基本信息
- 項目名稱：
- 高樓往復逃生器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 我組設計制造的高樓往復逃生器采用2K-H減速機構，利用離心力的作用使摩擦塊甩出與摩擦盤摩擦，達到減速的目的。由于機構較大的減速比，受困人員可以安全的下降；同時，利用吸盤式直流電磁鐵吸引穿有繩子的橫軸，通過使橫軸移動一定距離卡住繩子來實現(xiàn)剎車，而控制電磁鐵通斷電是通過無線電遙控器來實現(xiàn)，同時設置了多個遙控器，可以實現(xiàn)多地的智能控制。本作品具有質量輕、體積小、方便安裝，功能全面等特點，市場前景廣闊。
- 詳細介紹：
- 一、作品產(chǎn)生 1.1作品產(chǎn)生背景現(xiàn)在日常生活中火災經(jīng)常會發(fā)生，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來越來越大的威脅。近幾年來，我國每年發(fā)生火災約4萬起，死2000多人，傷3000—4000人，每年火災造成的直接財產(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時有發(fā)生，給國家和人民群眾的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失。嚴峻的現(xiàn)實證明，火災是當今世界上多發(fā)性災害中發(fā)生頻率較高的一種災害，也是時空跨度最大的一種災害。如果你也家住高層，你有沒有想過發(fā)生火災時你怎么辦，是站在窗邊守望消防員的救助，還是從樓上一躍而下呢？火災給人們的生命財產(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運而生。我組設計制造的作品質量輕、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的國家標準。同時，利用無線電遙控裝置以及吸盤式電磁鐵來實現(xiàn)遠程剎車控制，從而避免了下降過程中突發(fā)情況帶來的危害。作為當代大學生，應該具備長江大學學生舍己救人的品質，也應該擁有心系社會的責任感，所以我想通過機械綜合設計這一機會，利用所學知識，設計一個方便實用的作品。隨著樓房等高層建筑如雨后春筍拔地而起，人們越來越多的住在高層，因此，危險情況下高樓逃生顯得就很有必要。 1.2現(xiàn)狀研究 經(jīng)過市場調研與文獻檢索發(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，或結構復雜、操作繁瑣，而體積較小的或價格昂貴，或功能不全，缺少必要的保險裝置，有的保險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，我組設計出了體積小便于操作且?guī)в斜ｋU機構的高樓逃生裝置，此裝置若能夠批量生產(chǎn)，成本將會很低，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用推廣的價值。 2007—2009年8月高樓火災逃生裝置產(chǎn)品不同類型平均價格走勢 圖1 高樓火災逃生裝置平均價格走勢圖高樓火災逃生裝置供需狀況及預測分析 圖2 高樓火災逃生裝置供需狀況圖二、機構選型 2.1緩降機構選型 2K-H型減速器是應用最為廣泛的減速裝置，它的體積和質量都較小，但傳動比卻很大，而且傳遞效率也比較高，在作品減速部分采用的就是該機構。下圖就是2K-H型減速機構的簡圖。 圖3 2K-H型減速機構的簡圖 2.2懸停機構選型懸停機構采用了簡單有效的可控卡死機構，主要由軸、軸套、吸盤、電磁鐵幾部分構成，通過電磁鐵的吸合，一步達到懸停、剎車功能，機構簡圖如下： 圖4 懸停部分簡圖三、參數(shù)分析 3.1減速機構關鍵參數(shù)計算與優(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，通過與行星架固結的繩輪帶動行星輪轉動，行星輪進而帶動太陽輪轉動，而太陽輪通過花鍵與轉盤相連，轉盤凹陷處有摩擦塊，利用離心力的作用使摩擦塊甩出與摩擦盤摩擦，從而達到減速的目的。由于機構較大的減速比，受困人員可以安全的下降。機構如下圖所示： 圖5 減速機構圖以繩輪為研究對象，其上受有主力矩 ,同時還有與M1反向的摩擦力矩 ,它通過齒輪傳動最終作用到繩輪上，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)過公式推導得： (3-1 推導過程見附錄一) 其中： m為人或重物的質量 ; 為摩擦塊質量 ；μ為摩擦塊 與摩擦面問的摩擦系數(shù) ； 為繞繩輪直徑; 為摩擦塊質心工作直徑; 為摩擦面直徑。 3.1.2輪系還應滿足的條件： 1）對于輪系還應該滿足傳動比條件： （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)。由于要同時滿足以上四個基本條件，而且為了盡量使機構的體積小，所以進行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，而且強度也較高，故行星輪采用購買的尼龍齒輪，而需要的內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減速機構其余部分參數(shù)：經(jīng)過查找資料和相關文獻，以及作品預先的設計要求，確定了繩輪的直徑DH為60mm，摩擦塊質心工作直徑 為90mm，摩擦面直徑D1為100mm。根據(jù)前面公式3-1可知對應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 實際下降速度(m/s) 0.97 0.83 0.74 0.63 0.57 結論： 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，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，實現(xiàn)懸停。電磁鐵、吸盤和穿繩軸被置于懸停軸套內，保證了懸停的可靠性。電磁鐵通斷電是通過無線遙控實現(xiàn)的，同時設置了多個遙控器，可以實現(xiàn)多地的智能控制。電磁鐵與電源間的開關電路具有自鎖功能，同時直流電磁鐵終吸力達到80公斤，有效的提高了空中懸停的安全系數(shù)。機構如下圖所示： 圖6 懸停機構圖 表格3電磁鐵的基本參數(shù)型號 Type HCNE1-P65 名稱 Name 直流電磁吸盤鐵產(chǎn)品尺寸 特點 用于機械裝置大功率裝載自動控制工作范圍 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，計算結果為50Kg，小于80Kg，預留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 1、工作電壓：DC12V 2、接收頻率：315MHz 3、接收靈敏度：- 95db 3.3各部分強度校核 3.3.1減速部分強度校核 1) 軸的強度校核材料:45#鋼 熱處理：調質 圖9 中心軸受力圖對B點取矩： 得： 同理，對A點取矩得： 圖10 中心軸彎矩圖中心軸 最大彎矩為 則需用彎曲應力校核如下 2) 太陽輪強度校核材料：2A12鋁材太陽輪齒根的彎曲疲勞強度校核如下 ，其中 =3.4, =1.5, ， =1.4, 3) 行星齒輪強度校核材料：尼龍1010 行星輪輪齒根的彎曲疲勞強度校核如下 ，其中K=1.98，F(xiàn)t=2 T1/d1= 太陽輪與摩擦盤花鍵部分擠壓強度校核如下 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M4螺栓 拉應力校核 剪切應力校核 3.3.3整體承載的安全校核 1) 軸一端M5的受剪螺栓 ， 2) 與螺栓連接的孔強度 ， 3) 掛鉤強度校核 4) 膨脹螺栓的強度校核 四、機構建模與加工制造 4.1軟件建模 圖11 軟件建模 4.2加工制造的實物 圖12 加工制造的實物五、作品主要創(chuàng)新 1. 獨特的離心調速系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同體重，自動調節(jié)下降速度； 2．具備遠程控制功能，實現(xiàn)多點、遠距離控制，人體可在空中任意位置懸停，避免額外危險的發(fā)生； 3．安全監(jiān)測系統(tǒng)保證設備可靠運行，提高了逃生速度及安全性； 4. 具備防卡死結構，實現(xiàn)安全制動，減輕繩子磨損，提高使用壽命； 5. 可實現(xiàn)多人往復逃生，使用效率高。六、作品使用方法說明以及試驗結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。當發(fā)生火災時，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，繩子帶動繩輪轉動，繩輪同時帶動行星輪轉動，行星輪帶動太陽輪轉動，由于太陽輪和轉盤是連為一體的，太陽輪轉動時，轉盤里的摩擦塊也隨著轉動，由于離心力的作用將摩擦塊從轉盤中甩出，摩擦塊與摩擦盤產(chǎn)生摩擦，從而達到緩降的功效。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吸引，使軸產(chǎn)生一定位移，從而將繩子卡死，實現(xiàn)懸停。 本作品前后經(jīng)過重物試驗與真人試驗，試驗結果良好，下降速度小于1.5m/s，達到了設計要求并且符合國家相關規(guī)定，安全可靠，剎車、懸停部分同樣達到了預期的試驗效果，能夠及時剎車而且操作方便。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的：日常生活中火災經(jīng)常會發(fā)生，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來越來越大的威脅，而隨著高樓拔地而起，高層火災問題日益突出，因此高樓逃生器應運而生?；舅悸罚涸O計一種質量輕、體積小、安裝方便，能在發(fā)生火災的情況下幫助人們安全快速逃生的裝置，并且具有在危機情況下能夠瞬間停止的功能。創(chuàng)新點：1.獨特的離心調速系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同體重，自動調節(jié)下降速度； 2.具備空中懸停功能，能實現(xiàn)人體任意位置懸停； 3. 具備遠程控制功能，實現(xiàn)多點、遠距離控制。技術關鍵：2K-H減速器各齒輪參數(shù)的確定；實現(xiàn)空中懸停的方式；關鍵部件材料的選擇。主要技術指標:最高限定質量內人體下降速度均低于1.5m/s,并均能瞬間懸停，懸停時間大于1小時。
科學性、先進性
- 經(jīng)過市場調研與文獻檢索發(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，或結構復雜、操作繁瑣，而體積較小的或價格昂貴，或功能不全，缺少必要的保險裝置，有的保險裝置不便于老年人和小孩使用，需要較大的力氣。綜合分析以上各種缺陷，我組設計出了體積小便于操作且?guī)в斜ｋU機構的高樓逃生裝置，逃生中可以實現(xiàn)人體的空中懸停，而空中懸停可以通過多點、遠距離遙控方式進行控制。這種遙控方式較傳統(tǒng)手剎方式，省力、方便、安全。技術分析說明：經(jīng)過推導人體理論下降速度 可以得到100kg時人體下降速度僅為0.97m/s,采用終吸力80kg的直流電磁鐵，保證人體空中懸停的可靠性。
獲獎情況及鑒定結果
- 2010年4月榮獲學?！俺奖睓C械設計大賽一等獎；2010年5月榮獲學?！皩嶒灨傎愒隆碧氐泉?；兩次比賽中學校專家對作品創(chuàng)新性與實用性方面予以了充分肯定。
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 專利技術轉讓
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明：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。當發(fā)生火災時，人可迅速將安全帶系于身上，然后憑借重力下降，如遇特殊情況，可由本人或其他擁有遙控器的人按下控制按鈕進行懸?？刂疲瑢崿F(xiàn)人體空中懸停。技術特點和優(yōu)勢：根據(jù)不同體重自動調節(jié)下降速度，下降過程中，可通過遙控器多點遠程控制來實現(xiàn)人體空中懸停。適應范圍：高層居民用戶，如社區(qū)家庭、酒店住戶等。市場前景和經(jīng)濟效益預測：本產(chǎn)品體積小便于操作且?guī)в斜ｋU機構，若批量生產(chǎn)，成本極低，而高層居民日益增多，居民安全意識日益增強，因此，本產(chǎn)品具有廣闊的市場前景，經(jīng)濟效益十分可觀 。
同類課題研究水平概述
- 經(jīng)過市場調研與文獻檢索發(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，或結構復雜、操作繁瑣，而體積較小的或價格昂貴，或功能不全，缺少必要的保險裝置，有的保險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，我組設計出了體積小便于操作且?guī)в斜ｋU機構的高樓逃生裝置，此裝置若能夠批量生產(chǎn)，成本將會很低，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用推廣的價值。 2007—2009年8月高樓火災逃生裝置產(chǎn)品不同類型平均價格走勢
