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基本信息
- 項目名稱：
- 自適應(yīng)高空安全緩降機
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 設(shè)計了一款以機械式摩擦離合器為主體的，以基于單片機控制的電磁離合器為輔助的高空緩降機，本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，能在最大程度上滿足高空逃生要求，本高空緩降機能在不外接電源的情況下，不同體重的逃生者能夠選擇0.3m/s,0.5m/s,和0.8m/等 3個不同的速度緩降到地面，同時在逃生過程中看通過遙控來微調(diào)下落速度。
- 詳細(xì)介紹：
- 我們設(shè)計的自適應(yīng)高空安全緩降機主要結(jié)構(gòu)包括：制動模塊（包含機械制動子模塊和自動化電磁制動子模塊），增速齒輪組模塊，抗沖擊模塊，繩筒繩索減震模塊，收繩模塊。本裝置緩降原理為機械制動器、電磁制動器、發(fā)電機阻力矩與人重力平衡從而達(dá)到勻速下降。 一， 系統(tǒng)模塊介紹 機械制動子模塊是由摩擦離合器經(jīng)改裝而成，經(jīng)改裝后的摩擦離合器制動效果十分顯著, 當(dāng)制動軸旋轉(zhuǎn)時，制動器上的蹄塊會因離心力的作用與固定的外圈摩擦而產(chǎn)生制動力矩。 自動化電磁制動子模塊由24v微型直流發(fā)電機、24v電磁制動器和相關(guān)自動控制電路組成,單片機控制具有準(zhǔn)確度高，可靠性好，調(diào)速方便，且成本低等優(yōu)點，該控制電路即為采用基于單片機的控制電路。經(jīng)試驗驗證，該直流發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成近似正比關(guān)系。為避免本緩降器依賴外部供電工作，在此將直流電機輸出的電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路為控制電路的芯片供電；同時作為電磁制動器回路的工作電源。采集到的速度信號經(jīng)單片機中的程序比較判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)速是否達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，并決定是否輸出控制電平，控制電平經(jīng)功率三極管放大后控制繼電器的開閉，即實現(xiàn)了控制制動器工作狀態(tài)的要求。 繩筒能容納約220m，直徑3mm的鋼絲繩，足以滿足位于高達(dá)70層摩天大樓的用戶的要求。繩端的繩扣處設(shè)置了一 段直徑14mm、長度為200mm，拉伸比達(dá)1：2.5~3的雙股蹦極繩，該蹦極繩的加入，能有效緩沖因為逃生者有初速下降所帶給人體的沖擊，能起到顯著減震的作用。 增速齒輪組由兩對齒輪組成，整體的傳動比是1:11。其中一個齒輪內(nèi)部裝有單向超越離合器，其作用是使制動部分僅在重物下降階段工作，而收繩時不會隨著繩筒旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動。 收繩裝置包括一對增速齒輪、搖柄軸和搖柄組成。增速齒輪組傳動比為2.5:1，能保證迅速回收鋼絲繩。搖柄與搖柄軸通過截面為正方形的一段長約4cm的孔軸相連，端部由軸端擋片和沉頭螺釘固定。搖柄軸使用一對深溝球軸承支撐于機架上。 身處高層的人員在遇到火災(zāi)的時候，即便有高樓逃生機可供使用，但現(xiàn)在已開發(fā)出來的高樓逃生機構(gòu)中，都未能很好的解決人員在極度慌張的情況下直接往下跳所而造成逃生機械損壞的后果，針對這一問題，我們團隊開發(fā)了一套用于高空緩降機的抗沖擊裝置?？箾_擊模塊主體為一段懸臂梁，綜合運用杠桿原理、摩擦學(xué)原理等基本原理，成功實現(xiàn)了抵抗對減速裝置沖擊的功能。 二， 使用描述 實際使用中，逃生者身穿普通登山用安全帶，和繩扣相連，從窗外以一較小速度或零初速度開始下降，帶動繩筒轉(zhuǎn)動,在傳動比為11：1的增速齒輪組的作用下制動軸以繩11倍轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，同時機械制動器開始工作，產(chǎn)生一定的制動力矩，這個制動力矩和人下落速度平方成正比，此時人繼續(xù)加速下落但加速度逐漸減小。當(dāng)速度達(dá)到V1時，在直流電機和控制電路的控制下電磁制動器開始工作，產(chǎn)生較大的制動力矩，使人下落速度下降，當(dāng)速度減小到V2時電磁制動器停止工作，人的下落速度再次上升，當(dāng)達(dá)到 時電磁制動器重新工作。如此循環(huán)，直至安全降落地面. 三． 安全性能分析 由于本裝置極有可能在非常惡劣的環(huán)境下工作，如極端高溫的火災(zāi)現(xiàn)場等，所以非常有必要分析一下本裝置在各種惡劣條件下正常工作的可靠性。 （1）在火災(zāi)時，緩降機會在較高溫的環(huán)境下工作。 首先，討論高溫環(huán)境下的緩降機對于使用者的影響。由于鋼絲繩的掛鉤是扣在使用者的安全帶上，不與人體直接接觸，所以對人體不會造成傷害。隨著使用者的下降，掛鉤將遠(yuǎn)離熱源，所以緩降機機身的溫度增加對于使用者并不會造成燙傷等傷害。 其次，機身溫度增加對制動部分的影響分析如下：機械制動部分由于是耐高溫的復(fù)合金屬材料，所以在高溫時完全能夠正常工作。電磁制動部分，在電路不損壞的情況下，電磁制動器將正常工作。如果控制電路被大火燒毀，將只有機械制動器工作。不過，根據(jù)前面的計算，我們知道在僅有機械制動器工作時，50kg的使用者下降速度僅為約 ，這已經(jīng)完全能夠滿足普通人群的要求，而對于重量為 的使用者，其下降速度 ，取 ，則 ，此速度仍然是非常安全的。 綜上所述，在極端高溫情況下，該裝置的可靠性近于100%。 （2）在某些特殊情況下，使用者可能急于逃生而發(fā)生兩名或多名使用者同時抓住安全帶下跳的情況，這時負(fù)載會大于100kg，因此有必要校核此時裝置的安全性。 根據(jù)第4部分的強度計算，可知整個裝置最薄弱環(huán)節(jié)為抗沖擊裝置的懸臂梁，在100kg負(fù)載下有4.89的安全裕量，因此在200kg負(fù)載下仍有2.45的安全裕量，這已經(jīng)能夠確保兩個人同時下降時的安全性。 在設(shè)計計算中，我們對于每一個零件的設(shè)計和校核都取了相同使用情況下最高的安全系數(shù)。例如，齒輪的失效概率小于 。所以，即使使用者的體重大于設(shè)計上限100kg，本緩降機也能出色的完成緩降逃生任務(wù)。 （3）. 在時分危急的情況下，逃生者出于逃生的欲望，可能在繩索沒有收緊的情況下就跳下，對裝置造成很大的沖擊。 首先，在前面校核的部分，我們已經(jīng)考慮到了沖擊的問題，計算時增加了沖擊系數(shù)（大于3），所以零件在突加載荷的作用下不會失效。 此外，我們還增加了兩個抗沖擊部件。其一，是在繩扣和鋼絲繩之間增加一段蹦極彈性繩，伸縮比達(dá)1:3，能有效吸收人下落的初始動能，一方面,減輕了裝置受到的沖擊載荷，另一方面，減少逃生者受到的沖擊力，防止逃生者受到意外傷害。其二，有一套專門的防沖擊裝置，能使鋼絲繩在意外受到劇烈沖擊時將鋼絲繩抱死，防止裝置受到?jīng)_擊而損壞。經(jīng)過理論計算，鋼絲繩在受到瞬時2000-5000N沖擊力時，經(jīng)防沖擊裝置隔離后，減速部分受到的沖擊載荷小于1000N，遠(yuǎn)小于裝置的設(shè)計抗沖擊載荷1300N。 因此，該裝置的抗沖擊性良好。 （4）.在長時間未使用時，一般的機械裝置都會出現(xiàn)生銹的情況。而對于緩降機，通過對零件進(jìn)行表面處理（表明氧化、表面涂防銹漆或者表面鍍錫等工藝），可以有效地防止零件出現(xiàn)生銹而導(dǎo)致失效。 而對于機械制動器，它的蹄塊是由紙基制成，不會出現(xiàn)生銹的情況。外罩是由鋼制造的，表明鍍了一層氧化膜，也不會出現(xiàn)生銹的情況。機械制動器是由摩擦離合器改裝而成的，我們?nèi)サ袅死锩娴膹椈山M，所以不用考慮彈簧的失效問題。 電磁制動器的摩擦片是有機塑料，只要電路部分正常工作，電磁制動器就不會出現(xiàn)失效。 螺絲在長時間不用時可能出現(xiàn)松動，可以通過螺紋膠和雙螺栓來防止松動。螺紋膠是在擰上螺母時滴加的，通過增加預(yù)緊力來防止松動。在擰下螺栓時，螺紋膠會破碎，對螺紋拆裝不會造成不良影響。 此外，通過定期檢修，可以提高本裝置的可靠性。 （5）. 在長時間連續(xù)工作時，機械部分不會受到太大的影響。機械制動器在長時間工作時溫度會上升，但是其制動性能不會受到影響。 電磁制動器部分，由于使用的都是大功率、耐高壓的電子元件，所以能承受長時間工作。 綜上所述，在各種極端情況下，本裝置都正常工作。所以，本裝置是一種安全性高、適用范圍極廣的緩降逃生裝置。 四． 高空緩降機的創(chuàng)新點 ○1超越離合器 在增速齒輪組和減速模塊之間設(shè)置了超越離合器，其作用是使制動部分僅在逃生者緩降階段工作，而收繩時不會隨著繩筒旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，這樣能使裝置后續(xù)使用者輕松搖起安全帶，顯著縮短輔助時間，提高了裝置的實用性。 ○2抗沖擊裝置 根據(jù)以往的教訓(xùn)，人員在急于逃生的情況下，直接跳下，即有初速降落的情況，極易造成對緩降機械的沖擊破壞，從而造成嚴(yán)重后果。為克服以上缺陷，我們團隊設(shè)計了這套用于高空緩降機的抗沖擊裝置。它能有效緩沖來自鋼絲繩對齒輪等減速部件的沖擊力，顯著提高裝置的安全性和可靠性。 ○3緩降速度與逃生者體重?zé)o關(guān)，速度穩(wěn)定 與傳統(tǒng)高空逃生器多采用一種制動方式不同的是，高空緩降機從原理上采用以機為主、機電結(jié)合為特色的制動方式，不僅實現(xiàn)了能安全降落，更實現(xiàn)了能在逃生者體重發(fā)生顯著變化的情況下仍以定速緩降到達(dá)地面。下圖為基于實測數(shù)據(jù)所繪制的速度—體重圖。 ○4緩降速度分為3檔，逃生者可自由選擇 自動化電磁制動子模塊，是基于單片機控制的系統(tǒng)。通過編制特殊的單片機程序和比較電路，使逃生者能夠自由選擇3個檔位緩降至地面。 低速檔： 適用于：小孩、老人 中速檔： 適用于：成年人 高速檔： 適用于：特別危急的情況 五． 高空緩降機的優(yōu)點 結(jié)合已有逃生機的特點，高空緩降逃生裝置具有以下突出的優(yōu)點： （1）可靠性高。有獨立工作的機械和電磁兩個制動器，即使某個制動器意外失效，另一個制動器也能獨立完成制動緩降功能，并且下落速度都控制在安全范圍內(nèi)。 （2）由于機械和電磁制動系統(tǒng)優(yōu)勢互補，在控制電路的調(diào)控下，基本能使得不同體重的逃生者都能以恒定的下落速度下降。與市面上大多數(shù)緩降器下落速度隨逃生者體重增加而顯著增加的情況不同的是，該高樓緩降裝置經(jīng)數(shù)十次沙袋和真人的對比試驗的結(jié)果顯示，當(dāng)載荷顯著變化時（如 ），下落速度增幅小于10%?？朔酥卣呓档每?，輕者降得慢，下降速度波動過大的缺點。 （3）電磁制動器和控制電路由直流發(fā)電機供電，發(fā)電機將人下落時的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，無需蓄電池等外接電源，能很好的適用于火災(zāi)等極端惡劣的情況下，免去了一般逃生裝置需要外接電源，且定期維護電源的麻煩。 （4）下落時使用者無需特殊操作，適合各類人群（包括老人和兒童）使用。 （5）裝置由各個模塊化部件組成，配置靈活，可根據(jù)使用環(huán)境不同靈活配置各個組成模塊。如低層樓房可配小型繩筒，高層大樓可配大繩筒。根據(jù)使用樓房人口密集程度，如應(yīng)用于人群密集的樓房時，也可更換功率更大的電機和性能更強的制動器，以實現(xiàn)多人同時緩降逃生以便更快撤離的目的。 （6）由于增加的抗沖擊裝置，使得人在突然跳下時，裝置仍能夠正常工作。 自動控制電路的優(yōu)點： 1.整個系統(tǒng)的供電由直流發(fā)電機的輸出電壓穩(wěn)壓提供，不依賴任何外部電源，可保證電磁制動器能在任何情況下都可靠工作； 2.對下落速度的限制具有滯回特性，既保證了平穩(wěn)下落，又增加了繼電器工作的可靠性和使用壽命； 3.設(shè)置3種工作模式（可隨時切換3個檔位），對應(yīng)3種下落速度，以滿足不同人群的需求，適應(yīng)性極強，可靠性高； 4.基于單片機控制，穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度高。 六. 應(yīng)用前景 目前，各類高樓緩降器已經(jīng)在國外獲得了較大的發(fā)展。在一些歐美國家，緩降器已被普遍應(yīng)用于一些高層賓館、飯店、寫字樓內(nèi)，多數(shù)消防中隊的消防車也都配備了緩降器，用于高層火災(zāi)的救援和搶險工作。近年來，隨著國內(nèi)人民生活水平的提高，人們對樓房安全性的關(guān)注越來越多，雖然國家目前還未對居民家中配備緩降器作相關(guān)明文規(guī)定，但是隨著高層建筑的增多，人們安全意識的增強，居住在高層的居民和人員密集的賓館、酒店都將逐步配備優(yōu)質(zhì)價廉的高樓逃生緩降機。 本文介紹的高樓緩降逃生裝置，是一套能夠適應(yīng)各類人員在大多數(shù)復(fù)雜情況下安全使用的大眾化的救生設(shè)備?；谒鼉?yōu)質(zhì)、可靠、實用、價廉等諸多優(yōu)點，它將承載起保護人民生命安全，并減少社會財富損失，同時減少消防部官兵在救火、救人時的傷亡的重任。隨著我們對機械的安全性和可靠性的不斷改進(jìn)，對成本的更好控制，本高樓緩降機走向普通家庭、走向普通樓房的可能性將越來越大。我們堅信，該高樓緩降逃生機將會擁有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場空間，它的普及將指日可待！
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作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的：用于高樓火災(zāi)等緊急情況的逃生，將人安全而快速地輸送到地面上 基本思路：設(shè)計了一款以機械式摩擦離合器為主體的，以基于單片機控制的電磁離合器為輔助的高空安全緩降機，本高空安全緩降機能在不外接電源的情況下，不同體重的逃生者能夠選擇適合自身的速度逃生。 創(chuàng)新點：兩套制動系統(tǒng)獨立工作、優(yōu)勢互補，安全系數(shù)高；無需外接電源；逃生者下落速度與重量無關(guān)；具有抗沖擊性能；使用了超越離合器；下降速度分高、中、低三檔，適應(yīng)不同人群需要。 關(guān)鍵技術(shù)及指標(biāo)：機械制動器的摩擦系數(shù)的選取和確定；電磁離合器選擇，如何避免慌亂逃生時對裝置的沖擊，如何避免外接電源、速度信號的精確采集；能自適應(yīng)的速度控制算法；靈敏且高可靠的電路系統(tǒng)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 下面我們通過對比來說明我們裝置的先進(jìn)性和科學(xué)性： 現(xiàn)有的高空緩降裝置的調(diào)研：主要有三類，第一類：逃生輪；第二類：液體流動阻尼式高樓逃生器； 第三類：繩索自鎖式緩降器。 現(xiàn)市場上緩降裝置的缺點：不能調(diào)速；下降速度隨使用者體重增加而增加；只有一套減速裝置，安全性差；無抗沖擊裝置；需外部供電或內(nèi)置電池；操作困難、下落速度不穩(wěn)定，波動太大，安全性不足；對使用者有一定要求，有的裝置根本不能用于老人和小孩。 我們的高空緩降機的新進(jìn)性有： 1、機械、電磁制動器獨立工作，安全系數(shù)很高。 2、機械電磁兩套制動裝置，優(yōu)勢互補，下落速度與重量無關(guān)，速度穩(wěn)定。 3、本裝置有機械式抗沖擊裝置，保護裝置又保護逃生者。 4、下降速度分高、中、低三檔，適應(yīng)不同人群需要。老人和小孩可選擇低速檔，青壯年可選擇高速檔，節(jié)省救援時間。 5、無需外接電源。直流發(fā)動機將人體重力勢能轉(zhuǎn)換為裝置所需要的電能。 6、無需使用者操控。 7、性價比高，占地小、質(zhì)量輕、便于安裝。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 在2011年5月初，獲得北京理工大學(xué)“世紀(jì)杯”科技競賽特等獎，舉辦方北京理工大學(xué)。
作品所處階段
- 現(xiàn)在已經(jīng)制作完了實物，并且通過真人實驗，驗證了本作品的可靠性、實用性和安全性。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利權(quán)轉(zhuǎn)讓 專利實施許可
作品可展示的形式
- 作品實物、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像等
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明：使用時將裝置通過固定支架固定在窗戶或者陽臺上，逃生者穿上安全背心，通過鋼絲繩上的鐵鉤勾住安全背心即可。 技術(shù)優(yōu)點： 本裝置針對高樓等災(zāi)害或者緊急情況而設(shè)計的，用于將人從高樓安全而快速地輸送到地面。主要優(yōu)點是： 1、下落過程中無需人為操作，簡單易行； 2、兩套安全系統(tǒng)，安全系數(shù)高； 3、下落速度與重量無關(guān)；下落速度也可通過遙控改變，既適合青壯年也適合老人、小孩或者病危而無自我保護能力的人，從而擴大了使用人群； 4、有機械抗沖擊裝置，即可保護逃生者又可保護裝置； 5、本裝置采用流量發(fā)動機供電，將人體重力勢能轉(zhuǎn)換為電能；無需外接電源，避免了災(zāi)難發(fā)生時沒有外接電源的情況；同時也避免了內(nèi)置電池可能會因長時間放置而失效的情況。直流發(fā)動機的使用，使裝置更加安全可靠； 6、性價比高，占地小、質(zhì)量輕、便于安裝； 基于以上幾點，可見本裝置推廣性比較好。在未來高樓越來越多的大都市里，本裝置將會成為緊急救援時的必備裝置，從而將會有巨大的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 我們通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的高空緩降器主要有以下五類，他們各有優(yōu)點，但是也有各自的缺點： 一、GJH—A型高空救生緩降器 基本原理：減速齒輪+摩擦片+肢體操作 主要不足： 1．需要專門用于懸吊用的梁鉤，需要樓房外墻環(huán)境寬敞，否則榮易被掛住，使用環(huán)境受限； 2. 針對不同體重的使用者，下降速度波動太大 ； 3. 無抗沖擊模塊,初速度過大，難以控制。 4. 針對不同高度的用戶，需要專門訂制繩的長度，通用性差； 5．需要將卷線筒扔下，可能傷及他人，非常危險； 6，操作復(fù)雜費力，不適合老人，小孩等弱勢群體。 二、高空柔性逃生滑道 基本原理：摩擦袋+肢體操作 主要不足： 1.使用時，人的手肘，膝蓋會被摩擦袋擦傷； 2.用在消防車上時，不同救援高度需要不同長度的布袋，通用性較差； 3. 布袋由防彈衣所用的“凱夫拉”材料、高彈性旋轉(zhuǎn)紡紗、100%的玻璃纖維材料等特種材料經(jīng)特殊工藝制成，成本均非常高。 三、摩天大樓逃生輪 基本原理：增速齒輪+摩擦片 主要不足： 1.只有機械制動，速度平穩(wěn)性差太快。 2.使用難度大，不適用于老人和小孩； 四、棘輪逃生器 基本原理： 棘輪反復(fù)沖擊消耗能量 主要不足： 1.棘輪反復(fù)沖擊易疲勞破壞，裝置可靠性不足，使用壽命短； 2.下落速度不穩(wěn)定，不同體重使用者速度波動太大。 五、繩輪摩擦換降機 基本原理： 繩輪摩擦+肢體操作 主要不足： 1.操作困難，不適于老人小孩使用； 2.單考摩擦制動，速度波動大，平穩(wěn)性差 3. 無法收繩，裝置只能使用一次 。 總結(jié)后得到現(xiàn)有緩降機有以下缺點： 1. 下落速度不穩(wěn)定，波動太大，安全性不足； 2. 絕大多數(shù)裝置無抗沖擊模塊，安全性無法保證； 3. 對樓房條件要求過高，通用性不足； 4. 對地面影響較大，使用環(huán)境受限； 5. 不易固定，難于在普通樓房使用； 6. 收繩問題未能很好解決，不便循環(huán)使用； 7. 對使用者有一定要求，有的裝置根本不能用于老人和小孩； 8. 材料、加工費用不菲，成本高。
