高楼逃生器毕业设计说明书.doc

课程设计论文报告(论文)题目： 高楼逃生器 摘要 高楼逃生器是在火灾的发生过程中，为保证居住在高层的人员能安全的逃生而设计的机械装备。本文对高楼逃生器从机构设计、机构间的受力分析等方面进行了详细的研究计算。首先，为精确的精确控制逃生人员的下降速度，本机械采用了双重制动措施。制动装置分别依靠人本身的重力和在下降过程中人员的操作来实现制动，从而实现了逃生人员下降速度的可控性。通过制动装置的作用使得被困人员能安全快捷的逃生。其次，为了保证制动的稳定性和可靠性，故选用了传统的摩擦制动途径。并在研究过程中给出了相关机构详细的计算设计过程和图纸的详细标注。再次，考虑到充分利用材料、延长寿命、降低成本以及本装置使用的一次性等因素，本装置省去了轴承采用了的轮盘直接与轴配合的结构。根据以上的理论计算，对高楼逃生器进行了模拟实验，取得了比较满意的结果。关键词 逃生器 机构 制动装置 abstracttall-building escape device is a machinery that designed for ensure the people living in high could escape from the fire. in this paper,we study the machinery on the mechanical design, stress analysis and other aspects of inter-agency thoroughly.firstly,in order to control the speed of descent precisely,the machinery break with the dual measures. brakes are relying on peoples own gravity and personnel control during descent to achieve the braking operation, enabling people to escape at a controllable speed. so people who were trapped can escape at a safe and efficient way. secondly, in order to ensure the stability and reliability of the brake, so we select the traditional friction brake means. and in the course of the study relevant agencies are given the detailed design calculations and drawings in the detailed annotations. thirdly, taking account of the full use of materials, prolonging the worklife, reducing costs and one-time use of this device and other factors, this device eliminates the use of the wheel bearing. according to the above theoretical calculations, were carried out on the rise building evacuation simulation, and achieved satisfactory resultskeywords: escape device machinery brake rigging目 录摘要1abstract2第一章 绪论51.1设计背景51.2 发展概况61.3设计的目的意义及基本思路61.3.1设计的目的意义61.3.2设计的基本思路6第二章 整体方案设计72.1整体方案的设计72.2装置的原理82.3装置的优点与不足92.3.1装置的优点92.3.2装置的不足10第三章 装置零部件设计103.1轴的设计103.1.1轴的概述103.1.2主轴的设计（参数及视图）103.2轮盘设计133.2.1 轮盘的概述133.2.2轮盘的基本参数及视图133.3闸瓦的设计143.3.1闸瓦概述143.3.2闸瓦的基本参数及视图143.4其他零部件的设计15第四章 计算和验证194.1静力学平衡计算194.2绕绳计算204.3速度计算20结束语23参考文献24致谢25第一章 绪论1.1设计背景 随着社会的发展和科技的进步，高层建筑成为了人们工作和生活中不可或缺的部分。特别是近年，房地产行业兴起，高层住宅和高层写字楼成为主体。然而，高楼生活工作中的安全问题不容忽视。据调查数据显示，在过去的5年，我国共发生火灾120万起，造成约1.2万人死亡、1.5万人受伤，直接财产损失75.6亿元。而在各种火灾中，高层建筑火灾是发生频繁、危害甚烈、伤及弱势群体、最难救援和逃生的主要祸首。我国城市高层建筑数量在飞速增加，楼层越建越高，30多层百米高楼已成为主流。虽然消防部门也在不断努力，加快救援设备的现代化和自动化，但现有的消防车可以够得着的高度，只有15层楼。我国进口的最高登高云梯达到68米，但耗资1600万。目前城市消防应急逃生与救援能力与高层建筑的快速发展严重失衡，已经成为制约被困人员逃生和高楼火灾有效扑救的致命缺陷。1.2 高楼逃生器发展概况 在当今日常生活中，随着建筑物高度的不断增加。高楼逃生装置的发展也很迅速，形形色色的高楼逃生器相继诞生。有的装置可行性好，但是稳定性较差；有的装置稳定性和可靠性都比较好，但是可行性比较差；还有的装置可靠性和可行性都较好，但是成本过高。正是由于这样的种种原因和问题，高楼逃生装置在国内至今为止还未普及。但在发达国家，高楼逃生装置基本已经普及。以日本为例，在他们国家几乎所有的高层建筑在建造时就已经高楼逃生的装置。以便人们在遭遇火灾或其他危险时能及时的逃离现场。但我们国家在建造高层建筑时，还没有进行相应的设施的建设。这对这一现状，我们国家也急需拥有一套能够大力推广且稳定性高、可靠性高的高楼逃生装置。1.3设计的目的意义及基本思路1.3.1设计的目的意义意义：我们旨在通过一种简单机械装置，安全、平稳、快速的将被困于高楼中的人员从危险中解救出来，使在高层建筑中的人们能迅速的脱离火场。目的：纵观目前高楼逃生器的发展状况以及我国的普及情况。我们深知，设计出一种具有良好的可靠性、可行性及稳定性于一身的高楼逃生装置是势在必行的。我们在总结了国内现有的一些高楼逃生器的基础上，扬长避短利，设计了这款高楼逃生器。1.3.2基本思路：本装置主要利用简单的机械装置让被困于高层建筑中的人迅速的逃离火场。在下降的过程中，通过逃生器上的减速装置来控制人员的下落速度，是人员能安全，快捷的逃生。减速装置是高楼逃生装置的核心部分，它主要是利用了传统的摩擦减速的原理，这样既有可靠性又利于控制。而且考虑到可靠性，我们摒弃了其他所有依赖外部的动力供给的方式，将逃生人员自身的重力作为制动的动力来源。这样就大大提高了装置的可靠性。同时本装置还特别设置了可调速的扶手，也就是说人在下落过程中还可以通过轻微的转动扶手来调节自己下落的速度。从而保证逃生人员能以一个合理、安全的下落速度着陆，从而逃离危险第二章 整体方案设计机械系统是由原动机、传动系统、执行系统、控制系统和其它辅助系统组成的，所以，机械系统总体方案设计的内容应是这几部分的方案设计及其各部分间的协调设计。即执行系统的方案设计、原动机类型的选择、传动系统的方案设计、控制系统的方案设计和其它辅助系统的方案设计。 机械系统整体方案设计的特点：1协调性：整体系统由各个子系统组成，虽然各子系统的功能不同、性能各异，但它们在组合时必须按照整体功能的需要。2相关性：构成系统的各要素之间也是互相关联的，它们之间有着相互作用、相互制约的特定关系。某个要素性能的变化将影响对相关要素的作用，从而对整个系统产生影响。3内外结合性：任何系统必定存在于一定的社会和物质环境中，机械系统也不例外。环境的变化必将引起系统输入的变化，从而也将导致其输出的变化。2.1整体方案的设计整体方案的设计包括了原动机、传动系统、执行系统、控制系统和其它辅助系统的设计。由于本设计是无需其他能源，仅依靠逃生人员的自身重力，所以没有使用原动机。本装置的传动系统简单主要是连接板。控制系统主要负责控制下落的速度，主要有刹车手柄和重力闸。辅助系统主要有固定器（将绳索一端固定在天花板上）、保护背带（将人体安全舒适的与制动器相连）。整个机构的立体图如图2-1图2-1 高楼逃生器整体效果图2.2装置的原理绳索一端连接于固定在天花板的固定器上，另一端整齐的缠绕在轮盘上。当人员利用装置逃生时，人与装置开始一起下降，轮盘开始转动。首先，由于人本身的重力使重力闸向下运动并与轮盘发生摩擦，阻碍轮盘的转动减小人的下降速度。而且随着人的下降过程轮盘上所缠绕的绳子切线方向与轴心的距离越来越小，这使得轮盘的转矩逐渐的减小，但是人通过重力闸作用于轮盘的阻力矩不变从而实现进一步减速。其次，在下降过程中，操作者可以轻微转动制动器的扶手，手柄的端部可与轮盘摩擦作用从而自由调节下落的速度。在实际操作过程中，逃生人员开始可以以一个很小的加速度加速下落。经过一段时间之后，从轮盘的转矩越来越小，摩擦阻力矩不变，从而实现减速过程。另外，逃生人员可以转动手中的扶手再次调节自身的下落速度。人经历了从加速，匀速，减速，最终以合理、安全的速度降落到地面。图2-2 结构图 1.密封壳板 2.调节扶手 3.固定器 4.支座 5.螺栓 6.连接架 7.轮盘 8调节扶手 9.主心轴 10.重力闸 11.弹簧 12.主壳体2.3装置的优点与不足2.3.1装置的优点1.装置具有自减速功能原因如下：绳索有一定的直径，当在轮盘上面缠绕数圈时，会有一定的厚度。随着逃生人员的下落，绳索在轮盘上缠绕的层数减少，从而引起绳索在切线方向与轴心的距离减小。由于阻力矩一定，轮盘转矩减小，从而使轮盘转动的加速度减小直至减速，也就是人下降的速度会降低。达到先加速再匀速后减速下降的目的，最终以安全速度下降到地面。2.其他优点相比其他的现有高楼逃生装置，本装置最大的优点就是不需要利用其他能源，而是逃生人员自身的重力，下降过程几乎不需要逃生人员来控制，适合不同人群，纯机械结构，结构简单，操作简单，用于不同的环境。在绳子末端与逃生人员挂接处接一段弹性绳减缓冲击力，更加能保证人的生命安全。2.3.2装置的不足1.装置对机构的制作材料要求较高，要求各部件的链接紧密。2.没有实现一次多人逃生的功能，一次至多可以供2人同时逃生。3.各方面的摩擦力不好控制，导致人下降的加速度会有微小波动。第三章 装置零部件3.1轴的设计3.1.1轴的概述轴一般有两种分类方法：一、按受载情况分：1）转轴 既受弯矩又受转矩的轴如减速器中的轴。2）传动轴 主要受转矩，不受弯矩或弯矩很小的轴-如汽车发动机与后桥之间的轴。3）心轴 只受弯矩而不受转矩的轴。心轴根据其工作时是否转动，又可分为：（1）固定心轴-如自行车的前轮轴；（2）转动心轴-如铁路机车轮轴。二、按轴线形状分：1、曲轴 各轴段轴线不在同一直线上-如内燃机中的曲轴2、直轴 各轴段轴线为同一直线。直轴按外形不同又可分为：1）光轴 形状简单，应力集中少，但轴上零件不易装配和定位。常用于心轴和传动轴。2）阶梯轴 特点与光轴相反，常用于转轴。3）钢丝软轴 由几层紧贴在一起的钢丝绳构成，具有良好挠性，可弯曲绕过各种零部件将回转运动灵活地远距离传递-如手持动力机械、里程表和遥控装置传动。3.1.2主轴的设计1.主轴形式的确定：根据本装置的结构特点和工作方式，主轴应选用固定心轴的形式。且轴的一端于制动器的外壳是一体的。（如图3-1所示）图3-1注：途中红色部分为主轴轴体2.轴的参数及设计计算：（1）材料的选择：考虑到该装置的工作要求并分析其受力情况.，选用45#钢作为轴体材料；（2）参数及结构的确定：根据装置的工作要求选定轴径d=30mm，长度l=136mm；（3）轴的校核： 轴的受力分析如图所示：g=mg （g=9.8 m/s；m为质量）f1=f2=g/2=mg/2； 轴的弯矩图如图3-2所示： 根据弯矩图可知危险截面为轴承受重力g处的截面 其 m=f1/2*53=53mg/2； 轴的计算及校核： 查机械设计书（第八版）p362表15-1可知45#钢的许用弯曲应力-1=55mpa 由p373表15-4可知轴的抗弯截面系数w=d/320.1 d（d=30mm） 计算如下： =m/w=256mg/ d-1/s （安全系数s取1.3） 则m-1 d/（265sg） 代入数据得： m439.86kg 校核完毕。由上述计算校核过程及所得数据可知，该轴最大承重量为439kg。假设火灾现场有两到三位体重为80kg的成年人，那么他们都可以一起挂载到该装置同时逃生。即便是将他们下落过程中的超重现象考虑进去，该装置也据对可以保证工作的安全性和稳定性。综上述，轴的选取合适。图3-23.轴承的选用：考虑到本装置的工作特性、结构特点及工作效果，不需要选用轴承。其具体原因如下：从结构上分析，不选用轴承不会对装置的可靠性、安全性、稳定性造成不良的影响。(本装置的使用具有一次性的特点，不需要长时间连续工作工作，而且也没有太大的工作负载。考虑到可能长时间放置的问题，只需在主轴与轮盘内部做简单的防锈及润 滑处理即可)从成本上分析，不选用轴承可以最大程度的降低本装置的成本，利于本装置的推广普及。从功能上分析，本装置的工作目的在于对人的下降过程进行减速，而不选用轴承恰好使主轴与轮盘之间的摩擦力大大增加，从而有利于本装置功能的实现。3.2轮盘的设计3.2.1 轮盘概述轮盘是在本装置中是非常重要的部件。可以说是制动器的核心部件。轮盘在本装置中的作用主要有：1. 将人下落的直线运动转变成圆周运动。2. 很好的将绳索的载体，绳索可以整齐均匀的缠绕在轮盘之上。3. 是闸瓦实现减速的主体，闸瓦通过对轮盘的摩擦加速作用从而实现整个装置及人的减速下降。4. 是控制下降速度的主体部件，通过控速手柄对轮盘的作用实现对下降速度的控制。3.2.2轮盘的参数及三维视图：一、1.轮盘材料的选择：为保证与主轴强度相匹配，故轮盘也选用45#钢调质二、轮盘结构参数的选择设计：1.轮盘外圆直径d1=380mm；2.轮盘中心孔直径d2=30mm；3.轮盘腹板上孔径d3=50mm；4.轮盘厚度w1=90mm；5.轮盘边缘厚度w2=20mm；轮盘的视图如图3-3图3-33.3闸瓦的设计3.3.1闸瓦概述闸瓦是本装置实现减速功能，和速度控制功能的核心部分。其工作原理为：人的重力通过连接架传递给重力闸，使重力闸沿高楼逃生器壳体上轨道向下运动。在向下的过程中闸瓦的闸皮部分与轮盘的边缘相挤压。同时轮盘处于运动的状态，所以闸瓦会对轮盘产生一个、阻碍其运动的摩擦力，从而实现减速的功能。闸瓦主要分为两大部分，即闸体和闸皮。闸体主要起一个支撑和维持的结构性作用。而闸皮则由特殊的材料构成，它是实现摩擦减速的主要部分。3.3.2闸瓦的基本参数和三维视图1.闸瓦的主闸体部分由45#钢制造；2.其与轮盘边缘接触部分是一个d=380mm的圆形曲面；3.闸体导柱上的两短弹簧主要作用是顶住闸体，防止其在轨道上随意的上下滑动；4.在闸皮的选择上，根据查得如表3-1资料显示，选择橡胶作为闸皮，其与钢的摩擦系数=0.75。材料种类a-b摩擦系数钢-钢0.15钢-软钢0.2钢-铝0.17钢-黄铜0.2钢-硬橡胶0.75钢-粉末冶金0.55表3-1闸瓦的结构如图3-4：图3-43.4其他零部件的设计：3.4.1连接架的设计：连接架主要时将人体与装置连接起来了重要部件，他的上端与闸瓦相连。也是通过这个部件才能将人体的重力转化为闸瓦的制动力。因此也是比较重要的部件。其结构如图3-5图3-53.4.2调节扶手的设计:调节扶手也是该装置的重要组成部分，它主要有两方面的作用：1.在下落过程中，逃生人员的双手可以握住调节扶手，这样可以给逃生者带来更多的安全感，不让逃生者惊慌。 图3-62.该调节扶手与支座之间有螺纹配合，当逃生人员轻微转动扶手时可以改变其端部与轮盘边缘的压力，从而实现对下落速度的控制，从而使逃生人员能以一个合理、安全的速度逃离火灾现场。其结构如图3-6所示注：(扶手上的纹理主要是为了防止逃生者在操作是打滑)3.4.3支座的设计：支座主要是为了辅助调节扶手对逃生人员下贱速度的调节而设计的。它的内部也有螺纹，可以与调节扶手上的螺纹相配合从而实现调节扶手的功能，此外，其也对调节扶手起一个固定的作用。支座的结构如图3-7所示：图3-73.4.4固定器的设计：固定器是本装置不可或缺的一部分，它应该由4个m20的螺栓固定在窗户附近的天花板上。其主要作用是承受装置逃生人员的体重。其外部结构参数为300*200*20结构如图3-8所示：图3-83.4.5密封壳板的设计：密封壳板通过螺栓连接的方式与主壳体相配合，它的作用如下：1. 固定并支撑主轴的另一个端部；2.将轮盘准确的定位，防止其在主轴上沿轴向滑动；3.将壳体密封，保证装置的正常工作。其结构如图3-9所示：图3-93.4.6装置所需要的标准件及其它部件有：1.螺栓：4个m20*100；4个m12*160；2.螺母：4个m12*8；1个m30*10；3.耐火绳：1条 d=15mm；l=40m；4.逃生背带：1副（如图）注：现在市场上背带型号较多，可任选一款合适的作为逃生背带。（详细图纸及参数请查阅proe图集）第四章 计算和验证由于前文没有设计到绳索的计算和下降的时间，不能确定人能在安全的时间内下落到地面，以及下落的速度大小未知，所以须对其进行计算。4.1静力学平衡分析n为闸瓦对轮盘的正压力；t为轮盘的转矩；mf为阻力矩；为动摩擦系数；d1为绳子切线方向到轴心处的距离；d为轮盘边缘直径；f为动摩擦力；f为绳子所受的拉力；扶手设置的预紧力n1；装置的质量m。已知：=0.75；d=380mm；g=9.8m/s； 假设逃生人员的体重在（40kg-90kg）的范围内：人体重力g=mg；正压力n=g;扶手设置的预紧力(调节扶手对轮盘的初始正压力)产生的摩擦力f1 f1=2*n1（有两个调节扶手）绳子所受力f=g+g1闸瓦摩擦力f2=*n总摩擦力f= f1+ f2轮盘的转矩t=f*d1；（随着下降过程d1在不断减小所以t也在不断减小）阻力矩mf=f*d/2；（mf为定值）在下落过程中通过t与mf的大小关系来实现自动减速的功能：1. 当mft时，是加速度增大的变减速下降过程；此外，下降人员可通过对扶手的轻微调节来改变下降过程中任意时段的下降加速度从而控制调节整个下降的速度。4.2绕绳计算取绳的直径为d=15mm；则绳的截面积为s=d/4=176.7mm；轮盘用于缠绕绳子的截面积为s=165mm*60mm=9900 mm；可计算得绳长lmax40m；4.3速度分析：初始阶段合力：fh=f-f；初始加速度：a= fh/（m+m）；加速阶段平均加速度： a1=a/2；减速最后阶段加速度： a2=（f-0.14f）/（m+m）；减速阶段的平均加速度： a3=a2/2；代入数据可求的如下加速度的范围表：距地面的高度h相对高度时的加速度范围40m(0.6-0.2)m/s30m(0.2-0)m/s20m(0-(-0.1)m/s10m(-0.1-(-0.4)m/s5m(-0.4-(-0.8)m/s0m(-0.8-(-0.9)m/s表4-1注:其中加速阶段的a为正；减速阶段a为负。由已知加速度代入计算可求的，人在利用该装置下落过程中处于不同高度的瞬时速度v以及每个下落过程所需时间t其具体值范围如表4-2距地面的高度h下落瞬时速度v所消耗的时间t40m0m/s0s30m（4.4-2）m/s（2.3-5）s20m（6.4-3）m/s（3.8-8.1）s10m（5-2.4）m/s（5.8-12.2）s5m（3.2-1.2）m/s（7.2-16.4）s0m（1.2-0）m/s（12.1-20.5）s表4-2注：由于本装置可通过调节扶手对下落的加速度和速度实现二次控制，因此上表所列的范围并不是特别全面。各阶段的加速度和速度值还可在二次调节后在一定的范围内波动。由上面两张表格可知落地瞬时速度约为（1.2-0）m/s ，而总的下降过程所需要时间为: （12.1-20.5）s综上述，人的落地速度最大为1.2 m/s左右，小于人体的安全落地速度3m/s，人相当于从不到半米的高度跳下，因此由此逃生器逃生时下落速度是安全的。因此，通过此高楼逃生器，人可以从40米高的楼层降落，下降速度小于7.2 m/s而且下落时间也只要最多20秒钟，为逃生人员逃生争取了很多的时间，实现了快速安全逃生的目的。由此可知本设计完全符合设计要求，能够实现高楼逃生，可以在灾难发生的时候挽救人的生命，有着重要的意义。结束语本次课程设计过程中，设计范围较广，在设计的过程中，充分利用了以前所学习得东西，用到了机械