除设备故障威胁，最大限度的降低机械故障。

（三）针对平坦或陡坡等多种情形下抢险救援车的功能设计。

（四）诊断系统：机械自身出现故障，进行自我诊断，同时发出警报。

基于本文篇幅，本文仅对多功能抢险救援车的整车稳定性设计、升降机构、工作状况、人机工程方面进行研究。

五、救援升降设备结构原理

通过调研分析，以及对国内外同类作业车进行相互比较，同时再考虑到升降机构安装空间和工作范围的限制，故在运动方式上选择折叠升降机构。升降机构作为该车的主要部件，分为动力装置、控制调节装置、执行配件、辅助装置等机构部分。

升降设备通常情况是由以下四个机构组成，分别是：移动、液压、电机控制、支撑机构。升降设备中的油是由内部的叶片泵在工作当中构成一定量的压力，通过过滤器、控制阀，单项控制阀、平衡阀诸多部件运动到液缸的末端，使得液缸的活塞来回向上运动的过程，从而完成作业。

另外，为了使工作平台在回收过程中能够保持平稳，在制动的可靠性上设计一个平衡阀门，在回路上保持压力的平衡，从而使其在下降的速度上不会受到重物的影响。为了确保制动的安全性、可靠性，避免意外的发生，设置了单项控制阀，就是一个液压锁，能应对来自液压管线及其他部件发生意外的时候进行自锁，这一设置能够极为有效的提高设备的安全系数，在应对不乐观的作业环境下作为最后一道防线保护工作人员的人身安全。

当抢险救援升降设备到达救援现场后，由液压系统启动电机驱动液压泵，控制平衡支腿起升取代车轮支撑，升降设备开始运行，进行抢险救援工作。当救援工作结束后，进行回收的动作控制即可。

六、救援升降设备设计方向

本文所研究设计的抢险救援设备，是针对在一定的高度范围内进行应急救援作业，在应对紧急情况下是通过升降机构及工作平台将工作人员送到理想位置进行抢险救援，使其完成抢险救援的任务。针对救援设备可能应对到诸多特殊的工作环境研发设计出一款综合应对能力较强的抢险救援设备。

根据应急救援的需求，救援升降设备设计方向上总体朝着传动机构的高压、电子设施上的集成、电子设备的大功率、运作机械高效、较长使用年限、设备污染小、噪音低、较高性能的方向设计研发。鉴于计算机技术的普通运用，把智能型的操作控制方式应用到设计当中更能符合时代的需求。

结合调研，参考现有的救援升降设备，被运用到社会生活中比较多的是以汽车作为移动载体，进而在汽车上安装伸缩梯架，作业的运动方式是升降机构环绕着固定的轴在液压缸的作用下来实现上下抬升的功能。传动动力是由汽车马达来提供支持。

鉴于此，从设施自身来考虑，为了满足设备在机动性方面的要求，设计方向上要让设备完全独立，成为一个个体，减小对汽车载体的依赖，能够提高设备自身的安全系数。同时由于液压机构在作业过程中的速度是一定的，无法实现在速度上的增或者减，因此设备在灵活性能上受到很大的影响，随之工作效率也会因此受到影响，设备的安全系数也会降低，受到阻力的启发，设计一个调节速度的调节阀，由此就可以解决上述的不便，实现设备在升起和回收设备时速度上的变化，这样可以减小设备自身的损耗，同时在使用期限上又是一次延伸。

七、结论

鉴于抢险救援设备在整个应急救援系统中占据着主角的地位，本文从对实际现状的调研分析出发，针对以升降机构为基础的设备进行研发设计，探究了抢险救援设施在设计过程中如何取长补短完善自身的方法，从而最大限度地避免救援设备在突发事件过程中由于自身问题而带来的不足，进而降低不必要的损失和影响。文章设计研究的抢险救援设备以人机工程学为指导原则，使得产品的设计更趋于人性化，设备的使用方式更为合理、方便。在协助人员的共同帮助下完成抢险救援的作业，考虑到较为恶劣的救援环境，设置最后一道救援防线，最大限度的保护救援者自身的生命安全。■

本文为天津理工大学大学生创新创业训练计划项目《基于系统论的公共救援便携设备设计与开发》研究部分之一（项目编号：201610060095）

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Design and Development of Public Rescue Equipment Based on SystemTheory, Taking the Rescue Lifting Equipment as an Example

LiU shi-yu DONG Zhen
（TUT school of Art & Design, Tianjin 300384, china）

In recent years, the domestic in the low high-altitude operation process because of emergency equipment, in the function defects caused by accidents and losses, according to the design and development of this problem to lift carrier as rescue equipment. Based on the comprehensive analysis, in order to meet the emergency needs and protect the life safety of the staff, this paper uses the method of mechanism combination to design a kind of design idea of a single equipment. In the operation of the equipment is more simple and quick, more stable performance, more orderly and reliable equipment operation. To meet the needs of the rescue work, a more comprehensive risk reduction, improve the success rate of rescue.

emergency rescue; construction lifts; portable; ergonomics

TB472

A

1008-2832(2017)06-0094-03

检 索:www.artdesign.org.cn