畢業(yè)設計論文-背負式高樓緩降器設計

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畢業(yè)設計（論文） 背負式高樓緩降器 摘 要 目前，隨著樓房高度的增加和日趨密集，樓房的安全隱患也越來越多。在發(fā)生火災等危急情形下，高樓上的人們的行之有效的逃生手段卻非常少。緩降器是其中一種非常有效的手段，在高樓逃生救援方面普遍采用一般的緩降器，需要使用者有一定的經驗才能安全使用，在效率與便捷性、簡易性、可靠性上并不理想，不適合各種各樣的人群使用。 為了解決使用便捷性與效率這一難題，我們設計了一種使用簡單并且安全可靠的高樓緩降裝置，無須復雜的操作和訓練即可使用，只需要將繩索伸出端固定好就可以自主進行緩降，安全快速的逃離火災現(xiàn)場。 關鍵詞：高樓緩降裝置 摩擦力 自動限速裝置 手動制動裝置 ⅰ Abstract Now, along with the increase of building highly concentrated, and increasing safety hazard of the building will be more and more. In a fire emergency circumstances, such as people on buildings of effective means to escape but very little. Huan Jiang Qi is one of a kind of very effective means, in a tall escapes the rescue aspects of widely used Huan Jiang Qi, general requiring users to have certain experience in the safe use efficiency and convenience, and simplicity, reliability not ideal, is not suitable for all kinds of people use. In order to solve using convenience and efficiency in this problem, we designed a kind of simple to use and safe and reliable high-rise slow drop device, beardless complex operation and training can use, only need will rope fixed at good can stretch for slow drop, independent fled the scene of the fire of safely and quickly. Keywords: tall slow drop device Friction Automatic speed bumps Manual braking equipment 目 錄 摘要 ii Abstract iii 目錄 1 1 緒論 2 1.1 設計思路來源 2 2 工作原理 3 2.1 兩大主體機構 3 2.1.1 自動限速裝置 3 2.1.2 手動制動裝置 3 3 方案設計校核 5 3.1 自動限速器的設計 5 3.2 軸的設計 6 3.3 軸承的設計 7 3.4 制動瓦塊銷釘的設計 8 3.5 剎車裝置中凸輪機構的設計 11 3.6 彈簧的設計 12 4 功能特點 13 5 作品外形照 14 6 裝配示意圖 15 結論 15 參考文獻 17 致謝 18 9 1 緒 論 1.1 設計思路來源 隨著我們祖國在經濟建設方面的長足進步，祖國的建設也已經開始了茁壯成長，隨著城市化進程的加快，高層建筑如雨后春筍迅速增多，高層建筑發(fā)生火災、地震等意外災難時的逃生問題受到了人們的日益重視。群死群傷的事實告訴我們，在火災或者地震發(fā)生的危急時刻。必須注重自救！當災難發(fā)生，正常的疏散通道不能使用時，本裝置可以幫助人們迅速、平穩(wěn)、安全的從高處降落至地面而逃生。在我們周圍高樓隨處可見。與此同時，曾經的 911、汶川大地震也已經讓我們認識到了對于高樓逃生裝置的迫切需求，趁此次機會，我們盡自己所能設計， 將我們的心血展示給大眾，以幫助專家設計出一份完美的高樓逃生裝置，對于這套可能關乎性命的設備，我們不斷的增加它的可靠性，靈活性和穩(wěn)定性，眾所周知居民樓、教學樓、學生宿舍等各種常用建筑的安全不可怠慢，一套合理的高樓逃生裝置價值絕不能會被低估，而在各棟大樓里能夠準備好數量合適逃生裝置可以拯救無數的人命，可以拯救珍貴的設備、數據，更加能夠讓在高樓大廈里工作的人們獲得一份安心。 2 工作原理 2.1 兩大主體機構 2.1.1 自動限速裝置 自動限速裝置在有負載時，卷筒開始轉動，使摩擦瓦片產生離心力；當到達一定速度后，摩擦瓦片就會與限速鼓摩擦產生阻尼力矩，使卷筒的角加速度逐漸減小至零，整套裝置勻速下降，從而實現(xiàn)了限速緩降的功能。 （1） 逃生人員下降逃生而帶動繩索運動，是滾筒圓周滾動，帶動與滾筒一體的限速裝置一起運動。 （2） 通過限速裝置的圓周運動，使得限速剎車片做快速的離心運動從而使它與箱體上的摩擦片產生摩擦，產生足夠的摩擦阻力，達到限制滾筒轉速的目的。 （3） 同時考慮到逃生人員下降逃生時的安全問題，通過控制剎車片的質量和限速裝置的結構，讓滾筒的轉速維持在一個安全可靠的范圍，即使逃生人員的下降速度范圍在安全范圍內（V<3m/s）. （4） 配合兩個滾輪的運動特性，設計兩個對稱布置的限速裝置，使其工作平穩(wěn)性增強，從而確保了逃生人員下降過程中安全限速效果。 2.1.2 手動制動裝置 手動制動時，通過拉轉動把手，帶動把手套筒旋轉，凸輪套筒與把手套筒的斜面相配合，兩個斜面相互轉動會產生凸輪的效果，產生相對位移。則把手套筒的轉動時會使凸輪套筒向左移動，同時帶動其上的繞繩圓盤左移，使兩個繞繩盤側面橡膠接觸，產生摩擦力，從而實現(xiàn)手動剎車的目的。 （1） 逃生人員在下降和過程中可能出現(xiàn)的各種可能性，需要制動的時機可能不 同，即在制動時逃生人員下降的速度不唯一，從而設計控制制動裝置的手動控制裝置為手動拉桿，可根據時機的下降情況手動調節(jié)制動的程度。 （2） 逃生人員在下降逃生時，如遇到突發(fā)的不穩(wěn)定因素，可通過對制動裝置的操作，及時進行調整并進行應對處理，使整個逃生過程不會出現(xiàn)意外情況，也確保了逃生人員逃生過程的安全性。 3 方案設計校核 3.1 自動限速器的設計 繩上的拉力G 與限速器提供的摩擦力 F 產生力矩，并在某一時刻達到平衡， 有 2 F R=G r 卷 ……① F……限速器提供的摩擦力R……摩擦擋板的半徑G……繩上的拉力 r……繩子繞在卷筒上形成的圓的半徑對摩擦片和擋板進行受力分析： Fr= F 向 ……② 心 向 m V2/r =F ……③ Fr f =F ……④ Fr……擋板對摩擦片的壓力 F 向……摩擦片由旋轉產生的向心力m……3 個摩擦片的總質量 r 心……摩擦片質心到回轉中心的距離V……摩擦片的線速度 f……摩擦片與擋板之間的動摩擦系數綜合①②③④，可得 心 卷 2 (m V2/r – m g) f R=G r ……⑤ 整理可得 V=√[G r 卷/(2 f R) +m g] r 心/m ……⑥ 實際計算 取G=800N，r 卷=35mm，r 心=60mm，m=2.5kg， f=0.7，R=78mm， 帶入式⑥，得 V=2.52m/s 取繩子直徑d=5mm，長L=30m。假設每層卷 10 圈繩子， 當繩子卷滿 8 層時，總繩長 l=2*3.14*10*(37.5+72.5)*8/2mm=27.632m 當繩子卷滿 9 層時，總繩長l=2*3.14*10*(37.5+77.5)*9/2mm=32.499m 故繩子要卷 9 層，此時繩子卷成的圓半徑為 77.5mm，此時V=3.74m/s 3.2 軸的設計 （1）選取軸的材料 軸無特殊要求，因而選用調質處 理 45 鋼，6b=640MP （2） 軸的直徑選取 初選軸的直徑 d1=30mm （3） 軸的轉速。扭矩T 2πRn=V 取Vmax=4m\s Rmin=33mm n=V\2πR=1176r/min T=2Fr=2*400*15=12000N*mm T1=T2=600N*mm （4） 軸的強度驗算 ①畫出彎矩圖 2 6e=M /W=22000/0.1*(33)3=6.12MP [6-1b] =60MP 因 6e<[6-1b] 故安全 3.3 軸承的選擇 深溝球滾動軸承 6206 d=30mm D=62mm 軸承的強度計算 ①確定Cr 查《機械設計手冊》6206 軸承的基本額定動載荷 Cr=19500N. 基本額定靜載 荷Co=7880N ②計算Fa/Co 并確定e 值Fa/Co=200/7880=0.025 由《機械設計》表 10-5 查得 Fa/Co 0.014 0.028 e 0.19 0.22 用線性插值法確定e 的值 ③計算當量動載荷P P=XFr+Yfa Fa/Fr=200/400=0.5>e 由 表 10-5 查 得 X=0.56 Y=2.08 P=0.56*400+2.08*200=640 ④計算軸承的壽命 Lh=106/60n(ftCr/fpP)=232205(h) 計算結果符合使用條件 即軸承的選取合格 3.4 制動瓦塊銷釘的設計 根據計算我們已知整塊制動瓦的面積為5334.1429毫米，厚15毫米，體積為80012.1435立方毫米，橡膠塊面積為1162.6443平方毫米，體積17439.6645立方毫米,重20.0556g，在取下橡膠塊之后的體積為62.572.479立方毫米，重量為491.193g,總重達m=511.2486g; G=5N; 取安全系數為2； 因為根據估算，從十樓下落時銷栓受力更大，我們不討論從七樓下降時的情況， 則有以下數據： M6銷栓面積A=πr2=3.14*0.0062/4=2.826*10—5； Vmax=3.96m\s F離max=m/v塊*r2=445.3997N 鑒于我們不知道何時最危險所以我們分四種情況討論： 情況1如下 則有： F總x=Fx—f=0 F總y=F離—G—F2+Fy=0 M(F)=F離*26.92—G*26.92—F2*26.92—f*54.64=0 f=uF2=0.5*F2 綜 上 可 得 : F2=243.13N f=121.57N Fy=—197.27N Fx=121.57N F=√Fx2+Fy2=231.72N 6=F/A=8.19*106 6e=2*6=16.38*106<[6] 安全 情況2如下 F總x=Fx+F2—F離=0 F總y=Fy—G+f=0 M(F)=F離*26.92+G*22.36—F2*26.92—f*54.64=0 f=uF2=0.5*F2 綜 上 有 ： F2=222.95N f=111.47N Fy=—106.48N Fx=—222.45N F=√Fx2+Fy2=246.62N 6=F/A=8.73*106 6e=2*6=17.45*106<[6] 安全 情況3如下 F總x=Fx+f=0 F總y=F離+G—F2—Fy=0 M(F)=F離*26.92+G*26.92—F2*26.92—f*54.64=0 f=uF2=0.5*F2 綜上可得: F2=223.54N f=111.77N Fy=226.86N 18 Fx=—111.77N F=√Fx2+Fy2=252.90N 6=F/A=8.95*106 6e=2*6=17.89*106<[6] 安全 情況4則如下： F總x=Fx+F2—F離=0 F總y=Fy+G+f=0 M(F)=F離*26.92—G*22.36—F2*26.92—f*54.64=0 f=uF2=0.5*F2 綜 上 有 ： F2=219.00N f=109.50N Fy=—114.50N Fx=—226.40N F=√Fx2+Fy2=253.71N 6=F/A=8.98*106 6e=2*6=17.95*106<[6] 安全 在以上四種情況中均安全，故銷釘強度適用 3.5 剎車裝置中凸輪機構的設計 凸輪套筒： 考慮到加工方便，設計一采取如下形狀 圖 1 只需要把符合結構要求的套筒管料斜向切割即可。展開后，如下 圖 2 要求A 端轉動 90，能使 B 端左移 12 ㎜即A 端轉動 180，B 端左移 24 ㎜ 對照圖二，有tanθ=24/(0.5*3.14*25) ≈0.6146 ∴θ≈31.4，取θ=32 參照其他部分要求，可取CE=93 ㎜，CD=12 ㎜展開后的移動示意圖 圖 3 3.6 彈簧的設計 d=3.5 ㎜ D1>20 ㎜ 取c=7 k=(4c-1)/(4c-4)+0.615/c=27/24+0.615/7=1.2128 d’≥1.6√(F2kc/[τ])=1.6*√(300*1.2128*7/588.5)=3.3285≈3.5 碳素彈簧鋼絲：σb=1177 [τ]= 0.5σb 故d=3.5 ㎜合適 D2=dc=24.5 D1=D2-d=21 D=D2+d=28 節(jié)距p: p=(0.28~0.5)D2=6.86~12.25 自 由 高 度 ： H0≈pn+(1.5~2)d=(6.86~12.25)*3+(1.5~2)*3=25.83~43.75 n=Gd/8FC3Smax=80000*3.5*1.2/8*300*734.0816 取 Smax=1.2 b=H0/D2=25.83~43.75/24.5=1.054~1.786 K =Gd4/8D 3n=80000*(3.5)4/8*(24.5)3*4=25.51 F 2 Fc=Cu*KF*H0=(0.8~11)*25.51*(25.83~43.75)+527.14~1116.06 4 功能特點 背包整體結構輕巧簡單，易于存放，使用時像書包一樣背在身上即可，可自動限速，安全可靠。 （1） 逃生人員體重及整個裝置的重量，將從提質量設定在 100kg 之內，適合大部分人群的使用標準。 （2） 根據人體力學特性，設計裝置的結構，使其固定在人體受力情況最為穩(wěn)定的背部，以背負的方式達到佩帶裝置的目的。 （3） 采用雙肩背負以及腰部固緊的雙重固定方式，確保逃生人員在下降逃生過 程中與裝置整體的相對靜止，使整個運動狀態(tài)保持在一個穩(wěn)定高效的狀態(tài)，從而達到安全逃生的目的。 （4） 本裝置可以不需要使用人員的操作，能夠自動工作，這樣就確保的使用者在逃生時安全，避免了使用者在逃生時慌張等情緒影響逃生效果。 （5） 本裝置可以根據使用者體重的不同自行改變下降速度，能適用各種各樣的人群。 （6） 加入手動剎車裝置，可以進一步確保人員安全。當需要緊急停止或繩子長度不足時，可以適用手動裝置進行安全轉移。 5 作品外形照 6 裝配示意圖 結 論 本裝置是一種能夠在短時間內進行工作，使用簡單，無需高操作要求的背負式高樓緩降裝置。逃生人員背負著本裝置下降逃生從而帶動繩索運動，繞繩圓盤也跟著轉動,使得離心限速塊做快速的離心運動從而使耐磨橡膠與限速轂產生摩擦，產生阻尼力矩；當到達一定速度后，阻尼力矩等于重力力矩，達到平衡狀態(tài)， 使繞繩圓盤的角加速度逐漸減小至零，整套裝置勻速下降，從而實現(xiàn)了自動限速緩降的功能。逃生人員在下降和過程中可能出現(xiàn)的各種可能性，需要制動的時機可能不同，即在制動時逃生人員下降的速度不唯一，從而設計控制制動裝置的手動控制裝置為手動拉桿，手動制動時，通過轉動手柄，帶動手柄套筒旋轉，凸輪套筒與手柄套筒的斜面相配合，當二者相對旋轉時，能像凸輪一樣把旋轉運動轉化為直線運動，產生軸向相對位移。手柄套筒的轉動會使凸輪套筒向左移動，同時帶動其上的繞繩圓盤左移，使兩個繞繩盤側面橡膠接觸，產生摩擦力，從而實現(xiàn)手動制動的目的，安全可靠。 參考文獻 [1]陳宏均主編 機械加工工藝設計員手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009 [2]李兆銓 周明研主編 機械制造技術[M].中國水利水電出版社，2000 [3]唐增寶 常建娥主編 機械制造及設備指導手冊[M].機械工業(yè)出版社，1997 [4]宋昭祥主編 機械制造基礎[M].機械工業(yè)出版社，1998 [5] 孟少農主編 機械加工工藝手冊[M].機械工業(yè)出版社，1991 [6] 徐圣群主編 簡明加工工藝手冊[M].上?？茖W技術出版社，1991 [7] 陳霖 甘露萍主編 新編機械工人切削手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008 [8]陳宏均 方向明 主編典型零件機械加工生產實例[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2005 [9]張華誠主編 粉末冶金實用工藝學[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004 [10]邱宣懷主編 機械設計[M].高等教育出版社，2003 [11]魏兵 熊禾根主編 機械原理[M].華中科技大學出版社，2006 [12]孫恒主編 機械原理[M].高等教育出版社，2006 [13] 濮良貴主編 機械設計[M].高等教育出版社，2006 [14] 趙家奇主編 機械制造工藝學課程設計指導書[M].機械工業(yè)出版社,2000 [15]李云主編 機械制造及設備指導手冊[M].機械工業(yè)出版社，1997 [16]孟少農主編 機械加工工藝手冊第 3 卷[M].北京:機械工業(yè)出版社.1992 [17]周誦明主編 機械類專業(yè)畢業(yè)設計指導書[M].武漢：華中理工大學出版社， 1993. 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