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我組設(shè)計(jì)制造的高樓往復(fù)逃生器采用2K-H減速機(jī)構(gòu)，利用離心力的作用使摩擦塊甩出與摩擦盤摩擦，達(dá)到減速的目的。由于機(jī)構(gòu)較大的減速比，受困人員可以安全的下降；同時(shí)，利用吸盤式直流電磁鐵吸引穿有繩子的橫軸，通過使橫軸移動(dòng)一定距離卡住繩子來實(shí)現(xiàn)剎車，而控制電磁鐵通斷電是通過無線電遙控器來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)設(shè)置了多個(gè)遙控器，可以實(shí)現(xiàn)多地的智能控制。本作品具有質(zhì)量輕、體積小、方便安裝，功能全面等特點(diǎn)，市場前景廣闊。

一、作品產(chǎn)生 1.1作品產(chǎn)生背景現(xiàn)在日常生活中火災(zāi)經(jīng)常會(huì)發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來越來越大的威脅。近幾年來，我國每年發(fā)生火災(zāi)約4萬起，死2000多人，傷3000—4000人，每年火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失10多億元，尤其是造成幾十人、幾百人死亡的特大惡性火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，給國家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)證明，火災(zāi)是當(dāng)今世界上多發(fā)性災(zāi)害中發(fā)生頻率較高的一種災(zāi)害，也是時(shí)空跨度最大的一種災(zāi)害。如果你也家住高層，你有沒有想過發(fā)生火災(zāi)時(shí)你怎么辦，是站在窗邊守望消防員的救助，還是從樓上一躍而下呢？火災(zāi)給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大隱患，而其中高樓住戶的情況就更為凸顯了，因此高樓逃生器便應(yīng)運(yùn)而生。我組設(shè)計(jì)制造的作品質(zhì)量輕、體積小、方便安裝，在人下降過程中有較大的減速比，最大速度不能超過1.5m/s的國家標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，利用無線電遙控裝置以及吸盤式電磁鐵來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程剎車控制，從而避免了下降過程中突發(fā)情況帶來的危害。作為當(dāng)代大學(xué)生，應(yīng)該具備長江大學(xué)學(xué)生舍己救人的品質(zhì)，也應(yīng)該擁有心系社會(huì)的責(zé)任感，所以我想通過機(jī)械綜合設(shè)計(jì)這一機(jī)會(huì)，利用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)方便實(shí)用的作品。隨著樓房等高層建筑如雨后春筍拔地而起，人們?cè)絹碓蕉嗟淖≡诟邔?，因此，危險(xiǎn)情況下高樓逃生顯得就很有必要。 1.2現(xiàn)狀研究 經(jīng)過市場調(diào)研與文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，市場上已有的高樓逃生裝置或體積龐大，不便于安裝使用，或結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣，而體積較小的或價(jià)格昂貴，或功能不全，缺少必要的保險(xiǎn)裝置，有的保險(xiǎn)裝置不便于老年人和小孩使用，需要較大的力氣。綜合以上各種缺陷，我組設(shè)計(jì)出了體積小便于操作且?guī)в斜ｋU(xiǎn)機(jī)構(gòu)的高樓逃生裝置，此裝置若能夠批量生產(chǎn)，成本將會(huì)很低，無論是一般的家庭或公司均可購買使用，有著很好的市場前景和應(yīng)用推廣的價(jià)值。 2007—2009年8月高樓火災(zāi)逃生裝置產(chǎn)品不同類型平均價(jià)格走勢(shì) 圖1 高樓火災(zāi)逃生裝置平均價(jià)格走勢(shì)圖高樓火災(zāi)逃生裝置供需狀況及預(yù)測分析 圖2 高樓火災(zāi)逃生裝置供需狀況圖二、機(jī)構(gòu)選型 2.1緩降機(jī)構(gòu)選型 2K-H型減速器是應(yīng)用最為廣泛的減速裝置，它的體積和質(zhì)量都較小，但傳動(dòng)比卻很大，而且傳遞效率也比較高，在作品減速部分采用的就是該機(jī)構(gòu)。下圖就是2K-H型減速機(jī)構(gòu)的簡圖。 圖3 2K-H型減速機(jī)構(gòu)的簡圖 2.2懸停機(jī)構(gòu)選型懸停機(jī)構(gòu)采用了簡單有效的可控卡死機(jī)構(gòu)，主要由軸、軸套、吸盤、電磁鐵幾部分構(gòu)成，通過電磁鐵的吸合，一步達(dá)到懸停、剎車功能，機(jī)構(gòu)簡圖如下： 圖4 懸停部分簡圖三、參數(shù)分析 3.1減速機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化 3.1.1減速裝置原理說明減速部分采用工程上常用的2k-H減速裝置，通過與行星架固結(jié)的繩輪帶動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行星輪進(jìn)而帶動(dòng)太陽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而太陽輪通過花鍵與轉(zhuǎn)盤相連，轉(zhuǎn)盤凹陷處有摩擦塊，利用離心力的作用使摩擦塊甩出與摩擦盤摩擦，從而達(dá)到減速的目的。由于機(jī)構(gòu)較大的減速比，受困人員可以安全的下降。機(jī)構(gòu)如下圖所示： 圖5 減速機(jī)構(gòu)圖以繩輪為研究對(duì)象，其上受有主力矩 ,同時(shí)還有與M1反向的摩擦力矩 ,它通過齒輪傳動(dòng)最終作用到繩輪上，其大小為 ,若要使人或重物勻速下降必須使繩輪上的合力矩為零，即： 經(jīng)過公式推導(dǎo)得： (3-1 推導(dǎo)過程見附錄一) 其中： m為人或重物的質(zhì)量 ; 為摩擦塊質(zhì)量 ；μ為摩擦塊 與摩擦面問的摩擦系數(shù) ； 為繞繩輪直徑; 為摩擦塊質(zhì)心工作直徑; 為摩擦面直徑。 3.1.2輪系還應(yīng)滿足的條件： 1）對(duì)于輪系還應(yīng)該滿足傳動(dòng)比條件： （3-2） 2）同心條件： （3-3） 3）裝配條件： （3-4） 4）鄰接條件： （3-5）其中 ， ，z3分別為太陽輪和行星輪的齒數(shù)。由于要同時(shí)滿足以上四個(gè)基本條件，而且為了盡量使機(jī)構(gòu)的體積小，所以進(jìn)行matlab優(yōu)化之后得到以下一些基本參數(shù)：表格1 2K-H輪系的基本參數(shù) 參數(shù)齒輪 齒數(shù) 模數(shù) 變位系數(shù) 尺厚 壓力角太陽輪 12 3 0 10 20o 行星輪 15 3 0 8 20o 內(nèi)齒輪 42 3 0 10 20o 由于行星輪齒數(shù)為15，在市場上有合適的尼龍齒輪出售，而且強(qiáng)度也較高，故行星輪采用購買的尼龍齒輪，而需要的內(nèi)齒輪和太陽齒輪由于使用的特殊性，市場上并無銷售，是自行加工的，分別是插齒和滾齒制造。 3.1.3減速機(jī)構(gòu)其余部分參數(shù)：經(jīng)過查找資料和相關(guān)文獻(xiàn)，以及作品預(yù)先的設(shè)計(jì)要求，確定了繩輪的直徑DH為60mm，摩擦塊質(zhì)心工作直徑 為90mm，摩擦面直徑D1為100mm。根據(jù)前面公式3-1可知對(duì)應(yīng)不同體重可以得到不同的下降速度，具體數(shù)值如下表所示：表格2 不同體重人的下降速度人體重量(kg) 100 80 60 50 40 實(shí)際下降速度(m/s) 0.97 0.83 0.74 0.63 0.57 結(jié)論： 不同體重下降速度小于1.5m/s,符合人體安全下降要求。 3.2空中懸停部分參數(shù)分析懸停部分原理說明 空中懸停部分利用吸盤式直流電磁鐵吸引直徑65mm的吸盤向一端移動(dòng)，而吸盤與穿繩軸焊接在一起，繩子從穿繩軸的徑向穿過，致使繩子被卡住，實(shí)現(xiàn)懸停。電磁鐵、吸盤和穿繩軸被置于懸停軸套內(nèi)，保證了懸停的可靠性。電磁鐵通斷電是通過無線遙控實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)設(shè)置了多個(gè)遙控器，可以實(shí)現(xiàn)多地的智能控制。電磁鐵與電源間的開關(guān)電路具有自鎖功能，同時(shí)直流電磁鐵終吸力達(dá)到80公斤，有效的提高了空中懸停的安全系數(shù)。機(jī)構(gòu)如下圖所示： 圖6 懸停機(jī)構(gòu)圖 表格3電磁鐵的基本參數(shù)型號(hào) Type HCNE1-P65 名稱 Name 直流電磁吸盤鐵產(chǎn)品尺寸 特點(diǎn) 用于機(jī)械裝置大功率裝載自動(dòng)控制工作范圍 吸合行程：2.5mm 初吸力：12Kg 終吸力：80Kg 參數(shù)分析穿繩軸及懸停軸套部分被做成30o楔角則水平方向分力為： ，而限定的最大重量為m=100kg，計(jì)算結(jié)果為50Kg，小于80Kg，預(yù)留60%的余量，保證懸停的穩(wěn)定性。電磁鐵通過無線電遙控控制，控制電路為12伏單路開關(guān)來控制電磁鐵的通斷電。控制電路板如下圖 圖7 無線電控制電路 圖8 12V遙控器上述遙控裝置的主要性能指標(biāo) 1、工作電壓：DC12V 2、接收頻率：315MHz 3、接收靈敏度：- 95db 3.3各部分強(qiáng)度校核 3.3.1減速部分強(qiáng)度校核 1) 軸的強(qiáng)度校核材料:45#鋼 熱處理：調(diào)質(zhì) 圖9 中心軸受力圖對(duì)B點(diǎn)取矩： 得： 同理，對(duì)A點(diǎn)取矩得： 圖10 中心軸彎矩圖中心軸 最大彎矩為 則需用彎曲應(yīng)力校核如下 2) 太陽輪強(qiáng)度校核材料：2A12鋁材太陽輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度校核如下 ，其中 =3.4, =1.5, ， =1.4, 3) 行星齒輪強(qiáng)度校核材料：尼龍1010 行星輪輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度校核如下 ，其中K=1.98，F(xiàn)t=2 T1/d1= 太陽輪與摩擦盤花鍵部分?jǐn)D壓強(qiáng)度校核如下 其中T=26950N.mm， =0.7～0.8取0.7，Z=6， 3.3.2懸停部分校核電磁鐵部分螺栓校核，采用4.8級(jí)M4螺栓 拉應(yīng)力校核 剪切應(yīng)力校核 3.3.3整體承載的安全校核 1) 軸一端M5的受剪螺栓 ， 2) 與螺栓連接的孔強(qiáng)度 ， 3) 掛鉤強(qiáng)度校核 4) 膨脹螺栓的強(qiáng)度校核 四、機(jī)構(gòu)建模與加工制造 4.1軟件建模 圖11 軟件建模 4.2加工制造的實(shí)物 圖12 加工制造的實(shí)物五、作品主要?jiǎng)?chuàng)新 1. 獨(dú)特的離心調(diào)速系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同體重，自動(dòng)調(diào)節(jié)下降速度； 2．具備遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離控制，人體可在空中任意位置懸停，避免額外危險(xiǎn)的發(fā)生； 3．安全監(jiān)測系統(tǒng)保證設(shè)備可靠運(yùn)行，提高了逃生速度及安全性； 4. 具備防卡死結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)，減輕繩子磨損，提高使用壽命； 5. 可實(shí)現(xiàn)多人往復(fù)逃生，使用效率高。六、作品使用方法說明以及試驗(yàn)結(jié)果在擁有此裝置后先將帶有掛鉤的支架用膨脹螺絲固定于便于逃生的地方（如陽臺(tái)或窗外），然后將緩降器掛接于鉤子之上并將遙控器固定在安全帶附近。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人可迅速將安全帶系于身上，然后憑借重力下降，下降的同時(shí)，繩子帶動(dòng)繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)，繩輪同時(shí)帶動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行星輪帶動(dòng)太陽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于太陽輪和轉(zhuǎn)盤是連為一體的，太陽輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤里的摩擦塊也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，由于離心力的作用將摩擦塊從轉(zhuǎn)盤中甩出，摩擦塊與摩擦盤產(chǎn)生摩擦，從而達(dá)到緩降的功效。在下降過程中如果發(fā)現(xiàn)下面出現(xiàn)突發(fā)情況不宜下降或換緩降部分出現(xiàn)故障，下降速度過快，可通過遙控器控制，進(jìn)行剎車、懸停，空中剎車部分通過繩子穿過穿繩軸，而穿繩軸軸的一端為圓形鐵盤，通過電磁鐵的吸力將穿繩軸向一側(cè)吸引，使軸產(chǎn)生一定位移，從而將繩子卡死，實(shí)現(xiàn)懸停。 本作品前后經(jīng)過重物試驗(yàn)與真人試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果良好，下降速度小于1.5m/s，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求并且符合國家相關(guān)規(guī)定，安全可靠，剎車、懸停部分同樣達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)效果，能夠及時(shí)剎車而且操作方便。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎(jiǎng)
2010年4月榮獲學(xué)?！俺奖睓C(jī)械設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)；2010年5月榮獲學(xué)校“實(shí)驗(yàn)競賽月”特等獎(jiǎng)；兩次比賽中學(xué)校專家對(duì)作品創(chuàng)新性與實(shí)用性方面予以了充分肯定。