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原创多功能升降器设计衣架毕业论文

第1章概述

随着城市化进程的加快,高层建筑如雨后春笋迅速增多,高层建筑发生火灾、地震等意外灾难时的逃生问题受到人们的日益重视。

群死群伤的事实告诉我们,在火灾或地震发生的紧急时刻,必须注重自救!

目前国内外关于“火灾安全逃生装置”的专利申请有近一百种之多,但多数为单线式的钢丝绳及机械化的逃生器。

例如用机械旋转控制实现下行逃生方法,使用时将人吊在空中,绳子自动回位旋转。

其操作复杂且耗费大量宝贵时间,效率低,而且逃生器也比较重,大部份机械装置跟随人落到地上,安全性不高,对老人及小孩尤其不适用;除此之外,逃生器中教贵的有各种云梯、消防车之类的火灾安全逃生装置,其成本较高、体积大,难以普及于民众家庭,一般只有专业的消防队才能配置;当然还有一些装备很是需要人们的胆量的,例如降落伞、安全气囊等,它们只适用于那些专业人员或是紧急灾情时的无奈之选。

灾难不是经常发生的,可一旦发生或许将是极其致命的。

9.11就是一个很叫人悲痛的例子,短短几十分钟,数千条生命灰飞烟灭。

据报道,在大厦就将坍塌之前,有人为了活命,裹了条被单就从高处跳了下来,更有甚者在没有任何防护下坠楼而下,可想而知,无论哪种情况下,生还的可能性几乎为零。

有人或许会想,当时要是有降落伞,或是云梯等自救装备就好了。

但这似乎不大可能,就如前面所说的,灾难不会经常有,也无法预测,谁会耗掉大笔经费装备大量自救装备,即使装备了,又有多少人会适用,平时又放在哪,况且当楼层高达一定高度时,大部分装备将不再适用,这又为高空救援带来了难题。

试想能否设计一种自救装置,平时放在家中可以并不作为救生来适用,而是作为日常的某种家用装备来使用,当灾难发生时,稍经改造就可运于救援,即所谓的多功能性。

经过一段时间的观察,发现现在公寓住宅普遍装备的手摇衣架是个很可以改造的装备。

设想一下,如果该套装备平时可以升降衣物,灾难时可以是人物从高处安全降到低处,不仅降低了预防灾难的投入,也添置了一项家私,更为人生安全增加保障。

 

第2章多功能升降器文献综述

2.1国内外现状

目前国内外的产品早已是多种多样,优缺点并存:

2.1.1利用钢丝绳的方案

▲专业手套

优点:

操作方便,成本低廉,结构简单

缺点:

可靠性差,对使用者的操作技能要求高

▲采用发电机,让绕线轮旋转产生电力,由电力产生摩擦力矩或阻力矩

优点:

可靠性高,操作简单,易于实现

缺点:

结构复杂,稳定性差,成本高

▲欧拉公式加手控

优点:

结构简单,操作性好,成本低廉

缺点:

可靠性差,对使用者的操作技能要求高

▲间歇冲击式

优点:

下降速度稳定,安全可靠,操作方便

缺点:

结构复杂,逃生效率低,不是与过高的建筑

▲利用离心力来产生摩擦力

优点:

结构简单,操作简单,下降速度可调

缺点:

可靠性差,危险性高

▲利用轮系来增速

优点:

可靠性高,下降速度稳定,操作方便

缺点:

结构复杂,成本高

▲利用液体流动阻尼

优点:

结构简单,安全可靠

缺点:

下降速度不稳定,制造精度高,成本高

2.1.2非钢丝绳的方案

▲救生伞

优点:

结构简单,易于实现,操作方便

缺点:

适用范围小,对使用者操作技能要求高

▲软梯

优点:

结构简单,可靠性高,操作方便

缺点:

危险性高,不适于过高的建筑

▲云梯

优点:

结构可靠,升降速度快,适用范围广

缺点:

制造成本高,承载能力差,救生效率低

▲柔性救生道

优点:

结构简单,救生效率高,适用范围广

缺点:

制造成本高,下降速度不稳定

▲气垫

优点:

结构简单,可操作性强,适用范围广

缺点:

需要他人配合,危险性高,不适于过高的建筑

2.2发展趋势

▲结构简单化——结构复杂的设备不见的更可靠,相反,越简单的结构越有可能可靠,关键是要有合理的设计。

▲体积缩小——体积大的设备要求足够大的安装空间,要是需要搬运的设备就显得太多的不便,缩小体积不但可以减轻重量,而且便于调用。

▲一机多用——很少有人愿意为不可预见的灾难进行大笔的投入,如果能够实现一机多用,这样,花一分钱,买两处方便,何乐不为。

▲使用简单、灵活——如果装置操作稍有复杂,在紧急情况下也很容易出差错,一机多用的同时,则有要求功能转换的灵活性。

2.3设计目标

▲降速平稳,安全可靠。

采用最新技术,完全消除重力加速度,减速平稳匀速,限速阻尼感、安全感强。

▲手动,可悬停。

主要为手动降速,操作简单,可刹车悬停。

▲安全裕度高,使用寿命长。

采用纯裸镀锌钢丝绳,强度高、助燃、寿命长。

▲灵活实用的两种实用方式。

该装置研发出便携式(不带衣架)和固定安装式(配备衣架)两种产品。

▲设计先进,结构紧凑。

限速器采用精铸吕合金外壳,精美,轻质(仅重3.5kg,不计钢丝绳)。

 

第3章多功能升降器的用途、规格、主要技术性能及特点

3.1多功能升降器的用途与规格

所谓多功能,在这里就是即可实现晾晒衣架(执行部件)的手动升降,又可稍经改造,收放线装置(控制部件)配合衣架就可作为高空缓降设备来使用,在灾难发生时,正常的疏散通道不能使用,帮助人们迅速、平稳、安全的从高处降落到地面。

该装置适用于各类高层建筑,如办公楼、写字楼、公共娱乐场所、宾馆、饭店、住宅、公寓、机关、医院、学校等场所配备,并是消防部门施救装置,还可用于高空作业等需匀速缓降的场合。

此装置分为固定式与便携式两类。

固定式就是固定在公寓内阳台顶部,平时行使晾衣,紧急时自救,都不用屋顶将装置拆下的一类;由于控制装置本生就可单独行使缓降的作用,且质量轻,体积小,舍去衣架,配上一两个零部件,就成为一套便携装置。

3.2多功能升降器的主要技术性能及特点

3.2.1主要技术参数:

▲实用范围:

20-100kg

▲下降速度:

0.5-2.0ms

▲使用高度范围:

50m

▲钢丝绳索直径:

3mm

▲承载人数:

1人次

3.2.2主要性能、特点

▲摇转手轮可实现衣架的升降,并在不同高度都可随时自锁

▲同一重物在下降过程中所产生的放线力矩保持不变

▲针对不同的重物,通过定量压缩弹簧以产生对应阻力距,实现匀速下降

▲弹簧的压缩量为每20kg重物对应2mm压缩部件螺纹的螺距),配有刻度,可以微调

 

第四章多功能升降器的功能设计

4.1多功能升降器的基本功能及其展开分析

4.1.1晾衣架升降

平时使用中,逆时针转螺栓手柄,释放压缩弹簧,消除绕线筒上摩擦表面的压力,消除阻力矩;接着摇摇动手轮,任意调整衣架上所晾衣物的高度;再反手柄,压缩弹簧,施加足够压力,使衣物悬停空中。

4.1.2缓降重物

紧急情况下,顺时针转螺栓手柄,压缩螺栓上,每2mm(螺栓螺距,每多转一圈,可多实现20kg重物匀速下降)留有刻度,另外上箱板上也每个15度留有一刻度,用以细分这20kg的增加量,起微调作用,调到自救者的体重刻度后,取下衣杆一端安全钩与控制装置上的吊环连接好;人绑上安全带,安全钩也于控制装置上吊环连接好,此时人便可爬出窗外安全,匀速下降了;若要中途停车,就再顺时针转手柄,压弹簧施加阻力即可。

 

第五章多功能升降器的结构设计

5.1结构方案的确定

本方案拟定采用通过使用摩擦机构来实现动力矩与阻力矩保持平衡,以达到物体匀速下滑的目的。

以下几种方案可供参考。

5.1.1套筒式摩擦机构

图1套筒式摩擦机构

通过螺钉6,可调整两半压块5和8来压紧钢丝绳2.此方案结构简单,但可靠性差——钢丝绳与套筒之间的摩擦情形时有变化,导致摩擦系数不定,下落过程中速度变化难以设想;操作不便——压力难以调定到一准确数值,更不必说适用不同体重人员。

5.1.2缠绳式摩擦机构

图2缠绳式摩擦机构

通过操作右上角的扳手调整绳索在绕线轮上的包角,完成匀速下降过程。

可单手操作,如若包角过大,再加上难以微调,会出现卡死现象。

5.1.3离心摩擦机构

图3离心式摩擦机构

转动时,摩擦弧片1和2绕着销轴4往外甩,压紧在机壳8的内圆弧表面,产生较大的摩擦力矩。

此机构最大的优点是只要摩擦弧片1和2的质量与尺寸确定,一定重物在下滑过程中的最大,也是最后稳定的速度是一个定值,有自动调速的作用。

但通过计算得到,要想重物在一较为安全的低速范围内下滑,摩擦弧片1和2的质量要求很大,相反,如若在一较高运行速度下,质量不必很大。

由此可见,此类机构更适合与高速机械。

5.1.4压缩弹簧+单层绕线摩擦机构

图4压缩弹簧+单层绕线机构

此机构的特点在于单层绕线(通过线与线,线与轴之间的摩擦力,使绳4与绕线筒3形成近似一体)可使重物的动力矩保持不便,压缩弹簧可调整摩擦片2与绕线筒3之间正压力,控制阻力距,实现可调、微调。

经过各种机构的比较和综合,最终选取此种机构,并将其与手摇升降衣架进行结合。

5.2机构及主要零件空间布置方案的确定

压缩弹簧+单层绕线类似机构

图5压缩弹簧+单层绕线类似机构

1为压缩弹簧,2为摩擦片(与箱壁左端胶结),4为钢丝绳,此类机构与图4所示机构的运用原理相同,最大的不同是图4的摩擦组件与出线口的位置,其摩擦片在绕线筒的左侧,弹簧在右侧,两出线口位于上下两箱板(图5所示机构预设出线口在前后两箱板),此机构有利于缩小装置的左右两侧宽度,进而减少装置的整体体积,减轻重量。

由于绕线筒左或右端需配备一摇动手轮,用于收放线,实现晾衣架的升降。

这样不易于装置在墙壁上的固定(通常装置固定后手轮摇背向墙体,顾绕线筒左右两端要留有一段),所以设计方案确定为图5所示机构。

5.3结构工艺性的考虑(铸、锻、切削、热处理、检测及装配的工艺性等)

5.3.1箱体工艺性考虑

箱体是用来固定、支撑和包围以上绕线筒与摩擦机构,考虑到工艺性,此处采用六块矩形铝板型材螺钉固结为矩形盒子,为了保证足够的强度,板厚为10mm。

具体结构尺寸如下图:

图6左右两箱板

图7前后两箱板

图8上下两箱板

5.4轴承的布局

此装置设有两耐磨的锡青铜滑动轴承,与左右两箱板紧配合,结构尺寸见节6.8。

5.5润滑与密封方式的选择

需要润滑的地方是心轴与滑动轴承配合出,选用定期油润滑;考虑结构尺寸与散热的因素,无需密封。

 

第六章多功能升降器主要零配件的设计与计算

6.1钢丝绳的选取与校核

选择裸镀锌合成纤维芯钢丝绳,其参数如下:

直径:

3mm

近似重量:

3.48kg100m

最小破坏拉力:

5.78kN

弹性模量:

200GPa

预设使用长度:

30m

适用高度:

15m(双线承受重力)

则绳的重量

G=3.48*30100=1.044kg

绳的静伸长量

△=

=50*9.8*30[200*109*3.14*(3.14*2.52*10-6)]=9.2mm

动载荷系数

Kd=

=1+[1+22(9.8*9.2*10-3)]0.5=7.7

强度判断:

9.8*50*7.7=3773N<5780N(安全)

6.2轴的设计校核

轴的中间部分要与绕线筒固定,其两侧要与箱体配合,一端还要装配一手轮,用于收放线,材料为45钢,如图所示。

图9心轴

当线轴两侧受最大弹簧力F=414.3N。

经分析计算,装置运转时只受弯矩,弯矩图如图10所示

图10轴所受弯矩图

Mmax=-5.8Nm取[

]=60Mpa

,有D=10mm

考虑线筒上的销孔和各直径和轴所要配备零部件,取中间段直径D为25mm,轴承配合段D为20mm,与手轮配合段D为12mm。

6.3绕线筒设计与校核

线筒中间部分用于绕线,两端各一大轮盘,与摩擦部件作用,产生阻力,两者一体,材料为铝合金。

绕线筒并不缠绕全部的绳,而仅是在线筒上密绕一层线,一头线往外抽,一头线则会往里绕,通过这层密绕线与筒壁的静摩擦力,迫使线筒在线筒两端有足够摩擦阻力的情况下能够匀速转动,实现人缓慢下降。

线筒的两大端打有孔,线筒与轴的固定方式为销钉连接。

线筒最小直径设为Dmin=40mm

轴向长度L0=40mm(13匝)

预设绳长L=30m

两端圆盘直径D取148mm

轴向长度L各25mm

如图11所示:

图11绕线筒

线筒受到的绳的拉力旋转力矩

=50*9.8*0.0225=11Nm

线筒内部为空心的,取直径D=28mm,与其对应的直径D=25心轴的固结(线轴中间位置),选用直径5mm一根长45钢销连接,则产生的切应力

=2*11(28*10-3)[*3.14*(2.5*10-3)2]=40MPa<[t]=200Mpa(安全)

6.4弹簧的选取与校核

弹簧丝的直径为d=3mm,中径为D=14mm,一圈的刚度K为291Nmm。

根据尺寸的限制和要求,取n=7,则

K,=

=2917=41.5Nmm

因为拉力矩T=11Nm由

有F=414.3N

有弹簧压缩量

=10mm

弹簧总长L=

=8*3+10=34mm

通过系列计算不同重量的重物对应的弹簧压缩量关系如下表:

重量Mkg

伸长量Xmm

60

6

80

8

100

10

120

12

表1下降重物与弹簧压缩量关系表

由表可知每增20kg,需增压缩量为2mm。

弹簧切应力的校核:

=727Mpa<[

]=735Mpa(合适)

6.5螺栓手柄的设计与校核

手柄与压缩螺栓间隙配合,手控带动压缩螺栓转动,从而压缩弹簧,材料45钢,

如图12所示。

图12螺母手柄

螺栓最大受力F=414N,取螺纹间摩擦系数为f=0.5[

]=160Mpa

螺纹直径D=30mm,手柄直径d=12mm

则最大阻力矩

=6.21Nm

=1.69

10-7m3

=36.7Mpa<[

]

6.6摩擦片粘接板的设计与校核

粘接板下侧粘接摩擦片,上侧与弹簧导向套压紧配合,材料铝合金,如图13所示。

图13摩擦片粘接板

由板宽b=(59-20)mm,板高h=6mm,有

W=bh26=0.012*(85-20)6=10.83*10-7m3

由两端支持力F=207N,板长L=85mm,有

M=

=207*0.0425=8.8Nm

取[ó]=60Mpa,则Ó=

=8.1MP<[ó](安全)

6.7弹簧导向套的设计

弹簧导向套下端与摩擦片粘接板压紧连接,上端套住弹簧,材料为45钢,

如图14所示。

图14弹簧导向套

6.8手轮键的选取与校核

此键用于手轮向轴传递转矩(主要是作为衣架)。

手轮为标准件,通过对配合尺寸的测量,键选用b*.52(14),1980.

[6]任大为.机械设计手册.北京:

化学工业出版社,1998.

[7]待徐灏.新编机械设计师手册.北京:

机械工业出版社,1995.

[7]卜炎.螺纹连接设计与计算.北京高等教育出版社,1998.

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高等教育出版社,2000.

[9]程能林.产品造型材料与工艺,北京理工大学出版社,2002.

[10]王建华等.机械制图与计算机绘图,国防工业出版社,2004.

[11]黄靖远.机械设计学.北京:

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[12]孟宪源等.现代机构手册(上、下册).北京:

1994.

[13]翁海珊,王晶主编.第一届全国大学生机械创新设计大赛决赛作品集.北京:

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[14]邢玲,张秀芳.机械设计基础课程设计[M].北京:

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[15]周开勤.机械零件手册.4版.北京:

高等教育出版社.

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电子工业出版社,2008.10

[17]Solidworks2008机械设计一册通高广镇,田东,段辉编著.北京:

电子工业出版社,2009.1

毕业论文(设计)原创性声明

本人所呈交的毕业论文(设计)是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文(设计)不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本论文(设计)的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名:

日期:

毕业论文(设计)授权使用说明

 

本论文(设计)作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文(设计)的规定,学校有权保留论文(设计)并向相关部门送交论文(设计)的电子版和纸质版。

有权将论文(设计)用于非赢利目的的少量复制并允许论文(设计)进入学校图书馆被查阅。

学校可以公布论文(设计)的全部或部分内容。

保密的论文(设计)在解密后适用本规定。

 

作者签名:

指导教师签名:

日期:

日期:

 

注意事项

1.设计(论文)的内容包括:

1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)

2)原创性声明

3)中文摘要(300字左右)、关键词

4)外文摘要、关键词

5)目次页(附件不统一编入)

6)论文主体部分:

引言(或绪论)、正文、结论

7)参考文献

8)致谢

9)附录(对论文支持必要时)

2.论文字数要求:

理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括:

任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。

4.文字、图表要求:

1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写

2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画

3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印

4)图表应绘制于无格子的页面上

5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档

5.装订顺序

1)设计(论文)

2)附件:

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订

3)其它

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