研究高樓逃生裝置設(shè)計(jì)方案.doc

研究高樓逃生裝置設(shè)計(jì)方案1 緒言1.1 課題的背景及研究意義隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各個(gè)城市高樓林立。而高樓火災(zāi)、爆炸、地震等事故時(shí)有發(fā)生，高樓逃生自救就成為了迫切需要解決的問(wèn)題。一般多功能的高層建筑，內(nèi)部通道錯(cuò)綜復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，樓內(nèi)通風(fēng)口會(huì)迅速擴(kuò)大火勢(shì)和煙霧，很快就會(huì)擴(kuò)散到各個(gè)角落，一旦濃煙覆蓋就會(huì)寸步難行。進(jìn)而困在樓上無(wú)法脫身。當(dāng)突如其來(lái)的災(zāi)難來(lái)臨時(shí)，電梯會(huì)因?yàn)殡娏χ袛喽荒苡?，樓梯又被人群堵死，一般的地面救援裝備在高度上可能不夠，而且還會(huì)因?yàn)檠b備的笨重而不能迅速快捷的實(shí)施救援1。從而延誤搶救時(shí)機(jī)，有很多人都因此而丟掉了寶貴的生命或則留下終身殘疾。因此如何快速而有效的逃離起火大樓成了一個(gè)生死攸關(guān)的問(wèn)題。高樓逃生裝置就在這樣的環(huán)境應(yīng)運(yùn)而生。本設(shè)計(jì)要求在高層建筑發(fā)生火災(zāi)等其他突發(fā)情況時(shí)，設(shè)計(jì)一種可以幫助人們方便，快捷的逃生工具。要求設(shè)計(jì)的逃生裝置在各種結(jié)構(gòu)的建筑物都可以適用，操作簡(jiǎn)單自動(dòng)化，可以在一個(gè)人可以操作的尺寸和重量的范圍內(nèi)使用和運(yùn)送,多次重復(fù)往返高樓大廈進(jìn)行施救。因此，它可以最大限度地減少火災(zāi)傷亡。通過(guò)分析現(xiàn)有的一些高樓逃生裝置，雖然大部分設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)高樓逃生此功能，但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)原理和操作系統(tǒng)，昂貴的價(jià)格和偏低的安全性對(duì)高樓逃生自救還是很有限的。一些設(shè)備還需要電源控制，但當(dāng)?shù)卣鸹蚧馂?zāi)很可能無(wú)電力供應(yīng)。復(fù)雜的操作使得有些人可能有自救裝置因?yàn)椴粫?huì)使用而葬生。因此，本次設(shè)計(jì)高樓逃生裝置是基于負(fù)反饋回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，并且不需要電力或其他能源驅(qū)動(dòng)的純機(jī)械結(jié)構(gòu)的逃生裝置。其原理是當(dāng)逃脫人員因?yàn)橹亓ο侣鋾r(shí)通過(guò)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生阻礙逃生人員快速下落的阻力，隨著逃生人員下降，阻力能夠隨之增大，使逃生人員在下降過(guò)程中依次經(jīng)歷加速、勻速、減速三個(gè)階段，最終以一個(gè)安全的速度到達(dá)地面，實(shí)現(xiàn)成功自救。該裝置仰角人工可調(diào)，不用的仰角合適不同的高度范圍。當(dāng)從動(dòng)軸和繩索之間的摩擦系數(shù)以及繩索的直徑發(fā)生變化時(shí)，還可以通過(guò)改變?cè)撗b置的仰角來(lái)恢復(fù)該裝置的正常使用，適應(yīng)于各種環(huán)境。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在我們國(guó)家，主要的救生設(shè)備是緩降逃生器和空氣救生墊。緩降逃生器2主要用于普通家庭和個(gè)人，它是由調(diào)速器，安全帶，安全鉤，繩索等組成。可攜帶100公斤左右個(gè)人自由單向滑動(dòng)，以每秒1.5米左右的速度下降。從建筑物的30樓逃生，需要花費(fèi)超過(guò)60秒的時(shí)間，根據(jù)體重的不同，稍微有所差異。雖然平時(shí)60秒看似不起眼，但在分秒必爭(zhēng)的災(zāi)難逃生的現(xiàn)場(chǎng)下或稍顯較長(zhǎng)?，F(xiàn)在使用這種逃生緩降器的情況并不理想，除了家庭消防意識(shí)弱，經(jīng)濟(jì)因素的原因。還因?yàn)檫@種逃生緩降器適用范圍不高，老年兒童及病殘都不能有效操作使用，可能還會(huì)出現(xiàn)多家庭同時(shí)使用產(chǎn)生交織安裝問(wèn)題，而且需要定期維護(hù)。以上種種因素導(dǎo)致它難以進(jìn)入普通人們的家庭?？諝饩壬鷫|是利用充氣膨脹而產(chǎn)生緩沖效果的高空救生設(shè)備。大部分都是由高強(qiáng)度纖維材料縫紉、粘合制成。使用時(shí)用高壓氣瓶充氣即可，但救生氣墊的安全性隨著樓層的高度增加而降低。在3-4層建筑物使用效果還是非?？捎^的，但是隨著高度的增加，其緩沖效果和逃生人員落地的準(zhǔn)確性都得不到保障。因此空氣救生墊應(yīng)用范圍非常有限，對(duì)于樓層過(guò)高的高樓下跳是非常危險(xiǎn)的。本來(lái)可能還有生路，這樣縱身一躍把唯一的生路都無(wú)意間放棄了，如果跳下來(lái)沒(méi)有落在救生墊上，結(jié)果肯定會(huì)很慘。目前，國(guó)外高樓逃生裝置有以下幾種形式：間歇沖擊：間歇性沖擊式逃生裝置是由間歇性的撞擊消耗能源3。就和一個(gè)時(shí)鐘的擒縱叉和擒縱輪的道理一樣，達(dá)到消耗能量的目的。 液體流動(dòng)阻尼：液體流阻尼逃生裝置4是根據(jù)液體流經(jīng)小孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定阻尼來(lái)降低速度的原理。其主要特點(diǎn)是由于液體阻尼器的尺寸依賴于外部負(fù)載，所以不管體重大小都能使用，而且效果良好。此外，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)劃局正在研究彈射飛人。該研究的現(xiàn)實(shí)用途非常特殊，可以在緊急情況下可以把將警方或消防人員發(fā)送到高樓，從而迅速完成各項(xiàng)任務(wù)的。一種斜軌是以一個(gè)與地面斜坡成80的姿態(tài)靠近目標(biāo)位置，執(zhí)行任務(wù)的人員坐在椅子上類似于飛行員駕駛艙的彈射座椅。壓縮氣瓶中的空氣從中迅速排出，則沿滑軌彈射座椅，到達(dá)滑軌頂部的時(shí)停止，身體由于慣性飛到屋頂，安全到達(dá)指定位置。正確計(jì)算拋物線軌跡是此方案成功與否的關(guān)鍵。因此如果有一臺(tái)能夠精準(zhǔn)控制發(fā)射角度和速度的電腦，此方案必定可行。據(jù)報(bào)道，確實(shí)有這樣一臺(tái)電腦能夠兩秒內(nèi)把人安全送到5樓。1.3 高樓逃生裝置的類型確保安全可靠的機(jī)械運(yùn)動(dòng)是必要的，而限制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度是確保安全可靠的首要任務(wù)。目前，國(guó)內(nèi)有不少自動(dòng)限速裝置的類型，主要包括包括間歇性、離心調(diào)速器和液體阻尼。1.3.1 內(nèi)凸輪式高樓逃生裝置內(nèi)凸輪自動(dòng)限速器，如圖1.1,它包括一個(gè)外徑為200mm的固定內(nèi)凸輪，其中，把凸輪支架設(shè)置在凸輪型腔內(nèi)，中央導(dǎo)軌支架的橫向的設(shè)置是有滑動(dòng)閥芯的，多個(gè)依序連續(xù)并沿著同一圓周的弧形內(nèi)凸輪面均勻分布在凸輪型腔內(nèi)，就組成了內(nèi)凸輪型腔的內(nèi)周壁，兩個(gè)相鄰的弧形內(nèi)凸輪面的結(jié)合處到內(nèi)凸輪中心連線的延長(zhǎng)線與延長(zhǎng)方向所對(duì)的弧形內(nèi)凸輪面的頂點(diǎn)相交，通過(guò)徑向凸輪的中心的內(nèi)腔內(nèi)的凸輪的內(nèi)芯的滑動(dòng)閥的長(zhǎng)度等于設(shè)置有油室的導(dǎo)軌托架主體，滑動(dòng)芯是固定連接與位于阻尼器的油室的上部和下部側(cè)的閥。圖1.1 凸輪式模型當(dāng)該凸輪滑動(dòng)型芯在氣門驅(qū)動(dòng)用作往復(fù)橫向移動(dòng)，從而使從油腔從一側(cè)通過(guò)間隙流動(dòng)阻尼片的油室的另一側(cè)，然后用緩沖室的另一側(cè)回油油側(cè)的初級(jí)側(cè)，此過(guò)程中產(chǎn)生極大的阻尼，是為了限制內(nèi)凸輪的速度。內(nèi)凸輪構(gòu)件與任何需要限速的回轉(zhuǎn)件聯(lián)接，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限制旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。 優(yōu)點(diǎn)：體積小，無(wú)噪音，成本低，易于安裝和維護(hù)的制作，堅(jiān)固耐用，實(shí)用性高。 缺點(diǎn)：復(fù)雜的，多部件，生產(chǎn)耗費(fèi)時(shí)間和勞動(dòng)力，下降速度不穩(wěn)定，安全系數(shù)比較低。1.3.2 渦輪蝸桿式高樓逃生裝置原理：利用自鎖式蝸輪蝸桿可以驅(qū)動(dòng)蝸輪，但該蝸輪不能驅(qū)動(dòng)蝸桿，使人們?cè)谔由枭⑦^(guò)程中，掌握自己的命運(yùn)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有自鎖，安全性，制造成本低廉。缺點(diǎn)：摩擦磨損大，物料需求比較高，操作程序復(fù)雜，一般人是不容易操作。1.3.3 心摩擦式高樓逃生裝置原理：人的重力驅(qū)動(dòng)著卷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)卷軸的活動(dòng)很快時(shí)，會(huì)因?yàn)殡x心力而產(chǎn)生正壓力，這樣摩擦片與外殼產(chǎn)生的摩擦力就成為了逃生人員下降的阻力5 ，并在下落速度達(dá)到一定值時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到平衡，人逃生人員就勻速下降。 優(yōu)點(diǎn)：逃亡下降過(guò)程中不需要人員控制。缺點(diǎn)：局限性大，對(duì)最大和最小的重力都有限制，重力越大掉在地上的速度越大，若不能以安全速度降落，則達(dá)不到最初的目的。而且最小使用重力為200N。2 設(shè)計(jì)方案的確定機(jī)械系統(tǒng)是一個(gè)由原動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作的系統(tǒng)。所以在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)該著重注意上述幾部分之間的協(xié)調(diào)運(yùn)作。所以原動(dòng)機(jī)的選擇，傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都需要全面考慮。整體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：協(xié)調(diào)性：整個(gè)系統(tǒng)由各個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，而子系統(tǒng)有著不同的屬性，但各個(gè)子系統(tǒng)結(jié)合時(shí)，他們必須遵循的總體功能需求。 相關(guān)性：系統(tǒng)內(nèi)的各要素之間是相互關(guān)聯(lián)的，有的相互作用，有的相互制約。改變?nèi)我庖粋€(gè)要素就會(huì)牽動(dòng)其他要素的變動(dòng)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。內(nèi)部和外部結(jié)合：外部環(huán)境的變化將導(dǎo)致內(nèi)部系統(tǒng)輸入的改變，從而將使得系統(tǒng)在輸出時(shí)也會(huì)相應(yīng)的改變，所以內(nèi)外相互影響著。2.1 方案設(shè)計(jì)原理高樓逃生起結(jié)構(gòu)，如圖2.1。圖2.1 逃生裝置結(jié)構(gòu)圖6 1.窗口或陽(yáng)臺(tái)的墻壁 2.仰角調(diào)節(jié)旋鈕 3.主動(dòng)軸 4.從動(dòng)軸 5.齒輪二 6.齒輪一 7.手柄 8.板件 9.掛鉤 10.上下連桿本次設(shè)計(jì)中無(wú)需原動(dòng)機(jī)，僅由逃生人員的重力使其下落。傳動(dòng)系統(tǒng)則選擇齒輪傳動(dòng)，因?yàn)槠涮攸c(diǎn)是傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊且雙向傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)有齒輪外側(cè)手柄和仰角調(diào)節(jié)旋鈕。在火宅、地震等災(zāi)難發(fā)生的時(shí)候，將該裝置掛在窗口或則陽(yáng)臺(tái)，保證該裝置的穩(wěn)定。該裝置繩索的一端固定在主動(dòng)軸上，并且順時(shí)針纏繞，另一端在從動(dòng)軸的上方通過(guò)后用于逃生。在逃生人員與繩索固定后，然后自由下降。因?yàn)槔K索順時(shí)針纏繞在主動(dòng)軸上，所以在下落的同時(shí)會(huì)帶動(dòng)主動(dòng)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)軸的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針的轉(zhuǎn)矩，然后再傳遞到主動(dòng)軸側(cè)邊的齒輪上。又因?yàn)槔K索在從動(dòng)軸上方通過(guò)，在下降過(guò)程中，繩索對(duì)從動(dòng)軸會(huì)因?yàn)閴毫Χa(chǎn)生摩擦力。摩擦力則會(huì)對(duì)從動(dòng)軸產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)矩，再傳遞從動(dòng)軸側(cè)邊的齒輪上。經(jīng)過(guò)外嚙合齒輪的傳遞，齒輪的嚙合處產(chǎn)生的反方向阻力，將會(huì)阻礙主動(dòng)軸的順時(shí)針快速轉(zhuǎn)動(dòng)，也就阻礙了逃生人員的下降。之后隨著逃生人員的下落，繩索的伸長(zhǎng)，繩索厚度的減小。使得繩索與從動(dòng)軸的包角越來(lái)越大，接觸面積增大，摩擦力增大，從動(dòng)軸的順時(shí)針轉(zhuǎn)矩增大，阻礙主動(dòng)軸快速轉(zhuǎn)動(dòng)的力就越大。就這樣，逃生人員的加速度經(jīng)過(guò)正數(shù)零負(fù)數(shù)的過(guò)程。逃生人員也相應(yīng)的經(jīng)過(guò)了加速，均勻、減速過(guò)程，最后以安全速度下降到地面。此外，還可以調(diào)整仰角來(lái)合適不同高度的逃生。 圖2.2 逃生裝置自動(dòng)減速原理圖裝置自動(dòng)減速原理，如圖2.2。當(dāng)有一定的直徑當(dāng)繩索在纏繞在軸上時(shí)，會(huì)有些厚度。隨著逃生人員的下落，繩索的伸長(zhǎng)，繩索在軸一上纏繞的層數(shù)越來(lái)越少，從而使得繩索在軸二的包角越來(lái)越大（），接觸面積也隨之增大。因?yàn)楫?dāng)壓力一定時(shí)，摩擦力隨著接觸面積的增大而增大。此時(shí)反饋到齒輪二上，齒輪二的阻力也必然增大。這樣就能達(dá)到使逃生人員先加速再勻速后減速的目的，以安全速度降到地面。2.2 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)方案的優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)于其他現(xiàn)有的高樓逃生裝置，此裝置最大的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備不需要使用其他能源，僅依靠逃生者自身的重力。逃生過(guò)程中也不需要逃生人員的控制，適用于老弱病殘等操作不便之人。此裝置是純粹的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單。方案的缺點(diǎn)：該設(shè)備對(duì)制作材料的屬于要求較高，各個(gè)機(jī)構(gòu)之間必須緊密鏈接。而且在人員下落的加速過(guò)程中速度可能會(huì)加到很大，逃生人員需要有一定的耐受性。逃生人員不能持續(xù)逃脫，每完成一個(gè)逃生人員，下一個(gè)逃生人員需要把逃生繩再纏繞后逃生。還有就是后面重點(diǎn)說(shuō)到的通用性不足。3 逃生裝置各部件設(shè)計(jì)3.1 軸的設(shè)計(jì)3.1.1 主動(dòng)軸的設(shè)計(jì)45調(diào)質(zhì)鋼7是該裝置中軸材料的最好選擇。初取主動(dòng)軸半徑軸，重力。則主動(dòng)軸所受扭矩。當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈沖循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取。則按軸的彎矩和扭矩合成強(qiáng)度條件校核8時(shí)，一般只校核危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度9，則有： （3.1） 式中 軸的危險(xiǎn)截面計(jì)算應(yīng)力； 折合系數(shù)； 軸所受的扭矩； 軸的抗彎截面系數(shù)()。 由軸常用材料性能及其主要力學(xué)性質(zhì)表8查得對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力，因?yàn)?，故符合要求?.1.2 從動(dòng)軸的設(shè)計(jì)初取，軸長(zhǎng)。取切向力的極限最大值，分析知軸的中點(diǎn)為危險(xiǎn)點(diǎn)有： （3.2）對(duì)中點(diǎn)的彎矩有： （3.3）軸受到產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大值由（3.5），（3.6）可計(jì)算。 （3.4） （3.5）其中取，當(dāng)時(shí)同時(shí)取得最大值：，再按軸的彎矩和扭矩合成強(qiáng)度條件校核8： （3.6） 因?yàn)?，故符合要求。由上述校核可知、的值均可以滿足條件?？紤]纏繞繩的速度取繞繩軸半徑，另一軸半徑。3.2 齒輪的設(shè)計(jì)目前，設(shè)計(jì)一般使用的齒輪傳動(dòng)時(shí)，通常只按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算8。本次設(shè)計(jì)中，因?yàn)樵谄渌麠l件一定時(shí)，中心距越大，則包角越大。而該裝置就是利用包角的增大來(lái)實(shí)現(xiàn)減速。所以在保證該裝置的尺寸能夠接受的同時(shí)應(yīng)該使兩軸中心距最大化。所以在此考慮選用多對(duì)相同齒輪，因?yàn)檫@樣可以保證較大的中心距的同時(shí)，使得裝置連接緊湊，美化裝置的外觀，更重要的是減輕裝置的重量。根據(jù)擬定的軸長(zhǎng)，確定選擇兩對(duì)相同型號(hào)的齒輪10。3.2.1 按齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)根據(jù)上述計(jì)算的取值r=35mm，G=1500N。故齒輪傳遞的最大轉(zhuǎn)矩為：T=52500Nmm應(yīng)力循環(huán)次數(shù)取次。取圓柱齒輪的齒寬系數(shù)（懸臂布置），齒數(shù)比。齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限：根據(jù)本設(shè)計(jì)要求和查機(jī)械設(shè)計(jì)第八版，選用以下數(shù)據(jù)： ， ，其中 使用系數(shù)； 載荷系數(shù)； 動(dòng)載系數(shù)； 接觸強(qiáng)度計(jì)算齒間載荷分配系數(shù)； 彎曲強(qiáng)度計(jì)算齒間載荷分配系數(shù)； 接觸強(qiáng)度計(jì)算齒向載荷分布系數(shù)； 彎曲強(qiáng)度計(jì)算齒向載荷分布系數(shù)； 彈性系數(shù)； 接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算壽命系數(shù)。現(xiàn)取失效的概率為1，安全系數(shù)S=1。則接觸疲勞許用應(yīng)力11為： （3.7）式中 許用接觸應(yīng)力； 接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算壽命系數(shù)； 失效概率為1%時(shí)齒輪的接觸疲勞極限。其中，S的值已知，值可由機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）第10章 圖10-21知。將已知數(shù)據(jù)代入式（3.7）得：計(jì)算齒輪分度圓直徑： （3.8）式中 齒輪分度圓直徑； 齒數(shù)比； 齒寬系數(shù)； 許用接觸應(yīng)力； 彈性系數(shù)。將數(shù)據(jù)代入式（3.9）得： 因?yàn)?，再根?jù)校核公式： （3.9）則根據(jù)校核，滿足要求，再求出其他尺寸。齒寬如式： （3.10）模數(shù)如式： （3.11）齒高如式： （3.12） （3.13）帶入上述數(shù)據(jù)得： 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑： （3.14）計(jì)算模數(shù)，將數(shù)據(jù)代入（3.11）得： 3.2.2 按齒輪齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）第10章 圖10-18和圖10-20知：齒輪的彎曲強(qiáng)度極限為，。取彎曲疲勞安全系數(shù)，計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力： （3.15）代入數(shù)據(jù)得： 計(jì)算載荷系數(shù)： （3.16）查機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）第10章 表10-5得以下數(shù)據(jù)： ， 設(shè)計(jì)計(jì)算如下： （3.17）式中 齒形系數(shù)； 應(yīng)力修正系數(shù)。代入數(shù)據(jù)得：根據(jù)校核公式： （3.18）則根據(jù)校核，滿足要求。計(jì)算結(jié)果知，根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算出模數(shù)比根據(jù)齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算出模數(shù)大，因?yàn)辇X輪的模數(shù)主要與彎曲強(qiáng)度決定的承載能力有關(guān)12，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度決定的承載能力僅僅只與齒輪的直徑有關(guān)，而與模數(shù)無(wú)太大關(guān)聯(lián)。所以取由彎曲強(qiáng)度計(jì)算并四舍五入到最接近的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，本次設(shè)計(jì)中取m=2mm。然后按照接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算相關(guān)的分度圓直徑：計(jì)算中心距： （3.19）計(jì)算齒輪齒寬，數(shù)據(jù)代入（3.10）得： 3.3 其他零部件設(shè)計(jì)其他零部件的設(shè)計(jì)及校核就不詳細(xì)列出，在此就作一個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)明介紹。3.3.1 板件和手柄的設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況以及齒輪的直徑取板件的主要尺寸如下：L=150mm ，W=700mm，H=20mm。手柄和板件的孔直徑可以根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)用性以及軸的尺寸確定。3.3.2 連桿和掛鉤的設(shè)計(jì)因?yàn)樵撎由b置需要滿足不同結(jié)構(gòu)不同尺寸的逃生窗，在使用過(guò)程中也能需要大幅度調(diào)節(jié)其仰角，則連桿和掛鉤的長(zhǎng)度都需要可調(diào)。為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)，可采用較長(zhǎng)的螺紋旋合式連接13 ，這樣可以根據(jù)不同尺寸的逃生窗和不同仰角的角度來(lái)調(diào)節(jié)掛鉤和連桿的長(zhǎng)度來(lái)滿足需求，這樣就可以適應(yīng)不同建筑不同高度的用戶。其尺寸可以根據(jù)配合情況確定。4 逃生裝置的計(jì)算和驗(yàn)證設(shè)計(jì)好該逃生裝置的各個(gè)構(gòu)件之后，對(duì)于其可行性和安全性還需要驗(yàn)證。下面對(duì)逃生人員落地的耗時(shí)長(zhǎng)短以及落地的速度是否安全進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。4.1 靜力學(xué)平衡計(jì)算為繩與軸的正壓力，角為包角的微元靜力學(xué)平衡14方程如下式： （4.1）當(dāng)趨近無(wú)窮小時(shí)有，經(jīng)過(guò)計(jì)算得： （4.2）假設(shè)逃生人員的質(zhì)量為，主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間繩的拉力為，從動(dòng)軸與逃生人員之間的拉力為，為繩與從動(dòng)軸的包角。當(dāng)人固定在繩上，再由上面推導(dǎo)結(jié)論和力矩平衡有： （4.3）則得合力公式： （4.4）加速度公式： （4.5）又因?yàn)楫?dāng)加速度為時(shí)，有： （4.6） 則得 （4.7）將（4.7）帶入（4.5）有： （4.8）則得： （4.9）當(dāng)合力，加速度為零時(shí),有，所以： （4.10）則得靜力平衡模型： （4.11）4.2 加速度和速度計(jì)算在計(jì)算中取摩擦因素為0.4，繩子直徑d=5mm，重力加速度g為10m/s2，每層繩子繞8圈。設(shè)在繩索的第四層達(dá)到平衡，則有： （4.12）算得： 此時(shí)，仰角為： （4.13）根據(jù)上述推導(dǎo)的公式計(jì)算后得出數(shù)據(jù)，如表4.1。表4.1 加速度的計(jì)算繩子層數(shù)包角（rad）加速度（m/s2）第一層 2.2012.0432第二層 2.1431.1046第三層 2.1010.4913第四層 2.0670第五層 2.0310.4013第六層 1.9950.7654第七層 1.9621.1766第八層 1.9271.4596當(dāng)樓層為6層，每層3m，即共18m時(shí)，如表4.2。表4.2 下降的瞬時(shí)速度繩子層數(shù)繩子長(zhǎng)度（m）下降完該長(zhǎng)度瞬時(shí)速度（m/s）耗時(shí)（s）第八層3.012.022.1 第七層2.763.190.8第六層2.514.090.6第五層2.265.010.5第四層2.015.310.4第三層1.755.170.4第二層1.514.560.4第一層1.263.630.4落地速度為3.63m/s為安全落地速度，總下降需要時(shí)間為:5.6s由圖中數(shù)據(jù)得出速度時(shí)間關(guān)系圖，如圖4.1。圖4.1 速度時(shí)間關(guān)系圖由表4.215可知：逃生人員使用該逃生裝置從第6層高度為18米的位置下落，將會(huì)以3.63m/s的速度著地，而人類著陸的安全速度為5m/s，則該裝置下落速度安全。所以本文設(shè)計(jì)的逃生裝置達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)在高樓災(zāi)難時(shí)安全逃脫。而且表中的下落總時(shí)間也只要幾秒，能夠迅速逃脫險(xiǎn)情。4.3 估算一定條件下逃生最大高度估算在摩擦因素為0.4，繩子直徑d=5mm，每層繩子繞8圈時(shí)的逃生最大高度。在加速度為零時(shí)，由幾何關(guān)系可知仰角的計(jì)算公式為： （4.14）式中 齒輪的中心距。因?yàn)楫?dāng)仰角為90時(shí)，有最大包角。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)時(shí)，仰角差不多為90。此時(shí)，繩子的厚度為45mm。再用繩子的體積相等計(jì)算繩子的長(zhǎng)度L： （4.15）解得： 因?yàn)樘由藛T的加速度經(jīng)過(guò)正數(shù)零負(fù)數(shù)的過(guò)程，所以可以看成一個(gè)對(duì)稱的過(guò)程（實(shí)際上肯定不是完全對(duì)稱的，這樣是為了方便估算）。則逃生人員的在摩擦因素為0.4，繩子直徑d=5mm，每層繩子繞8圈的情況下估算的最大距離為2L=63.04，因?yàn)椴恍枰由藛T的落地速度可以大于零，只要小于5m/s就可以，所以最大高度還可以有小量增加，綜合各方面考慮16，估計(jì)在最大高度為65m左右。注：當(dāng)繩子直徑和每層繩子繞的圈數(shù)不同時(shí)，逃生的最大高度會(huì)有所不同。4.4 分析逃生裝置的可行性經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可知，該裝置雖然能夠達(dá)到自減速的目的，但是該裝置的最大缺點(diǎn)就是通用性不足。在一定的高度逃生時(shí)，一定需要仰角，繩子初始厚度，每層繩子繞的圈數(shù)達(dá)到一個(gè)平衡范圍才能實(shí)現(xiàn)成功逃生。在一定的高度下逃生，如果仰角過(guò)小，繩子初始厚度過(guò)大，每層繩子繞的圈數(shù)過(guò)多，都會(huì)導(dǎo)致加速過(guò)程過(guò)長(zhǎng)而減速過(guò)程不足而不能以一個(gè)安全速度著地。反之，如果仰角過(guò)大，繩子初始厚度過(guò)小，每層繩子繞的圈數(shù)過(guò)少，則會(huì)導(dǎo)致加速過(guò)程過(guò)短而減速過(guò)程提前結(jié)束，會(huì)使逃生人員停留在半空中。所以，該逃生裝置一旦仰角，繩子初始厚度，每層繩子繞的圈數(shù)確定后，該逃生裝置就只能在一定高度的范圍內(nèi)逃生。如果在其他高度逃生，可能會(huì)導(dǎo)致摔傷或則停留在半空中，而不能達(dá)到成功逃生的目的，反而會(huì)將自己置于另一個(gè)險(xiǎn)境。5 總結(jié)與展望至此，為期一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，同時(shí)也給自己的大學(xué)生活畫上一個(gè)句號(hào)。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以說(shuō)對(duì)自己大學(xué)這幾年所學(xué)知識(shí)進(jìn)行的一個(gè)全面的回顧和復(fù)習(xí)，這其中也發(fā)現(xiàn)了自己的不足和欠缺之處，雖然今后像大學(xué)這樣系統(tǒng)的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)還會(huì)有很多，但是能夠通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己不足之處，能夠再一次全面系統(tǒng)的學(xué)習(xí)一次大學(xué)知識(shí)，將會(huì)對(duì)自己起到很大的幫助。通過(guò)這么長(zhǎng)時(shí)間的鍛煉和學(xué)習(xí)，使自己學(xué)到了很多在課堂上不曾學(xué)到的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)以后工作和學(xué)習(xí)都很有益。最后再對(duì)本文總結(jié)一下，在本此設(shè)計(jì)過(guò)程中：首先是確定設(shè)計(jì)方案，本文的設(shè)計(jì)方案是利用逃生人員自身重量自由落下，通過(guò)轉(zhuǎn)換機(jī)制產(chǎn)生阻礙逃生人員自由下落的阻力，使逃生人員能夠有一個(gè)減速的過(guò)程，降至安全速度后達(dá)到地面。然后是對(duì)該裝置的重要的零部件設(shè)計(jì)和校核。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況初取軸的半徑，通過(guò)彎扭矩合成條件對(duì)軸進(jìn)行校核；再根據(jù)齒根彎曲強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度對(duì)齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和校核。最后是通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證該裝置功能的可行性和實(shí)用范圍。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可知該逃生裝置的自減速功能可以實(shí)現(xiàn)，但是通用性不足，由此我設(shè)想把現(xiàn)代化的人工智能16應(yīng)用到該逃生裝置上，自身可以根據(jù)加速度來(lái)自動(dòng)調(diào)整仰角，使該逃生裝置能夠在各個(gè)高度通用。致 謝春去秋來(lái)，時(shí)光荏苒，幾載寒暑匆匆而過(guò)，如果將人生比作一本書，則大學(xué)就是這本書的前言，很慶幸能在這個(gè)學(xué)校留下歡樂(lè)的笑臉，勤奮的身影，以及思索的足跡。雖然畢業(yè)即將來(lái)臨，但我依然很留戀這個(gè)美麗的校園。古語(yǔ)曰“師者，傳道授業(yè)解惑也”，厚德以傳道，行正以授業(yè)，博識(shí)以解惑。雖然完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)花了很多時(shí)間與精力，但這不是我一個(gè)人的功勞，從課題的選擇到論文的完成，我的指導(dǎo)老師范奎老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。當(dāng)我即將完成畢業(yè)設(shè)計(jì)之時(shí)，涌上心頭的不是長(zhǎng)途跋涉后即將抵達(dá)終點(diǎn)時(shí)的欣喜，而是源自心底的誠(chéng)摯謝意。謝謝你，老師，你幸苦了?！耙恢Κ?dú)秀不是春，百花爭(zhēng)艷香滿園”，在四年求學(xué)生涯里，我結(jié)識(shí)了不少優(yōu)秀同學(xué)，由衷感謝所提供的無(wú)私幫助，給予的熱心指點(diǎn)，難釋那段“如切如磋，如琢如磨”的日子，謝謝同學(xué)的幫助。最后，再次對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)老師和全體代課老師，以及幫助我的同學(xué)們道一聲：謝謝！參考文獻(xiàn)1 邱樹青.巧力夾高樓逃生裝置P.中國(guó),200420088385,2004.2 趙大中,林宏源,徐杰,盧明.高樓個(gè)人逃生器P.中國(guó),922404941.1992.3 章綠林.