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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 高樓往復(fù)逃生器
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 我組設(shè)計(jì)制造的高樓往復(fù)逃生器采用2K-H減速機(jī)構(gòu)，利用離心力的作用使摩擦塊甩出與摩擦盤(pán)摩擦，達(dá)到減速的目的。由于機(jī)構(gòu)較大的減速比，受困人員可以安全的下降；同時(shí)，利用吸盤(pán)式直流電磁鐵吸引穿有繩子的橫軸，通過(guò)使橫軸移動(dòng)一定距離卡住繩子來(lái)實(shí)現(xiàn)剎車(chē)，而控制電磁鐵通斷電是通過(guò)無(wú)線電遙控器來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)設(shè)置了多個(gè)遙控器，可以實(shí)現(xiàn)多地的智能控制。本作品具有質(zhì)量輕、體積小、方便安裝，功能全面等特點(diǎn)，市場(chǎng)前景廣闊。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、作品產(chǎn)生 1.1作品產(chǎn)生背景現(xiàn)在日常生活中火災(zāi)經(jīng)常會(huì)發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)越來(lái)越大的威脅。近幾年來(lái)，我國(guó)每年發(fā)生火災(zāi)約4萬(wàn)起，死2000多人，傷3000—4000人，每年火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失10多億元，尤其是造成幾十人、幾百人死亡的特大惡性火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)證明，火災(zāi)是當(dāng)今世界上多發(fā)性災(zāi)害中發(fā)生頻率較高的一種災(zāi)害，也是時(shí)空跨度最大的一種災(zāi)害。如果你也家住高層，你有沒(méi)有想過(guò)發(fā)生火災(zāi)時(shí)你怎么辦，是站在窗邊守望消防員的救助，還是從樓上一躍而下呢？火災(zāi)給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了巨大隱患，而其中高樓住戶的情況就更為凸顯了，因此高樓逃生器便應(yīng)運(yùn)而生。我組設(shè)計(jì)制造的作品質(zhì)量輕、體積小、方便安裝，在人下降過(guò)程中有較大的減速比，最大速度不能超過(guò)1.5m/s的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，利用無(wú)線電遙控裝置以及吸盤(pán)式電磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程剎車(chē)控制，從而避免了下降過(guò)程中突發(fā)情況帶來(lái)的危害。作為當(dāng)代大學(xué)生，應(yīng)該具備長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)生舍己救人的品質(zhì)，也應(yīng)該擁有心系社會(huì)的責(zé)任感，所以我想通過(guò)機(jī)械綜合設(shè)計(jì)這一機(jī)會(huì)，利用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)方便實(shí)用的作品。隨著樓房等高層建筑如雨后春筍拔地而起，人們?cè)絹?lái)越多的住在高層，因此，危險(xiǎn)情況下高樓逃生顯得就很有必要。 1.2現(xiàn)狀研究 經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研與文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上已有的高樓逃生裝置或體積龐大，不便于安裝使用，或結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣，而體積較小的或價(jià)格昂貴，或功能不全，缺少必要的保險(xiǎn)裝置，有的保險(xiǎn)裝置不便于老年人和小孩使用，需要較大的力氣。綜合以上各種缺陷，我組設(shè)計(jì)出了體積小便于操作且?guī)в斜ｋU(xiǎn)機(jī)構(gòu)的高樓逃生裝置，此裝置若能夠批量生產(chǎn)，成本將會(huì)很低，無(wú)論是一般的家庭或公司均可購(gòu)買(mǎi)使用，有著很好的市場(chǎng)前景和應(yīng)用推廣的價(jià)值。 2007—2009年8月高樓火災(zāi)逃生裝置產(chǎn)品不同類型平均價(jià)格走勢(shì) 圖1 高樓火災(zāi)逃生裝置平均價(jià)格走勢(shì)圖高樓火災(zāi)逃生裝置供需狀況及預(yù)測(cè)分析 圖2 高樓火災(zāi)逃生裝置供需狀況圖二、機(jī)構(gòu)選型 2.1緩降機(jī)構(gòu)選型 2K-H型減速器是應(yīng)用最為廣泛的減速裝置，它的體積和質(zhì)量都較小，但傳動(dòng)比卻很大，而且傳遞效率也比較高，在作品減速部分采用的就是該機(jī)構(gòu)。下圖就是2K-H型減速機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。 圖3 2K-H型減速機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖 2.2懸停機(jī)構(gòu)選型懸停機(jī)構(gòu)采用了簡(jiǎn)單有效的可控卡死機(jī)構(gòu)，主要由軸、軸套、吸盤(pán)、電磁鐵幾部分構(gòu)成，通過(guò)電磁鐵的吸合，一步達(dá)到懸停、剎車(chē)功能，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下： 圖4 懸停部分簡(jiǎn)圖三、參數(shù)分析 3.1減速機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化 3.1.1減速裝置原理說(shuō)明減速部分采用工程上常用的2k-H減速裝置，通過(guò)與行星架固結(jié)的繩輪帶動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行星輪進(jìn)而帶動(dòng)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而太陽(yáng)輪通過(guò)花鍵與轉(zhuǎn)盤(pán)相連，轉(zhuǎn)盤(pán)凹陷處有摩擦塊，利用離心力的作用使摩擦塊甩出與摩擦盤(pán)摩擦，從而達(dá)到減速的目的。由于機(jī)構(gòu)較大的減速比，受困人員可以安全的下降。機(jī)構(gòu)如下圖所示： 圖5 減速機(jī)構(gòu)圖以繩輪為研究對(duì)象，其上受有主力矩 ,同時(shí)還有與M1反向的摩擦力矩 ,它通過(guò)齒輪傳動(dòng)最終作用到繩輪上，其大小為 ,若要使人或重物勻速下降必須使繩輪上的合力矩為零，即： 經(jīng)過(guò)公式推導(dǎo)得： (3-1 推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄一) 其中： m為人或重物的質(zhì)量 ; 為摩擦塊質(zhì)量 ；μ為摩擦塊 與摩擦面問(wèn)的摩擦系數(shù) ； 為繞繩輪直徑; 為摩擦塊質(zhì)心工作直徑; 為摩擦面直徑。 3.1.2輪系還應(yīng)滿足的條件： 1）對(duì)于輪系還應(yīng)該滿足傳動(dòng)比條件： （3-2） 2）同心條件： （3-3） 3）裝配條件： （3-4） 4）鄰接條件： （3-5）其中 ， ，z3分別為太陽(yáng)輪和行星輪的齒數(shù)。由于要同時(shí)滿足以上四個(gè)基本條件，而且為了盡量使機(jī)構(gòu)的體積小，所以進(jìn)行matlab優(yōu)化之后得到以下一些基本參數(shù)：表格1 2K-H輪系的基本參數(shù) 參數(shù)齒輪 齒數(shù) 模數(shù) 變位系數(shù) 尺厚 壓力角太陽(yáng)輪 12 3 0 10 20o 行星輪 15 3 0 8 20o 內(nèi)齒輪 42 3 0 10 20o 由于行星輪齒數(shù)為15，在市場(chǎng)上有合適的尼龍齒輪出售，而且強(qiáng)度也較高，故行星輪采用購(gòu)買(mǎi)的尼龍齒輪，而需要的內(nèi)齒輪和太陽(yáng)齒輪由于使用的特殊性，市場(chǎng)上并無(wú)銷售，是自行加工的，分別是插齒和滾齒制造。 3.1.3減速機(jī)構(gòu)其余部分參數(shù)：經(jīng)過(guò)查找資料和相關(guān)文獻(xiàn)，以及作品預(yù)先的設(shè)計(jì)要求，確定了繩輪的直徑DH為60mm，摩擦塊質(zhì)心工作直徑 為90mm，摩擦面直徑D1為100mm。根據(jù)前面公式3-1可知對(duì)應(yīng)不同體重可以得到不同的下降速度，具體數(shù)值如下表所示：表格2 不同體重人的下降速度人體重量(kg) 100 80 60 50 40 實(shí)際下降速度(m/s) 0.97 0.83 0.74 0.63 0.57 結(jié)論： 不同體重下降速度小于1.5m/s,符合人體安全下降要求。 3.2空中懸停部分參數(shù)分析懸停部分原理說(shuō)明 空中懸停部分利用吸盤(pán)式直流電磁鐵吸引直徑65mm的吸盤(pán)向一端移動(dòng)，而吸盤(pán)與穿繩軸焊接在一起，繩子從穿繩軸的徑向穿過(guò)，致使繩子被卡住，實(shí)現(xiàn)懸停。電磁鐵、吸盤(pán)和穿繩軸被置于懸停軸套內(nèi)，保證了懸停的可靠性。電磁鐵通斷電是通過(guò)無(wú)線遙控實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)設(shè)置了多個(gè)遙控器，可以實(shí)現(xiàn)多地的智能控制。電磁鐵與電源間的開(kāi)關(guān)電路具有自鎖功能，同時(shí)直流電磁鐵終吸力達(dá)到80公斤，有效的提高了空中懸停的安全系數(shù)。機(jī)構(gòu)如下圖所示： 圖6 懸停機(jī)構(gòu)圖 表格3電磁鐵的基本參數(shù)型號(hào) Type HCNE1-P65 名稱 Name 直流電磁吸盤(pán)鐵產(chǎn)品尺寸 特點(diǎn) 用于機(jī)械裝置大功率裝載自動(dòng)控制工作范圍 吸合行程：2.5mm 初吸力：12Kg 終吸力：80Kg 參數(shù)分析穿繩軸及懸停軸套部分被做成30o楔角則水平方向分力為： ，而限定的最大重量為m=100kg，計(jì)算結(jié)果為50Kg，小于80Kg，預(yù)留60%的余量，保證懸停的穩(wěn)定性。電磁鐵通過(guò)無(wú)線電遙控控制，控制電路為12伏單路開(kāi)關(guān)來(lái)控制電磁鐵的通斷電?？刂齐娐钒迦缦聢D 圖7 無(wú)線電控制電路 圖8 12V遙控器上述遙控裝置的主要性能指標(biāo) 1、工作電壓：DC12V 2、接收頻率：315MHz 3、接收靈敏度：- 95db 3.3各部分強(qiáng)度校核 3.3.1減速部分強(qiáng)度校核 1) 軸的強(qiáng)度校核材料:45#鋼 熱處理：調(diào)質(zhì) 圖9 中心軸受力圖對(duì)B點(diǎn)取矩： 得： 同理，對(duì)A點(diǎn)取矩得： 圖10 中心軸彎矩圖中心軸 最大彎矩為 則需用彎曲應(yīng)力校核如下 2) 太陽(yáng)輪強(qiáng)度校核材料：2A12鋁材太陽(yáng)輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度校核如下 ，其中 =3.4, =1.5, ， =1.4, 3) 行星齒輪強(qiáng)度校核材料：尼龍1010 行星輪輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度校核如下 ，其中K=1.98，F(xiàn)t=2 T1/d1= 太陽(yáng)輪與摩擦盤(pán)花鍵部分?jǐn)D壓強(qiáng)度校核如下 其中T=26950N.mm， =0.7～0.8取0.7，Z=6， 3.3.2懸停部分校核電磁鐵部分螺栓校核，采用4.8級(jí)M4螺栓 拉應(yīng)力校核 剪切應(yīng)力校核 3.3.3整體承載的安全校核 1) 軸一端M5的受剪螺栓 ， 2) 與螺栓連接的孔強(qiáng)度 ， 3) 掛鉤強(qiáng)度校核 4) 膨脹螺栓的強(qiáng)度校核 四、機(jī)構(gòu)建模與加工制造 4.1軟件建模 圖11 軟件建模 4.2加工制造的實(shí)物 圖12 加工制造的實(shí)物五、作品主要?jiǎng)?chuàng)新 1. 獨(dú)特的離心調(diào)速系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同體重，自動(dòng)調(diào)節(jié)下降速度； 2．具備遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離控制，人體可在空中任意位置懸停，避免額外危險(xiǎn)的發(fā)生； 3．安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保證設(shè)備可靠運(yùn)行，提高了逃生速度及安全性； 4. 具備防卡死結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)，減輕繩子磨損，提高使用壽命； 5. 可實(shí)現(xiàn)多人往復(fù)逃生，使用效率高。六、作品使用方法說(shuō)明以及試驗(yàn)結(jié)果在擁有此裝置后先將帶有掛鉤的支架用膨脹螺絲固定于便于逃生的地方（如陽(yáng)臺(tái)或窗外），然后將緩降器掛接于鉤子之上并將遙控器固定在安全帶附近。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人可迅速將安全帶系于身上，然后憑借重力下降，下降的同時(shí)，繩子帶動(dòng)繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)，繩輪同時(shí)帶動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行星輪帶動(dòng)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于太陽(yáng)輪和轉(zhuǎn)盤(pán)是連為一體的，太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)里的摩擦塊也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，由于離心力的作用將摩擦塊從轉(zhuǎn)盤(pán)中甩出，摩擦塊與摩擦盤(pán)產(chǎn)生摩擦，從而達(dá)到緩降的功效。在下降過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)下面出現(xiàn)突發(fā)情況不宜下降或換緩降部分出現(xiàn)故障，下降速度過(guò)快，可通過(guò)遙控器控制，進(jìn)行剎車(chē)、懸停，空中剎車(chē)部分通過(guò)繩子穿過(guò)穿繩軸，而穿繩軸軸的一端為圓形鐵盤(pán)，通過(guò)電磁鐵的吸力將穿繩軸向一側(cè)吸引，使軸產(chǎn)生一定位移，從而將繩子卡死，實(shí)現(xiàn)懸停。 本作品前后經(jīng)過(guò)重物試驗(yàn)與真人試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果良好，下降速度小于1.5m/s，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求并且符合國(guó)家相關(guān)規(guī)定，安全可靠，剎車(chē)、懸停部分同樣達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)效果，能夠及時(shí)剎車(chē)而且操作方便。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：日常生活中火災(zāi)經(jīng)常會(huì)發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)越來(lái)越大的威脅，而隨著高樓拔地而起，高層火災(zāi)問(wèn)題日益突出，因此高樓逃生器應(yīng)運(yùn)而生?；舅悸罚涸O(shè)計(jì)一種質(zhì)量輕、體積小、安裝方便，能在發(fā)生火災(zāi)的情況下幫助人們安全快速逃生的裝置，并且具有在危機(jī)情況下能夠瞬間停止的功能。創(chuàng)新點(diǎn)：1.獨(dú)特的離心調(diào)速系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同體重，自動(dòng)調(diào)節(jié)下降速度； 2.具備空中懸停功能，能實(shí)現(xiàn)人體任意位置懸停； 3. 具備遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離控制。技術(shù)關(guān)鍵：2K-H減速器各齒輪參數(shù)的確定；實(shí)現(xiàn)空中懸停的方式；關(guān)鍵部件材料的選擇。主要技術(shù)指標(biāo):最高限定質(zhì)量?jī)?nèi)人體下降速度均低于1.5m/s,并均能瞬間懸停，懸停時(shí)間大于1小時(shí)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研與文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上已有的高樓逃生裝置或體積龐大，不便于安裝使用，或結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣，而體積較小的或價(jià)格昂貴，或功能不全，缺少必要的保險(xiǎn)裝置，有的保險(xiǎn)裝置不便于老年人和小孩使用，需要較大的力氣。綜合分析以上各種缺陷，我組設(shè)計(jì)出了體積小便于操作且?guī)в斜ｋU(xiǎn)機(jī)構(gòu)的高樓逃生裝置，逃生中可以實(shí)現(xiàn)人體的空中懸停，而空中懸?？梢酝ㄟ^(guò)多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離遙控方式進(jìn)行控制。這種遙控方式較傳統(tǒng)手剎方式，省力、方便、安全。技術(shù)分析說(shuō)明：經(jīng)過(guò)推導(dǎo)人體理論下降速度 可以得到100kg時(shí)人體下降速度僅為0.97m/s,采用終吸力80kg的直流電磁鐵，保證人體空中懸停的可靠性。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2010年4月榮獲學(xué)?！俺奖睓C(jī)械設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)；2010年5月榮獲學(xué)?！皩?shí)驗(yàn)競(jìng)賽月”特等獎(jiǎng)；兩次比賽中學(xué)校專家對(duì)作品創(chuàng)新性與實(shí)用性方面予以了充分肯定。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：在擁有此裝置后先將帶有掛鉤的支架用膨脹螺絲固定于便于逃生的地方（如陽(yáng)臺(tái)或窗外），然后將緩降器掛接于鉤子之上并將遙控器固定在安全帶附近。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人可迅速將安全帶系于身上，然后憑借重力下降，如遇特殊情況，可由本人或其他擁有遙控器的人按下控制按鈕進(jìn)行懸?？刂?，實(shí)現(xiàn)人體空中懸停。技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：根據(jù)不同體重自動(dòng)調(diào)節(jié)下降速度，下降過(guò)程中，可通過(guò)遙控器多點(diǎn)遠(yuǎn)程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)人體空中懸停。適應(yīng)范圍：高層居民用戶，如社區(qū)家庭、酒店住戶等。市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：本產(chǎn)品體積小便于操作且?guī)в斜ｋU(xiǎn)機(jī)構(gòu)，若批量生產(chǎn)，成本極低，而高層居民日益增多，居民安全意識(shí)日益增強(qiáng)，因此，本產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)前景，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀 。
同類課題研究水平概述
- 經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研與文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上已有的高樓逃生裝置或體積龐大，不便于安裝使用，或結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣，而體積較小的或價(jià)格昂貴，或功能不全，缺少必要的保險(xiǎn)裝置，有的保險(xiǎn)裝置不便于老年人和小孩使用，需要較大的力氣。綜合以上各種缺陷，我組設(shè)計(jì)出了體積小便于操作且?guī)в斜ｋU(xiǎn)機(jī)構(gòu)的高樓逃生裝置，此裝置若能夠批量生產(chǎn)，成本將會(huì)很低，無(wú)論是一般的家庭或公司均可購(gòu)買(mǎi)使用，有著很好的市場(chǎng)前景和應(yīng)用推廣的價(jià)值。 2007—2009年8月高樓火災(zāi)逃生裝置產(chǎn)品不同類型平均價(jià)格走勢(shì)
