基本信息
- 项目名称：
- 高楼往复逃生器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 我组设计制造的高楼往复逃生器采用2K-H减速机构，利用离心力的作用使摩擦块甩出与摩擦盘摩擦，达到减速的目的。由于机构较大的减速比，受困人员可以安全的下降；同时，利用吸盘式直流电磁铁吸引穿有绳子的横轴，通过使横轴移动一定距离卡住绳子来实现刹车，而控制电磁铁通断电是通过无线电遥控器来实现，同时设置了多个遥控器，可以实现多地的智能控制。本作品具有质量轻、体积小、方便安装，功能全面等特点，市场前景广阔。
- 详细介绍：
- 一、作品产生 1.1作品产生背景现在日常生活中火灾经常会发生，给人们的生命财产安全带来越来越大的威胁。近几年来，我国每年发生火灾约4万起，死2000多人，伤3000—4000人，每年火灾造成的直接财产损失10多亿元，尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾时有发生，给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。严峻的现实证明，火灾是当今世界上多发性灾害中发生频率较高的一种灾害，也是时空跨度最大的一种灾害。如果你也家住高层，你有没有想过发生火灾时你怎么办，是站在窗边守望消防员的救助，还是从楼上一跃而下呢？火灾给人们的生命财产安全带来了巨大隐患，而其中高楼住户的情况就更为凸显了，因此高楼逃生器便应运而生。我组设计制造的作品质量轻、体积小、方便安装，在人下降过程中有较大的减速比，最大速度不能超过1.5m/s的国家标准。同时，利用无线电遥控装置以及吸盘式电磁铁来实现远程刹车控制，从而避免了下降过程中突发情况带来的危害。作为当代大学生，应该具备长江大学学生舍己救人的品质，也应该拥有心系社会的责任感，所以我想通过机械综合设计这一机会，利用所学知识，设计一个方便实用的作品。随着楼房等高层建筑如雨后春笋拔地而起，人们越来越多的住在高层，因此，危险情况下高楼逃生显得就很有必要。 1.2现状研究 经过市场调研与文献检索发现，市场上已有的高楼逃生装置或体积庞大，不便于安装使用，或结构复杂、操作繁琐，而体积较小的或价格昂贵，或功能不全，缺少必要的保险装置，有的保险装置不便于老年人和小孩使用，需要较大的力气。综合以上各种缺陷，我组设计出了体积小便于操作且带有保险机构的高楼逃生装置，此装置若能够批量生产，成本将会很低，无论是一般的家庭或公司均可购买使用，有着很好的市场前景和应用推广的价值。 2007—2009年8月高楼火灾逃生装置产品不同类型平均价格走势 图1 高楼火灾逃生装置平均价格走势图高楼火灾逃生装置供需状况及预测分析 图2 高楼火灾逃生装置供需状况图二、机构选型 2.1缓降机构选型 2K-H型减速器是应用最为广泛的减速装置，它的体积和质量都较小，但传动比却很大，而且传递效率也比较高，在作品减速部分采用的就是该机构。下图就是2K-H型减速机构的简图。 图3 2K-H型减速机构的简图 2.2悬停机构选型悬停机构采用了简单有效的可控卡死机构，主要由轴、轴套、吸盘、电磁铁几部分构成，通过电磁铁的吸合，一步达到悬停、刹车功能，机构简图如下： 图4 悬停部分简图三、参数分析 3.1减速机构关键参数计算与优化 3.1.1减速装置原理说明减速部分采用工程上常用的2k-H减速装置，通过与行星架固结的绳轮带动行星轮转动，行星轮进而带动太阳轮转动，而太阳轮通过花键与转盘相连，转盘凹陷处有摩擦块，利用离心力的作用使摩擦块甩出与摩擦盘摩擦，从而达到减速的目的。由于机构较大的减速比，受困人员可以安全的下降。机构如下图所示： 图5 减速机构图以绳轮为研究对象，其上受有主力矩 ,同时还有与M1反向的摩擦力矩 ,它通过齿轮传动最终作用到绳轮上，其大小为 ,若要使人或重物匀速下降必须使绳轮上的合力矩为零，即： 经过公式推导得： (3-1 推导过程见附录一) 其中： m为人或重物的质量 ; 为摩擦块质量 ；µ为摩擦块 与摩擦面问的摩擦系数 ； 为绕绳轮直径; 为摩擦块质心工作直径; 为摩擦面直径。 3.1.2轮系还应满足的条件： 1）对于轮系还应该满足传动比条件： （3-2） 2）同心条件： （3-3） 3）装配条件： （3-4） 4）邻接条件： （3-5）其中 ， ，z3分别为太阳轮和行星轮的齿数。由于要同时满足以上四个基本条件，而且为了尽量使机构的体积小，所以进行matlab优化之后得到以下一些基本参数：表格1 2K-H轮系的基本参数 参数齿轮 齿数 模数 变位系数 尺厚 压力角太阳轮 12 3 0 10 20º 行星轮 15 3 0 8 20º 内齿轮 42 3 0 10 20º 由于行星轮齿数为15，在市场上有合适的尼龙齿轮出售，而且强度也较高，故行星轮采用购买的尼龙齿轮，而需要的内齿轮和太阳齿轮由于使用的特殊性，市场上并无销售，是自行加工的，分别是插齿和滚齿制造。 3.1.3减速机构其余部分参数：经过查找资料和相关文献，以及作品预先的设计要求，确定了绳轮的直径DH为60mm，摩擦块质心工作直径 为90mm，摩擦面直径D1为100mm。根据前面公式3-1可知对应不同体重可以得到不同的下降速度，具体数值如下表所示：表格2 不同体重人的下降速度人体重量(kg) 100 80 60 50 40 实际下降速度(m/s) 0.97 0.83 0.74 0.63 0.57 结论： 不同体重下降速度小于1.5m/s,符合人体安全下降要求。 3.2空中悬停部分参数分析悬停部分原理说明 空中悬停部分利用吸盘式直流电磁铁吸引直径65mm的吸盘向一端移动，而吸盘与穿绳轴焊接在一起，绳子从穿绳轴的径向穿过，致使绳子被卡住，实现悬停。电磁铁、吸盘和穿绳轴被置于悬停轴套内，保证了悬停的可靠性。电磁铁通断电是通过无线遥控实现的，同时设置了多个遥控器，可以实现多地的智能控制。电磁铁与电源间的开关电路具有自锁功能，同时直流电磁铁终吸力达到80公斤，有效的提高了空中悬停的安全系数。机构如下图所示： 图6 悬停机构图 表格3电磁铁的基本参数型号 Type HCNE1-P65 名称 Name 直流电磁吸盘铁产品尺寸 特点 用于机械装置大功率装载自动控制工作范围 吸合行程：2.5mm 初吸力：12Kg 终吸力：80Kg 参数分析穿绳轴及悬停轴套部分被做成30º楔角则水平方向分力为： ，而限定的最大重量为m=100kg，计算结果为50Kg，小于80Kg，预留60%的余量，保证悬停的稳定性。电磁铁通过无线电遥控控制，控制电路为12伏单路开关来控制电磁铁的通断电。控制电路板如下图 图7 无线电控制电路 图8 12V遥控器上述遥控装置的主要性能指标 1、工作电压：DC12V 2、接收频率：315MHz 3、接收灵敏度：- 95db 3.3各部分强度校核 3.3.1减速部分强度校核 1) 轴的强度校核材料:45#钢 热处理：调质 图9 中心轴受力图对B点取矩： 得： 同理，对A点取矩得： 图10 中心轴弯矩图中心轴 最大弯矩为 则需用弯曲应力校核如下 2) 太阳轮强度校核材料：2A12铝材太阳轮齿根的弯曲疲劳强度校核如下 ，其中 =3.4, =1.5, ， =1.4, 3) 行星齿轮强度校核材料：尼龙1010 行星轮轮齿根的弯曲疲劳强度校核如下 ，其中K=1.98，Ft=2 T1/d1= 太阳轮与摩擦盘花键部分挤压强度校核如下 其中T=26950N.mm， =0.7～0.8取0.7，Z=6， 3.3.2悬停部分校核电磁铁部分螺栓校核，采用4.8级M4螺栓 拉应力校核 剪切应力校核 3.3.3整体承载的安全校核 1) 轴一端M5的受剪螺栓 ， 2) 与螺栓连接的孔强度 ， 3) 挂钩强度校核 4) 膨胀螺栓的强度校核 四、机构建模与加工制造 4.1软件建模 图11 软件建模 4.2加工制造的实物 图12 加工制造的实物五、作品主要创新 1. 独特的离心调速系统，能够根据不同体重，自动调节下降速度； 2．具备远程控制功能，实现多点、远距离控制，人体可在空中任意位置悬停，避免额外危险的发生； 3．安全监测系统保证设备可靠运行，提高了逃生速度及安全性； 4. 具备防卡死结构，实现安全制动，减轻绳子磨损，提高使用寿命； 5. 可实现多人往复逃生，使用效率高。六、作品使用方法说明以及试验结果在拥有此装置后先将带有挂钩的支架用膨胀螺丝固定于便于逃生的地方（如阳台或窗外），然后将缓降器挂接于钩子之上并将遥控器固定在安全带附近。当发生火灾时，人可迅速将安全带系于身上，然后凭借重力下降，下降的同时，绳子带动绳轮转动，绳轮同时带动行星轮转动，行星轮带动太阳轮转动，由于太阳轮和转盘是连为一体的，太阳轮转动时，转盘里的摩擦块也随着转动，由于离心力的作用将摩擦块从转盘中甩出，摩擦块与摩擦盘产生摩擦，从而达到缓降的功效。在下降过程中如果发现下面出现突发情况不宜下降或换缓降部分出现故障，下降速度过快，可通过遥控器控制，进行刹车、悬停，空中刹车部分通过绳子穿过穿绳轴，而穿绳轴轴的一端为圆形铁盘，通过电磁铁的吸力将穿绳轴向一侧吸引，使轴产生一定位移，从而将绳子卡死，实现悬停。 本作品前后经过重物试验与真人试验，试验结果良好，下降速度小于1.5m/s，达到了设计要求并且符合国家相关规定，安全可靠，刹车、悬停部分同样达到了预期的试验效果，能够及时刹车而且操作方便。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：日常生活中火灾经常会发生，给人们的生命财产安全带来越来越大的威胁，而随着高楼拔地而起，高层火灾问题日益突出，因此高楼逃生器应运而生。基本思路：设计一种质量轻、体积小、安装方便，能在发生火灾的情况下帮助人们安全快速逃生的装置，并且具有在危机情况下能够瞬间停止的功能。创新点：1.独特的离心调速系统，能够根据不同体重，自动调节下降速度； 2.具备空中悬停功能，能实现人体任意位置悬停； 3. 具备远程控制功能，实现多点、远距离控制。技术关键：2K-H减速器各齿轮参数的确定；实现空中悬停的方式；关键部件材料的选择。主要技术指标:最高限定质量内人体下降速度均低于1.5m/s,并均能瞬间悬停，悬停时间大于1小时。
科学性、先进性
- 经过市场调研与文献检索发现，市场上已有的高楼逃生装置或体积庞大，不便于安装使用，或结构复杂、操作繁琐，而体积较小的或价格昂贵，或功能不全，缺少必要的保险装置，有的保险装置不便于老年人和小孩使用，需要较大的力气。综合分析以上各种缺陷，我组设计出了体积小便于操作且带有保险机构的高楼逃生装置，逃生中可以实现人体的空中悬停，而空中悬停可以通过多点、远距离遥控方式进行控制。这种遥控方式较传统手刹方式，省力、方便、安全。技术分析说明：经过推导人体理论下降速度 可以得到100kg时人体下降速度仅为0.97m/s,采用终吸力80kg的直流电磁铁，保证人体空中悬停的可靠性。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年4月荣获学校“超越杯”机械设计大赛一等奖；2010年5月荣获学校“实验竞赛月”特等奖；两次比赛中学校专家对作品创新性与实用性方面予以了充分肯定。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利技术转让
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：在拥有此装置后先将带有挂钩的支架用膨胀螺丝固定于便于逃生的地方（如阳台或窗外），然后将缓降器挂接于钩子之上并将遥控器固定在安全带附近。当发生火灾时，人可迅速将安全带系于身上，然后凭借重力下降，如遇特殊情况，可由本人或其他拥有遥控器的人按下控制按钮进行悬停控制，实现人体空中悬停。技术特点和优势：根据不同体重自动调节下降速度，下降过程中，可通过遥控器多点远程控制来实现人体空中悬停。适应范围：高层居民用户，如社区家庭、酒店住户等。市场前景和经济效益预测：本产品体积小便于操作且带有保险机构，若批量生产，成本极低，而高层居民日益增多，居民安全意识日益增强，因此，本产品具有广阔的市场前景，经济效益十分可观 。
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