专利名称：一种用于手臂气流解脱力实验的模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明属于生物力学技术领域，涉及一种生物力学实验模拟装置，具体地说，是指 一种用来模拟飞行员弹射救生时手臂气流解脱力的装置，适用于飞行员弹射救生时的手部 气流解脱力的研究。
背景技术：
现代战斗机高速飞行过程中，如遇危险，飞行员就需要弹射救生。为了使弹射救生 系统质量小，稳定性好，因此现有的弹射救生系统多采用敞开式弹射救生座椅，飞行员弹射 离机的瞬间便会暴露在高速吹袭的气流冲击作用下，给人体的胸腹部及四肢造成非常严重 的损伤。由于上肢活动度大，难于固定等原因，在气流冲击损伤中占绝大部分。弹射中，当 手握不住弹射击发手柄(中央环)而被高速气流吹脱时，上肢将产生相对躯干的甩打运动， 剧烈的甩打有可能使上肢关节超过活动范围，造成脱臼，关节囊撕裂，因此防护设备的研究 成为重大课题亟待解决，目前国内外虽然提出一些防护措施，但仍然有上肢损伤的报道。人体对高速气流吹袭耐限，目前没有国外相应标准，国内相关单位研究较少。我国 新型高速弹射救生速度达到1100 1200km/h，此时飞行员上肢若不加防护，则高速气流吹 袭致伤率达100%。随着我国新歼飞机弹射速度和救生性能的提高，现有的研究水平和标准 既不适应也不能满足目前我国航空救生水平发展的需要，尤其是不适应新歼飞机现有的救 生水平的需要。因此研究高速气流吹袭生理耐限和相应的防护措施是目前航空弹射救生中 的重要研究内容。
发明内容
由于飞行员上肢的损伤是由双手脱离弹射手柄开始的，气流作用在手臂上产生手 臂气流解脱力，使手脱开弹射击发手柄。对于手臂气流解脱力(手臂抗拉力)的研究最简 单、最直接的方法是研制合适的机械模拟装置，通过模拟装置测得力学数据为飞行员弹射 救生时手臂防护措施的研究提供理论依据。因此本发明提供一种可产生飞行员在弹射离机 的瞬间受到的瞬时力的模拟装置，可准确地测出飞行员手臂极限抗拉能力的同时能够保证 被试者的人身安全，且成本低，实用性高，体积小，易操作。本发明一种用于飞行员弹射救生时手臂气流解脱力实验的模拟装置，包括整体框 架、绕线机构、牵引机构和开关机构。所述的整体框架包括底座、两前支撑杆、两后支撑杆、台座、横梁A和横梁B;其中， 底座为两平行的水平横杆，在两横杆上分别竖直连接有前支撑杆与后支撑杆；台座为矩形 框架，矩形框架的四条边分别与两前支撑杆与两后支撑杆连接，在所述的两个前支撑杆之 间的前边的中心安装有滑轮C，两后支撑杆之间的后边的中心安装有滑轮B，其余的两条相 对的左边和右边上滑动连接有牵引机构，并且在所述的左边和右边上还分别安装有挡块， 用来限制牵引机构移动的距离；两前支撑杆之间的台座前边上还安装有开关机构；在台座 所在平面以下的两前支撑杆间连接有横梁A ；在台座所在平面以上的两后支撑杆上对称设置有通孔，用来安装横梁B ；在横梁A的中部安装有滑轮A，在横梁B中部安装有滑轮D，所 述的滑轮A、滑轮B、滑轮C、和滑轮D位于同一个竖直平面内；在所述两后支撑杆后方的底座两端连接有绕线机构支撑座，绕线机构支撑座上连 接有绕线机构支架；在台座所在平面以下的两后支撑杆之间连接有绕线机构支撑梁，所述 的绕线机构支撑梁的高度与绕线机构支架的顶端高度相同，并且在所述的绕线机构支撑梁 与绕线机构支架的顶端上水平固定连接绕线机构安装台，在所述的绕线机构安装台上安装 有绕线机构；所述绕线机构主要由绕线盘壳体、大齿轮、小齿轮、绕线轴、卡尺和手柄组成；其 中，绕线轴位于绕线盘壳体内部，并且与绕线盘壳体侧壁之间为转动连接，绕线轴上固定连 接有大齿轮，小齿轮固定连接在绕线盘壳体内侧的连接轴上，且小齿轮与大齿轮啮合，所述 的连接轴一端伸出绕线盘壳体外部与手柄连接；所述的卡尺一端转动连接在绕线盘壳体内 壁上，另一端为自由端，自由端位于小齿轮轮齿处；卡尺上方与下方的绕线盘壳体内壁上各 设置有限位销，卡尺下边缘为凸圆弧面，上边缘为平直面；绕线机构中的绕线轴上系有钢丝 绳A，钢丝绳A与弹簧的一端连接，弹簧的另一端连接有钢丝绳B，钢丝绳B绕过滑轮A和滑 轮B后，与牵引机构连接；钢丝绳C 一端与牵引机构连接，另一端与开关机构连接；钢丝绳D 一端与牵引机构连接，另一端绕过滑轮C，并由滑轮D上部绕过滑轮D与护臂套相连。在进行飞行员手臂侧向抗拉实验时，通过转动绕线机构中的手柄，小齿轮顺时针 转动，带动大齿轮转动，使绕线轴开始绕线，此时钢丝绳A、钢丝绳B、钢丝绳C、钢丝绳D以及 弹簧开始拉紧。在拉紧的过程中弹簧在不断拉长，产生形变，当弹簧达到预定的形变时停止 绕线。通过开关机构使钢丝绳C脱离扳手A的短边，使弹簧张紧时存储的势能迅速转化 为牵引机构的动能，牵引机构离开起始位置在台座的长边间快速移动，同时将动能通过钢 丝绳D传递给护臂带，从而实现对手臂施加侧向的拉力，完成弹射时飞行员脱手力的模拟。本发明的优点在于1、本发明模拟装置在准确地测出飞行员手臂极限抗拉能力的同时能够保证被试 者的人身安全；设计的护臂套还能够模拟飞行员前臂受到的均布力；2、本发明模拟装置的设计考虑实际弹射时飞行员受到的气流吹袭力方向的可变 性，将人体受力的方向设计成可变的，更加符合真实的弹射情况，得出较为准确的力学数 据；3、本发明模拟装置成本低，实用性高，体积小，易操作。
图1本发明模拟装置整体结构示意图；图2本发明模拟装置中整体框架结构示意图；图3本发明模拟装置中绕线机构示意图；图4本发明模拟装置中牵引体结构示意图；图5本发明模拟装置中开关机构结构示意图；图6本发明模拟装置中开关机构剖视图；图7本发明模拟装置进行模拟飞行员手臂抵抗气流解脱力实验时与护臂套的连接示意图8本发明模拟装置进行模拟飞行员手臂抵抗气流解脱力实S乏时通过钢丝绳E与护臂套的连接示意图。
图中
1-整体框架2-绕线机构3_牵引机构4-开关机构
5-底座6-前支撑杆7-后支撑杆8-台座
9_横梁A10-横梁B11-滑轮A12-滑轮B
13-滑轮C14-滑轮D15-通孔16-绕线机构支撑座
17-绕线机构支架18-绕线机构支撑梁19-绕线机构安装台201-绕线盘壳体
202-绕线轴203-大齿轮204-小齿轮205-卡尺
206-手柄207-限位销301-后挡板302-前挡板
303-连接板304-滑块305-滚轮306-圆孔A
307-圆孔B401-上盖板402-下盖板403-扳手A
404-扳手B405-”U” 形槽406-限位块20-钢丝绳A
21-钢丝绳B22-钢丝绳C23-钢丝绳D24-钢丝绳E
25-挡块26-护臂套27-连接孔28-弹簧
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明一种用于飞行员弹射救生时手臂气流解脱力实验的模拟装置，如图1所 示，包括整体框架1、绕线机构2、牵引机构3、开关机构4。其中，整体框架1包括底座5、两前支撑杆6、两后支撑杆7、台座8、横梁A9、横梁 B10，如图2所示。其中，两平行的横杆与地面固定作为整体框架1的底座5，在两平行横杆 上分别竖直对称连接有两前支撑杆6与两后支撑杆7，且后支撑杆7的高度为前支撑杆6 高度的两倍。台座8为一长方形框架，台座8的四条边分别与两前支撑杆6与两后支撑杆 7连接，且台座8所在平面与底座5所在平面平行。在台座8所在平面以下的两前支撑杆6 间连接有横梁A9。在台座8所在平面以上的两后支撑杆7上对称设置有通孔15，用来安装 横梁B10，本实施例在两后支撑杆7上部不同平面内分别开有5个通孔15，从而通过将横梁 BlO安装在不同平面上的通孔15上，实现调整横梁BlO的高度。在横梁A9的中部安装有滑 轮All，在横梁BlO中部安装有滑轮D14，且在台座8中位于两个前支撑杆6之间的前边的 中心安装有滑轮C13，两后支撑杆7之间的后边的中心安装有滑轮B12 ；所述的滑轮All、滑 轮B12与滑轮C13和滑轮D14位于同一个竖直平面内。在两后支撑杆7后方的底座5上连接有绕线机构支撑座16，绕线机构支撑座16上 竖直连接有绕线机构支架17。在台座8所在平面以下的两后支撑杆7间连接有绕线机构 支撑梁18。所述的绕线机构支撑梁18的高度与绕线机构支架17的顶端高度相同，并且在 所述的绕线机构支撑梁18与绕线机构支架17的顶端上水平固定连接绕线机构安装台19。 在所述的绕线机构安装台19上安装有绕线机构2 ；如图1所示，台座8的两条长边间滑动 连接有牵引机构3，使牵引机构3有足够的滑行距离。在台座8中与两前支撑杆6连接的短边上安装有开关机构4。所述底座5、前支撑杆6、后支撑杆7、台座8、横梁A9、横梁B10、绕 线机构支撑座16、绕线机构支撑梁18、绕线机构支撑架17均为角钢结构。所述绕线机构2包括绕线盘壳体201、绕线轴202、大齿轮203、小齿轮204、卡尺 205和手柄206，如图3所示。其中，绕线轴202位于绕线盘壳体201内部，并且与绕线盘壳 体201侧壁之间为转动连接，在绕线盘壳体201侧壁之间的绕线轴202上固定连接有大齿 轮203，小齿轮204与绕线盘壳体201 —侧通过连接轴轴接，且小齿轮204与大齿轮203啮 合，在连接轴一端连接有手柄206，手柄206位于绕线盘壳体201外部，通过转动手柄带动 小齿轮204转动，从而带动绕线轴202随大齿轮203转动，使绕线轴上开始绕线。卡尺205 一端转动连接在绕线盘壳体201内壁上，另一端为自由端，自由端位于小齿轮204轮齿处； 卡尺201上方与下方的绕线盘壳体201内壁上各设置有限位销207，由此来对卡尺205的上 下运动进行限位，从而对小齿轮204进行限位。通过摇动绕线盘手柄206，小齿轮204开始 转动，带动大齿轮203转动，绕线盘开始绕线，因此，卡尺205下边缘为凸圆弧面，从而使小 齿轮204转动时不会被卡尺205卡住而停止转动。当停止摇动绕线盘手柄206时，为了防 止小齿轮204反转，因此将卡尺205上边缘设计为平直面；从而通过卡尺205上部的限位销 207的限位作用，卡尺205卡住，同时卡尺205卡住小齿轮204，使小齿轮204停止转动。卡 尺205、小齿轮204与大齿轮203位于绕线盘壳体201的同一侧。所述牵引机构3包括牵引体、滑块304，如图4所示。其中，牵引体包括后挡板301、 前挡板302与连接板303。后挡板301与前挡板302结构相同的矩形钢板，后挡板301与前 挡板302平行于长边的中轴线处连接有连接板303，形成“H”字形结构，连接板303位于后 挡板301与前挡板302之间，且与水平面平行。后挡板301与前挡板302中部靠近上边缘处对称开有至少一个圆孔A306，前挡板 301中部的靠近下边缘处开有至少一个圆孔B307。后挡板301与前挡板302两端分别固定有滑块304，滑块304为槽钢形滑块，在槽 钢形滑块304内的上下两侧均固定连接有滚轮305。通过牵引体两端的滑块304使牵引体 可在台座8的两长边间自由滑动。开关机构4包括上盖板401、下盖板402、扳手A403、扳手B404，如图5、图6所示。 其中，上盖板401与下盖板402为长方形薄钢板，上盖板401与下盖板402 —侧长边中部对 称开有“U”型槽405，另一侧长边中部固定连接有限位块406。所述扳手A403与扳手B404 为结构相同的“L”型扳手，扳手A403与扳手B404的拐角处轴接在上盖板401与下盖板402 间，且轴接位置分别位于“U”型槽与限位块406所在直线的两侧，扳手A403与扳手B404开 口相对。扳手A403的拐角处到“U”型槽405的垂直距离小于扳手A403短边的长度。扳手 A403短边用来套接钢丝绳，扳手A403的长边与扳手B的短边搭接，扳手B的长边与限位块 406搭接。当捆绑在扳手A403短边上的钢丝绳对扳手A403短边施加一个拉力时，扳手A403 会向开关机构4 一侧转动，此时扳手A403长边会搭接在扳手B404短边处，带动扳手B404 转动，最终扳手B404的长边与限位块406搭接，使扳手A403与扳手B404相互固定，此时扳 手A403的短边与上盖板401、下盖板402的长边平行。如图1所示，上述绕线机构2中的绕线轴202上系有钢丝绳A20，钢丝绳A20与弹 簧28的一端连接，弹簧28的另一端连接有钢丝绳B21，钢丝绳B21由滑轮All下放绕过轮 All，并由滑轮B12下放绕过滑轮B12，最终系在牵引机构3中后挡板301上端中部的圆孔A306上。钢丝绳C22 —端系在前挡板302下端中部圆孔B307上，另一端套接在开关机构 4中的扳手A403短边上。钢丝绳D23 —端系在牵引机构3中的前挡板302上端中部圆孔 A306上，另一端由滑轮C306底部绕过滑轮C306，并由滑轮D306上部绕过滑轮D306与护臂 套26上的连接孔27相连，如图7所示，所述护臂套26用于包裹人体前臂。为了模拟飞行 员弹射时上肢受到的均布的力，可在护臂套26上开有至少两个连接孔27，用来连接钢丝绳 E24的一端，钢丝绳E24的另一端均与钢丝绳D23连接，如图8所示。在进行飞行员手臂抵抗气流解脱力实验时，通过转动绕线机构2中的手柄，小齿 轮204顺时针转动，带动大齿轮203转动，使绕线轴202开始绕线，此时钢丝绳A20、钢丝绳 B21、钢丝绳C22、钢丝绳D23以及弹簧28开始拉紧。在此拉紧的过程中，开关机构4中的扳 手A403的短边受到钢丝绳C22的拉力，使扳手A403开始转动，造成扳手A403的长边与扳 手B的短边搭接，扳手B的长边与限位块406搭接，通过限位块406使扳手A403与扳手B相 对固定，从而使开关机构4与牵引机构3相对固定。在拉近的过程中弹簧28在不断拉长， 产生形变，当弹簧28达到预定的形变时停止绕线，由于绕线轴202受到逆向的拉力，小齿轮 204会发生反转，但由于卡尺205与限位销207的作用，使小齿轮204不会产生反转。实验 员根据弹簧28的形变可估量出预应力大小，也可通过应变片或传感器测出更加精确应力。扳动开关机构4中的扳手B404的长边，使扳手B404的短边与扳手A403的场边搭 接的部位错开，从而使钢丝绳C22脱离扳手A403的短边，从而使弹簧28张紧时存储的势能 迅速转化为牵引机构3的动能，牵引机构3中的滑块304离开起始位置在台座8的长边间 快速移动，同时将动能通过钢丝绳D23传递给护臂带，从而实现对手臂施加侧向的拉力，完 成弹射时飞行员脱手力的模拟。由于是真人实验，牵引机构3中滑块304的位移不能过大 以免造成人手臂过度外展而损伤，因此在台座8长边上分别安装有挡块25，当牵引机构3撞 到挡块25时，会减速停止。由于横梁BlO可安装在后支撑杆7不同的高度，因此钢丝绳D23 绕过滑轮D306时会具有不同的方向，由此在实验时可模拟飞行员受不同方向合力时，手臂 的脱开情况。本发明模拟装置的牵引机构3设计简单易于实现，并采用中空的角钢架搭建整体 框架1。考虑到实验空间不宜过大，本发明模拟装置采用短小型，长lm，宽0.4m，前支撑杆6 高0. 6m,重约28KG。考虑到模拟不同方向气流吹袭的需求，实验装置后支撑杆7长为1. 2m。 同时，基于实验台大小、使用方便程度、实验安全性、设计难度以及需要急停急起等各种因 素，装置使用弹簧28驱动机构3拖拽力模拟气流吹袭的冲击力，研究弹射救生时气流解脱 力。
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权利要求
一种用于手臂气流解脱力实验的模拟装置，其特征在于包括整体框架、绕线机构、牵引机构和开关机构；所述的整体框架包括底座、两前支撑杆、两后支撑杆、台座、横梁A和横梁B；其中，底座为两平行的水平横杆，在两横杆上分别竖直连接有前支撑杆与后支撑杆；台座为矩形框架，矩形框架的四条边分别与两前支撑杆与两后支撑杆连接，在所述的两个前支撑杆之间前边的中心安装有滑轮C，两后支撑杆之间后边的中心安装有滑轮B，其余的两条相对的左边和右边上滑动连接有牵引机构，并且在所述的左边和右边上还分别安装有挡块，用来限制牵引机构移动的距离；两前支撑杆之间的台座前边上还安装有开关机构；在台座所在平面以下的两前支撑杆间连接有横梁A；在台座所在平面以上的两后支撑杆上对称设置有通孔，用来安装横梁B；在横梁A的中部安装有滑轮A，在横梁B中部安装有滑轮D，所述的滑轮A、滑轮B、滑轮C和滑轮D位于同一个竖直平面内；在所述两后支撑杆后方的底座两端连接有绕线机构支撑座，绕线机构支撑座上连接有绕线机构支架；在台座所在平面以下的两后支撑杆之间连接有绕线机构支撑梁，所述的绕线机构支撑梁的高度与绕线机构支架的顶端高度相同，并且在所述的绕线机构支撑梁与绕线机构支架的顶端上水平固定连接绕线机构安装台，在所述的绕线机构安装台上安装有绕线机构；所述绕线机构主要由绕线盘壳体、大齿轮、小齿轮、绕线轴、卡尺和手柄组成；其中，绕线轴位于绕线盘壳体内部，并且与绕线盘壳体侧壁之间为转动连接，绕线轴上固定连接有大齿轮，小齿轮固定连接在绕线盘壳体内侧的连接轴上，且小齿轮与大齿轮啮合，所述的连接轴一端伸出绕线盘壳体外部与手柄连接；所述的卡尺一端转动连接在绕线盘壳体内壁上，另一端为自由端，自由端位于小齿轮轮齿处；卡尺上方与下方的绕线盘壳体内壁上各设置有限位销，卡尺下边缘为凸圆弧面，上边缘为平直面；绕线机构中的绕线轴上系有钢丝绳A，钢丝绳A与弹簧的一端连接，弹簧的另一端连接有钢丝绳B，钢丝绳B绕过滑轮A和滑轮B后，与牵引机构连接；钢丝绳C一端与牵引机构连接，另一端与开关机构连接；钢丝绳D一端与牵引机构连接，另一端绕过滑轮C和滑轮D与护臂套相连。
2.如权利要求1所述一种用于手臂气流解脱力实验的模拟装置，其特征在于所述牵 引机构包括牵引体、滑块；其中，牵引体由后挡板、前挡板与连接板组成；后挡板与前挡板 为结构相同的长方形板，后挡板与前挡板之间平行于长边的中轴线处水平连接有连接板， 后挡板与前挡板两端分别固定有滑块；后挡板与前挡板中部对称位置分别设置圆孔A，圆 孔A位置靠近后挡板与前挡板的上边缘处；后挡板中部靠近下边缘位置设置有圆孔B。
3.如权利要求2所述一种用于手臂气流解脱力实验的模拟装置，其特征在于所述的 滑块为槽钢结构，滑块内的上下两侧固定连接有滚轮。
4.如权利要求1所述一种用于手臂气流解脱力实验的模拟装置，其特征在于所述开 关机构包括上盖板、下盖板、扳手A、扳手B;其中，上盖板与下盖板一侧长边中部对称开有 “U”型槽，与所述长边相对的另一侧长边中部固定连接有限位块；所述扳手A与扳手B为结 构相同的“L”型扳手，扳手A与扳手B的拐角处轴接在上盖板与下盖板间，并且轴接位置分 别位于“U”型槽与限位块所在直线的两侧，扳手A与扳手B开口相对；其中，扳手A的拐角 处到“U”型凹槽的垂直距离小于扳手A短边的长度，当所述扳手B长边与限位块搭接，扳手 B短边与扳手A长边搭接时，扳手A的短边与上盖板、下盖板的长边平行。
5.如权利要求1所述一种用于手臂气流解脱力实验的模拟装置，其特征在于所述后 支撑杆的高度为前支撑杆高度的两倍。
6.如权利要求1所述一种用于手臂气流解脱力实验的模拟装置，其特征在于所述护 臂套上开有至少两个连接孔，每个连接孔上连接一根钢丝绳E，钢丝绳E的另一端均与钢丝 绳D连接。
7.如权利要求1所述一种用于手臂气流解脱力实验的模拟装置，其特征在于所述底 座、前支撑杆、后支撑杆、台座、横梁A、横梁B、绕线机构支撑座、绕线机构支撑梁、绕线机构 支撑架为角钢结构，且台座所在平面与底座所在平面平行。
全文摘要
本发明公开一种用于手臂气流解脱力实验的模拟装置，包括整体框架、绕线机构、牵引机构和开关机构；绕线机构与牵引机构以及开关机构间通过钢丝绳与弹簧连接，牵引机构通过钢丝绳还与护臂套连接。通过绕线机构绕线使钢丝绳拉紧，从而使弹簧发生形变，通过打开开关机构将与开关机构连接的钢丝绳脱离开关机构，从而通过弹簧形变时存储的势能转化为牵引机构的动能。牵引机构在整体框架上滑动，带动在护臂套上的钢丝绳将手拉开，达到完成实验的目的。本发明操作方便，成本低廉，更加符合真实的弹射情况，得出较为准确的数据，得到的力学数据为飞行员弹射救生时手臂防护措施的研究提供理论依据。
文档编号G01M9/06GK101995323SQ201010278629
公开日2011年3月30日 申请日期2010年9月9日 优先权日2010年9月9日
发明者朱罡, 李慧, 樊瑜波, 牟姣, 裴葆青 申请人:北京航空航天大学