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机械创新设计大赛文档
第一章概述............................................................................................2
1.1设计背景...................................................................................................2
1.2本设计的独特优势...................................................................................3
第二章产品说明书..................................................................................................4
2.1产品简介.....................................................................................................4
2.1.1产品结构.................................................................................................................4
2.1.2产品使用方法..........................................................................................................4
2.2创新设计及原理.........................................................................................6
2.2.1加速部分设计............................................................................................................6
2.2.2阻尼部分剖析............................................................................................................6
2.2.3独特设计1：
多人循环部分设计.............................................................................8
2.2.4独特设计2：
速度控制器的设计...............................................................................9
2.2.5独特设计3：
减速环节设计....................................................................................11
第三章参数计算.....................................................................................................13
3.1外壳尺寸及绳长计算....................................................................................13
3.2齿轮及其转速的计算.........................................................................................13
3.3圆盘力矩及曲线力矩的计算............................................................................14
3.4小孔面积的确定................................................................................................14
3.5速度调节器开关阀门的阻力及弹簧弹力的确定............................................15
3.6减速部分摩擦力的计算....................................................................................17
第四章产品的成本计算及其推广.....................................................................19
4.1成本计算............................................................................................................19
4.2产品的推广.........................................................................................................19
结束语.......................................................................................................................20
参考文献...................................................................................................................21
第一章概述
1.1、设计背景
城市火灾是一种发生频率高、涉及面广、破坏性大、反响强烈的突发性灾害。
随着建筑高度的增加和日趋密集，建筑的安全隐患也越来越多，即使在发达国家的高楼遇有火灾、爆炸等事件时，由于时间、空间等诸多因素的限制，人员自救逃生也是一个极待解决的重要问题。
高楼突然失火,电梯不能用,楼梯阻塞,飞不上去也跳不下来,怎样才能迅速逃生?
这样的情况每年都有发生,也有很多人因无法逃生而遇难,而高楼失火逃生装置在这样的环境下应运而生。
在人们将越来越多的精力和时间都投入到对安全问题保障研究的同时,却忽略了最基础的一种手段,在人们越来越多的用到各种高科技和现代手法进行安全保障的同时,却忽略意外事件的发生,是不可以借助外力和各种现代手段的,要靠最基础和最简单的方式,也就是机械的方式才是最安全和稳定的。
目前国内外高楼逃生器主要有以下几种形式：
（1）包角加手控式：
该类逃生器增加钢丝绳与轮之间的包角，使得钢丝绳与钢丝轮之间的摩擦力增加。
另外，再利用手控装置，进一步调节下降速度的快慢。
（2）间歇冲击式：
间歇冲击式逃生器是通过间歇撞击能来消耗能量，如利用钟表中的擒纵叉和擒纵轮原理来消耗能量。
（3）液体流动阻尼式：
液体流动阻尼式是利用液体流动阻尼把人体势能转化成液体热能，以达降低速度的目的。
其主要特点是由于液体阻尼的大小取决于外负载，所以不论人体质量的大小均能以比较恒定的速度下降。
通过对上述几种逃生器的认识，我们认为逃生器应该具有结构紧凑，工艺简单，安全可靠、使用方便、平稳快速、成本低廉等特点。
基于此，本文设计出全自动高楼逃生器，这样不仅满足了高楼逃生器的基本特点，而且创新利用了齿轮传动比的调速功能。
此设计由于小巧便捷，成本低，特别适宜家庭备用于紧急脱险。
1.2本设计的独特优势分析
总结以往逃生器的不足，经过多方面的改进与完善，我们的设计形成了自己独特的优势。
（1）自动调速
该装置在逃生者下降的过程中自动调速，无需手动操作，不需要专业知识。
解决了以往逃生器儿童、妇女以及老人无法使用的难题。
（2）自动实现4m/s的匀速下滑
该装置的液体阻尼系统，使速度变化趋于和缓，有缓冲作用，而且，液缸的独特设计，孔径的精确计算，再加速度控制器的双保险，使任何人使用都会保持4m/s匀速下滑。
（3）落地前自动减速
该装置装有减速装置，减速装置可以实现在落地前8m自动减速，将速度从4m/s减到1.5m/s甚至更小，这样对于儿童、妇女以及老人来说更加安全。
（4）满足多人使用
该装置特有的双线轴结构，能满足多人循环使用。
（5）收尾存放方便
该装置有一摇柄，使用结束后，通过摇柄轻松使绕回线轴，该装置体积小，重量轻，存放十分方便。
第二章产品说明书
2.1产品简介
2.1.1、产品结构
产品结构图如下：
图2-1全自动高楼逃生器总结构图
此逃生装置呈圆柱体，长25cm，直径为20cm，总质量为8kg。
主要由加速环节、液体阻尼环节、速度调节环节、多人循环环节以及减速部分五大部分组成。
液体阻尼器使逃生速度更加平稳，独特的速度调节器能使逃生速度精确的保持在4m/s，精心构思的多人循环部分使小小的逃生器能够挽救多人的生命，精巧的减速器结构简单，却能起到落地前减速的效果。
总之，此逃生装置体积小，重量轻，结构经凑，工艺简单...紧急脱险。
此装置采用直径0.5~0.6cm的解释绳子或用钢丝绳线轴绕成可长达55m，能满足最高15层的高楼逃生使用。
2.1.2产品使用方法：
（1）将装置固定在所在楼层，开始时，两根绳子分别缠绕在线轴1，线轴2上。
（2）通过摇柄，放开线轴1的绳子，然后再按下按键的按钮，使线轴1和线轴2连接。
（3）逃生者1号将身上的绳索挂于线轴2上的绳索的挂钩上，跳楼逃生。
随着线轴2的转动，线轴1同时的以同一方向转动，将线轴1的绳子自动收起。
待逃生者1号降到地面，线轴1收起的长度恰好为所在楼层高度，为第二个人逃生创造了条件。
（4）待逃生者1号解除绳索挂钩，逃生者2号可以从线轴1的挂钩逃生（挂钩的位置由逃生者2号设置），当线轴1下放的同时，线轴2自动收起，待逃生者2号降到地面，线轴2收起的长度恰好为所在楼层高度，为第3个人逃生创造了条件，于是逃生者3号可以使用线轴2的挂钩逃生，如此循环，可满足多人逃生。
该装置的另一特点是实用性强，便于操作和存放。
逃生完毕后，收尾工作简单方便，若最后状态为线轴2收起，线轴1下放，则先断开按键，再摇动手柄使线轴1将绳子收起即可。
若最后状态为线轴1收起，线轴2下放，则先断开连接3，使线轴1下放。
然后，再按下按键，摇动手柄使两线轴同时收起，收起完毕后，再放回备用箱即可。
该装置的还有一个特点，既可以将其固定在楼上使用，也可以将挂钩挂在楼层上，让逃生者随该装置降到地面。
考虑到很多火灾发生在夜间，为了充分利用装置内部空间和能源，使逃生者在下降过程中和落地时有足够的照明，该装置还安装一小型发电机。
该逃生器适用范围广泛，速度自动调节，无需手动操作，简单实用，性能稳定，安全可靠，适合大规模推广。
2.2创新设计及原理
本设计由加速环节、液体阻尼环节、速度调节环节、多人循环环节以及减速部分五大部分组成，结构简单，原理明确。
介绍中涉及到的诸多数据，其来源请参照第四章参数计算部分。
以下说明详细设计原理。
2.2.1加速部分设计
加速部分的作用一是减小液缸的负载，二是使稳速下滑的效果更加良好，设计如下图
（2）：
图2-2加速环节结构图
加速部分有两级加速，每次加速倍数为2.5倍，共加速6.25倍。
齿轮1通过固定轴与线轴2相连，线轴2的转动带动齿轮1转动，齿轮1到齿轮2为第一级加速，齿轮2和齿轮3同轴且固定在一起，齿轮3带动齿轮4为第二级加速，通过轴传到齿轮5，于是齿轮5圆盘上的曲轴做圆周运动。
曲轴通过连杆与活塞相连，圆周运动于是变为直线运动。
2.2.2阻尼部分剖析
本设计采用流体阻尼式原理。
弹性式用弹簧做阻力，阻力与下降位移有关，越往下阻力越大，还有可能在落地前反弹，而且无法做到下降时匀速。
摩擦式因为长时间的磨合，摩擦系数有所改变，性能也不稳定，而液体流动阻尼式是利用液体流动阻尼把人体势能转化成液体热能，以达降低速度的目的。
其主要特点是由于液体阻尼的大小取决于外负载，所以不论人体质量的大小均能以比较恒定的速度（本设计下降速度为4m/s）下降，详细设计如下：
图2-3流体阻尼液缸
液缸内径为3cm，外径为3.5cm，液缸高4.5cm，活塞活动范围为4cm，连杆长4.5cm。
活塞面积为7.065cm²，孔的总面积为5.37cm²。
此种液缸类似于普通的活塞缸，不同的是缸的两端均密封，内有阻尼液体，而且，活塞由带有许多阻尼孔的多层薄隔板构成，当液体流经多层隔板的阻尼小孔时，产生的阻力平衡了人体重力，使人能匀速下滑。
根据流体力学可知，采用多层有孔薄隔板比采用单层薄隔板更有利于达到匀速的目的。
而且，孔越大，活塞移动速度越快，产生的阻力也就越大。
经计算当孔的面积为5.37cm²时，对于70kg的人刚好以4m/s的速度匀速下滑。
活塞的一端与曲柄摇杆相连。
这样，曲柄的旋转运动转变成活塞的直线运动，能量借助流体转化为热能和流体的动能。
此设计有两个液缸，其位置成90˚角，如图：
图2-4阻尼环节
这样设计，既减小单个液缸承受的负载，也使液缸可以做的很小，同时也解决了曲柄在旋转到极限位置时的速度波动。
而加速部分的多级传递使轻微的速度波动大大化解，匀速效果更加完善。
2.2.3独特设计1：
多人循环部分设计
多人循环部分结构如图2-5所示：
图2-5多人循环环节
按键由齿轮7、支架和弹簧组成，按键类似于启动按钮。
齿轮7起连接齿轮的作用。
按一下，按键开启，齿轮7分别与齿轮8和齿轮9啮合，线轴1和线轴2的旋转联通。
再按一下，由于弹簧的作用，按键弹起，齿轮7分别与齿轮8和齿轮9分离，齿轮8和齿轮9断开连接，线轴1和线轴2的旋转互不干扰。
转轴部分由两个同心线轴组成，分别为线轴1和线轴2，线轴1和齿轮8通过轴固定在一起，线轴2和齿轮9通过轴固定在一起，齿轮8和齿轮9中间有齿轮7连接，齿轮7由按键控制。
两线轴既可以同时转也可以不同时转。
若按键按下，线轴1和线轴2同时旋转。
若按键弹起，线轴1和线轴2的转动互不干扰。
装置一端还有个摇柄，便于收放绳子。
此部分的设计，既可做到多人循环使用，也使此救生装置更加实际化。
使用方便，同时也便于存放。
绳子可通过摇柄收起或放开。
使用方法请参照产品简介部分。
2.2.4独特设计2：
速度控制器的设计
速度调节器是此装置的关键环节，这部分结构简单，亦相当实用，能自动将速度控制在4m/s。
主要由带槽圆盘、离心块、弹簧以及摩擦导槽构成，其结构如下图所示：
图2-6速度控制器侧面图
图2-7速度控制器正面图
圆盘半径为8cm。
连杆长1cm，摆动范围为1.5cm。
弹簧1劲度系数为351.1N/s。
弹簧2的拉力为703.9N。
开关阀阻力为248.84N。
质量体质量为20g。
速度为4m/s时，F（r=6.5cm）=225.7N，F（r=8cm）=277.80N
速度为4.2m/s时，F（r=6.5cm）=248.87N，F（r=8cm）=306.30N
带槽圆盘上有三个导槽，每个槽内有一个质量块，质量块只能在槽内沿半径方向来回运动，质量块的一端用弹簧连接在圆盘中心轴上，并用一连杆接在圆盘的a点，连杆的另一端连接在b点，质量块可带动连杆左右摆动。
质量块与摩擦槽的接触端装有梯形橡胶块，其形状与摩擦槽吻合，连杆机构相当于开关阀门，摩擦槽设计成梯形槽如图所示，以增大摩擦力。
速度控制器根据离心原理，圆盘静止时，弹簧1拉力为0，弹簧2为拉伸状态，使开关阀门有248.84N的阻力，所以质量块不向外运动。
当圆盘旋转时，质量块有向外飞离的趋势，随圆盘转速的增加，离心力也增加，当圆盘转速达到4182r/min时，即下降速度为4.2m/s时。
质量块离心力刚好大于开关阀阻力，开关阀连杆向外摆动后对质量块的压力由内变为向外，进一步增大了摩擦，使圆盘迅速减速，此时弹簧1处于拉伸状态。
当下降速度减到4m/s，质量块的离心力与连杆的合力小于弹簧1的拉力，弹簧1收缩，质量块被拉回内侧，质量块回到原状态。
若圆盘速度再次增大，连杆便再次打开，质量块再次使之减速，如此反复，圆盘的速度便被控制在4m/s到4.2m/s的范围内，达到稳速的目的。
2.2.5独特设计3：
减速环节设计
为了使落地更加安全，扩大使用的范围（如妇女和儿童），本设计特意添加了落地前的减速环节。
减速器可以在8m内将速度由4m/s减到落地时的1.5m/s。
而且减速器装置也不复杂，经济又实用。
减速装置如图所示：
图2-8减速器结构图
弹簧拉力均为369.2N。
减速装置主要由弯杆和弹簧组成。
弯杆折成60°弯杆的折点固定在外壳的点
点，弯杆的a端装有橡胶垫（增大摩擦系数作用）。
弯杆转动幅度为60°。
弹簧3的一端与弯杆a'点相接，另一端固定在外壳O1点，2个弯杆和弹簧成左右对称分布。
在绳子2出口处同样有一相同装置，弯杆配合绳子上的结工作。
减速装置工作原理如下：
设计需求在落地8m前减速，于是在绳子1距挂钩8m处串一菱形结，菱形结的顶角成90°，菱形结宽0.8cm。
当逃生者从绳子2逃生，距地面5m时，绳子1中的结恰好过连杆1和连杆2的a'和b'端。
由于弹簧3和弹簧4的作用，开始时，两杆的a、b端打开，由于a'和b'两点的缝隙小于0.8cm，于是a'和b'端随着绳结的开而摆向上方到达a''点和b''点，弯杆的旋转和弹簧的拉力作用使a、b两端闭合，绳子与a、b端橡胶垫便产生摩擦，由于结点的形状和杆a''和b''角度的关系，结点可以很容易穿过a'点和b'点。
由于a、b两部分的角度关系，a、b两点产生了更大的挤压力，进一步增大了摩擦，于是绳子1开始减速，绳子2下降减速，到达地面时速度为1.5m/s左右。
当第二个人再从绳子1下降时，前8m内a、b在闭合状态，有适度的摩擦，使速度的增加平缓稳定，8m以后结点又使a、b端打开，进入4m/s的稳速下滑状态，在到达地面时，由于绳子2处的减速装置，最后以1.5m/s落地。
第三章参数计算
3.1外壳尺寸及绳长的计算
1、外壳长25cm，直径20cm装置总重量8kg，线轴1和线轴2最大直径18cm高H=6cm，绳直径取0.6cm。
绳长计算
3.2齿轮及其转速的计算
1、齿轮相关参数
直径（cm）
厚度（cm）
齿数
模数
齿顶圆直径
齿根圆直径
齿轮1
5
0.6
25
2
54
45
齿轮2
2
0.6
10
2
24
15
齿轮3
5
0.6
25
2
54
45
齿轮4
2
0.6
10
2
24
15
齿轮5
5
0.6
25
2
54
45
齿轮6
2
0.6
10
2
24
15
齿轮7
2
1.5
10
2
24
15
齿轮8
2
0.6
10
2
24
15
齿轮9
2
0.6
10
2
24
15
调速圆盘
8
1
2、齿轮转速及齿轮转速计算
随绳子的下降线轴变细，于是取平均值，即线轴半径R在6cm左右计算。
若绳子以4m/s速度下降，则齿轮1转速：
所以经过6.25倍加速，于是齿轮5转速：
3.3圆盘力矩及曲线力矩的计算
若人的体重70kg，即G=686N，则圆盘力矩：
圆盘最边缘力为F1=137.2N
曲轴上力矩：
曲轴作用力:
3.4小孔面积的确定
由于两个液缸成90°，因此每个液缸连杆受力
液缸参数
外径（cm）
内径（cm）
高度（cm）
杆长（cm）
活动范围（cm）
活塞面积
（cm²）
孔总面积
（cm²）
3.5
3.0
4.5
4.5
4
7.065
5.37
液缸内液压油的密度
绳子4m/s运动时，活塞移动速度为N，受力F=F3=388.1N
V=66.35×2×0.04=5.31m/s
活塞面积：
S=πr²=3.14×1.5²=7.065cm²
根据流体学方程
设液缸内部压强为P，孔面积为S1，液体流过孔的速度为V1，则可列方程：
解得：
S1=0.76S=0.76×7.065=5.37cm²
V1=1.66m/s
所以，小孔的总面积5.37cm²时，对于70kg的人，匀速下降的速度为4m/s。
3.5速度调节器开关阀门的阻力及弹簧弹力的确定
连杆长为1cm，a、b间的距离为1.5cm，静止时K1拉力为0，K2为拉伸状态以提供阻力。
当绳子速度达到4.2m/s时，质量体的离心力大于开关阀的阻力。
于是，开关阀打开，摆向b端，摩擦减速。
当速度降到4m/s时，K1拉力大于离心力和开关阀的合力，于是，将质量体拉回原位置。
如果速度又变快，则开关阀再次打开，开始减速。
如此循环，使速度稳定在4m/s~4.2m/s。
1、阀门阻力的计算
向心力公式：
（质量体m=20kg）
4.0m/s时
4.2m/s时
n
3981r/min
4182r/min
ω
416.68rad/s
437.53rad/s
F（r=6.5cm）
25.71N
248.87N
F（r=8cm）
277.80N
306.30N
F
137.2N
137.2N
注：
n―圆盘转速，ω―圆盘旋转的角速度，F（r=6.5cm）―质量体在距圆心6.5cm处所需向心力，F（r=8cm）―质量体在距圆心8cm处所需向心力。
由表中计算数据得：
阀门阻力为748.87N
2、K2拉力的计算
（1）
（2）
图3-1速度控制器力的图示
由于K2作用产生的向左的力，即为阀门阻力
得：
（1）K1劲度系数的计算
由于当速度返回4m/s时，K1的拉力恰好等于离心力和阀门阻力之和。
劲度系数：
（2）制动摩擦力的计算
摩擦时摩擦槽提供的向心力：
F4=（离心力+阀门压力）—K1拉力
=（306.3+248.87）—（248.87+277.80）
=28.5N
设槽受侧压力为N，已知铸铁和橡胶摩擦系数µ=0.8。
则：
又因侧面都有摩擦.
那么3个制动橡胶块产生的总制动力：
∴制动效果良好，调速动作快。
3.6减速部分摩擦力的计算
1、若在8m/s内将速度从4m/s减速到1.5m/s，设加速度为a（a<0）。
列方程有：
其中Vt=1.5m/s，Vo=4m/s，H=8m。
解得：
a=-0.8m/s²
设制动力为F7，
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