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1、编号鄂创新-10-2010年湖北省高校大学生机械创新设计大赛暨第四届全国大学生机械创新设计大赛湖北分区预赛 高楼应急逃生缓降器设计说明书参赛学生： 孟庆健 赖福刚 梅嵋 夏雄 郑洲 指导教师： 王树才 程友联 华中农业大学二0一0年四月2010年湖北省高校大学生机械创新设计大赛暨第四届 全国大学生机械创新设计大赛湖北分区预赛作品报名表参赛作品名称高楼应急逃生缓降器作品类别救援、破障类、逃生、避难类是否属慧鱼组：是/否所在学校华中农业大学邮政编码参赛学校领队老师王树才通讯地址华中农业大学工程技术学院领队电话手机E参赛学生序号姓名性别专业班级联系方式（联系电话、通讯地址及邮编、邮箱，留一个同学的即
2、可）1孟庆健男机制0702电话：通讯地址：华中农业大学机制0702邮编：邮箱：2赖福刚男机制07023梅嵋女机制07024夏雄男机制07025郑洲男机制0702指导教师序号姓名性别职称联系方式（联系电话、通讯地址及邮编、邮箱，留一位老师的即可）1王树才男副教授联系电话：通讯地址：华中农业大学工学院邮编：邮箱：2程友联男教授作品内容简介（限200字以内）该装置主要由自动限速和手动限速两部分组成，其特征在于，有一个由增速器和摩擦离合器组成的自动限速器，通过增速器轴、联轴器将增速器和绕线轴连接起来，吊绳绕在绕线轴上，置于外壳内，挂钩与绳相连；手动限速把手作用于摩擦离合器轴上；安全带系于外壳上，外壳通
3、过螺栓与增速器相连；绕线把手可拆装。 该装置具有以下创新点及优势： 1、同时具有自动限速和手动限速的功能。 2、摩擦离合器的弹簧可以调节，可以获得不同的临界速度和平衡速度。 3、增速器使摩擦离合器轴转速很高，扭矩较小，很小的力即可起到制动作用，也可完全制动。 4、整机采用纯机械结构控制，在高温等恶劣环境下都能正常工作，成本低，工作可靠。目录一、 研究背景 3二、 设计目的 4三、 工作原理 4 四、 机构设计 5五、 基本参数确定 6六、 设计计算 61、离合器弹簧的设计与增速器传动比的确定 6 2、钢丝绳的设计与校核 8 3、绕线轴的设计与校核 8 4、离合器轴的设计与校核 95、增速器的设
4、计与校核 96、轴承的设计与校核 117、螺栓的设计与校核 128、联轴器处花键的强度校核 12七、 创新点及优势 13参考文献 14附图（部分零件图） 14高楼应急逃生缓降装置的设计与试验一：研究背景随着城市化进程的加快，高层建筑迅速增多，然而，当发生火灾、地震、恐怖袭击、煤气泄漏等突发事件时，正常的疏散通道不能使用，导致人员不能及时逃离高层建筑，易出现群死群伤的重大事故，因此我们必须设计一种用于高楼应急逃生的装置。市场上已经存在多种用于高楼逃生的缓降装置，其主要原理包括以下几种：空降器：主要应用能量守恒及空气动力学原理，将救生者的下落时减小的势能转化为空降器旋转的动能，进而带动旋翼旋转，旋
5、转的旋翼将提供一定的升力，以此来减缓救生者下降速率。该缓降器的主要优点是能够大批量运载遇险人员，但成本较高，不利于推广。（图1） 图1空降器 图2 索降救生器 夹式高楼逃生装置：该装置主要通过杠杆、连杆双增力机构耒产生制控力来控制匚形槽中的动、定摩擦块夹住绳索并让其匀速下滑。其主要优点是能够自动控制下降速度，但使用者不能自行控制速度大小，容易引起恐慌，且着地时速度不能及时减为零。（图3）索降救生器：其原理为绳索纵穿一种缓速下降装置,并用护壳加以固定,利用摩擦原理起到落体减速作用。该装置的最大优点是能够上下往返重复使用，但没有足够的安全保障措施，安全系数不高。（图2） 图3 夹式高楼逃生装置 图
6、4 斜绳滑降装置 斜绳滑降：用长绳子一头拴在有险情的楼上，绳子的另一头拴在下方一个受力点上或用汽车拉着形成一个斜坡度逃生;气垫包垫地逃生：用气垫包垫地，遇险人员跳楼逃生。它们的主要优点是下降速度快，可多人利用，但危险性大，且不适合老人、儿童等弱势群体。（图4）以上装置均未得到普及，究其原因，主要存在以下几方面的问题：安全性问题：大多数装置没有保护装置，尤其是在接近地面时，没有缓冲装置，且可靠度不足，如斜绳滑降；实用性问题：大多数装置存在速度不易控制的问题，需要遇险人员完全手动控制，且需要他人辅助，如索降救生器。如果逃生者未使用过，又从高处下降，不易把握下降的速度；适用性问题：像气垫包垫地这类装
7、置，并未考虑其在弱势群体中的使用，如小孩、老人、残疾人或病人等。二：设计目的为了克服现有装置的不足，我们设计一种高楼应急逃生缓降器。该装置重量轻，结构简单，使用方便，无需动力机构和他人协助，且成本低，以利于推广；分为自动限速和手动限速两部分，兼具自动控制和手动控制双重功效，能够确保遇险人员降落时的平稳性和落地时的安全性，同时能起到应急作用；适用面广，考虑其在弱势群体中的应用，且救生效率高。三：工作原理从设计目的出发，我们设计的高楼应急逃生器主要由自动限速和手动限速两部分组成。其工作原理示意图如下：增速器轴绕线轴联轴器绕绳把手增速器离合器挂钩手动限速把手图5 工作原理示意图摩擦离合器轴该装置包括
8、挂钩、绳索、外壳、绕线把手，绕线轴、联轴器、增速器轴、增速器、摩擦离合器轴、摩擦离合器、手动限速把手、安全带，其特征在于，有一个由增速器和摩擦离合器组成的自动限速器，通过增速器轴、联轴器将增速器和绕线轴连接起来，吊绳绕在绕线轴上，置于外壳内，挂钩与绳相连；手动限速把手作用于摩擦离合器轴上；安全带系于外壳上，外壳通过螺栓与增速器相连；绕线把手可拆装，在绳子被拉出后，通过绕线轴可以将绳子重新绕上。其自动限速工作原理为：遇险人员在下降过程中，拉动绕线轴旋转，通过联轴器将转速传递到增速器轴上，在增速器的增速作用下，摩擦离合器轴的转速成比例增大。当遇险人员的下降速度达到某一临界值时，摩擦离合器的摩擦片在
9、离心力的作用下压迫外圈，与外圈摩擦，起到自动减速作用；当遇险人员的下降速度达到某一平衡值时，重力与摩擦力相平衡，人的下降速度不再继续增大。摩擦离合器弹簧的软硬可以自行调节，因此可以获得不同的临界速度和平衡速度。其手动限速工作原理为：由于增速器的增速作用，摩擦离合器轴的转速很高，因此扭矩较小，较小的力就可起到制动作用。手动限速把手直接作用在摩擦离合器轴上，当接近地面或遇到突发事件时，按下手动限速把手，把手端部的内表面与摩擦离合器轴的端部的外表面相摩擦，起到减速效果，也可完全制动，缓慢拉开时，人员缓慢下降；同时该装置能起到应急作用，在紧急情况下，可完全制动，使人悬空。图6 高楼应急逃生缓降器四：机
10、构设计该高楼应急逃生缓降器总体上可以分为三个模块：自动限速模块、手动限速模块和绕绳模块。自动限速模块主要由增速器和摩擦离合器构成。 其中增速器是根据摆线针轮减速器的原理逆向设计的，分为三个部分：输入部分、增速部分、输出部分。当绕线轴转过一周时，增速器轴同样转过一周，该转速借助销轴传递给摆线轮，摆线轮转过一个齿增而得到增速，偏心套在摆线轮的作用下，以同样的转速逆向旋转，进而带动摩擦离合器轴高速旋转（见附图8）。摩擦离合器采用圆周式设计，摩擦片与骨架采用销式连接，外用弹簧固定，且可以调节弹簧的软硬，骨架内孔为锥形（见附图6)。增速器的输出轴为摩擦离合器轴，与摩擦离合器相固定。 图7 自动限速模块各
11、组成部分三维图手动限速模块主要为限速把手。限速把手与高速轴的端面均为锥形，表面布置摩擦花纹，把手与端盖之间用压簧和螺栓连接（见附图6）。绕绳模块主要为绕绳把手，其样式类似拖拉机摇把，端部开方孔，与绕绳轴的端部相配合，当绳子被拉出后，可以将绳子重新缠绕在轴上。五：基本参数的确定通过查找资料，我们把缓降器平稳时的下降速度定为。最大承重为，可供10层高楼使用，即钢丝绳长度取为。另外，我们把摩擦块刚好与外壳接触时的临界转速定为，预计最后成品总重为。其列表如下：表1 基本参数表参数平稳时的下降速度临界转速钢丝绳长度最大承重成品总重符号数值六：设计计算1.离合器弹簧的设计与增速器传动比的确定设离合器的临界
12、转速，已知每个摩擦块的质量，临界时摩擦块的质心半径，弹簧预紧时的直径，那么弹簧预紧时的初始长度为我们取弹簧原长。那么可得如下等式：代入以上数据得： 。由胡克定理得其中，则为达到预期效果，我们在这选取弹簧丝直径，中径，弹性系数的弹簧。当系统达到平衡时，有又已知，代入上式可得：从绕线部分到摩擦离合器的总效率为式中，、轴承、联轴器、增速器的传动效率。取=0.98，=0.99，=0.9，则。可由功率传递得出：式中，为达到平稳时钢丝绳下降速度，取为，为摩擦离合器外壳的内径，为77.66，摩擦块与外壳的摩擦系数=0.22。代入数据，联立上式化简得：解得：此时绕线部分的转速范围：。那么，传动比的范围：，在这里我们取传动比为23的增速器。2、钢丝绳的设计与校核选材：优质碳素结构钢60Mn，其抗拉强度，屈服强度。由公式,其中，可得设计公式。考虑到钢丝绳受轻微冲击，取安全系数，那么,取为屈服强度，则：为了保证安全，我们取钢丝绳直径。3、绕线轴的设计与校核轴的结构设计如图所示：图8 绕线轴的示意图轴的绕线部分长度，直径钢丝绳的总长度，建立数学模型如下：设第一层的直径为，第层的直径为，那么其中。代入数据化简得：，解得：。那么，最大半径，考虑到绳不
