设计说明书

喜来了——火灾逃生稳降器-1-喜来了——火灾逃生稳降器设计说明书华北电力大学李丙伦、曾庭、刘宁、商明浩、胡溪洋喜来了——火灾逃生稳降器-2-一、引言据美国消防协会2008年公布的一份调查报告，在给人类造成的众多危险中，火灾是威胁最大的一种。以美国为例，每100户家庭的成员在一生当中，平均会遇上两次严重火灾。全世界有六十亿人口，遭遇火灾的情况无时无刻不在发生着，因此，第一时间逃离火场才是保存性命的最好方法。虽然说在火灾中，沉着与冷静起着重要的作用，但是，当人们身处于火海中时，常常会因为没有逃生设备而造成心里的恐惧，由于惊慌失措大部分人会失去正常的判断能力。从而使从火场逃生非常困难。同时，建筑火灾蔓延速度快，尤其是近年来高分子新型合成材料的大量使用，不仅增大了火灾负荷，而且使火灾时产生了大量的有毒物质，对人员危害极大，容易使人员在疏散中毒，据统计，火灾中被浓烟熏死呛死的人是烧死者的4～5倍。根据我们的网上调查发现，面对更加困难的楼房火灾逃生，社会上至今没有十分有效的逃生设备。为了让人们在生活有一个更加舒适的安全环境，为了减少个人和国家损失。我们小组设计并制作了火灾逃生稳降器。从而使火灾的逃生变得容易，使人们的财产和健康受到保护，给个人和社会减少一分痛苦。此装置使用范围广，家庭，酒店，KTV，机关等均可使用；并且此装置适合人群范围广，老人，儿童，残疾人等均可以使用。在火灾的特殊场合中，一般会出现断电现象，为了适应此现象，我们的装置无需动力，即为零动力装置；此装置可以往复升降，从而可以使多人逃生；另外，此装置无需调节就可使不同的体重的人使用，具有很强的实用性。此装置简单实用，造价便宜，具体操作及机制运行都很简单，成本低，可以大范围地推广使用。二、装置功能介绍1.具有很强的灵活性，可使用于各种墙体，2.下降过程具有稳定速度，可以使人按安全到达地面3.钢丝绳自动圈起，可以实现本装置往复使用4.装置可以自动调节，适用于各种体重的人三、工作过程喜来了——火灾逃生稳降器-3-四、箱体总体设计当发生火灾时（受困者无法通过安全出口离开火场时），受困者可取出此装置，选取火势较小相对安全的房间，打开卡脚，调节活动脚，固定锁紧，安装在窗台上，同时受困者可系好安全带，逐一使用缓降器逃生（具体使用见下面介绍）。4.1箱体的外形及名称箱体的总体尺寸为：500mmX500mmX180mm打开窗户打开固定架，安放箱体于窗台上转动手柄1，使箱体固定于墙上打开绳索支撑架并固定好将绳索与安全带配合，开始下降穿好安全带人安全到达地面，绳索与安全带断开鼓轮反转，绳索上升。完是否还有人否是火灾发生喜来了——火灾逃生稳降器-4-箱体的外形如图一所示；箱体各部分名称说明如图二所示：①电线轮②摩擦片③发条④活动脚⑤摩擦T型脚⑥引线滑轮⑦折叠架⑧双功能前端盖此箱体总体尺寸小，便于携带与存储。当处于安全环境中时，可将其存放于某个角落中，不仅占地小，而且不影响美观。箱体内部分上下两层，上层主要由①电线轮、②摩擦片、③发条、⑤摩擦T型脚、⑥引线滑轮组成；下层主要由④活动脚、⑦折叠架组成。箱体上层装有稳速系统，分别为摩擦稳速系统②摩擦片、⑤摩擦T型脚和储能稳速系统③发条组成。下层分为两室，左室装有⑦折叠架，不使用时如图二所示，使用时逆时针旋转90°，使之水平放置，用于将绳索引出墙外；右室装有可以左右移动的卡脚，且卡脚可以左右移动。4.2箱体的固定箱体底部分为左右两部分：右侧不可左右移动的⑧双功能前端盖（如图三、四所示），左侧为可以左右移的⑾图图二喜来了——火灾逃生稳降器-5-活动脚（如图四、五所示）：右侧固定端盖，在不使用时用作箱体前端盖，当发生火灾时，拔掉装于两个方形孔中销钉，固定卡脚旋转180度再用销固定，作为卡脚使用，是箱体受力的前受力点。两室之间有一凹槽，可以托在窗沿上。工作时，转动活动脚90°，使之处于垂直位置，然后将箱体放在窗台上，使窗沿顶住凹槽，用力旋紧手柄使活动卡脚使之紧贴墙内壁，此时，箱体已经稳定地固定于墙体上了。4.3索具的选择与安装钢丝绳是以热轧高碳钢线材为主要原材料的深加工产品，其加工过程是由热轧高碳钢线材先制造出各种各样的制绳钢丝，然后再由制绳钢丝和其它一些材料（如绳芯、钢丝油脂等）制成不同品种和结构的钢丝绳。相比其他索具，钢丝绳具有以下特点：a钢丝绳能够传递长距离的负载；b钢丝绳能够承受多种载荷及交变载荷的作用；c钢丝绳具有较高的抗拉强度，疲劳强度和冲击韧性；d钢丝绳在高速工作条件下，耐磨、抗震、运转稳定性好；e钢丝绳的耐磨性好，能够在各种有害介质的恶劣环境中正常工作；t钢丝绳的柔软性好，适用于牵引、拉拽、捆扎等多方面的用途；g钢丝绳的承载安全系数大，使用安全可靠；h钢丝绳的自身重量轻，便于携带和运输；图六喜来了——火灾逃生稳降器-6-当箱体处于工作位置时，将线按图六的方式穿过各个滑轮，从而整个装置处于恰当的工作位置。4.4电线轮的设计电线轮主要用于缠绕钢丝绳，钢丝选用直径为4.20mm的钢丝，当选择钢丝长度为25米时，所需的电线轮的尺寸为：D=18cm，h=10cm（具体计算请参考理论计算分析部分）本装置电线轮结构由固定轴承，铸造式轮，以及足够强度的钢杆组成。主轴将嵌套安装在箱体固定的钢架结构上，即便是在受到较大的拉力下也不会发生滑动，牢固稳定。铸造式轮系将通过焊接或其他方式，使其与固定轴紧密固定。两铸造轮将通过六条钢杆连接铸造轮系将通过六条钢杆连接（嵌套或焊接）。这种结构设计，在不影响结构强度的条件下，最大限度的节省了材料，减轻了该产品的重量，使其实用性的特点更加突出。4.5稳速装置稳速装置分为两部分：摩擦稳速和储能稳速1.摩擦稳速该稳速装置由右图装置一式两份组合而成，与主轴上的摩擦轮配套使用。该稳速机构根据自行车后轮刹车系统设计而成，图中圆形部分是本稳速装置的的摩擦片，摩擦片采用易变性的材料制喜来了——火灾逃生稳降器-7-成，并需要一定的弹性，具体情况可直接应用自行车的后扎来完成该部分的作用。当该摩擦片产生变形后会与鼓轮部分的适配装置抱紧，产生摩擦，从而到达控制速度的目的。安装时，摩擦片D点固定于固定支架上作为固定点，摩擦片的另一端固定于杆A上，杆A固定于固定轴B上，且可绕固定轴B自由旋转。固定杆C则直接固定于A杆上，不能旋转。轴B与固定杆C将两份稳速机构连接起来组成该稳速装置，这样能使，该装置受力更加均匀、平稳。杆C上装有滑轮，从鼓轮上引出的钢丝绳通过该滑轮后，再通过两个定滑轮，使钢丝绳保持恒定的位置。钢丝绳受力后，杆C处将受到斜向下的合力，促使杆A绕轴B旋转。同时带动摩擦片产生变形，抱紧摩擦轮，产生摩擦。同时当摩擦片抱死后，阻止了杆A旋转的趋势。当钢丝绳受力越大，则摩擦片上的压力就越大，根据胡克定律可知，则电线轮所受的摩擦力就越大。由于摩擦系数、钢丝绳夹角、杆A的水平夹角等参数为一定值，摩擦力即与钢丝绳所受拉力基本相等，从而可以实现重物稳速下滑的目的。2、储能稳速储能稳速装置主要由发条和传动齿轮构成。其作用为：一是通过储能装置可以减速。在人下降的过程中，储能装置中的法条会给电线轮一个阻力的作用，阻止其旋转。由胡克定律，我们知道，在人的下降的过程中，法条的阻力会增大。虽然，此力不会很大，但是，也会使整个系统的阻力增大，从而，使人在降落到地面的速度稍小。二是，此装置可以作为绳索上升的动力。在人下降的过程中，将人的机械能的一部分转化为发条的弹性势能，将其储存于发条中。在一个人安全到达地面后，发条中弹性势能转化为电线轮的动能，使电线轮反转，将绳索卷起来。以供下一个人继续使用此自救逃生装置。3、储能传动装置如图所示，此装置主要由四个齿轮组成：图中的四个齿轮均为标准件，且两个大齿轮，两个小齿轮的尺寸分别相同。这样，既可以降低成本，又有利于安装。由于绳索较长，而发条所可以伸长的长度有限。因此，齿轮传动传动具有两个作用：一是，将电线轮旋转的动能传递给发条，使发条将传递过来的能量储存起来；另外一个作用是，实现一定的传动比i，从而使发条与绳索协调使用。比如，我们选择传动比为i=4，发条可以伸缩的长度为5米，那么，绳索的可用长度就可以为L=5X4=20（米）。喜来了——火灾逃生稳降器-8-五、理论计算分析5.1钢丝绳的选择直径，MM钢丝公称抗拉强度级N/MM2钢丝绳最小破断拉力KN钢丝总断面积（参考）MM2参考重量KG/100M钢丝绳钢丝公称允许偏差3.00+0.300.2020607.324.184.203.60+0.360.2417709.066.026.004.20+0.420.28177012.328.198.205.10+0.510.34177018.1712.0812.106.00+0.600.40167023.7216.7116.70由于在人匀速的下降过程中（先不考虑冲击），钢丝绳受到的力较大，且基本与人的体重相等。设人的体重为m，重力加速度为g，钢丝绳最小破断力为F。假设人下降过程中受到的重力与受到的阻力相等，那么钢丝绳受到的力F1=G=mg≤F喜来了——火灾逃生稳降器-9-即m≤gF如果选用公称直径为4.20的钢丝绳，那么m≤12320/9.8=1257.1Kg考虑到冲击的作用，选择安全系数为n=10那么，此钢丝绳可以承受的人的体重为m0=nm=125.7Kg即，选用公称直径为4.20mm的钢丝绳即可满足需要。5.2、电线轮大小的计算钢丝绳公称直径为d=4.20mm电线轮的小轮直径选为d1，设电线轮大轮直径为D,宽度为h。假设每层钢丝绳为紧密缠绕，那么可以缠绕长度为第一圈可缠绕长度为πd1第二圈可缠绕长度为π（d1+4.20*2）第三圈可缠绕长度为π（d1+4.20*4）第n圈可缠绕长度为π（d1+4.20*2（n-1））那么缠绕总长度为L=hπ（n*d1+4.20*2*（0+2+4+……+n））/4.20取h=10cm，n=4那么L=37m所以，考虑到其它因素的影响，我们所选择的钢丝绳的长度为25米。我们所选择电线轮的尺寸为d1=10cm，h=10cm，D=18cm。5.3主轴直径的计算选择45#钢作为电线轮的主轴，σ=430Mpa，LAB=2cm，m=120Kg主轴受力如图所示那么，F3+F4=mgT1+T2=T=D1*mg由对称性知喜来了——火灾逃生稳降器-10-F3=F4=mg/2T1=T2=mg*D1/2画出弯矩，扭矩图如图所示Mmax=F4*LAB；Tmax=mg*D1/2;根据第三强度理论，σr3=dddTTMM***3.14**32从而可知d=9.8mm考虑到收到冲击或材料本身的影响，我们选择d=20mm的主轴即可以满足条件要求。六、安全性分析高层建筑火灾发生的概率：A设qi为某一事件或事物引起对生命有威胁的火灾的概率则，A=1-（1-q1）*(1-q2)*(1-q3)…(1-qn)经验分析，n5，qi0.02则A0.096本装置的不安全概率：B本装置可能出现故障的几种情况，1，刹车片脱落或失效，概率：b12，卡脚卡墙失败，概率：b23，发条失效，概率：b3B=1-（1-b1）*(1-b2)*(1-b3)经过估算，b10.01,b20.01,b30.01B0.029总体的不安全概率，即利用此装置逃生失败的概率：C=A*B=[1-（1-q1）*(1-q2)*(1-q3)…(1-qn)]*[1-（1-b1）*(1-b2)*(1-b3)]0.0028喜来了——火灾逃生稳降器-11-七、创新点和实用性分析7.1创新点本装置采用弹簧发条装置储能，并达到往复使用的效果。在人下降的过程中，此部分会将人的机械能转化为弹性势能，储存在发条中，在一个人安全到达地面后，储存于发条中弹性势能会转化为电线轮的动能，使电线轮发转，将绳卷起来，从而，达到往复使用的目的。本装置为无动力驱动，以适应火灾这个特殊的场合使用。在火灾中，火常常会将电线烧断，或是人为地将电断掉。即使有另外一个电路，也是不安全的。基于此，我们设计的此装置采用无动力驱动，完全靠人自身的重量来实现各种功能。本装置适应不同体重的人员使用，并且自动调节速度，使之达到一个稳定