原创多功能升降器设计衣架毕业论文.docx
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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
由
，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.
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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。
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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。
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引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
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5.装订顺序
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