高空恒速缓降器设计说明书-机械创新课程设计

机械创新设计综合设计高空逃生装置设计说明书设计者：刘忠中、刘翔、廖敏指导教师：杜义贤三峡大学机械与材料学院20091053班2012年9月高空逃生装置摘要：通过分析国内外现有的几种高楼逃生装置，提出一种新的设计思想---基于无固有振动系统型擒纵机构的新型高楼逃生装置。该机械装置不需要外在动力，可多人次循环使用。其技术原理是利用擒纵机构使逃生者自重转化为相应的摩擦阻力，逃生者体重越重、该装置产生的摩擦阻尼越大，从而使不同体重的人都能以近似相同的2/ms安全速度缓降逃生。该装置结构紧凑、简单，并通过机械结构和力学方面的分析计算，证明其安全可靠。关键词：逃生装置；擒纵机构；高空缓降1、研制背景及意义随着建筑高度的增加和日趋密集，建筑的安全隐患也越来越多。即使在发达国家的高楼遇有火灾爆炸等事件时，虽上有救援直升飞机，下有救援云梯车，但因时间、空间等诸多因素的限制，仍难发挥理想的作用，屡屡造成伤亡。其中，震惊世界的美国“9．11事件”就是一例。美国9．11事件中几百名消防员丧生的原因之一就是不能及时有效地脱离现场。因此，如果有在灾难发生时供受困者进行自救的设备，相信可以挽救很多生命。城市高楼火灾是一种发生频率高、涉及面广、蔓延速度快、破坏性大、救援和逃生困难的突发性灾害。目前国内外现有的高层建筑逃生装置主要有三种类型。一种是机械电动式逃生装置，需要电源提供动力，同时还需要机械传动机构进行变速缓降；很显然灾害发生时电源能否可靠使用是个大问题，其次该装置复杂庞大、成本高，不宜推广使用。一种是斜索滑降逃生装置，需要先将绳索的一端固定在地面上，然后逃生者依靠夹持绳索装置夹持斜索滑降逃生；该装置需要别人帮忙固定绳索来完成逃生，及时性和容易性是个问题。还有一种是利用各种齿轮系、滑轮组等机械装置同时结合相应的摩擦阻尼或液体流动阻尼的方法进行缓降逃生，这类逃生装置都需要零件固定安装支架；结构复杂，一个构件出问题就会给逃生者带来安全隐患，而且使用繁琐费时、且成本较高。因此简单、安全、快速的机械自助逃生装置是高层建筑逃生装置今后发展的一个重要趋势。本文所述的逃生装置为纯机械装置，结构简单，不需要外在动力，可多人次循环使用；利用偏心钟摆结构使逃生者自重转化为相应的摩擦阻力矩，可使不同体重的逃生者都以安全的下降速度进行缓降逃生。2、设计方案该机构由四部分组成：齿轮减速装置、弧形扣、钢丝绳、安全带。使用时先将挂钩挂在房屋内可固定承重的地方，然后把安全带套在人身上，最后小心将身体移出窗外降至地面。齿轮减速装置结合了行星齿轮机构传动和擒纵机构传动，类似钟表里面的擒纵机构。由于擒纵机构特性：擒纵叉往复振动的周期与擒纵叉转动惯量的平方成正比，与擒纵轮给擒纵叉的转矩大小的平方根成反比，因擒纵叉的转动惯量为常数，故只要擒纵轮给擒纵叉的力矩大小基本稳定，就能使擒纵轮作平均转速基本恒定的间歇运动。齿轮转动的每一步都被机构控制，所以它完成了一个对人体下降速度恒速的控制。3、理论设计计算3.1齿轮减速装置设计当人的质量100kg时，为下降速度2/vms猜测每个人下降的速度都是恒速，且速度值各不相同，下降的速度与人的体重成正比。假设存在一个下降速度系数k，使得vkm。如果求得的k满足安全要求则合理。显然k由机构本身确定。20.02100vkm对某一次下降过程中:设恒定速度为2/vms设人的质量：100mkg重力加速度：9.8/gNkg设擒纵叉往复振动的周期为T设擒纵轮绕钢丝轴的直径为d设擒纵轮分度圆的半径为RGmgGfma因为下降过程中为恒速下降20/ams所以fG2T1Tfvd由于擒纵机构特性：擒纵叉往复振动的周期与擒纵叉转动惯量的平方根成正比，与擒纵轮给擒纵叉的转矩大小的平方根成反比，因擒纵叉的转动惯量为常数，故只要擒纵轮给擒纵叉的力矩大小基本稳定，就能使擒纵轮作平均转速基本恒定的间歇运动。（机械原理，第七版P244）3.1.1轴的设计计算及校核轴的材料的选择，确定许用应力。选用45钢，正火处理。600bMpa3．1.2按扭矩强度初步估计轴的最小直径。3PdAn1009.821.96PFvmgvkw由2/vms得vd160606022vnfdA系数的计算639.55100.2TA69.5510TTTTPWWn查表（19.2）抗弯截面系数W和抗扭截面系数TW的计算公式得（机械设计）30.2TWd639.55100.2TTTTPWdn取45TMpa126103A计算得639.55101030.245A综上31.9610330dd14.95dmm故取轴的最小直径为20mm3.1.3轴的安全系数校核计算按疲劳强度安全系数校核22SSSSSS其中1NmkSk1NmkSk查附表19.119.3得（机械设计，吴克坚，高等教育出版社。2003.3）1.76k1.54k0.910.89对于碳钢：0.10.20.050.1取0.150.08取1Nk1查得MW0mTTMW0m12401140取1.8S计算得2.451.8S合理3.1.4键的设计选取平键连接因为20dmm，查表得2b2h可取键长8L键的强度校核4ppTdhl33030478/min20103.14Nnrd19609.559.5539478NNPTNmn34439104.875228pTMpadhl取125pMpapp合理3.2弧形扣弧形扣的数量为4个。它的作用是连接钢丝绳与安全带，锁定高空缓降器。3.3钢丝绳钢丝绳防松接头钢丝绳的直径为10mm。3.4安全带采用全身型安全带，容易穿戴，安全系数高。4、工作原理及性能分析擒纵机构可分为固有振动型擒纵机构和无固有振动型擒纵机构两类。本设计运用的是无固有振动型擒纵机构。本设计为无固有振动系统型擒纵机构，仅由擒纵轮3和擒纵叉4组成。擒纵轮在驱动力矩作用下保持顺时针方向转动趋势。擒纵轮倾斜的轮齿交替地与卡瓦1和卡瓦2接触，使擒纵叉往复振动。擒纵叉往复振动的周期与擒纵叉转动惯量的平方根成正比，与擒纵轮给擒纵叉的转矩大小的平方根成反比，因擒纵叉的转动惯量为常数，故只要擒纵轮给擒纵叉的力矩大小基本稳定，就能使擒纵轮作平均转速基本恒定的间歇运动。这种机构机构简单，便于制造，价格低，但振动周期不稳定。下图所示，人在下滑的过程中是非常安全的。即便是体重达到100公斤的成人在下滑时速度最快也只有2米每秒。而2米每秒的速度给人造成的冲击力就像是一个人跳下高约20公分的凳子落地时所产生的冲击力。是不会给人造成任何伤害的。使用方法：第一步：先将高空缓降器挂在房间里可以承受拉力的部位。必须使用两个弧形扣将其扣住，以保证安全性。第二步：将全身型安全带穿上，将控制松紧的部件一一拉紧，然后用两个弧形扣将其扣在钢丝绳的端点环上。第三步：小心爬出窗外，扶住墙壁缓缓下滑直到落地。如下是各零件的模型图1、成品图2、分解图3、擒动叉不同人体质量对应的下降速度（m/s）00.511.522.50102030405060708090100人体质量下降速度4、擒动叉支杆5、擒动轮6、底座7、底盖8、定位螺钉9、转动轴5、创新点及应用创新点一：达到恒速下降由上图“不同人体质量对应下降速度”可以得出，每个人下降的速度是恒定的，即便是体重为100为公斤的成年人下降速度也只有2米每秒。而一般的人体重都没有100公斤。创新点二：下降过程中不用再进行人工调节。由于人在火灾或其它紧急状况下，心情异常紧张，在使用逃生装置时很难静心去调节下滑速度。使得传统高空逃生装置有很大的局限性和不稳定性，如果调节不得当就会造成严重后果。该装置设计为恒速下降是不需要调节的，这就使其具有极高的使用性。小到五六岁的儿童、达到七八十岁的老年人都可以轻易使用。创新点三：防水、防油。传统离心摩擦式高空缓降器是利用摩擦力工作的。一旦缓降器中进入了消防水、油，其摩擦璧之间的摩擦系数大大降低，甚至使缓降器失灵。可能使人直接摔下来，造成严重后果。而本装置采用全金属制造，利用无固有振动系统型擒纵机构达到减速的目的。可以达到防水、防油的效果。创新点四：机构简单，容易使用本机构关键零件只有3个，每个零件在计算时都做了安全范围保留。简单易于维修。使用人员不用进行培训即可自行使用。目前国内外现有的高层建筑逃生装置主要有三种类型。一种是机械电动式逃生装置，需要电源提供动力，同时还需要机械传动机构进行变速缓降；很显然灾害发生时电源能否可靠使用是个大问题，其次该装置复杂庞大、成本高，不宜推广使用。一种是斜索滑降逃生装置，需要先将绳索的一端固定在地面上，然后逃生者依靠夹持绳索装置夹持斜索滑降逃生；该装置需要别人帮忙固定绳索来完成逃生，及时性和容易性是个问题。还有一种是利用各种齿轮系、滑轮组等机械装置同时结合相应的摩擦阻尼或液体流动阻尼的方法进行缓降逃生，这类逃生装置都需要零件固定安装架；结构复杂，一个构件出问题就会给逃生者带来安全隐患，而且使用繁琐费时、且成本较高。因此简单、安全、快速的机械自助逃生装置是高层建筑逃生装置今后发展的一个重要趋势。本文所述的逃生装置为纯机械装置，结构简单，不需要外在动力，可多人次循环使用；可使不同体重的逃生者都以安全的下降速度进行缓降逃生。这种机构机构简单，便于制造，价格低，可以用于消防、家庭、宾馆、酒店、高楼、登山、探险、井下工作等等。6、结束语通过理论论证，纯机械、利用无固有振动系统型擒纵机构达到减速的目的高空缓降逃生装置结构简单、成本低、性能可靠、使用方便。参考文献[1]章绿林.电动高楼逃生器[P].中国：200410018185,2005年11月02日.[2]邱树青.巧力夹高楼逃生装置[P].中国：200420088385,2004年09月15日.[3]靖如.巧力夹高楼逃生装置.中小型企业科技[J].2005，（09）:7～11[4]廖英熙.高楼逃生装置[P].中国：200620138965，2006年09月20日[5]王位.高楼逃生装置[P].中国:：2007201730992007年09月12日[6]袁忠均，陈东，黄平.离心摩擦式高楼安全逃生器的设计.机械设计[J].2004，（10）:23～27[7]檀润华.发明问题解决理论[M].北京;科学出版社,2004:30～33[8]檀润华，张国红，焦建新等.产品设计中的冲突及解决原理[M].河北工业大学出版社，2002.14～17[9]杨家军.机械创新设计技术[M]北京：科学出版社,2008:99～113[10]董景新，赵长德，熊沈蜀等.控制工程基础[M]北京：清华大学出版社，2007:98～111[11]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].第8版.北京：高等教育出版社，2006：7～211[12]孙桓，陈作模，葛文杰等.机械原理[M].第7版.北京：高等教育出版社，2006:17～211[13]谢里阳，现代机械设计方法[M].北京：机械工业出版社，2007:30～36