研究高楼逃生装置设计方案

1 研究高楼逃生装置设计方案 1 绪言 题的背景及研究意义 随着世界经济的发展，各个城市高楼林立。而高楼火灾、爆炸、地震等事故时有发生，高楼逃生自救就成为了迫切需要解决的问题。一般多功能的高层建筑，内部通道错综复杂，一旦发生火灾，楼内通风口会迅速扩大火势和烟雾，很快就会扩散到各个角落，一旦浓烟覆盖就会寸步难行。进而困在楼上无法脱身。当突如其来的灾难来临时，电梯会因为电力中断而不能用，楼梯又被人群堵死，一般的地面救援装备在高度上可能不够，而且还会因为装备的笨重而不能迅速快捷的实施救援 1。从而延 误抢救时机，有很多人都因此而丢掉了宝贵的生命或则留下终身残疾。因此如何快速而有效的逃离起火大楼成了一个生死攸关的问题。高楼逃生装置就在这样的环境应运而生。 本设计要求在高层建筑发生火灾等其他突发情况时，设计一种可以帮助人们方便，快捷的逃生工具。要求设计的逃生装置在各种结构的建筑物都可以适用，操作简单自动化，可以在一个人可以操作的尺寸和重量的范围内使用和运送 ,多次重复往返高楼大厦进行施救。因此，它可以最大限度地减少火灾伤亡。通过分析现有的一些高楼逃生装置，虽然大部分设备可以实现高楼逃生此功能，但其复杂的结构原 理和操作系统，昂贵的价格和偏低的安全性对高楼逃生自救还是很有限的。一些设备还需要电源控制，但当地震或火灾很可能无电力供应。复杂的操作使得有些人可能有自救装置因为不会使用而葬生。因此，本次设计高楼逃生装置是基于负反馈回路系统设计的一种结构简单、操作方便，并且不需要电力或其他能源驱动的纯机械结构的逃生装置。其原理是当逃脱人员因为重力下落时通过机构转换， 产生阻碍逃生人员快速下落的阻力，随着逃生人员下降，阻力能够随之增大，使逃生人员在下降过程中依次经历加速、匀速、减速三个阶段， 最终以一个安全的速度到达地面，实现成功 自救。该装置仰角人工可调，不用的仰角合适不同的高度范围。当从动轴和绳索之间的摩擦系数以及绳索的直径发生变化时，还可以通过改变该装置的仰角来恢复该装置的正常使用，适应于各种环境。 内外研究现状 在我们国家，主要的救生设备是缓降逃生器和空气救生垫。 缓降逃生器 2主要用于普通家庭和个人，它是由调速器，安全带，安全钩，绳索等组成。可携带 100公斤左右个人自由单向滑动，以每秒 建筑物的 30楼逃生，需要花费超过 60秒的时间，根据体重的不同，稍微有所差异。虽然 2 平时 60秒看似不起眼，但 在分秒必争的灾难逃生的现场下或稍显较长。现在使用这种逃生缓降器的情况并不理想，除了家庭消防意识弱，经济因素的原因。还因为这种逃生缓降器适用范围不高，老年儿童及病残都不能有效操作使用，可能还会出现多家庭同时使用产生交织安装问题，而且需要定期维护。以上种种因素导致它难以进入普通人们的家庭。 空气救生垫是利用充气膨胀而产生缓冲效果的高空救生设备。大部分都是由高强度纤维材料缝纫、粘合制成。使用时用高压气瓶充气即可，但救生气垫的安全性随着楼层的高度增加而降低。在 3是随着高度的增加 ，其缓冲效果和逃生人员落地的准确性都得不到保障。因此空气救生垫应用范围非常有限，对于楼层过高的高楼下跳是非常危险的。本来可能还有生路，这样纵身一跃把唯一的生路都无意间放弃了，如果跳下来没有落在救生垫上，结果肯定会很惨。 目前，国外高楼逃生装置有以下几种形式： 间歇冲击：间歇性冲击式逃生装置是由间歇性的撞击消耗能源 3。就和一个时钟的擒纵叉和擒纵轮的道理一样，达到消耗能量的目的。 液体流动阻尼：液体流阻尼逃生装置 4是根据液体流经小孔时会 产生稳定阻尼来降低速度的原理 。其主要特点是由于液体阻尼器的尺寸依赖 于外部负载，所以不管体重大小都能使用，而且效果良好。 此外，据新科学家杂志报道，美国国防部高级研究计划局正在研究弹射飞人。该研究的现实用途非常特殊，可以在紧急情况下可以把将警方或消防人员发送到高楼，从而迅速完成各项任务的。一种斜轨是以一个与地面斜坡成 80的姿态靠近目标位置，执行任务的人员坐在椅子上 类似于飞行员驾驶舱的弹射座椅。压缩气瓶中的空气从中迅速排出，则沿滑轨弹射座椅，到达滑轨顶部的时停止，身体由于惯性飞到屋顶，安全到达指定位置。正确计算抛物线轨迹是此方案成功与否的关键。因此如果有一台能够精准控 制发射角度和速度的电脑，此方案必定可行。据报道，确实有这样一台电脑能够两秒内把人安全送到 5楼。 楼逃生装置的类型 确保安全可靠的机械运动是必要的，而限制机械运动的速度是确保安全可靠的首要任务。目前，国内有不少自动限速装置的类型，主要包括包括间歇性、离心调速器和液体阻尼。 凸轮式高楼逃生装置 内凸轮自动限速器，如图 包括一个外径为 200固定内凸轮，其中，把凸轮支架设置在凸轮型腔内，中央导轨支架的横向的设置是有滑动阀芯的，多个依序连续并沿着同一圆周的弧形内凸轮面均匀分布在凸 轮型腔内，就组成了 内凸轮型腔的内周壁， 两个相邻的弧形内凸轮面的结合处到 内凸轮中心连线的延长线与延长方向所对的 弧形内凸轮面 的顶点相交 ，通过径向凸轮的中心的内腔内的凸轮的内芯的滑动 3 阀的长度等于设置有油室的导轨托架主体，滑动芯是固定连接与位于阻尼器的油室的上部和下部侧的阀。 图 轮式模型 当该凸轮滑动型芯在气门驱动用作往复横向移动，从而使从油腔从一侧通过间隙流动阻尼片的油室的另一侧，然后用缓冲室的另一侧回油油侧的初级侧，此过程中产生极大的阻尼，是为了限制内凸轮的速度。内凸轮构件与任何需要限速的回转件联接，可以实现自动限制旋转部件转动的速度。 优点：体积小，无噪音，成本低，易于安装和维护的制作，坚固耐用，实用性高。 缺点：复杂的，多部件，生产耗费时间和劳动力，下降速度不稳定，安全系数比较低。 轮蜗杆式高楼逃生装置 原理：利用自锁式蜗轮蜗杆可以驱动蜗轮，但该蜗轮不能驱动蜗杆， 使人们在逃生疏散过程中，掌握自己的命运。 优点：结构简单 ， 具有自锁，安全性，制造成本低廉 。 缺点：摩擦磨损大，物料需求比较高，操作程序复杂，一般人是不容易操作。 4 摩擦式高楼逃生装置 原理：人的重力驱动着卷轴的转动，当卷轴的活动很快时，会因为离心力而产生正压力，这样摩擦片与外壳产生的摩擦力就成为了逃生人员下降的阻力 5 ，并在下落速度达到一定值时，各项指标达到平衡，人逃生人员就匀速下降。 优点：逃亡下降过程中不需要人员控制。 缺点：局限性大，对最大和最小的重力都有限制，重力越大掉在地上的速度 越大，若不能以安全速度降落，则达不到最初的目的。而且最小使用重力为 200N。 5 2 设计方案的确定 机械系统是一个由原动机，传动系统，执行系统，控制系统以及其他辅助系统协调运作的系统。所以在机械系统设计的过程中应该着重注意上述几部分之间的协调运作。所以原动机的选择，传动系统、执行系统、控制系统以及其他辅助系统的设计都需要全面考虑。 整体机械系统设计的特点： 协调性：整个系统由各个子系统构成，而子系统有着不同的属性，但各个子系统结合时，他们必须遵循的总体功能需求。 相关性：系统内的各要素之间是相互关联的，有的相互作用，有的相互制约。改变任意一个要素就会牵动其他要素的变动，从而影响整个系统的性能。 内部和外部结合：外部环境的变化将导致内部系统输入的改变，从而将使得系统在输出时也会相应的改变，所以内外相互影响着。 案设计原理 高楼逃生起结构，如图 6 图 生装置结构图 6 本次设计中无需原动机，仅由逃生人员的重力使其下落。传动系统则选择齿轮传动，因为其特点是传动稳定、结构紧凑且双向传动。控制系统有齿轮外侧手柄和仰角调节旋钮。 在火宅、地震等灾难发生的时候，将该装置挂在窗口或则阳台，保证该装置的稳定 。该装置绳索的一端固定在主动轴上，并且顺时针缠绕，另一端在从动轴的上方通过后用于逃生。在逃生人员与绳索固定后，然后自由下降。因为绳索顺时针缠绕在主动轴上，所以在下落的同时会带动主动轴顺时针转动，主动轴的顺时针转动会产生一 7 个顺时针的转矩，然后再传递到主动轴侧边的齿轮上。又因为绳索在从动轴上方通过，在下降过程中，绳索对从动轴会因为压力而产生摩擦力。摩擦力则会对从动轴产生一个顺时针转矩，再传递从动轴侧边的齿轮上。经过外啮合齿轮的传递，齿轮的啮合处产生的反方向阻力，将会阻碍主动轴的顺时针快速转动，也就阻碍了逃生人员 的下降。之后随着逃生人员的下落，绳索的伸长，绳索厚度的减小。使得绳索与从动轴的包角越来越大，接触面积增大，摩擦力增大，从动轴的顺时针转矩增大，阻碍主动轴快速转动的力就越大。就这样，逃生人员的加速度经过正数零负数的过程。逃生人员也相应的经过了加速，均匀、减速过程，最后以安全速度下降到地面。此外，还可以调整仰角来合适不同高度的逃生。 图 生装置自动减速原理图 装置自动减速原理，如图 当有一定的直径当绳索在缠绕在轴上时，会有些厚度。随着逃生人员的下落，绳索的伸长，绳索在轴一上缠绕的层数越来越少，从而使得绳索在轴二的包角越来越大（），接触面积也随之增大。因为当压力一定时，摩擦力随着接触面积的增大而增大。此时反馈到齿轮二上，齿轮二的阻力也必然增大。这样就能达到使逃生人员 先加速再匀速后减速的目的，以安全速度降到地面。 计方案的优缺点 方案的优点： 相对于其他现 有的高楼逃生装置，此装置最大的优势在于设备不需要使用其他能源，仅依靠逃生者自身的重力。逃生过程中也不需要逃生人员的控制，适用于老弱病残等操作不便之人。此装置是纯粹的机械结构，结构简单，操作简单。 8 方案的缺点： 该设备对制作材料的属于要求较高，各个机构之间必须紧密链接。而且在人员下落的加速过程中速度可能会加到很大，逃生人员需要有一定的耐受性。逃生人员不能持续逃脱，每完成一个逃生人员，下一个逃生人员需要把逃生绳再缠绕后逃生。还有就是后面重点说到的通用性不足。 9 3 逃生装置各部件 设计 的设计 动轴的设计 45调质 钢 7是该装置中轴材料的最好选择。初取主动轴半径轴 51 ，重力500 。则主动轴所受扭矩 1。当扭转切应力为脉冲循环变应力时， 。则按 轴的弯矩和扭矩合成强度条件校核 8时，一般只校核危险截面的强度 9，则有： 31)2(1.0 （ 式中 轴的危险截面计算应力； 折合系数； T 轴所受的扭矩； W 轴的抗弯截面系数 ( 31.0 )。 由轴常用材料性能及其主要力学性质表 8查得对称循环变应力时轴的许用弯曲应力 ，因为 M 符合要求。 动轴的设计 初取 02 ，轴长 50 。 取切向力的极限最大值，分析知轴的中点为危险点有： 2s a x （ 对中点的弯矩有： 11 250 02（ 轴受到 f 产生的转 矩最大值由（ （ 计算。 2a x （ 2（ 其中取 54.0u ， 82 ，当 180 时同时取得最大值： 10 620 ， 48600 再按轴的弯矩和扭矩合成强度条件校核 8： (2242 （ 为 M 符合要求。 由上述校核可知 1r 、 2r 的值均可以满足条件。考虑缠绕绳的速度取绕绳轴半径01 ，另一轴半 径 52 。 轮的设计 目前，设计一般使用的齿轮传动时，通常只按齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度来设计计算 8。本次设计中，因为在其他条件一定时，中心距越大，则包角越大。而该装置就是利用包角的增大来实现减速。所以在保证该装置的尺寸能够接受的同时应该使两轴中心距最大化。所以在此考虑选用多对相同齿轮，因为这样可以保证较大的中心距的同时，使得装置连接紧凑，美化装置的外观，更重要的是减轻装置的重量。根据拟定的轴长，确定选择两对 相同型号的齿轮 10。 齿轮齿面接触疲劳强度设计 根据上述计算的取值 r=35G=1500N。 故齿轮传递的最大转矩为： T=52500N 力循环次数取 610 次。 取圆柱齿轮的齿宽系数 3.0d（悬臂布置），齿数比 1u 。 齿轮的接触疲劳强度极限： 00 根据本设计要求和查机械设计第八版，选用以下数据： K ， K ， K， 1 2/ ， 使用系数； 载荷系数； 动载系数； 11 接触强度 计算齿间载荷分配系数； 弯曲强度计算齿间载荷分配系数； 接触强度计算齿向载荷分布系数； 弯曲强度计算齿向载荷分布系数； 弹性系数； 接触疲劳强度计算寿命系数。 现取失效的概率为 1，安全系数 S=1。 则接触疲劳许用应力 11为： （ 式中 H 许用接触应力； 接触疲劳强度计算寿命系数； 失效概率为 1%时齿轮的接触疲劳极限。 其中， S 的值已知， 值可由机械设计（第八版）第 10章 图 10。 将已知数据代入式（ ： 28 计算齿轮分度圆直径： （ 式中 齿轮分度圆直径； u 齿数比； d 齿宽系数； H 许用接触应力； 弹性系数。 12 将数据代入式（ ： 因为12，再根据 校核公式： （ 则根据校核，满足要求，再求出其他尺寸。 齿宽如式： 1 （ 模数如式： tt 齿高如式： （ （ 带入上述数据得： 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径： （ 计算模数，将数据代入（ ： 02.2m 齿轮齿根弯曲强度设计 由机械设计（第八版）第 10章 图 100 齿轮的弯曲强度极限为 20 ， 取弯曲疲劳安全系数 ，计算弯曲疲劳许用应力： （ 代入数据得： 60 计算载荷系数： 13 查机械设计（第八版）第 10章 表 10 3 22 （ 式中 齿形系数； 应力修正系数。 代入数据得： 73.1m 根据校核公式： 4223（ 则根据校核，满足要求。 计算结果知，根据齿面接触疲劳强度计算出模数比根据齿根弯曲强度计算出模数大，因为齿轮的模数主要与弯曲强度决定的承载能力有关 12，而齿面接触疲劳强度决定的承载能力仅仅只与齿轮的直径有关，而与模数无太大关联。所以取由弯曲强度计算并四舍五入到最接近的标准值时，本次设计中取 m=2 然后按照接触疲劳强度计算相关的分度圆直径： 012 计算中心距： 02 21 （ 计算齿轮齿宽，数据代入（ ： 1 他零部件设计 其他零部件的设计及校核就不详细列出，在此就作一个简单的说明介绍。 件和手柄的设计 根据实际情况以及齿轮的直径取板件的 主要尺寸如下： L=150 W=700=20柄和板件的孔直径可以根据国家标准、实用性以及轴的尺寸确定。 杆和挂钩的设计 因为该逃生装置需要满足不同结构不同尺寸的逃生窗， 在使用过程中也能需要大幅度调节其仰角，则连杆和挂钩的长度都 需要可调。为了实现可调，可采用较长的螺 14 纹旋合式连接 13 ，这样可以根据不同尺寸的逃生窗和不同仰角的角度来调节挂钩和连杆的长度来满足需求，这样就可以适应不同建筑不同高度的用户。其尺寸可以根据配合情况确定。 15 4 逃生装置的计算和验证 设计好该逃生装置的各个构件之后，对于其可行性和安全性还需要验证。下面对逃生人员落地的耗时长短以及落地的速度是否安全进行计算验证。 力学平衡计算 N 为绳与轴的正压力， 角为包角的微元 静力学平衡 14方程如下式： o o s)(2s i i n)(（ 当 趋近无穷小时有22 ， 12经过计算得： 2 （ 假设逃生人员的质量为 m ，主动轴与从动轴之间绳的拉力为 1F ，从动轴与逃生人员之间的拉力为 2F ， 为绳与从动轴的包角。 当人固定在绳上，再由上面推导结论和力矩平衡有： 212111 )( （ 则得合力公式： 12111 )( （ 加速度公式： 2111 )( （ 又因为当加速度为 a 时，有： （ 则得 (1 （ 16 将（ 入（ ：12)()()( （ 则得： 1212121211)1(（ 当合力，加速度为零时 ,有 2 ，所以： 0)( 2111 （ 则得静力平衡模型： 221 R （ 速度和速度计算 在计算中取摩擦因素 为 子直径 d=5力加速度 g 为 10m/层绳子绕 8 圈。 设在绳索的第四层达到平衡，则有： 35 21 R （ 算得： 此时，仰角为： r c c o s 21 a （ 根据上述推导的公式计算后得出数据，如表 表 速度的计算 绳子层数 包角（ 加速度（ m/ 第一层 二层 三层 四层 第五层 17 第六层 七层 八层 楼层为 6层，每层 3m，即共 18表 表 降的瞬时速度 绳子层数 绳子长度（ m） 下降完该长度瞬时速度（ m/s） 耗时（ s） 第八层 第七层 六层 五层 四层 三层 二层 一层 地速度为 s 为安全落地速度，总下降需要时间为 :图中数据得出速度时间关系图，如图 18 70 1 3 52 41356 度时间关系图 由 表 5可知： 逃生人员使用该逃生装置从第 6层高度为 18米的位置下落，将会以 s 的速度着地 ，而人类着陆的安全速度为 5m/s，则该装置下落速度安全。所以本文设计的逃生装置达到了预期目标，能够实现在高楼 灾难时安全逃脱。而且表中的下落总时间也只要几秒，能够迅速逃脱险情。 算一定条件下逃生最大高度 估算在摩擦因素 为 子直径 d=5层绳子绕 8 圈时的逃生最大高度。 在加速度为零时，由几何关系可知仰角的计算公式为： R 2ar c co 0 212 21 （ 式中 a 齿轮的中心距。 因为当仰角为 90时，有最大包角。经过计算，当 51 时，仰角差不多为90。此时，绳子的厚度为 45用绳子的体积相等计算绳子的长度 L： 30212 （ 解得： 3 1 . 5 2 5 2 0 m 因为逃生人员的 加速度经过正数零负数的过程，所以可以看成一个对称的过程（实际上肯定不是完全对称的，这样是为了方便估算）。 19 则逃生人员的在 摩擦因素 为 子直径 d=5层绳子绕 8 圈的情况下 估算的最大距离为 2L=为不需要逃生人员的落地速度可以大于零，只要小于 5m/以最大高度还可以有小量增加，综合各 方面考虑 16，估计在最大高度为 65：当绳子直径和每层绳子绕的圈数不同时，逃生的最大高度会有所不同。 析逃生装置的可行性 经过计算分析可知，该装置虽然能够达到自减速的目的，但是该装置的最大缺点就是通用性不足。在一定的高度逃生时，一定需要仰角，绳子初始厚度，每层绳子绕的圈数达到一个平衡范围才能实现成功逃生。在一定的高度下逃生，如果仰角过小，绳子初始厚度过大，每层绳子绕的圈数过多，都会导致加速过程过长而减速过程不足而不能以一个安全速度着地。反之，如果仰角过大，绳子初始厚度过小，每层绳子绕的 圈数过少，则会导致加速过程过短而减速过程提前结束，会使逃生人员停留在半空中。 所以，该逃生装置一旦仰角，绳子初始厚度，每层绳子绕的圈数确定后，该逃生装置就只能在一定高度的范围内逃生。如果在其他高度逃生，可能会导致摔伤或则停留在半空中，而不能达到成功逃生的目的，反而会将自己置于另一个险境。 20 5 总结与展望 至此，为期一个学期的毕业设计就要结束了，同时也给自己的大学生活画上一个句号。这次毕业设计可以说对自己大学这几年所学知识进行的一个全面的回顾和复习，这其中也发现了自己的不足和欠缺之处，虽然今后 像大学这样系统的学习机会还会有很多，但是能够通过毕业设计发现自己不足之处，能够再一次全面系统的学习一次大学知识，将会对自己起到很大的帮助。 通过这么长时间的锻炼和学习，使自己学到了很多在课堂上不曾学到的知识和经验，这对以后工作和学习都很有益。 最后再对本文总结一下，在本此设计过程中： 首先是确定设计方案，本文的设计方案是利用逃生人员自身重量自由落下，通过转换机制产生阻碍逃生人员自由下落的阻力，使逃生人员能够有一个减速的过程，降至安全速度后达到地面。 然后是对该装置的重要的零部件设计和校核。根据经验和实际情况 初取轴的半径，通过弯扭矩合成条件对轴进行校核；再根据齿根弯曲强度和齿面接触疲劳强度对齿轮进行设计计算和校核。 最后是通过计算验证该装置功能的可行性和实用范围。经过计算分析可知该逃生装置的自减速功能可以实现，但是通用性不足，由此我设想把现代化的人工智能 16应用到该逃生装置上，自身可以根据加速度来自动调整仰角，使该逃生装置能够在各个高度通用。 21 致 谢 春去秋来，时光荏苒，几载寒暑匆匆而过，如果将人生比作一本书，则大学就是这本书的前言，很庆幸能在这个学校留下欢乐的笑脸，勤奋的身影，以及思索的 足迹。虽然毕业即将来临，但我依然很留恋这个美丽的校园。 古语曰“师者，传道授业解惑也”，厚德以传道，行正以授业，博识以解惑。虽然完成本次毕业设计花了很多时间与精力，但这不是我一个人的功劳，从课题的选择到论文的完成，我的指导老师范奎老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。当我即将完成毕业设计之时，涌上心头的不是长途跋涉后即将抵达终点时的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。谢谢你，老师，你幸苦了。 “一枝独秀不是春，百花争艳香满园”，在四年求学生涯里，我结识了不少优秀同学，由衷感谢所提供的无私帮助，给予的热心指点，难 释那段“如切如磋，如琢如磨”