具有逃生功能的自动窗的机械结构设计与制作

具有逃生功能的自动窗的机械结构设计与制作摘要本文是参加第五届首都高校机械创新设计大赛的参赛作品具有逃生功能的自动窗的设计与制作，详细介绍了该自动窗的创新设计研究与开发。窗户是生活中处处常见的必要物件。本文首先对一般窗户的结构和开关机构做了较为全面的介绍；其次进行了该自动窗机械结构的设计和主要功能的简述， 在对主要零部件进行强度校核的基础上，运用先进的三维设计软件Pro/ENGINEER Wildfire完成了自动窗零部件的结构造型设计、装配设计和运动仿真；最后就该自动窗主要部件的加工与安装调试进行了详细的设计说明。本文结构设计在大量市场调研的基础上得出，具有较强的实用性，加工安装调试工艺步骤清楚，设计制造完成的产品达到设计目标，主要功能可靠性强。本文设计过程参照机械设计手册及国家机械制图标准等。所设计的具有逃生功能的自动窗体现了设计合理、结构先进、选材经济、自主创新、逃生效率高、适用范围广等特点，具有很好的市场推广和开发价值。关键词：自动窗，火灾逃生，结构设计，创新，三维造型VIAbstractThe thesis is mainly about new automatic windows with the escape function, which is a participation of the fifth times of the capital university machine innovation and design competition. The article particularly introduces about the design and simulation of automatic windows with the escape function, automatic window described in detail the innovative design of the research and development.Windows is a common need for our life. Firstly, the general structure of the windows and switch bodies to do a more comprehensive description; second window for the automatic design of mechanical structure and main features of the brief, in check the strength of the main components based on the use of advanced 3D design software Pro / ENGINEER Wildfire parts to complete the structure of the automatic window design, assembly design and motion simulation; last automatic windows on the main components of the processing, installation and commissioning a detailed design specification. This structural design in a large number of market research based on the draw, has a strong practical, processing, installation and commissioning process steps clearly, design and manufacture of the finished product to meet the design objectives, the main function of reliability.This reference design process and mechanical design handbook mechanical drawing national standards .Designed to function automatically with escape window reflects the reasonable design, advanced structure, selection of economy, innovation, escape, high efficiency, wide application and so on, with good marketing and development value.Keywords: automatic windows, fire escape, structural design, innovate, three-dimensional sculpt目录第一章概述11.1 前言.11.2 自动窗的研究现状.21.2.1 自动窗的历史21.2.2 自动窗的研究方向31.3 自动窗的结构与分类.41.3.1 自动窗的基本结构41.3.2 自动窗的分类51.4 课题来源与研究意义.61.4.1 课题的来源61.4.2 研究意义61.4.3 市场前景81.4.4 研究的基本内容8第二章具有逃生功能的自动窗的机械结构创新设计92.1 前言.92.1.1 火灾逃生理论的概述与思考92.1.2 创新设计的思路122.2 窗体的结构设计.142.3 纱窗窗体的锁死弹出机构的设计.172.3.1 纱窗支杆的设计172.3.2 滑块限位机构的设计192.4 玻璃窗窗体的任意位置自由锁死机构的设计.202.4.1 玻璃窗支杆的设计202.4.2 窗体任意位置自由锁死机构的设计212.4.3 滑块中心轴的固定底座的螺栓连接的设计222.5 玻璃窗窗体的回弹机构的设计.242.5.1 回弹机构的设计242.5.2 压缩弹簧的设计262.6 逃生滑道的弹出锁死机构的设计.282.7 逃生滑道的设计.31第三章具有逃生功能的自动窗的三维实体建模和加工制作343.1 Pro/Engineer Wildfire 的概述.343.2 具有逃生功能的自动窗零部件实体造型.343.3 具有逃生功能的自动窗实体装配模型.363.4 加工制造与安全调试.383.4.1 窗体加工383.4.2 滑道弹出及锁死机构加工制造383.4.3 安装调试393.4.4 加工实物图39第四章具有逃生功能的自动窗的技术经济分析414.1 具有逃生功能的自动窗的技术分析414.2 具有逃生功能的自动窗的经济分析.414.3 同类产品比较.414.4 具有逃生功能的自动窗的结论与展望.43参考文献45致谢47具有逃生功能的自动窗的机械结构设计与制作第一章概述1.1 前言火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。随着我国城市建设的发展，高层建筑、地下建筑、宾馆、饭店、商场、公共娱乐场所等越来越多。加上装修中使用的大量易燃有毒有害的可燃材料，使建筑物中发生火灾和人员伤亡的概率越来越高。据统计，我国上世纪 70 年代火灾年平均损失不到 2.5 亿元，80 年代火灾年平均损失不到 3.2 亿元。进入 90 年代，特别是 1993 年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000 多人。据公安部消防局统计，1991 年至 2000 年十年间，全国共发生火灾88 万余起，死亡 25000 余人，伤 40000 余人，直接财产损失达 116.5 亿元。2001年，全国共发生火灾215863 起，致死2314 人，伤3752 人，直接经济损失达13954.2万元；2002 年，全国共发生火灾 258315 起，致死 2393 人，伤 3414 人，直接经济损失达 154000 万元。2004 年，全国共发生火灾 252704 起，死亡 2558 人，受伤 2969 人，直接财产损失 16.7 亿元。2005 年上半年，全国共发生火灾 136479起，死亡 1513 人，受伤 1215 人，直接财产损失 73358.5 万元。另外地震中的人员撤离，也是值得我们关注的问题。近几年我国地震频发， 在 2008 年的汶川地震中，我国共遇难 69142 人，失踪 17551 人，受伤 4624 万人；前不久的青海玉树县的 7.1 级地震，造成了 2220 人遇难，70 人失踪。之所以造成这么大的损失，很大程度上也是由于人员的不能及时撤离危险区域，到达安全地带1。因此火灾发生时的及时报警和人员的快速撤离，是减少财产损失，保证人身安全的关键。因此在这个背景之下，本设计小组本着逃生救援的目标来设计研究具有逃生功能的自动窗，旨在主要针对中层建筑物（10 层以内），面向学校、购物中心、写字楼等人群密集场所，可作为在遇突发事件（如火险和中低级地震）时的逃生通道，方便人员在紧急情况下迅速并有序逃离现场。目前高层建筑的有效救援和应急逃生，已经成为人们高度关注的社会问题。积极开展多元化的救援逃生技术研究和应用，是摆脱我国目前救援技术被动落后困境，适应我国经济高速发展和建设和谐社会的需要，也是关系到千万人民生命40和财产安危迫在眉睫的大事。可以说：我们的目的就是试图给人们更多生存的可能性，使生命得以延续。1.2 自动窗的研究状况1.2.1 自动窗的历史从原始社会到现代文明，随着人类的不断进步，供人类居住的简陋巢穴渐渐演变成现代多功能的适宜建筑，它根据人们的不同需要，分门别类地呈现出不同的式样，营造出一个个独立的主题空间建筑，如公寓、博物馆、写字楼等等。当人们进入这些建筑空间里面，常常会置身于建筑营造的氛围中，这种氛围可能是舒适的，也可能是压抑的。那么建筑自身的这种氛围也可以通过建筑构件的细部设计来营造，而在这些具有营造功能的建筑构件中，窗的细部更是起了重要的作用。通过对窗细部的不同设计，可以表达出建筑的不同性格，展现出它们的使用功能，窗户是室内向外界延伸的渠道，能反射建筑的灵魂，让我们感觉到建筑的生命。窗是建筑立面比较重要的构件，其间的细部十分丰富，构造形式也多样。早期窗的形式更多地是文艺复兴时期出现的古典样式，它们是固定与毫无变化的构造模式，其上的细部表现是各式各样的浮雕，用石材建造，或者是外贴装饰脸与附加上的各种装饰材料包边，它们虽然表现在二维平面的视觉元素之中，但实质表达的是一种脱离建筑本质与作用品质的外表装饰之中。到了当代建筑细部的表达较之传统具有不一样的形式和意义，他们不再有各式各样的装饰细部，它们因功能与目的不同而形成现代的实用细部，解决了整体与部分之间的关系，真实地显示了多元文化与实用的内涵2。而人类文明发展的如此先进的地步，自动窗俨然成为当今人们需求的家居产品。近年，欧洲、北美、日、韩地区，住宅窗体产品启闭方式已开始向自动化方向发展。如德国的诺托、意大利的图兰朵、韩国的 LG 等，均有自动化窗体生产。在中国，自动化窗体正在逐步为人们所重视，不仅各种进口的自动窗和自动开窗器出现在中国的市场上，而且以天韵自动窗为代表的具备完全的自主知识产权，技术先进，功能完善的国产自动窗逐步成为国内市场的主体，越来越多的自动窗体被应用到各种建筑当中。由于自动窗是刚刚发展起来的新产品，还没有形成成熟、稳定的行业，尚未形成统一的行业标准和规范，因此目前市场上的自动窗产品在各个方面的差异非常大，多数产品还不能算是成熟、完善的自动窗。1.2.2 自动窗的研究方向经过漫长的自动窗的发展历史，总结出一个成熟、完善的自动窗产品应该具备以下特点：1、具有广泛的适应性自动窗的核心是自动窗控制驱动系统(简称：控驱系统)。它的适应能力的强弱直接决定了其是否能够得到广泛的应用和普及。有一些控驱系统产品需要使用专用型材或某类单一型材，不能与市场上的各种品牌各种材质的窗体相结合，因此无法在建筑窗体市场上得到广泛的应用。 成熟、完善的自动窗控驱系统产品， 能够与目前窗体市场上普遍使用的各种塑、铝、木窗相结合成为多种自动窗，满足不同用户的需要，因此可以得到广泛的应用。2、不破坏窗体结构、不降低窗体性能窗体是建筑重要的部品，如果其结构受到破坏，将影响窗体的正常使用。因此自动窗控驱系统与窗体的结合，必须保证不会破坏窗体的结构强度符合规范的要求。 出于节能、环保等要求，现代建筑对窗体的抗风压强度、空气渗透性、雨水渗透性、热阻及隔声等性能指标均有非常高的要求。自动窗的窗体性能同样需要满足规范的要求。目前有许多为了实现自动(或电动)而不惜降低窗体性能的做法是不可取的。3、保证窗体外观人们对窗体外观有着传统的审美观点，不同地区各有不同。如德国人喜欢窗体比较厚重窗形多为窄高；日、韩地区喜欢窗体宽大；中国人多喜欢简洁轻巧、比例匀称的窗形，不喜欢有很多影响美观的外露和明显的比例失调。如果忽略了这些，违背了人们的传统习惯，这样的产品很难被大众所接受4、完善的使用功能自动窗需要具备非常完善的使用功能，才能保证其使用的便利性和安全性。如：窗停即锁功能，保护窗扇不从室外打开；关窗防夹功能，防止以外夹伤；手动备份功能，当遇到停电状况时，可以通过手动关闭窗扇；高位窗备用电源，高位窗无法用手动关窗，需要设置备用电源，保证停电时控制窗扇启、闭；阳台落地窗的内外电子开关的自动识别功能，即保证满足使用者的出入控制需要，有保证不让外人进入，等等。5、高可靠性、免维护、长使用寿命自动窗是与人们的生活密切相关的产品，它的应用将给人们带来很强的便利性。但是如果需要经常维护或维修、更换，那么就会给使用带来极大的不便，因此自动窗产品必须要作到高可靠性、免维护、长使用寿命。6、智能功能当前，建筑正向着智能建筑的方向发展，建筑内部均布置了智能网络，它将建筑的安防系统和具备智能功能的各种建筑部品、室内设备连接成一个智能网络，使现代建筑具备了智能功能，创造出便捷舒适的室内环境，为人们的工作和生活带来了极大的便利，使人们从复杂的操作中解放出来，将更多的时间和精力投入到工作和学习、生活中去。自动窗作为建筑的重要部品，应该紧跟现代建筑智能发展的要求，具备必要的智能功能，如电子栅窗、烟感、可燃气体浓度感应， 等等，满足智能建筑的需要，成为智能建筑中重要的组成部分。 有关人士指出， 随着建筑科技的发展，建筑及建筑部品的科技含量迅速地提高。更健康、更舒适、更便利、更时尚成为建筑产品的追求。自动化、智能化已经成为建筑发展的方向。这为我国自动窗业的发展提供了广泛的市场空间。成熟、完善的自动窗必将具有广阔发展前景3。1.3 自动窗的结构与分类1.3.1 自动窗的基本结构一般自动窗都由主窗体、玻璃窗推杆、玻璃窗体和电气控制箱这四大部分组成的。如图 1-1 所示：1-主窗体2-玻璃窗推杆3-玻璃窗体4-电气控制箱图 1-1 自动窗基本结构图其中主窗体 1 镶于墙体内，用于固定整个自动窗；玻璃窗推杆 2 连接主窗体和玻璃窗体，主要用于推开玻璃窗体；玻璃窗体 3 可绕与主窗体的连接轴旋转，开启和关闭的作用；电气控制箱 4 内部安装有复杂的自动窗电气控制系统，使窗户可以按照人们的要求自动开启和关闭。1.3.2 自动窗的分类现在市场上的自动窗基本可以分为电动窗和气动窗两大类。图 1-2 电动窗图 1-2 所示电动窗，整个窗表层白色抗紫外线烤漆处理，永不褪色，不老化， 颜色可以任意选择，窗体接口处采用无缝焊接技术，超级防水，采用电气控制原理，开窗时窗扇自动顶开，无须外力，材料为双层中空钢化玻璃，能够更好的保温、隔音，更加安全。安装坡度为 0 度到 90 度，结构便于安装纱窗、防盗网。图 1-3 气动窗图 1-3 所示为气动窗，窗框内的窗扇为翻转窗，翻转窗的启闭通过气动装置实现，气动装置由气源、开关阀、固定架、气缸、中摆支架和连接件构成，气源与气缸通过管道连接；开关阀设置于气源与气缸之间的管道上；固定架固定在悬窗下部的墙体上；气缸缸体紧固在中摆卡箍上；连接件包括型座、推拉杆和销轴，型座的一端与气缸的活塞杆固定连接，推拉杆的一端与翻转窗的底框固定连接。1.4 课题来源与研究意义1.4.1 课题的来源本课题是代表北京石油化工学院参加首都高校第五届机械创新设计大赛的参赛作品，本论文是参赛作品的一部分。本次大赛的主题为“珍爱生命，奉献社会”，内容为在突发灾难中，用于救援、破障、逃生、避难的机械产品的设计与制作，为自选题方式。机械创新设计大赛的目的在于引导高等学校在教学中注重培养大学生的创新设计能力、综合设计能力和协作精神；加强学生动手能力的培养和工程实践的训练；吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件，因此本人对这项毕业设计充满浓厚的兴趣。1.4.2 研究意义火灾！在社会生活中并不少见，常常由于人为疏忽等原因，不经意间发生在我们周围。但这些疏忽、不经意却给人民的生命、财产带来巨大的危害，如图 1-4 所示。图 1-4 火灾现场仅在过去一年中，全国共发生火灾 127 万起，死亡 1076 人，直接财产损失 132 亿元4。在众多灾害发生时，人们情急之下往往选择跳窗逃生。下面是查阅统计的部分数据：1）哈尔滨天鹅饭店火灾事故，总共造成 10 人死亡，其中就有 9 人是坠楼死亡；2）三亚阳光购物城发生火灾，居住在该大楼中的四名成人从四楼上跳下身，令人震惊的是他们在跳楼之前先将三名儿童包裹着从楼上扔下。3）辽源市中心医院的特大火灾事故，当天登记住院的患者总共有 245 人，其中从浓烟中纵身跳楼的人数竟多达百人以上5。图 1-5 无奈的跳楼如图 1-5 所示，我们根据这些现象分析得到：人们往往在火灾中大部分都选择跳窗逃生，选择这种直接、快速并且简单的逃生手段。直接是说在火灾发生时，窗户是通向外界的最直接的通道；快速是说从窗户逃生跳下时最快速的方法；而简单是说基本上人人都会从窗口往下跳逃生，无需培训，无论老弱病残都会的最简单的行动。但是现有情况分析，这种直接从窗口跳下的逃生方式并不可取，因为它生存率极低，普通的二三层还有可能生还，可是四五层以上就几乎致死或重伤。这就迫使我们思考该怎样设计一套系统，既可以保留这种跳窗逃生的直接、快速、简单的三大优点，而且又可以把其生存率极低的缺点加以克服，所以有必要对其进行创新研究设计。1.4.3 市场前景现在自动窗发展日趋成熟，但仍然没有一种能达到很好逃生效果的。我们想要设计一种自动窗，达到很好的逃生效果，这就是非常有市场前景的方案。从90 年代到现在，每年因火灾死亡人数到在千人左右，甚至能达到两千人以上。如果各个公共场所都安装我们这套装置，在灾难发生时，就能够挽救大量的生命。1.4.4 研究的基本内容本课题首先对一般窗户的结构和开关机构做了较为全面的介绍；其次进行了该自动窗机械结构的设计和主要功能的简述，在对主要零部件进行强度校核的基础上，运用先进的三维设计软件Pro/ENGINEER Wildfire完成了自动窗零部件的结构造型设计、装配设计和运动仿真；最后就该自动窗主要部件的加工与安装调试进行了详细的设计说明6。本课题设计思路新颖，设计方法先进，结构设计在大量市场调研的基础上得出，具有较强的实用性，加工安装调试工艺步骤清楚，设计制造完成的产品达到设计目标，主要功能可靠性强。本课题研究的内容宽泛，涵盖了各类跨学科知识，综合性强、实践意义突出。设计流程如图 1-6 所示：图 1-6 设计流程第二章具有逃生功能的自动窗的机械结构创新设计2.1 具有逃生功能的自动窗的创新设计思路为了达到自动窗的逃生功能，本人查阅了若干逃生装置，分析它们的优缺点， 考虑是否可以配合我们所设计的自动窗而达到直接、迅速、简单的逃生。2.1.1 当前我国的火灾逃生背景当前我国现有的高层建筑逃生装置： 1、逃生缓降器逃生缓降器主要针对普通家庭和个人使用，其构造由调速器、安全带、安全钩、钢丝绳等组成，如图 2-1 所示。每次可以承载约 100 公斤重的单人个体自由滑下，其下滑速度约为每秒 1.5 米，从二十层楼上降到地面约需 40 多秒/每人，根据人体重量的不同，略有差异。据悉，目前该装置的销售价格约为 2600 元。图 2-1 逃生缓降器目前这种逃生缓降器的使用状况不甚理想，北京市西城消防支队辖区推广半年多来，只有不到 10 户的家庭购买。其原因除家庭消防意识、经济因素之外， 主要是难以适用老幼病残者，多户同时使用可能发生相互缠绕，以及安装问题、定期保养等，难以走进百姓家门7。2、救生气垫救生气垫是一种利用充气产生缓冲效果的高空救生设备。一般采用高强度纤维材料,经缝纫、粘合制成，其气源一般采用高压气瓶。图 2-2 逃生气垫如图 2-2 所示，救生气垫仅限于高度为 3-4 层的楼房使用，随着高度的增加， 其缓冲效果、作用面积也将大打折扣，因此应用范围非常有限7。3、楼顶缓降装置一种安装于大楼楼顶的缓降装置，其顶端包括一个圆球、一个支架和滑动平台，圆球内垂下一根带着挂钩的钢索，作为危险时刻逃生者的“救命稻草”。图 2-3 楼顶缓降装置如图 2-3 所示，工作时，滑动平台需要向外推出约 1.2 米，这样平台一侧的一个直径约 1 米的圆洞就被推出了楼顶，被救人员由此圆洞下跳逃生。圆球核心有一个螺旋桨，逃生者在下降的过程中，钢索带动滑轮组，同时就会拉动圆球内的螺旋桨旋转。旋转的螺旋桨会产生一定的空气阻力，给向下运动的钢索一个反作用力，从而使逃生的人能够缓速下降。据了解，这种每次运送一人的高空缓降逃生装置，批发价约 4.5 万元。装置的各个部件采用不锈钢制成，后期维护需要每半年让装置运行一次，做常规的润滑保养，三年更换一次钢索。该装置的发明者介绍，虽然成本较低，但一个人仅靠一根钢索从几十米的高空逃生，确实需要一定的勇气；而且这个装置一次只能运送一个人，这些都是该装置的缺陷8。4、柔性救生滑道柔性救生滑道是一种能使多人顺序地从高处在其内部缓慢滑降的逃生用具， 采用摩擦限速原理，达到缓降的目的。其内层的导套具有抗静电性能，可使人体在其内部下滑时，不致由于摩擦生热而灼伤人体，其外罩材料具有防火性能、抗渗水性能和抗辐射性能，最高耐温 600C。人体平均下滑速度不大于 3 米秒， 并能通过肢体形态的变化调整其下滑速度。据悉，该装置目前已经应用于航天领域、磁悬浮列车。图 2-4 柔性逃生滑道如图 2-4 所示，该装置特点是适用范围可以包括老幼病残者，但多层入口容易造成人员碰撞和踩踏，这种滑道安装在高层建筑的外墙，长年累月经受风吹日晒雨淋，其材料寿命尚需进一步证实。此外，逃生者衣服上的装饰物、金属物， 也可能划伤滑道的内衬8。2.1.2 创新设计的思路在经过分析这几种逃生装置的特点和适用范围之后，我们选定柔性逃生通道与我们的自动窗相结合。当前柔性逃生滑道的技术成熟，国内已经有多家公司拥有完整成熟的技术， 而且它的操作简单，仅需一跳，无需专门的逃生训练；逃生快速，实验测定十层仅需 30 秒；安全可靠，实践得出逃生成功率百分之百。但是如此优秀的柔性逃生滑道为什么在国内未得到推广应用呢？一种产品是否具有市场竞争力，主要包括以下要素：功能、价格、周期、服务、营销和消费者心理接受程度，这些因素大部分都在产品的设计阶段确定。20 世纪 8090 年代的研究表明，制造业产品成本中的 70%80%是在设计阶段决定的，而这一阶段的花费却只占到了总成本的 5%。在目前追求个性化的时代中， 消费者对产品的心理接受程度显得异常重要，其影响因素主要来自于设计。产品创新设计不但能增强企业在竞争中的优势，甚至可以创造新的市场，拉动整个行业和经济的发展9。图 2-5 滑道实物图首先现阶段柔性逃生滑道的价格不菲，平均每米需要 800 元至 1000 元，甚至更高；再者其目前的设计有缺陷，只有一个口能逃生、且只能从楼顶逃生，尚无可靠的配套辅助设备，让人望而生畏。如图 2-5 所示。图 2-6 滑道改进图因此该柔性逃生滑道有待改进，如图 2-6 所示，我们准备在滑道相对应的各个楼层都加入一个通道，使得每层的窗口都可以逃生，该滑道的改进如右图。每层一入口，上下统一展开，将长滑道改成多个短滑道进行拼接的形式，因此每个滑道都可开口。以上是我们对柔性逃生滑道的设计思路，接着要有一个与之配套的辅助设备，也就是我们要设计的自动窗。我们设计的自动窗玻璃窗在平时可用手动开启，如图 2-7 所示，主窗体 1、纱窗 2 和玻璃窗 4 为三个独立的框架，纱窗 2 平时不开起。在火灾发生或将要发生时，建筑物内自带火警系统或自动窗自带的火警系统对窗体发出电信号，自动窗控制系统收到信号后，锁死机构松开，弹簧推起滑块，滑块移动推开纱窗，并同时推开玻璃窗，使产品能在发生灾难时自动开启（也可手动开启）。与此同时， 滑道弹出及锁定机构弹开，并放出柔性逃生滑道，使人员可以从每层的逃生口逃出。若在遭遇火灾时窗体本身是打开的，可控制其保持原状态，护栏机构开启， 构成逃生系统。另外如果火灾在本楼层发生，电气控制系统通过自锁机构可保证该楼层窗体关闭，防止火势对逃生滑道的损伤，能确保高楼层人员的安全逃生。1-主窗框2-纱窗框 3-滑杆 4-玻璃窗框 5-护栏 6-墙体图 2-7自动窗结构说明图2.2 窗体的结构设计窗体分为：主窗框、纱窗框，玻璃窗框和护栏。主窗框为 910 860 55，中间掏空 700 700；工程图如图 2-8 所示。图 2-8 主窗体工程图纱窗框和玻璃窗框均为 910 860，掏空 700 700；工程图如图 2-9、图 2-10 所示。图 2-9 纱窗工程图图 2-10 玻璃窗工程图自动窗为学校、购物中心、写字楼等设计安装使用。此种尺寸的窗体适用于安装在安全通道（或普通上下楼梯）的两层楼之间墙体上。如安装在室内（如教室），可加大尺寸。图 2-11 为窗体三维图，图 2-12 为窗体工程图。图 2-11 窗体的三维造型图1-把手2-主窗体3-支杆 24-支杆 15-纱窗窗体6-玻璃窗窗体7-电磁铁8-滑块9-底座10-中心轴11-弹簧12-螺母13-螺栓图 2-12 窗体工程图我们根据一般人的身高来选定窗体尺寸，该尺寸适合于大多数人们的体型。然后我们按照平均每人体重 100Kg 的模型选择制造窗框的材料。表 2-13 钢板许用应力表钢号厚度 mms B MPas S MPa温度 20 度时 的许用应力温度 100 度时的许用应力Q235B344161640375375375235235225113113113113113113Q235C34416164037537537523523522512512512512512512520R616163636606010040040040040024524524524513313313312813313312611516MnR6161636366060100100120510490470460450345325305285275170163157153150170163157153150窗框的制作材料我们定为 1.5-A-GB708-88 钢板，根据钢板的许用应力表查得：钢号 Q235C 在厚度 3mm，温度在 100 度以下时的许用应力是 113MPa。2.3 纱窗窗体的锁死弹出机构的设计2.3.1 纱窗支杆的设计在火灾发生时，火灾监测系统检测到火灾发生时，自动窗控制系统受到信号后，纱窗体自动打开，并推起玻璃窗。该开启和关闭窗框的机构可以简化为曲柄滑块机构，曲柄滑块机构为我们机械原理所学的重要机构之一。图 2-14 曲柄滑块机构如图 2-14 所示，我们所要设计的是根据主窗体框中滑块的行程来计算推杆的长度，而还需根据窗户的开启角度来计算推杆与纱窗框铰接处的位置，这些是该机构设计时的重要之处。图 2-15 曲柄滑块机构原理图如上图 2-15 所示，根据弹簧的行程AB为 15cm，而滑块初始位置AC定为 60cm，则纱窗推杆BD+纱窗框铰接处CD=60cm，然而为使纱窗可以开到 90 左右，画图尝试推杆的长度，上图已说明当BD=47cm，CD=13cm时，纱窗的开启角度可以达到91，满足设计要求，适合10。纱窗推杆长度为 BD=47cm。纱窗框铰接点位置 CD=13cm。2.3.2 滑块限位机构的设计1-推手2-滑杆3-滑块4-弹簧5-电磁铁图 2-16 机构整体三维图如图 2-16 所示，开窗的曲柄滑块机构以弹簧为动力，且弹簧为压缩弹簧，压缩于滑块之下，这就需要一限位机构来限制滑块的初始位置，因此我们设计用电磁铁来限制滑块的初始位置，这样就可以达到开窗电气控制的目的了。如图 2-17 就是我们设计的滑块限位机构的三维造型图了，图中非常清楚的描述了该限位机构的原理。原理如下：电气控制下方青色的电磁铁，使其可以在接收到火灾的电信号后弹出电磁铁的铁芯，进而弹起黄色的限位曲柄，因限位曲柄的斜边受力，则势必会绕其中间的直径 5mm 的轴旋转，即限位曲柄的斜边一侧向上转动，而限位曲柄的直角边一侧向下转动，这样一来，滑块限位就可以巧妙的松开滑块，滑块自然被压缩弹簧用力弹起，而且可以达到迅速开窗的效果。图 2-17 滑块限位机构三维图限位曲柄的工程图如图 2-18 所示：图 2-18 限位曲柄工程图2.4 玻璃窗窗体的任意位置自由锁死机构的设计2.4.1 玻璃窗支杆的设计图 2-19 曲柄滑块机构原理图如上图 2-19 所示，根据弹簧的行程AB为 15cm，而滑块初始位置AC定为 40cm，则纱窗推杆BD+纱窗框铰接处CD=40cm，然而为使纱窗可以开到 90 左右，画图尝试推杆的长度，上图已说明当BD=29cm，CD=11cm时，纱窗的开启角度可以达到100，满足设计要求，适合10。纱窗推杆长度为 BD=29cm。纱窗框铰接点位置 CD=11cm。2.4.2 窗体任意位置自由锁死机构的设计为了使我们设计的自动窗在平时可以像一般的窗户一样可以手动自由的开启和关闭，而且我们的设计还考虑到开启时窗框的任意位置可以定住，不会被风吹而关闭，这就需要我们设计一个精巧的机械机构来达到自由手动开启关闭，任意位置的开启。如图 2-20 为我们所设计的自由锁死机构的实物图，图 2-21 为自由锁死机构装配的工程图。图 2-20 手动开窗机构实物图图 2-21 自由锁死机构的装配工程图如图 2-22 和图 2-23，黄色为把手，可以手动自由拉动；棕黄色为挡板，限制把手下部的黄色齿条的拉起高度；黄色把手的中间轴上套有一个小的压缩弹簧，作用是压紧把手，以使把手上的齿条卡在滑块下方的黑色长齿条上，使滑块只能向前滑动，而不能回滑；在滑块下方的黑色长齿条用螺栓螺母固定在主窗框体框里。图 2-22 中，把手下压卡住齿条，则滑块被卡住，玻璃窗体锁定在现有位置，不会被风力吹回，只有在图 2-23 时，把手被人上拉时，齿条啮合被分开，则滑块可以自由滑动。图 2-22 把手下压卡住齿条图图 2-23 把手上拉图2.4.3 滑块中心轴的固定底座的螺栓连接的设计1、普通螺栓连接强度分析图 2-24 底座螺栓布局图如图 2-24 所示底座螺栓布局图，对螺栓受力分析螺栓数Z=4,对称分布。螺栓为普通螺栓连接。根据机械设计11常识，螺栓的总拉力除了和预紧力F0、工作拉力F有关外，还受到螺栓刚度Cb和被连接件刚度Cm等因素的影响。应此，应从分析螺栓连接的受力和变形关系来入手，求出螺栓的总拉力大小。螺栓的总拉力F2为残余预紧力F1与工作拉力F之和，即F2F1F为了保证连接的紧密性，以防止连接后的结合面产生间隙，应使F10。螺栓的预紧力F0、残余预紧力F1和工作拉力F可由下表几何关系推出。螺栓刚度F0 = tanqlb图 2-25螺栓受力分析图b = Cb（2-1）被连接件刚度F0 = tanqlmm = Cm（2-2）F0 = F1 + (F - F )F F - F= l tanqbl tanqm= CbCmF = F + (1-Cb)F = F +CmF（2-3）01C + C1C + Cbmbm螺栓的总拉力为F2 = F0 + FF = F +CmF（2-4）20C + Cbm设计时，先根据连接的受载情况，求出螺栓的工作应力F，再根据连接的工作要求选取F1的值，然后求得F2。求得F2后即可进行螺栓强度计算。考虑到螺栓总拉力F1的作用下可能需要补充拧紧，故将总拉力增加 30以考虑扭转切应力的影响。于是螺栓危险截面的拉伸强度条件为：s ca= 1.3F2 s p d 2d1 (2-5)4 14 1.3F2p s 2、螺栓受力计算螺栓的工作拉力 F=200N，在轴的径向力F =300N 底座连接可能发生滑动， 结合面不滑动的条件：s Cmf zF0 - C + C F K F（2-6）bm查表连接结合面的摩擦系数，查得 f=0.18，并取CmC + C=0.3，防滑系数 Ks =1.2，bm则 F 1 Ks F +Cm F = 1 1.2 300 + 0.3 300 N = 522.5N0z fC + C 4 0.18bm螺栓所需要的总拉力为F = F +CmF = 522.5 + 0.3 200N = 582.5N20C + Cbm3、确定螺栓直径选择螺栓为 Q235、性能等级为 4.6 的螺栓。查表可得材料的屈服极限为s s = 240MPa ，安全系数为 S=1.5。故螺栓的许用应力为s = s sS= 240 MPa = 160MPa 1.54 1.3F2p s d1 =4 1.3 582.5mm = 2.45mm3.14 160按粗牙普通螺纹标准（GB196-81），选用螺纹工程直径 d=3mm确定螺栓的工称直径后，螺栓的类型、长度、精度以及相应的螺母、垫圈等结构尺寸，可根据底板厚度，螺栓固定方法和放松装置全面考虑后定出。2.5 玻璃窗窗体的回弹机构的设计2.5.1 回弹机构的设计在平时情况下，纱窗始终关闭着，而玻璃窗可以自由开启，这就有了一个问题，如果当火灾警报响起之时玻璃窗为开启状态该怎么办？玻璃窗不能一直开着（因为如果火灾时玻璃窗是开启的话，则就可能导致该层的大火窜出窗口烧坏窗口下已弹出的柔性逃生滑道，这样一来整体的滑道就被损坏，上层的逃生人员则会有生命危险，所以当该层窗口处温度过高时，该层的玻璃窗就应该立即关闭以防止火势外窜）。既然玻璃窗需要适时的关闭，那就需要设计一个机构来达到迅速关闭的目的。因为上一节的玻璃窗任意位置锁死机构的限位，玻璃窗的开启在无人拉把手的情况下只能越开越大，向后则被齿条卡死并不可以回弹，所以必须要有一个机构可以松开齿条。如图 2-26 所示。图 2-26 回弹示意图如图 2-27 所示，黑色的大齿条是固定在主窗体窗框内，而黄色的齿条则是我们设计的可以顶起把手的小齿条，大小齿条如下图啮合，小齿条可以在大齿条上滑动，只要在黄色小齿条的尾部放置一个电磁铁推动，即可使小齿条滑动顶起， 使大齿条的卡死机构失效，这样就可以使推动玻璃窗的滑块可以自由回弹了，只要在滑块后方放置一个压缩弹簧即可达到滑块回弹的目的了。图 2-27 大齿条与小齿条啮合图如图 2-28 为弹簧安装和弹簧限位卡死实物图，一般情况下，弹簧是压在限位曲柄之下的，一旦有火灾已经烧到窗户旁，热敏电阻断开，电磁铁弹出顶起限位曲柄，弹簧立刻弹出，无论玻璃窗滑块停在何处，都可以迅速弹回滑块，达到玻璃窗快速关闭避免火势外窜的目的。图 2-28 弹回机构实物图2.5.2 压缩弹簧的设计下面是对压缩弹簧的选取和校核：由于一般压缩弹簧的工作行程要比拉伸弹簧要小的多，所以应先确定压缩弹簧的参数，根据其参数来确定滑块的行程、纱窗体上支点的位置以及推杆的长度。（1）根据工作条件选择材料并确定其许用应力因弹簧在一般载荷条件下工作，可以按第类弹簧来考虑。现选用碳素弹簧钢丝C级12。并根据内径D120mm，外径D230mm，则初步估取d=3.0mm。由机械设计书中表 16-3 暂选b=1570MPa，则根据表 16-2 可知=0.8 0.5 b=628MPa.（2）根据强度条件计算弹簧钢丝直径现选取旋绕比 C=6，则由机械设计第八版书中式（16-4）得K= 4C-1 + 0.615 =1.254C-4C根据机械设计第八版书中式（16-10）得F2 KCt d 1.6= 2.47mm则取d=3.0mm，查的b不变，故不变，取D=25mm，C=25/3=8.33，计算得F2 KCt 2001.1738.33628K=1.173，于是d 1.6= 1.6 = 2.82mm上值与原估计值相近，取弹簧钢丝标准直径 d=3.0mm。此时 D=25mm，为标准值， 则D1=D-d=25mm-3.0mm=22mm20mm D2=D+d=25mm+3.0mm=28mm30mm所得尺寸与条件相符。（3）根据弹簧行程，计算弹簧圈数 n已知弹簧行程 h=15cm，查表标准圆柱螺旋压缩弹簧的尺寸及参数得： d=3.0mm，D=25mm，则节距t=8.67mm，nz=2.5弹簧自由高度H0=nt+（nz-0.5）d 弹簧并压高度Hb=（n-0.5）d;则近似得h=H0-Hb=8.67n+2d-3n+0.5d=5.67n+7.5mm=150mm，则 n= 150-7.5 =25.13，取 n=255.67故H0=222.76mm，Hb=73.5mm，满足行程 15cm的要求。为实现滑块弹出的迅速，利用弹簧的伸缩性，来控制滑块的打开和回缩状态， 材料制作简单，但是对材料要求较高，如果压缩弹簧用的钢丝刚度不够，会出现滑块弹起力度不够的情况，而如果刚度太强，弹力非常大，使用者操作时会比较危险。表 2-29 常用弹簧材料的技术标准和规格标准号标准名称牌号规格/mm切变模量G/Mpa硬度范围性能HRCGB4357碳素弹簧钢丝258040Mn70Mn6080f 0.08 f13.079强度高， 性能好，适用于各种应力下的弹簧强度高， 韧性 GB4358琴钢丝60Mn70Mnf 0.08 f 6.0103好，用于重要的小弹簧GB4359续表YB(T)11油淬回火碳素弹簧钢丝弹簧用不锈钢丝55、60、65Mn75、801Cr18Ni90Cr19Ni100Cr17