課程設(shè)計(jì)（論文）高樓逃生裝置設(shè)計(jì)

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1、 高樓逃生設(shè)計(jì)論文 The design of tall building escaped device 第三組作品 報(bào)告(論文)題目： 高樓逃生裝置 作者所在專(zhuān)業(yè) ： 作者所在班級(jí) ： 作 者 姓 名 ： 指導(dǎo)教師姓名 ： 完 成 時(shí) 間 ： 組 長(zhǎng) ： 摘 要 本文從開(kāi)始介紹了高樓逃生裝置的背景和研究意義，并在現(xiàn)有的一些高樓逃生裝置進(jìn)行了分析和對(duì)比，

2、發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的裝置都有成本高，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，安全系數(shù)較低等一些不足之處，本設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)及創(chuàng)新理論，設(shè)計(jì)出了一種基于反饋閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)的高樓逃生裝置，該裝置具有成本低，操作簡(jiǎn)單，安全系數(shù)高，純機(jī)械無(wú)電器結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，最后通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的零部件進(jìn)行計(jì)算，得出整個(gè)機(jī)構(gòu)的圖形，在多次試驗(yàn)和計(jì)算之后，確定了不論是小孩還是老人都能從高樓上平安降落到地面，達(dá)到了本次設(shè)計(jì)的目的。 關(guān)鍵詞 機(jī)械設(shè)計(jì)理論 反饋系統(tǒng) 高樓逃生器 純機(jī)械無(wú)電氣機(jī)構(gòu) Abstract Firstly. Th

3、is paper describes the background and significance of tall building escaped device. And some of the existing tall building escaped device are analyzed and compared, most of the devices are costly, complex organization, the safety factor and low number of shortcoming are found. The design applied the

4、ory of inventive problem solving. To design feedback loop system based on tall building escaped device. The device has many advantages such as low cost, simple operation, high safety factor, purely mechanical no electrical structure. Finally, the components of the calculated design agency. The graph

5、ics get in the whole body, after many tests and analysis, determining whether children or the elderly can safely descend to the ground from high buildings, the purpose of this design has achieved. Key words ：Machinery innovation theory Feedback loop system Tall building escaped device

6、 Purely mechanical without electrical structure 目 錄 摘要 1 Abstract 2 第一章 緒論 5 1.1設(shè)計(jì)背景 5 1.2 新型高樓逃生自控裝置的發(fā)展概況 6 1.3設(shè)計(jì)的目的意義及基本思路 6 1.3.1設(shè)計(jì)的目的意義 7 1.3.2設(shè)計(jì)的基本思路 8 第二章 整體方案設(shè)計(jì) 8 2.1整體方案的設(shè)計(jì) 7 2.2裝置的原理 10 2.3裝置的優(yōu)點(diǎn)與不足 12 2.3.1裝置的優(yōu)點(diǎn) 12 2.3.2裝置的不足 12 第三章 裝置零部件設(shè)計(jì) 13 3.1軸的設(shè)計(jì) 13 3.1.1軸的

7、概述 13 3.1.2主軸的設(shè)計(jì)（參數(shù)及視圖） 14 3.2滑輪設(shè)計(jì) 16 3.2.1 滑輪的概述 16 3.2.2滑輪的基本參數(shù)及視圖 13 3.3減速盒的設(shè)計(jì) 17 3.3.1減速盒概述 17 3.3.2減速盒的基本參數(shù)及視圖 18 3.4其他零部件的設(shè)計(jì) 19 第四章 計(jì)算和驗(yàn)證 24 4.1靜力學(xué)平衡計(jì)算 24 4.2繞繩計(jì)算 25 4.3速度計(jì)算 26 結(jié)束語(yǔ) 27 參考文獻(xiàn) 28 第一章 緒論 1.1 課題背景 隨著當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平的提高，現(xiàn)在土地價(jià)值的不斷升高，高樓居住已經(jīng)

8、成為人們生活的一部分。但是一些人為或自然災(zāi)害已經(jīng)成為人們高樓居住的安全隱患。一旦災(zāi)難發(fā)生的時(shí)候，人們總感覺(jué)到上天無(wú)門(mén)，下午去路，逃生人員的生命隨時(shí)受到威脅，所以逃生人員自救是一個(gè)急待解決的重要關(guān)鍵的問(wèn)題。高樓突然失火或其它災(zāi)難發(fā)生時(shí)，電梯不能用，樓梯阻塞，飛不上去也跳不下去，怎樣才能迅速逃生？這樣的情況每年都有發(fā)生，也有很多人因無(wú)法逃生而遇難，而高樓逃生裝置在這樣的環(huán)境中應(yīng)運(yùn)而生。在人們將越來(lái)越多的時(shí)間和精力都投入到對(duì)安全問(wèn)題保障研究的同時(shí)，卻忽略了最基本的逃生手段，在人們?cè)絹?lái)越多地用到各種高科技和現(xiàn)代手段進(jìn)行安全保障的同時(shí)，卻忽略意外事件的發(fā)生，是不可以借助外力和各種現(xiàn)代手段解決的，要靠最基

9、礎(chǔ)和最簡(jiǎn)單的方法，也就是機(jī)械長(zhǎng)多的方式才是最安全和最穩(wěn)定的。 通過(guò)分析和比較現(xiàn)有的一些高樓逃生裝置，大多數(shù)裝置雖然能達(dá)到高樓逃生的這一切功能，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作繁瑣，安全性能差，生產(chǎn)成本高，部分裝置還需要電力控制，局限性大（火災(zāi)或地震時(shí)很有可能斷電，也不允許操作人員進(jìn)行復(fù)雜的操作）。但是本設(shè)計(jì)應(yīng)用創(chuàng)新這一理念設(shè)計(jì)出一種基于回饋循環(huán)系統(tǒng)的高樓逃生裝置，本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，且沒(méi)有電力或其它能源驅(qū)動(dòng)，純機(jī)械結(jié)構(gòu)。其原理是利用逃生人員自身的重量，通過(guò)自己控制及機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生阻止逃生人員快速下降的阻力，隨著下降過(guò)程中滑輪的靠近，包角（滑輪與繩的接觸的夾角）增大，阻力增大，是逃生人員能一次又減速

10、，自己控制速度，并自己減速下降的過(guò)程，最終安全的到達(dá)地面，而且裝置的仰角大小可以人為調(diào)節(jié)，當(dāng)從滑輪與安全繩的粗糙度，安全繩的直徑發(fā)生改變時(shí)可以通過(guò)改變包角的大小，使本裝置任然可以正常使用，適應(yīng)了各種環(huán)境，通過(guò)了試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)想要求，借助本裝置的逃生人員可以以安全的速度下降到地面，而且下降到地面很平穩(wěn)，因而可以在災(zāi)難發(fā)生的時(shí)候保證人的生命安全，是高樓逃生選擇的必備裝置 1.2 新型高樓逃生自控裝置的發(fā)展概況 目前消防應(yīng)急救援裝備能力與高層建筑的發(fā)展嚴(yán)重失衡，一是裝備的舉高和遠(yuǎn)射能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于高層建筑的高度發(fā)展；二是裝備的體積龐大、機(jī)動(dòng)性差，受道路交通、建筑周邊環(huán)境影響嚴(yán)重，經(jīng)常因地

11、形復(fù)雜、障礙阻擋等原因而延誤時(shí)機(jī)，三是裝備的救援能力差，現(xiàn)有云梯車(chē)一次升降只能營(yíng)救2至3人，一旦遇上特大火災(zāi)，不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際救援需要。 1.2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 隨著我國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程的不斷加快，上述矛盾也將日益突出，已有數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)一些發(fā)達(dá)城市高層建筑火災(zāi)事故已經(jīng)呈現(xiàn)加速上升態(tài)勢(shì)。針對(duì)目前的被動(dòng)狀況，認(rèn)真分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向，填補(bǔ)我國(guó)消防應(yīng)急救援裝備技術(shù)的漏洞。 高層建筑火災(zāi)的有效救援和應(yīng)急逃生，已經(jīng)成為人們高度關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題。積極開(kāi)展多元化的救援逃生技術(shù)研究和應(yīng)用，是擺脫我國(guó)目前消防救援技術(shù)被動(dòng)落后困境，適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和建設(shè)和諧社會(huì)的需要，也是關(guān)系到

12、千萬(wàn)人民生命和財(cái)產(chǎn)安危迫在眉睫的大事。 在我國(guó)，主要的救生設(shè)備有逃生緩降器，這個(gè)設(shè)備主要針對(duì)普通家庭和個(gè)人使用，其構(gòu)造由調(diào)速器、安全帶、安全鉤、鋼絲繩等組成。每次可以承載約100公斤重的單人個(gè)體自由滑下，其下滑速度約為每秒1.5米，從二十層樓上降到地面約需40多秒/每人，根據(jù)人體重量的不同，略有差異。據(jù)悉，目前該裝置的銷(xiāo)售價(jià)格約為2600元。 目前這種逃生緩降器的使用狀況不甚理想，其原因除家庭消防意識(shí)、經(jīng)濟(jì)因素之外，主要是難以適用老幼病殘者，多戶(hù)同時(shí)使用可能發(fā)生相互纏繞，以及安裝問(wèn)題、定期保養(yǎng)等，難以走進(jìn)百姓家門(mén)。 還有一個(gè)主要的設(shè)備是救生氣墊，它主要是一種利用充氣產(chǎn)生緩沖效果的高空救生

13、設(shè)備。一般采用高強(qiáng)度纖維材料,經(jīng)縫紉、粘合制成，其氣源一般采用高壓氣瓶。但是救生氣墊僅限于高度為3-4層的樓房使用，隨著高度的增加，其緩沖效果、作用面積也將大打折扣，同時(shí)此裝備要求有相當(dāng)大的窗戶(hù)作為人們逃生的出路，在一定程度上受到很大的限制。因此應(yīng)用范圍非常有限，當(dāng)然對(duì)于高樓逃生就有很大的危險(xiǎn)性。 1.2.2 國(guó)外現(xiàn)狀 以色列研制的蓄電池機(jī)械類(lèi)逃生裝置，該設(shè)備安裝在避難層內(nèi)，使用時(shí)在蓄電池能量支持下，完成逃生箱體外移及下降過(guò)程。下降速度靠機(jī)械減速完成，每個(gè)逃生箱可容納30人同時(shí)逃生。 采用直升機(jī)進(jìn)行滅火的嘗試始于在1954年，當(dāng)時(shí)由美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、美國(guó)林業(yè)部門(mén)和加利福尼亞林

14、業(yè)司、洛杉磯消防司聯(lián)合進(jìn)行了一次“阻止烈火”的行動(dòng)。美國(guó)并非是使用直升機(jī)滅火救援的唯一國(guó)家，目前使用直升機(jī)滅火救援的國(guó)家還有很多，如俄羅斯、加拿大、意大利、瑞士、德國(guó)等等。 據(jù)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署正在研究炮射飛人這套古老的戲法。此項(xiàng)研究將有特殊的現(xiàn)實(shí)用途，諸如在緊急情況下將警員或者消防隊(duì)員送入高樓的屋頂。一具斜軌將以與地面呈80的姿態(tài)安放于目標(biāo)地點(diǎn)附近，執(zhí)行任務(wù)的人員則坐在椅子中——類(lèi)似于飛機(jī)駕駛員的彈射座椅。壓縮空氣從背負(fù)的鋼瓶中迅速?lài)姵?，座椅即沿滑軌彈射，到達(dá)頂端時(shí)戛然停住，人體由于慣性飛離并到達(dá)屋頂邊，安全著陸。方案的關(guān)鍵在于正確計(jì)算拋物線(xiàn)軌跡，在國(guó)防部高級(jí)研

15、究計(jì)劃署的專(zhuān)利方案中有一臺(tái)計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)控制發(fā)射的角度及速度，可在2秒內(nèi)把人安全送抵5層樓的高度。 1.3設(shè)計(jì)的目的意義及基本思路 1.3.1設(shè)計(jì)的意義及目的 意義：我們旨在通過(guò)一種簡(jiǎn)單機(jī)械裝置，安全、平穩(wěn)、快速的將被困于高樓中的人員從危險(xiǎn)中解救出來(lái)，使在高層建筑中的人們能迅速的脫離火場(chǎng)。 目的：縱觀目前高樓逃生器的發(fā)展?fàn)顩r以及我國(guó)的普及情況。我們深知，設(shè)計(jì)出一種具有良好的可靠性、可行性及穩(wěn)定性于一身的高樓逃生裝置是勢(shì)在必行的。我們?cè)诳偨Y(jié)了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的一些高樓逃生器的基礎(chǔ)上，揚(yáng)長(zhǎng)避短利，設(shè)計(jì)了這款高樓逃生器。 1.3.2基本思路： 本裝置主要利用簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置讓被困于高層建筑

16、中的人迅速的逃離火場(chǎng)。在下降的過(guò)程中，通過(guò)逃生器上的減速裝置來(lái)控制人員的下落速度，是人員能安全，快捷的逃生。減速裝置是高樓逃生裝置的核心部分，它主要是利用了傳統(tǒng)的摩擦減速的原理，這樣既有可靠性又利于控制。而且考慮到可靠性，我們摒棄了其他所有依賴(lài)外部的動(dòng)力供給的方式，將逃生人員自身的重力作為制動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。這樣就大大提高了裝置的可靠性。同時(shí)本裝置還特別設(shè)置了可調(diào)速的閘把，也就是說(shuō)人在下落過(guò)程中還可以通過(guò)輕微的拉動(dòng)閘把來(lái)調(diào)節(jié)自己下落的速度。從而保證逃生人員能以一個(gè)合理、安全的下落速度著陸，從而逃離危險(xiǎn)。 第二章 整體方案設(shè)計(jì) 機(jī)械系統(tǒng)是由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和其它輔

17、助系統(tǒng)組成的，所以，機(jī)械系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容應(yīng)是這幾部分的方案設(shè)計(jì)及其各部分間的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。即執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、原動(dòng)機(jī)類(lèi)型的選擇、傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和其它輔助系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。 機(jī)械系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)的特點(diǎn)： 1．協(xié)調(diào)性：整體系統(tǒng)由各個(gè)子系統(tǒng)組成，雖然各子系統(tǒng)的功能不同、性能各異，但它們?cè)诮M合時(shí)必須按照整體功能的需要。 2．相關(guān)性：構(gòu)成系統(tǒng)的各要素之間也是互相關(guān)聯(lián)的，它們之間有著相互作用、相互制約的特定關(guān)系。某個(gè)要素性能的變化將影響對(duì)相關(guān)要素的作用，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。 3．內(nèi)外結(jié)合性：任何系統(tǒng)必定存在于一定的社會(huì)和物質(zhì)環(huán)境中，機(jī)械系統(tǒng)也不例外。環(huán)境的變化必將

18、引起系統(tǒng)輸入的變化，從而也將導(dǎo)致其輸出的變化。 2.1整體方案的設(shè)計(jì) 整體方案的設(shè)計(jì)包括了原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和其它輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于本設(shè)計(jì)是無(wú)需其他能源，僅依靠逃生人員的自身重力，所以沒(méi)有使用原動(dòng)機(jī)。本裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單主要是連接板?？刂葡到y(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制下落的速度，主要有剎車(chē)車(chē)閘。輔助系統(tǒng)主要有兩個(gè)固定器（將繩索一端固定在天花板上）、保護(hù)座椅（將人體安全舒適的與制動(dòng)器相連）。整個(gè)機(jī)構(gòu)的立體圖如圖2-1 圖2-1 高樓逃生器整體效果圖 2.2裝置的原理 兩條繩索一端連接于固定在天花板的固定器上，另一垂直到逃生人員要到達(dá)的地面。當(dāng)人員利用裝

19、置逃生時(shí)，人與裝置開(kāi)始一起下降，滑輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。首先，由于繩索的滑輪上的纏繞以及滑輪與繩的摩擦，阻礙滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)減小人的下降速度。其次就是利用閘把通過(guò)人自己的控制使得逃生人員在自己想要的速度內(nèi)下降。 在實(shí)際操作過(guò)程中，逃生人員開(kāi)始可以以一個(gè)很小的加速度加速下落。而后逃生人員可以通過(guò)拉動(dòng)閘把再次調(diào)節(jié)自身的下落速度，使速度達(dá)到自己想要的速度。人經(jīng)歷了從加速，勻速，減速，，最終以合理、安全的速度降落到地面。 裝置只要功能結(jié)構(gòu)圖如下圖2-2所示： 圖2-2 零件結(jié)構(gòu)示意圖 1.鋼架 2.安全座椅 3.閘繩孔 4

20、.擺軸固定軸 5.小滑輪 6.機(jī)構(gòu)盒 7.繩索孔 8.螺釘 9.固定繩 10.扶手及閘把 11.大滑輪 12.安全帶固定器 13.滑輪固定軸 2.3裝置的優(yōu)點(diǎn)與不足 2.3.1裝置的優(yōu)點(diǎn) 1.裝置具有自減速功能 原因如下：繩索有一定的直徑，當(dāng)在滑輪組上面纏繞時(shí)，會(huì)有一定的接觸面積。隨著逃生人員的下落，繩索本身是在滑輪上纏繞的，由于滑輪上面的減速帶繩索與滑輪之間就有一定的摩擦，從使得安全座椅的下降受到一定的速度限制。由于摩擦的作用使得下面的滑輪會(huì)向大滑輪靠攏，增大摩擦，從而使滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度減小直至減速。 2.裝置有自控

21、制裝置 閘把的作用使得兩小滑輪向大滑輪靠攏，使纏繞在滑輪上的繩索與滑輪之間的包角增大，滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度降低，滑輪與繩索之間的接觸面積增大，滑輪與繩索之間的摩擦力增大。在逃生人員自己的操作下達(dá)到逃生人員想要達(dá)到的速度，最終以安全速度下降到地面。 3.其他優(yōu)點(diǎn) 相比其他的現(xiàn)有高樓逃生裝置，本裝置最大的優(yōu)點(diǎn)就是不需要利用其他能源，而是逃生人員自身的重力，下降過(guò)程幾乎不需要逃生人員來(lái)控制，適合不同人群，純機(jī)械無(wú)電氣結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，用于不同的環(huán)境。在繩子末端與逃生人員掛接處接一段彈性繩減緩沖擊力，更加能保證人的生命安全。。 2.3.2裝置的不足 1.裝置對(duì)機(jī)構(gòu)的制作材料要求較高，要求各

22、部件的連接和配合緊密，要求有高的配合度。 2.沒(méi)有實(shí)現(xiàn)一次多人逃生的功能，一次至多可以供一大一小2人同時(shí)逃生。 3.各方面的摩擦力不好控制，導(dǎo)致人下降的加速度會(huì)有微小波動(dòng)。 4.由于該機(jī)構(gòu)本身就用到兩根繩索，會(huì)有纏繞的可能性，如果使用的人數(shù)較多，會(huì)導(dǎo)致繩索的纏繞，造成逃生過(guò)程中有一定的麻煩。 5.座椅的重心不能很好的控制，在下降的過(guò)程中有可能使人不能保持很好的平衡。 第三章 裝置零部件 3.1軸的設(shè)計(jì) 3.1.1軸的概述 軸一般有兩種分類(lèi)方法： 一、按受載情況分： 1）轉(zhuǎn)軸 既受彎矩又受轉(zhuǎn)矩的軸如減速器中的軸。 2）傳動(dòng)軸 主要受轉(zhuǎn)矩，不受彎矩或彎矩很小的軸

23、-----如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)與后橋之間的軸。 3）心軸 只受彎矩而不受轉(zhuǎn)矩的軸。 心軸根據(jù)其工作時(shí)是否轉(zhuǎn)動(dòng)，又可分為：（1）固定心軸----如自行車(chē)的前輪軸；（2）轉(zhuǎn)動(dòng)心軸-----如鐵路機(jī)車(chē)輪軸。 二、按軸線(xiàn)形狀分： 1、曲軸 各軸段軸線(xiàn)不在同一直線(xiàn)上-----如內(nèi)燃機(jī)中的曲軸 2、直軸 各軸段軸線(xiàn)為同一直線(xiàn)。直軸按外形不同又可分為： 1）光軸 形狀簡(jiǎn)單，應(yīng)力集中少，但軸上零件不易裝配和定位。常用于心軸和傳動(dòng)軸。 2）階梯軸 特點(diǎn)與光軸相反，常用于轉(zhuǎn)軸。 3）鋼絲軟軸 由幾層緊貼在一起的鋼絲繩構(gòu)成，具有良好撓性，可彎曲繞過(guò)各種零部件將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靈活地遠(yuǎn)距離傳遞-----如手持動(dòng)力機(jī)械

24、、里程表和遙控裝置傳動(dòng)。 3.1.2主軸的設(shè)計(jì) 1.主軸形式的確定： 根據(jù)本裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式，大滑輪軸應(yīng)選用固定心軸的形式。且軸的一端于制動(dòng)器的外殼是一體的。（如圖3-1所示） 圖3-1 注：途中紅色部分為主軸軸體 2.軸的參數(shù)及設(shè)計(jì)計(jì)算： （1）材料的選擇：考慮到該裝置的工作要求并分析其受力情況.，選用45#鋼作為軸體材料； （2）參數(shù)及結(jié)構(gòu)的確定：根據(jù)裝置的工作要求選定軸徑d=30mm，長(zhǎng)度l=136mm； （3）軸的校核： ① 軸的受力分析如圖所示： G=mg （g=9.8 m/s；m為質(zhì)量） F1=F2=G/2=mg/2； ② 軸

25、的彎矩圖如圖3-2所示： 根據(jù)彎矩圖可知危險(xiǎn)截面為軸承受重力G處的截面 其 M=F1/2*53=53mg/2； ③ 軸的計(jì)算及校核： 查機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)（第八版）P362表15-1可知45#鋼的許用彎曲應(yīng)力[σ-1]=55MPa 由P373表15-4可知軸的抗彎截面系數(shù)W=πd/32≈0.1 d（d=30mm） 計(jì)算如下： σ=M/W=256mg/ d≤[σ-1]/S （安全系數(shù)S取1.3） 則m≤[σ-1] d/（265Sg） 代入數(shù)據(jù)得： m≤348.62kg

26、 校核完畢。 由上述計(jì)算校核過(guò)程及所得數(shù)據(jù)可知，該軸最大承重量為328kg。假設(shè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)有兩到三位體重為80kg的成年人，那么他們都可以一起掛載到該裝置同時(shí)逃生。即便是將他們下落過(guò)程中的超重現(xiàn)象考慮進(jìn)去，該裝置也據(jù)對(duì)可以保證工作的安全性和穩(wěn)定性。 綜上述，軸的選取合適。 圖3-2 3.軸承的選用：考慮到本裝置的工作特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作效果，不需要選用軸承。其具體原因如下： ①?gòu)慕Y(jié)構(gòu)上分析，不選用軸承不會(huì)對(duì)裝置的可靠性、安全性、穩(wěn)定性造成不良的影響。(本裝置的使用具有一次性的特點(diǎn)，不需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作工作，而且也沒(méi)有太大的工作負(fù)載

27、。考慮到可能長(zhǎng)時(shí)間放置的問(wèn)題，只需在主軸與滑輪內(nèi)部做簡(jiǎn)單的防銹及潤(rùn) 滑處理即可) ②從成本上分析，不選用軸承可以最大程度的降低本裝置的成本，利于本裝置的推廣普及。 ③從功能上分析，本裝置的工作目的在于對(duì)人的下降過(guò)程進(jìn)行減速，而不選用軸承恰好使主軸與滑輪之間的摩擦力大大增加，從而有利于本裝置功能的實(shí)現(xiàn)。 3.2滑輪的設(shè)計(jì) 3.2.1 滑輪概述 滑輪是在本裝置中是非常重要的部件?？梢哉f(shuō)是制動(dòng)器的核心部件?；喸诒狙b置中的作用主要有： 1. 將人下落的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成圓周運(yùn)動(dòng)。 2. 很好的將繩索的載體，繩索可以整齊均勻的纏繞在滑輪之上。 3. 是實(shí)現(xiàn)減速的主體，通過(guò)滑輪對(duì)繩

28、索的摩擦減速作用從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置及人的減速下降。 4. 是控制下降速度的主體部件，通過(guò)閘把對(duì)小滑輪的作用實(shí)現(xiàn)對(duì)下降速度的控制。 3.2.2滑輪的參數(shù)及三維視圖： 一、1.滑輪材料的選擇：為保證與主軸強(qiáng)度相匹配，故滑輪也選用45#鋼調(diào)質(zhì) 二、滑輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇設(shè)計(jì)： 1.滑輪外圓直徑d1=380mm； 2.滑輪中心孔直徑d2=30mm； 3.滑輪腹板上孔徑d3=50mm； 4.滑輪厚度w1=90mm； 5.滑輪邊緣厚度w2=20mm； 滑輪的視圖如圖3-3 圖3-3 3.3減速盒的設(shè)計(jì) 3.3.1減速盒概述 減速盒在本裝置實(shí)現(xiàn)減速功能，和速度控制功能的核心

29、部分。其工作原理為：人的重力通過(guò)連接架傳遞給重力閘，使盒體及安全座椅沿高樓逃生器殼體上軌道向下運(yùn)動(dòng)。在向下的過(guò)程中繩索與滑輪摩擦。同時(shí)滑輪處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，所以會(huì)對(duì)滑輪產(chǎn)生一個(gè)、阻礙其運(yùn)動(dòng)的摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)減速的功能。 減速盒的主要作用是通過(guò)滑輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的，繩索在滑輪上的纏繞本、本身就能起到減速的作用，在通過(guò)閘把的作用使得小滑輪向大滑輪靠攏，是繩與滑輪之間的包角變大，增大了接觸面積摩擦增強(qiáng)，起到限速作用。 3.3.2減速盒的基本參數(shù)和三維視圖 1.減速盒的盒體由45#鋼制造； 2.繩索與大小滑輪的包角是三個(gè)分別為120.90.120； 3.在材料的選擇上，根據(jù)查得如表3-1資料顯示，選擇

30、用用粉末冶金作為滑輪的材料，其與鋼絲繩的摩擦系數(shù)μ=0.55，還有繩本身的粗糙度，可以加大繩索與滑輪之間的摩擦。 材料種類(lèi)A-B 摩擦系數(shù)μ 鋼-鋼 0.15 鋼-軟鋼 0.2 鋼-鋁 0.17 鋼-黃銅 0.2 鋼-硬橡膠 0.75 鋼-粉末冶金 0.55 表3-1 減速盒的結(jié)構(gòu)如圖3-4： 圖3-4 3.4其他零部件的設(shè)計(jì)： 3.4.1小滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)： 小滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸式連接小滑輪和減速盒盒體的零件，它的主要作用是實(shí)現(xiàn)在閘把減速過(guò)程中小滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，承受來(lái)自繩索和滑輪之間摩擦的主要力以及自身閘繩的力度，這兩個(gè)力的作用力要比其中的任

31、何一個(gè)力都大。因此也是比較重要的部件。其結(jié)構(gòu)如圖3-5 3.4.2安全座椅的設(shè)計(jì)： 安全座椅的作用是實(shí)現(xiàn)下降過(guò)程中人員的安全保護(hù)，在下降的過(guò)程中將逃生人員固定在安全座椅上，同時(shí)安全座椅上的閘把可以實(shí)現(xiàn)逃生人員自己對(duì)速度的控制，同時(shí)安全座椅在下降過(guò)程中減小了安全帶等其他逃生工具給逃生人員帶來(lái)的不舒適的感覺(jué)，對(duì)于老年人和小孩也有一定的保護(hù)作用。 安全座椅如下圖所示： ： 圖3-6 安全座椅 3.4.3固定器的設(shè)計(jì)： 固定器是本裝置不可或缺的一部分，它應(yīng)該由4個(gè)M20的螺栓固定在窗戶(hù)附近的天花板上。其主要作用是承受裝置逃生人員的體重，本裝置用到兩個(gè)固定器。 其

32、外部結(jié)構(gòu)參數(shù)為300*200*20 結(jié)構(gòu)如圖3-8所示： 圖3-8繩索固定器 3.4.4密封殼板的設(shè)計(jì)： 密封殼板通過(guò)螺栓連接的方式與主殼體相配合，它的作用如下： 1. 固定并支撐主軸的另一個(gè)端部； 2.將滑輪準(zhǔn)確的定位，防止其在主軸上沿軸向滑動(dòng)； 3.將殼體密封，保證裝置的正常工作。 其結(jié)構(gòu)如圖3-9所示： 3.4.5 固定剛加的設(shè)計(jì)： 固定鋼架的主要作用是為了減輕該裝置的重量，所設(shè)計(jì)的固定安全座椅和減速盒的結(jié)構(gòu)，它用螺釘將兩者固定在固定鋼架上 其結(jié)構(gòu)如圖3-10所示: 圖3-10 固定鋼架 3.4.6裝置所需要的標(biāo)準(zhǔn)件及其它部件有： 1.螺栓

33、：8個(gè)M20*100；12個(gè)M12*160； 2.耐火繩：2條 d=15mm；l=40m； （詳細(xì)圖紙及參數(shù)請(qǐng)查閱pro-e圖集） 第四章 計(jì)算和驗(yàn)證 由于前文沒(méi)有設(shè)計(jì)到繩索的計(jì)算和下降的時(shí)間，不能確定人能在安全的時(shí)間內(nèi)下落到地面，以及下落的速度大小未知，所以須對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。 4.1靜力學(xué)平衡分析 N為閘瓦對(duì)滑輪的正壓力；T為滑輪的轉(zhuǎn)矩；Mf為阻力矩；μ為動(dòng)摩擦系數(shù)； d1為繩子切線(xiàn)方向到軸心處的距離；d為滑輪邊緣直徑；f為動(dòng)摩擦力； F為繩子所受的拉力；扶手設(shè)置的預(yù)緊力N1；裝置的質(zhì)量M。 已知：μ=0.75；d=380mm；g=9.8m/s； 假

34、設(shè)逃生人員的體重在（40kg-90kg）的范圍內(nèi)： 人體重力G=mg； 正壓力N=G; 扶手設(shè)置的預(yù)緊力(調(diào)節(jié)扶手對(duì)滑輪的初始正壓力)產(chǎn)生的摩擦力f1 f1=2*μ*N1（有兩個(gè)調(diào)節(jié)扶手） 繩子所受力F=G+G1 閘瓦摩擦力f2=μ*N 總摩擦力f= f1+ f2 滑輪的轉(zhuǎn)矩T=F*d1；（隨著下降過(guò)程d1在不斷減小所以T也在不斷減?。? 阻力矩Mf=f*d/2；（Mf為定值） 在下落過(guò)程中通過(guò)T與Mf的大小關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)減速的功能： 1. 當(dāng)MfT時(shí)，是加速度增大的變減

35、速下降過(guò)程； 此外，下降人員可通過(guò)對(duì)扶手的輕微調(diào)節(jié)來(lái)改變下降過(guò)程中任意時(shí)段的下降加速度從而控制調(diào)節(jié)整個(gè)下降的速度。 4.2繞繩計(jì)算 取繩的直徑為d=15mm； 則繩的截面積為s=πd/4=176.7mm； 滑輪用于纏繞繩子的截面積為S=165mm*60mm=9900 mm； 可計(jì)算得繩長(zhǎng)Lmax≈60m； 4.3速度分析： 初始階段合力： Fh=F-f； 初始加速度： a= Fh/（M+m）； 加速階段平均加速度： a1=a/2； 減速最后階段加速度： a2=（f-0.14F）/（M+m）； 減速階段的平均加速度：

36、 a3=a2/2； 代入數(shù)據(jù)可求的如下加速度的范圍表： 距地面的高度H 相對(duì)高度時(shí)的加速度范圍 40m (0.6-0.2)m/s 30m (0.2-0)m/s 20m (0-(-0.1))m/s 10m (-0.1-(-0.4))m/s 5m (-0.4-(-0.8))m/s 0m (-0.8-(-0.9))m/s 表4-1 注:其中加速階段的a為正；減速階段a為負(fù)。 由已知加速度代入計(jì)算可求的，人在利用該裝置下落過(guò)程中處于不同高度的瞬時(shí)速度v以及每個(gè)下落過(guò)程所需時(shí)間t 其具體值范圍如表4-2 距地面的高度H 下落瞬時(shí)速度v 所消耗的時(shí)

37、間t 40m 0m/s 0s 30m （4.4-2）m/s （2.3-5）s 20m （6.4-3）m/s （3.8-8.1）s 10m （5-2.4）m/s （5.8-12.2）s 5m （3.2-1.2）m/s （7.2-16.4）s 0m （1.2-0）m/s （12.1-20.5）s 表4-2 注：由于本裝置可通過(guò)調(diào)節(jié)扶手對(duì)下落的加速度和速度實(shí)現(xiàn)二次控制，因此上表所列的范圍并不是特別全面。各階段的加速度和速度值還可在二次調(diào)節(jié)后在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。 由上面兩張表格可知落地瞬時(shí)速度約為（1.8-0）m/s ，而總的下降過(guò)程所需要時(shí)間為: （22.1

38、-30.5）s 綜上述，人的落地速度最大為1.2 m/s左右，小于人體的安全落地速度3m/s，人相當(dāng)于從不到半米的高度跳下，因此由此逃生器逃生時(shí)下落速度是安全的。 因此，通過(guò)此高樓逃生器，人可以從40米高的樓層降落，下降速度小于7.2 m/s而且下落時(shí)間也只要最多20秒鐘，為逃生人員逃生爭(zhēng)取了很多的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了快速安全逃生的目的。由此可知本設(shè)計(jì)完全符合設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)高樓逃生，可以在災(zāi)難發(fā)生的時(shí)候挽救人的生命，有著重要的意義。 結(jié)束語(yǔ) 本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)范圍較廣，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，充分利用了以前所學(xué)習(xí)得東西，用到了機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)中的很多知識(shí)，也查閱了很多課外的

39、資料。對(duì)豐富自己的知識(shí)有很大的作用。本次設(shè)計(jì)也是大學(xué)中很有價(jià)值的一次課程設(shè)計(jì)，涉及的知識(shí)也是以前的設(shè)計(jì)所不能比的，對(duì)以后步入社會(huì)也是一個(gè)很好的過(guò)度過(guò)程。意義重大。 最后再對(duì)本設(shè)計(jì)總結(jié)一下，本裝置利用逃生人員自重，通過(guò)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生阻礙逃生人員自由下落的阻力，從而實(shí)現(xiàn)裝置的自減速功能。另外，通過(guò)人對(duì)調(diào)節(jié)扶手的微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)逃生人員下落速度的可控性。通過(guò)以上的兩種途徑使逃生人員能以一個(gè)合理、安全的速度逃離火場(chǎng)。途徑一主要通過(guò)繞繩層數(shù)的減少，使滑輪轉(zhuǎn)矩變小，而由重力產(chǎn)生的阻力矩不變，從而使逃生人員有減速下落的過(guò)程，從而在到達(dá)地面時(shí)為安全速度；另外，主心軸與滑輪間的摩擦、安全繩的粗糙度、都能被裝置很

40、好的利用，因?yàn)樗麄兲峁┑淖枇Γ沟迷撗b置的制動(dòng)功能更加強(qiáng)大；而且該裝置的承重能力強(qiáng)，適應(yīng)性也較強(qiáng)，從而適應(yīng)了各種環(huán)境。最重要的是該裝置的可行性很高，安全性和穩(wěn)定性都很好，且適合面廣、成本較低，是高樓逃生的不錯(cuò)選擇。 參考文獻(xiàn) [1]孫恒 陳作模機(jī)械原理 西北工大機(jī)械原理研究室2006 [2]檀潤(rùn)華 發(fā)明問(wèn)題解決理論[M].北京;科學(xué)出版社，2004 [3]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).8版.北京：高等教育出版社，2006 [4]唐俊，龍坤。Pro-E實(shí)例教程，清華大學(xué)出版社，2004 [5]張策主編，機(jī)械動(dòng)力學(xué)，高等教育出版社，2007 [6]楊家軍主編，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)，科學(xué)出版社。2008 [7]朱龍根 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 [8]侯秀珍主編 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，哈爾濱工業(yè)出版社，2002 - 29 -