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基本信息
- 項目名稱：
- 自適應(yīng)電磁阻尼式高樓緩降器
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 通過交流永磁同步電機(jī)被動發(fā)電模式下的電磁轉(zhuǎn)矩控制調(diào)節(jié)絞盤轉(zhuǎn)速，運用電磁阻尼原理：當(dāng)重物下降帶動絞盤轉(zhuǎn)動，通過減速器帶動交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，由計算可得重物下降的速度與電壓成線性關(guān)系，利用純硬件電路控制器來控制外電路IGBT開關(guān)的狀態(tài)，以此來控制電機(jī)轉(zhuǎn)子中的電流，達(dá)到控制電磁轉(zhuǎn)矩的目的。從而實現(xiàn)自救逃生人員下降速度平穩(wěn)、自適應(yīng)控制。
- 詳細(xì)介紹：
- 本設(shè)計為了便于在高樓逃生這種緊急狀況下的緊急操作，提供了一種自適應(yīng)電磁阻尼式高樓逃生緩降器，該緩降器由主軸及在其上安裝的絞盤、減速器、交流永磁同步電機(jī)、控制器、救生繩、支撐架和手搖柄等構(gòu)成。(如圖1) 從（圖2）可以清楚看到，交流永磁同步電機(jī)（14）直接與行星減速器（13）相連，減速器的軸通過標(biāo)準(zhǔn)鍵（11）與由45號鋼制成的滾筒（12）聯(lián)接，使其同步轉(zhuǎn)動，主軸（4）一端與滾筒通過標(biāo)準(zhǔn)鍵（6）聯(lián)接，另一端接出搖柄（3），便于回轉(zhuǎn)繞線，重復(fù)使用。絞盤由兩塊絕緣材料制成的擋盤（2）通過螺栓和滾筒連接而成。外框架（1）由四塊Q235A級鋼制成的框板通過8個標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角螺釘（8）相接，其上下板中央均打有直徑為24mm的孔（7），分別起到了安裝固定裝置的掛鉤和引導(dǎo)繩索的作用。整個裝置尺寸規(guī)格為406mm×155mm×320mm（不含搖柄、減速器、電機(jī)、掛鉤），樣品裝置體積較小、結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性好。 介于行星減速器的傳動比為1：70，外力較難將軸轉(zhuǎn)動，為能在短時間內(nèi)將繩繞回滾筒，在滾筒內(nèi)設(shè)置了棘輪機(jī)構(gòu)（如圖3），其將往復(fù)運動轉(zhuǎn)換成單向步進(jìn)運動。棘輪輪齒采用單向齒，棘爪鉸接于轉(zhuǎn)盤上，搖柄順時針方向擺動，驅(qū)動棘爪傾斜面接觸棘輪齒不阻礙棘輪轉(zhuǎn)動；搖桿逆時針方向擺動，棘爪側(cè)面阻礙棘輪滑動，棘輪停止轉(zhuǎn)動。這樣不僅實現(xiàn)了多人救援、重復(fù)使用的功能，也減輕了裝置的重量。 該緩降裝置核心部位是交流永磁同步電機(jī)及其自適應(yīng)速度控制器。根據(jù)交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子繞組感應(yīng)電動勢的線性關(guān)系設(shè)計了一種基于電壓比較器的自適應(yīng)速度系統(tǒng)電路，使用RS觸發(fā)器結(jié)合2個電壓比較器——速度上限比較器和速度下限比較器（如圖2），采用遲滯比較原理，通過比較器電路輸出的電平信號對RS觸發(fā)器進(jìn)行復(fù)位與置位，繼而通過RS觸發(fā)器的輸出信號Q對IGBT開關(guān)進(jìn)行觸發(fā)控制，從而達(dá)到對下降速度的BANG-BANG控制。 實驗測試結(jié)果 為了驗證裝置的性能，對所制作出的實物樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場演示實驗（見視頻）。以下是實際試驗得到的數(shù)據(jù)。 裝置下降速度測試結(jié)果： 載荷（Kg）下降高度（m）下降時間（s）平均速度（m/s） 20 15.7 22.2 0.707 40 15.7 22.0 0.713 60 15.7 21.6 0.726 高樓逃生緩降器參數(shù)： 參 數(shù) 單位 數(shù)值 額定下降速度 m/s 0.72 最大承載重量 Kg 168 最小承載重量 Kg 20 控制系統(tǒng)工作電壓 V 15 功率電阻 Ω 26 最大寬度 mm 320 最大高度 mm 406 使用最大高度 由繩長決定 重復(fù)使用 一臺可救多人 安全繩 內(nèi)芯?4.2mm船空鋼絲繩，外包雙層編織麻線，破斷負(fù)荷：>3.5KN，繩長：40m
作品圖片
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)
- 本新型高樓緩降器設(shè)計過程貫穿了三個主導(dǎo)思想： 第一、高樓逃生的過程本質(zhì)上是人員勢能釋放的過程，采用電磁阻尼方式具有制動力調(diào)節(jié)平滑，無機(jī)械磨損，物理原理可靠的優(yōu)點。 第二、采用純硬件電路控制對電磁阻尼進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，顯著簡化了高樓緩降裝置的操作復(fù)雜性，便于多種人群緊急使用。 第三、發(fā)電制動過程中，利用逃生人員釋放的勢能對控制器進(jìn)行供電，使其擺脫了對外部電源的依賴，更適用于各種突發(fā)性災(zāi)害等緊急場合的使用。 本設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法，將多種原理集合于該作品，理論知識充分轉(zhuǎn)化為實際創(chuàng)作。其創(chuàng)新點可以歸納為以下三點： 機(jī)電一體化：將機(jī)械和微電子結(jié)合，采用純硬件電路控制對電磁阻尼進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)預(yù)期的功能，顯著簡化了高樓緩降裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與操作方式復(fù)雜程度，使作品更加智能化、自動化。 無需外部電源：發(fā)電制動過程中，利用逃生人員釋放的勢能對控制器進(jìn)行供電，使其擺脫了對外部電源的依賴，更適用于各種突發(fā)性災(zāi)害等緊急場合的使用。采用電磁阻尼方式具有制動力調(diào)節(jié)平滑，無機(jī)械磨損，物理原理可靠的優(yōu)點。 高可靠性設(shè)計：作品的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)設(shè)計貫穿了安全設(shè)計理念，如純硬件電路方式的BANG-BANG速度控制器、交流永磁同步電機(jī)、大扭矩行星減速機(jī)等的使用，減少了危急情況下由于逃生人員操作失誤而導(dǎo)致二次事故的發(fā)生幾率。使作品更具安全性和可靠性。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本新型逃生器將機(jī)械和微電子結(jié)合，利用Bang-Bang控制的方法來代替人去完成測試、判斷和控制工作，以實現(xiàn)預(yù)期的功能，使作品更加智能化、自動化、人性化。減免了過多的人為操作，降低了處在危險中的逃生人員由于操作失誤而造成的二次事故率。本高樓緩降器適用于各類建筑空中救險、逃生裝備。尤其對于很多公共娛樂場所（商業(yè)樓、銀行、醫(yī)療建筑、賓館等）更具有安全保障作用，屬于公共場所固定安裝式逃生設(shè)備。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年5月29日在寧波大學(xué)參加浙江省第七屆大學(xué)生機(jī)械設(shè)計競賽，獲得三等獎。 2010年11月10日浙江師范大學(xué)第四屆“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)作品競賽一等獎。 2011年1月被立項為浙江省新苗人才課題項目。 2011年3月中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所孫丙宇研究員對該設(shè)計作品進(jìn)行的評價。 2011年4月11日提出專利申報，申請專利號為：201120103128.2。
作品所處階段
- （B）A．實驗室階段 B．中試階段 C．生產(chǎn)階段 D． （自填）
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 按專利所附權(quán)利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- √實物、產(chǎn)品 √模型 √圖紙 √磁盤 √現(xiàn)場演示 √圖片 √錄像 √樣品
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(jì)效益預(yù)測
- 推廣應(yīng)用價值： 本高樓緩降器適用于各類建筑空中救險、逃生裝備（住宅樓、辦公樓、寫字樓、教學(xué)樓等）。尤其對于很多公共娛樂場所（商業(yè)樓、銀行、醫(yī)療建筑、賓館等），更具有安全保障作用，相較于其他市場上的高樓緩降器，不存在機(jī)械摩擦，能更高效、更安全地將需救人員送至地面，而且能實現(xiàn)較多人的重復(fù)使用而不會被損壞。相信各公共場所如果安裝了該高樓緩降器，也就是為顧客提供了更有力的安全保障。并且該交流永磁同步電機(jī)及轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)不僅能應(yīng)用于高樓緩降機(jī)，也能應(yīng)用于其他需要控制轉(zhuǎn)速并且不能外接電源的場合。具有很廣的應(yīng)用前景。 使用說明： 使用時被救人員系好安全帶，將帶夾調(diào)整適度。拉動鋼絲繩，使其處于繃緊狀態(tài)。 被救人雙手扶住逃離口處，請先將身體懸于室外，松開雙手，開始先加速后勻速下降。在下降過程中，面朝墻，雙手輕扶墻面，以免擦傷。該緩降器每次提供一人使用，（如有幼兒可由成人懷抱，使用該緩降器逃生）。當(dāng)?shù)谝蝗讼陆岛?，第二人可以通過搖柄將鋼絲繩卷上來，從而可以多次重復(fù)使用。
同類課題研究水平概述
- 目前市場上的緩降器形式較為單一，一般都是通過緩降繩索帶動主機(jī)內(nèi)的行星輪減速機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)與磨擦輪轂內(nèi)的磨擦塊產(chǎn)生磨擦作用，從而產(chǎn)生阻力，使重物下降速度減慢。與此同時，人們也有運用擺線齒輪減速系統(tǒng)、液壓阻尼系統(tǒng)、離心力原理、空氣阻尼系統(tǒng)、速差式備用制動器等原理系統(tǒng)研制緩降器。盡管實現(xiàn)原理不同，緩降器的一般應(yīng)用情況要求其將避難者降落速度控制在0.7~1m/s。 然而諸如行星輪減速機(jī)構(gòu)、齒輪減速系統(tǒng)、速差式備用制動器等依賴機(jī)械阻尼的緩降裝置多次重復(fù)使用時易出現(xiàn)疲勞強(qiáng)度減弱、零件磨損、塑性變形等問題，且由于其摩擦力的大小由離心塊的離心力的大小和摩擦狀況決定，很難保持勻速下降[11]；而液壓阻尼系統(tǒng)、空氣阻尼系統(tǒng)都對設(shè)備精度要求十分之高，易受環(huán)境的影響。同時這類緩降裝置都還存在著其它共性缺點，如對使用者的體能、操作技巧要求高，適用人群范圍窄，難以適用老幼病殘者；下降過程需要人工操作，且不能連續(xù)使用，下降速度不穩(wěn)定，存在安全隱患。其主要針對普通家庭和個人使用，多戶同時使用還有可能發(fā)生相互纏繞，以及安裝問題、定期保養(yǎng)等原因，因此難以走進(jìn)百姓家門。 當(dāng)然也有人發(fā)明了運用電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩或電磁制動器進(jìn)行制動的緩降裝置。比如：陳品志[16]等人設(shè)計了一種基于直流發(fā)電機(jī)和電磁制動器的高樓逃生緩降器。其設(shè)計選用了直流電機(jī)和電磁制動器，運用單片機(jī)進(jìn)行制動控制。但直流電機(jī)本身存在著一些缺點[17]，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)，最高轉(zhuǎn)速和使用環(huán)境也受限制；此外，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本較高。同時單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)質(zhì)量參差不齊，使用和維護(hù)也相對復(fù)雜、困難[2]。 綜合分析以上逃生裝置的優(yōu)缺點，設(shè)計了一種基于電壓比較器的自適應(yīng)速度系統(tǒng)電路，采用純硬件電路控制，省去了大量的編程，排除了死機(jī)的可能性，大大提高了緩降裝置的可靠性。同時采用遲滯比較原理，減少了IGBT開關(guān)狀態(tài)改變的頻率，增加了開關(guān)的使用壽命。實現(xiàn)了自動化、智能化，提高了安全性能，擴(kuò)大了適用范圍，并且大大降低了生產(chǎn)成本。
