机械创新设计---《全自动高楼逃生器》

太原科技大学毕业设计（论文）设计(论文)题目：姓名_______梁贺________学院（系）___化院机电系____专业__过程装备与控制工程_年级_____大三_________指导教师____王强_________2012年06月12日I目录目录................................................I第一章概述.......................................11.1、设计背景.........................................11.2本设计的独特优势分析..............................1第二章产品说明书..................................32.1产品简介..........................................32.1.1、产品结构.............................................32.1.2产品使用方法：.......................................32.2创新设计及原理....................................42.2.1加速部分设计........................................42.2.2阻尼部分剖析........................................52.2.3独特设计1：多人循环部分设计.........................72.2.4独特设计2：速度控制器的设计...........................82.2.5独特设计3：减速环节设计..............................10第三章参数计算..................................113.1外壳尺寸及绳长的计算.............................113.2齿轮及其转速的计算...............................113.3圆盘力矩及曲线力矩的计算.........................123.4小孔面积的确定...................................123.6减速部分摩擦力的计算.............................15第四章产品的成本计算及其推广.....................17II4.1成本计算.........................................174.2产品的推广.......................................17结束语..............................................18参考文献............................................191第一章概述1.1、设计背景城市火灾是一种发生频率高、涉及面广、破坏性大、反响强烈的突发性灾害。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，由于时间、空间等诸多因素的限制，人员自救逃生也是一个极待解决的重要问题。高楼突然失火,电梯不能用,楼梯阻塞,飞不上去也跳不下来,怎样才能迅速逃生?这样的情况每年都有发生,也有很多人因无法逃生而遇难,而高楼失火逃生装置在这样的环境下应运而生。在人们将越来越多的精力和时间都投入到对安全问题保障研究的同时,却忽略了最基础的一种手段,在人们越来越多的用到各种高科技和现代手法进行安全保障的同时,却忽略意外事件的发生,是不可以借助外力和各种现代手段的,要靠最基础和最简单的方式,也就是机械的方式才是最安全和稳定的。目前国内外高楼逃生器主要有以下几种形式：（1）包角加手控式：该类逃生器增加钢丝绳与轮之间的包角，使得钢丝绳与钢丝轮之间的摩擦力增加。另外，再利用手控装置，进一步调节下降速度的快慢。（2）间歇冲击式：间歇冲击式逃生器是通过间歇撞击能来消耗能量，如利用钟表中的擒纵叉和擒纵轮原理来消耗能量。（3）液体流动阻尼式：液体流动阻尼式是利用液体流动阻尼把人体势能转化成液体热能，以达降低速度的目的。其主要特点是由于液体阻尼的大小取决于外负载，所以不论人体质量的大小均能以比较恒定的速度下降。通过对上述几种逃生器的认识，我们认为逃生器应该具有结构紧凑，工艺简单，安全可靠、使用方便、平稳快速、成本低廉等特点。基于此，本文设计出全自动高楼逃生器，这样不仅满足了高楼逃生器的基本特点，而且创新利用了齿轮传动比的调速功能。此设计由于小巧便捷，成本低，特别适宜家庭备用于紧急脱险。1.2本设计的独特优势分析总结以往逃生器的不足，经过多方面的改进与完善，我们的设计形成了自己独特的优势。（1）自动调速2该装置在逃生者下降的过程中自动调速，无需手动操作，不需要专业知识。解决了以往逃生器儿童、妇女以及老人无法使用的难题。（2）自动实现4m/s的匀速下滑该装置的液体阻尼系统，使速度变化趋于和缓，有缓冲作用，而且，液缸的独特设计，孔径的精确计算，再加速度控制器的双保险，使任何人使用都会保持4m/s匀速下滑。（3）落地前自动减速该装置装有减速装置，减速装置可以实现在落地前8m自动减速，将速度从4m/s减到1.5m/s甚至更小，这样对于儿童、妇女以及老人来说更加安全。（4）满足多人使用该装置特有的双线轴结构，能满足多人循环使用。（5）收尾存放方便该装置有一摇柄，使用结束后，通过摇柄轻松使绕回线轴，该装置体积小，重量轻，存放十分方便。3第二章产品说明书2.1产品简介2.1.1、产品结构产品结构图如下：图2-1全自动高楼逃生器总结构图此逃生装置呈圆柱体，长25cm，直径为20cm，总质量为8kg。主要由加速环节、液体阻尼环节、速度调节环节、多人循环环节以及减速部分五大部分组成。液体阻尼器使逃生速度更加平稳，独特的速度调节器能使逃生速度精确的保持在4m/s，精心构思的多人循环部分使小小的逃生器能够挽救多人的生命，精巧的减速器结构简单，却能起到落地前减速的效果。总之，此逃生装置体积小，重量轻，结构经凑，工艺简单...紧急脱险。此装置采用直径0.5~0.6cm的解释绳子或用钢丝绳线轴绕成可长达55m，能满足最高15层的高楼逃生使用。2.1.2产品使用方法：（1）将装置固定在所在楼层，开始时，两根绳子分别缠绕在线轴1，线轴2上。（2）通过摇柄，放开线轴1的绳子，然后再按下按键的按钮，使线轴1和线轴2连接。4（3）逃生者1号将身上的绳索挂于线轴2上的绳索的挂钩上，跳楼逃生。随着线轴2的转动，线轴1同时的以同一方向转动，将线轴1的绳子自动收起。待逃生者1号降到地面，线轴1收起的长度恰好为所在楼层高度，为第二个人逃生创造了条件。（4）待逃生者1号解除绳索挂钩，逃生者2号可以从线轴1的挂钩逃生（挂钩的位置由逃生者2号设置），当线轴1下放的同时，线轴2自动收起，待逃生者2号降到地面，线轴2收起的长度恰好为所在楼层高度，为第3个人逃生创造了条件，于是逃生者3号可以使用线轴2的挂钩逃生，如此循环，可满足多人逃生。该装置的另一特点是实用性强，便于操作和存放。逃生完毕后，收尾工作简单方便，若最后状态为线轴2收起，线轴1下放，则先断开按键，再摇动手柄使线轴1将绳子收起即可。若最后状态为线轴1收起，线轴2下放，则先断开连接3，使线轴1下放。然后，再按下按键，摇动手柄使两线轴同时收起，收起完毕后，再放回备用箱即可。该装置的还有一个特点，既可以将其固定在楼上使用，也可以将挂钩挂在楼层上，让逃生者随该装置降到地面。考虑到很多火灾发生在夜间，为了充分利用装置内部空间和能源，使逃生者在下降过程中和落地时有足够的照明，该装置还安装一小型发电机。该逃生器适用范围广泛，速度自动调节，无需手动操作，简单实用，性能稳定，安全可靠，适合大规模推广。2.2创新设计及原理本设计由加速环节、液体阻尼环节、速度调节环节、多人循环环节以及减速部分五大部分组成，结构简单，原理明确。介绍中涉及到的诸多数据，其来源请参照第四章参数计算部分。以下说明详细设计原理。2.2.1加速部分设计加速部分的作用一是减小液缸的负载，二是使稳速下滑的效果更加良好，设计如下图（2）：5图2-2加速环节结构图加速部分有两级加速，每次加速倍数为2.5倍，共加速6.25倍。齿轮1通过固定轴与线轴2相连，线轴2的转动带动齿轮1转动，齿轮1到齿轮2为第一级加速，齿轮2和齿轮3同轴且固定在一起，齿轮3带动齿轮4为第二级加速，通过轴传到齿轮5，于是齿轮5圆盘上的曲轴做圆周运动。曲轴通过连杆与活塞相连，圆周运动于是变为直线运动。2.2.2阻尼部分剖析本设计采用流体阻尼式原理。弹性式用弹簧做阻力，阻力与下降位移有关，越往下阻力越大，还有可能在落地前反弹，而且无法做到下降时匀速。摩擦式因为长时间的磨合，摩擦系数有所改变，性能也不稳定，而液体流动阻尼式是利用液体流动阻尼把人体势能转化成液体热能，以达降低速度的目的。其主要特点是由于液体阻尼的大小取决于外负载，所以不论人体质量的大小均能以比较恒定的速度（本设计下降速度为4m/s）下降，详细设计如下：6图2-3流体阻尼液缸液缸内径为3cm，外径为3.5cm，液缸高4.5cm，活塞活动范围为4cm，连杆长4.5cm。活塞面积为7.065cm²，孔的总面积为5.37cm²。此种液缸类似于普通的活塞缸，不同的是缸的两端均密封，内有阻尼液体，而且，活塞由带有许多阻尼孔的多层薄隔板构成，当液体流经多层隔板的阻尼小孔时，产生的阻力平衡了人体重力，使人能匀速下滑。根据流体力学可知，采用多层有孔薄隔板比采用单层薄隔板更有利于达到匀速的目的。而且，孔越大，活塞移动速度越快，产生的阻力也就越大。经计算当孔的面积为5.37cm²时，对于70kg的人刚好以4m/s的速度匀速下滑。活塞的一端与曲柄摇杆相连。这样，曲柄的旋转运动转变成活塞的直线运动，能量借助流体转化为热能和流体的动能。此设计有两个液缸，其位置成90˚角，如图：7图2-4阻尼环节这样设计，既减小单个液缸承受的负载，也使液缸可以做的很小，同时也解决了曲柄在旋转到极限位置时的速度波动。而加速部分的多级传递使轻微的速度波动大大化解，匀速效果更加完善。2.2.3独特设计1：多人循环部分设计多人循环部分结构如图2-5所示：图2-5多人循环环节按键由齿轮7、支架和弹簧组成，按键类似于启动按钮。齿轮7起连接齿轮的作用。按一下，按键开启，齿轮7分别与齿轮8和齿轮9啮合，线轴1和线轴2的旋转联通。再按8一下，由于弹簧的作用，按键弹起，齿轮7分别与齿轮8和齿轮9分离，齿轮8和齿轮9断开连接，线轴1和线轴2的旋转互不干扰。转轴部分由两个同心线轴组成，分别为线轴1和线轴2，线轴1和齿轮8通过轴固定在一起，线轴2和齿轮9通过轴固定在一起，齿轮8和齿轮9中间有齿轮7连接，齿轮7由按键控制。两线轴既可以同时转也可以不同时转。若按键按下，线轴1和线轴2同时旋转。若按键弹起，线轴1和线轴2的转动互不干扰。装置一端还有个摇柄，便于收放绳子。此部分的设计，既可做到多人循环使用，也使此救生装置更加实际化。使用方便，同时也便于存放。绳子可通过摇柄收起或放开。使用方法请参照产品简介部分。2.2.4独特设计2：速度控制器的设计速度调节器是此装置的关键环节，这部分结构简单，亦相当实用，能自动将速度控制在4m/s。主要由带槽圆盘、离心块、弹簧以及摩擦导槽构成，其结构如下图所示：图2-6速度控制器侧面图9图2-7速度控制器正面图圆盘半径为8cm。连杆长1cm，摆动范围为1.5cm。弹簧1劲度系数为351.1N/s。弹簧2的拉力为703.9N。开关阀阻力为248.84N。质量体质量为20g。速度为4m/s时，F(r=6.5cm)=225.7N，F(r=8cm)=277.80N速度为