高楼火灾逃生器设计（含三维SW及CAD图纸）
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毕业设计(论文)高楼火灾逃生器设计Design of Escape Machine from High-rise for Fire 学生姓名学院名称专业名称机械设计制作及其自动化指导教师20年01月15日 摘要随着世界人口的不断攀升，以及人口不断向城市聚集化的发展，城市中的高楼大厦也在不断的刷新着记录。与此同时相应的一些自然灾害的发生，也给高楼的安全性带来了新的考验。特别是一些比较已发生和破坏范围比较广的突发性灾害，比如火灾。对于人口密度较大的高楼来说是一种非常致命的威胁。当发生火灾时，一般伴随着的是电力系统的崩溃，这个时候就需要一种依靠自身动能，不收外界影响的应急逃生手段来拯救人们的生命财产安全。在人们更多的热衷于应用各种高科技现代化的先进技术进行研究安全保障的同时，却逐渐忽略了最安全、最原始和最有效的逃生手段，即纯机械式的自动力的才是最安全的。本次毕业设计首先介绍了有关高楼逃生装置的背景和研究意义，以及国内外最新的研究成果。同时对一些市场上现有的高楼逃生装置进行了调研和分析，并着重研究了工作原理和工作状态，发现绝大多数的逃生装置具有费用贵、结构复杂、安全性能低、重复使用率低等不足之处。本次毕业设计根据机械创新的思想，设计出了一种根据负反馈闭环系统的高楼逃生机构。这种机构具有成本低、易操作、安全性能高、纯机械动作、可重复利用等特点。同时通过对设计机构的零部件进行了分析计算，并根据计算设计出了整个机构的图纸。同时通过多次的试验和计算之后，确定了能够适应于小孩和老人的装置，都能够安全达到地面，达到了本次设计的目的。关键词： 高楼逃生器；机械创新理论；往复AbstractAs the worlds population is rising, and the population continuously to the development of urban agglomeration, high-rise buildings in the city also is constantly refresh the record. At the same time the corresponding some natural disasters, also brought new test to the safety of buildings. Especially, some have been more widely and damage of sudden disasters, such as a fire. For larger population density of tall buildings is a very deadly threat. When a fire is usually accompanied by the collapse of the power system, this time you need an rely on its own momentum, no outside influence emergency evacuation to save peoples life and property safety. When people are more keen to apply various high-tech modern advanced technology to research the security at the same time, but ignored the safest, most of the original and the most effective means of escape, the pure mechanical since the power is the most safe. The graduation design firstly introduces the background and research significance about high-rise escape device, at home and abroad and the latest research results. To some existing buildings to escape device on the market at the same time has carried on the investigation and analysis, and emphatically studies the working principle and working status, found that the vast majority of escape device is expensive, complex structure, low safety and low repetition utilization deficiency. The graduation design according to the ideas of the mechanical innovation, devised a according to the feedback of the closed-loop system high-rise escape mechanism. The agency has low cost, easy operation, safety performance is high, the pure mechanical action, reusable, etc. At the same time, through the design organization parts are analyzed, and according to the calculation design drawings of the agencies. At the same time through many times of experiment and calculation, determine device that can adapt to in children and the elderly, can safely to the ground, achieved the purpose of this design. Keywords： Hige-rise escape machine ； Machinery innovation theory Reciprocating 目 录摘要IIAbstractIII1 绪论11.1 设计背景及意义11.2 国内外研究概况21.3 高楼火灾逃生器的实例31.3.1 内凸轮式高楼火灾逃生器31.3.2 涡轮蜗杆式高楼火灾逃生器41.3.3 钢丝绳防滑逃生装置41.3.4 心摩擦式高楼火灾安全逃生器52 整体方案设计62.1 方案构设62.1.1 方案一62.1.2 方案二92.1.3 方案三112.2 方案的比较与选择123 装置零部件设计133.1 轴的设计133.1.1 轴的概述133.1.2 主动轴的设计143.1.3 从动轴的设计153.2 齿轮的设计163.2.1 齿轮的概述163.2.2 齿面接触疲劳强度和齿根弯曲强度设计163.3 棘轮的设计203.3.1 棘轮的概述203.3.2 棘轮的设计213.4 其他零部件的设计选择223.4.1 标准件的选择223.4.2 安全座椅的选择233.4.3 挂钩的设计244 计算和验证244.1 静力学平衡计算254.2 绕绳的计算264.3 速度计算26结论29致谢30参考文献31321 绪论1.1 设计背景及意义随着人口不断的高速增加，以及逐渐向城市集结。城市的建筑物不但在高度上日益增高，在密度上也不断密集。这就导致了各种安全隐患也隐藏其中，即使在发达的国家，当高层建筑物遇到一些突发危险时比如火灾、爆炸等，限制与高层建筑的空间、时间已经结构等因素，人员的自我救治和逃生也是一个比较亟待解决的严重问题。在高层建筑发生意外时，能够进行有效的救援和自身能够进行应急逃生已经成为了社会不断关注的一个复杂问题。高层建筑由于功能繁多、内部结构和外部环境情况复杂多变，一旦发生各种火灾，就会由于烟囱效应导致火势和浓烟迅速扩大，能够在极端的时间内遍布在高层内部的各个角落，致使正常的应急通道无法使用，特别是上层的人员无法自行逃生。所以在发生火灾时，人员的自我救赎是一个急需解决的严重问题。当高层建筑突发火灾或者其他灾难性的的情况时，由于断电导致电梯不能用，楼梯内会由于浓烟等产生堵塞，一般的消防救援设施的升举和投射能力又打不到现在高层建筑的高度，并且其救援行动还会受到装备、周边环境等各种因素的影响，会对救治的时效性产生很大的影响。在全国乃至世界范围内，每年因此而丧失的人数不断攀升。所以如何快速而有效的逃出火灾现场逃出高层建筑层位一个关键性的问题，最主要的就是时间性和逃生的有效性。在这周个情况下，高楼逃生装置就随之出现，人们逐渐将各种各样的时间和精力投放到对安保问题的研究和解决。却忽略了一个而最根本的手段和方法，那就是一旦各种安保措施失败，最后产生危险的是杀手，这些现代手段都是会失去作用的，只有最传统、最原始的、最基础的机械传动方式才是最安全和最稳定的。本次毕业设计的任务是针对目前的高层建筑的现实状况，设计一种在应急状态下能够协助人迅速、简单易行的自我救助工具。在设计中，要求设计的逃生器具能够适应各种结构形式的建筑物，能够达到自动化操作，并且需要具有操作方便、占地空间小、单人能够完全自主使用等条件。并且在时间允许的情况下能够重复使用，往返工作，进而达到了最大的对人和财物的保护工作。作者通过对市场现有的逃生器进行了调研和分析，目前市场上常见的逃生器都能够达到高楼逃生的功能和作用。但分析各种原理的逃生器，不论是结构简单的还是复杂的，抑或是点控制的还是自锁控制的都具有相同的不足之处，比如操作复杂，加工工艺成本高，安全性能欠缺，甚至部分装置的功能需要在有电的情况下才能使用。这些不足之处大大的限制了这些产品在市场的占有率以及对客户使用的安全性。基于以上研究和调研。本次毕业设计决定采用一种基于负反馈闭环系统的高楼逃生装置。这种结构的逃生器采用的是纯粹的机械结构设计，不需要其他的能量进行驱动，整体结构比较简单，方便单人操作。其工作时的动能来自于逃生人员的自身重力，然后通过内部一系列的传动转换，产生了一定的阻止人或物快速下降的阻力，以控制下落的速度不对人的身体产生不适的影响。在下降过程中，随着缠绕绳层数的减少，包角组件增大，从而增加了阻力，在下降过程中就会有加速、匀速和减速的过程，并在速度减小到一定安全的程度后着地，最终给把人或物安全送达地面。在设计中，逃生器的仰角大小是可以在一定范围内自由调节的，一般仰角的调节是根据从动轴与安全绳的粗糙度和安全绳的直径等参数的变化进行调节的，能够适应不同的工作换进。同时通过分析计算，设定了达到预期的参数要求。借助本逃生器的人员能够平稳、快速、安全的到达地面。因此本设计在意外发生时能够保证人的生命安全，达到了毕业设计的目的。1.2 国内外研究概况在目前我国市场中，在售的主要高层救生装备是逃生缓降器。这是一种针对大众家庭使用的救生设备。它主要由速度调节装置、保险绳、安全钩以及柔性钢绳等组成。单个缓降器可以承载200斤左右的人或物，同时在工作过程中是一种以1.5米每秒的平均速度自由下滑。照此计算，从二十层大约六十米的高楼中下降到安全地面大约需要四十多秒每人，在实际应用中会因载重的质量不同而下降速度略有差异。四十秒的时间在意外发生时能够在一定程度上能够起到一个保护作用。但是当高层建筑目前逐步向摩天大楼发展时，这种速度和时间就会显得比较漫长了。所以目前这种类型的缓冲器的市场使用情况并不太多，除了因个人的消防知识和思想以及经济因素之外，还有就是这种缓降器应用范围有限，对老弱病残用户不太适应，同时如果多个用户同时使用时会发生缠绕和安装等问题，所以难以进行市场普及。目前市场上比较普遍的就是一种救生七点，它类似于消防人员使用的气垫，是利用充气产生缓冲的一种救生涉笔。气垫的外皮一般是采用高分子纤维材料，然后经过特殊的缝制和粘结而成，内部充的气态一般是用高压空气。工作时放在安全地面，人从意外发生处做自由落体运动，接触救生气垫后缓冲减速，以保证生命和财产的安全。但是救生气动的使用具有极大的局限性，由于人是自由落体下坠，所以仅限于三到四层的高空才能使用，当高度逐渐增加时，其缓冲效果将大大降低，同时对人和物的伤害也逐渐增大。因此在一定程度上也限制了这种缓冲气垫的使用范围。在国外的高楼逃生器中，发展的形式比较多，也更加注重技术性和实用性，下面将介绍一些市场上的主要集中结构形式：1缓降器式：这种结构的逃生器主要是利用增加钢丝绳和轮之间的包角。使二者之间的相互摩擦力不断的增大，同时利用一些受控的控制系统，能够随着情况的变化而调节下降的速度等参数。2间歇冲击式：这种结构的逃生器是一种创新形式的结构，它通过间歇式的撞击来消耗下降时产生的巨大能量。它在现实中的应用有钟表中的擒纵叉等。3液体流动阻尼式：这种设计形式的逃生装置是利用液体流动所产生的阻尼，把人体在下降过程中的势能转变成液体的热能，能用能量的守恒定律，达到速度逐步减缓的目的。这种结构的主要特点是液体阻尼的大小取决于外负载，所以不论人体质量的大小均能以比较恒定的速度下降。另外据新科学家的文章报道说，美国军方正在研究一种飞炮打人的项目。这种技术的研究具有现实性的特殊作用。在紧急情况下，通过这种技术能够将警方或者专业的消防人员快速送入高层建筑之内。它工作原理是一种具有一定角度的斜轨安装于目标的地方，被送入的人员则做进一种类似于飞机驾驶员弹射座椅的特制座椅中，然后通过从后背背负的压缩空气的迅速喷出。通过反作用力，载有执行任务人员的特制座椅被沿着滑轨迅速弹射，当迅速移动到斜轨的顶端时，由于结构的限制，座椅会瞬间停止，而执行任务的人员则由于惯性的作用而飞到预定的目标，从而能够展开工作。1.3 高楼逃生器的实例1.3.1 内凸轮式高楼火灾逃生器各种逃生装置的动力都是以机械装置为主，在设计师，为了保证机械零部件以及相互之间运动的可靠性，通常都需要对机械运动的最高速度进行限制。比如对一些应急的逃生滑道、索道等设计以中国关键时刻的制动。目前在市场中，常见的自动限速器的种类主要包括离心式、间歇冲击式和液体阻尼式。在当前，比较先进的一种具有实用新型专利的机构是内凸轮自动限速装置，它具有占地空间小，设计简单、工作静音和制造价格低等优点。内凸轮自动限速装置的模型图如下图1，它的主要工作原理是利用一个固定的内凸轮，这种内凸轮在型腔内设置有一个导轨的支架，所述的导轨支架的中部横向设置有滑动芯阀，所述的内凸轮型腔的内周壁由若干个依次连续并沿同一圆周均匀分布的拱形曲面组成，两相邻拱形曲面的交接处至内凸轮中心连线的延长线恰好通过延长方向所对的拱形曲面的顶点，所述的内凸轮型腔内过内凸轮中心点的径向线的长度与滑动芯阀的长度相等，所述的导轨支架体内设置有油腔，所述的滑动芯阀上下侧固定联接有位于油腔内的阻尼片。图1-1 凸轮验证仿真模型 在工作过程中，当内凸轮驱动滑动芯阀作横向往复移动时，使得油脂从油腔的一侧自缝隙翻越阻尼片流到油腔的另一侧，再从另一侧翻越阻尼片流回油腔的原侧端，在此过程中产生很大的阻尼，以此来限制内凸轮的速度。将该内凸轮与任何需要限速的回转件联接，即可达到自动限制该回转件转速的目的。这种内凸轮自动限速装置具有结构设计小、工作声音小、制造费用低，安装保养操作方便、使用时间长以及耐用等优点。但同时也具有内部结构比较复杂，同时小零部件较多，制造时间长等机械缺点，在使用过程中也具有下降速度不稳定，相应的安全系数不太高等缺点。1.3.2 涡轮蜗杆式高楼逃生器涡轮蜗杆式高楼逃生器的工作原理是利用了蜗轮蜗杆的自锁性。根据机械运动的原理，涡轮蜗杆的运动不具有可逆性，即蜗杆的运动能够带动涡轮，反之却不能运转。这样在出现紧急情况下，使用人员能够在应急下落过程中控制自己的下降速度。蜗轮蜗杆式逃生器具有设计简单、自锁功能强、安全系数高和加工成本低等优点。但由于是纯机械摩擦式 的配合，所以也具有对加工材料的要求高，操作的过程比较复杂，蜗轮蜗杆摩擦损耗比较大，保养成本高等缺点的限制。1.3.3 钢丝绳防滑逃生装置图1-2 钢丝绳防滑机构钢绳绳防滑机构的结构图上图1-2所示，在结构内可以看到，有两个摆架，摆架能够绕着各自上部的固定轴进行摆动，同时每个摆架上均有一个V型滚压伦家，V形滚压轮架可相对于摆架绕小轴摆动，每个V形滚压轮架上均装有两个滚压轮，滚压轮压在钢丝绳的外缘。每个摆架下端还有一个槽滚轮。钢丝绳的缠绕方式如上图所示，它的缠绕顺序是首先通过左侧的滚轮的线槽，从线槽的左边向上方穿过，然后向右拐弯，同时沿着逆时针方向缠绕在回转轴上，最后从右侧槽滚轮的右边向下穿。在工作过程中，首先通过钢丝绳的左端与被物体进行作用，在重力的拉动下，钢丝绳会有一个反作用力，能够在带动回转轴上的钢丝绳对相应边的滚轮产生一个想对象的压力。这个压力能够使这一侧的摆架绕着自己的中心轴作逆时针的摆动，进而使左侧的B形滚压伦家上的两个滚压轮紧紧地压在钢丝绳左侧自由端的外缘，使得相互之间的作用力逐渐增大。当被牵引的物体的重量越大时，钢丝绳相互之间的压力也就越大，相应的力矩也就会变大，达到了钢丝绳与回转轴之间的打滑的现象。这中结构的钢丝绳具有能防止打滑、使用时较为安全的有点。但是也有结构复杂，制造成本高，下降速度慢等缺点。1.3.4 心摩擦式高楼逃生器 心摩擦式高楼逃生器的工作原理是，利用重力带动相应的转轴进行转动。通过这种转动，使得转轴由于转动而产生了离心力作用，进而产生了正压力，通过摩擦片与外壳所产生了相对性的摩擦作用力，在下降的过程中，摩擦所产生的力矩与人推或者重物所产生的力矩平衡，进而能够达到匀速下滑的目的。心摩擦式高楼逃生器具有在下降过程中比较自动化，不需要人的控制等优点。但也有对不同质量 的人或物产生的速度不同，安全系数也不同，所以安全性不稳定等缺点。2 方案设计一般的机械设计方面的组成由一下几方面：1、动力装置，一般是电动机或者其他动力来源。二是传动系统，主要是一些传动如齿轮、链传动等组成。三是执行系统。这一部分一般是机械结构的终端，直接进行动作或者相应的工作。还有控制系统和其他辅助系统，其中控制系统一般是应用电控或者机械等方面的结构知识，用来保证动作能够完成的达到要求，辅助系统是整个设计中的附件。一般的机械设计方案是由以上几部分组成，通过其相互之间的动作协调设计，完成整个机械方案的设计。机械系统的整体方案设计具有如下特点:1) 协调性：整个方案是由各个不同的小系统组成，相互之间的小系统虽然功能、作用等各有区别。正是这种区别保证了他们组装在一起的时候能够发挥各自的功能，来保证整体方案功能的实施。2) 相关性：各个小系统之间的各个主要参数、性能是相关的、协调的。他们之间有着像话联系和相互制约的作用。3) 内外统一：所有的方案必定与其应用的场合等相互结合，不能脱离环境而单独存在，否则就丧失了其社会性。所以它必须有自身的结构、功能与社会相适应性。2.1 方案设计2.1.1 方案一1、方案一的原理方案一是利用了摩擦力进行控制下降的速度。在人或物下降的过程中，组要通过改变装置内的相互摩擦力来及时控制下降的速度。同时为了能够提高其安全性，更充分的控制下降的速度。本方案采用了两级减速装置。其工作原理和结构简图如下：图2-1 二级手动调速装置（1.壳体；2.减速手柄；3.减速杠杆一；4.减速杠杆二；5钢丝绳 ；6.橡胶；7.减速轮；）图2-2（去掉了图3中的刹车装置3、4、5、6、8） 减速装置主视图(1.固定轴套；2.减速圆柱；3.穿绳孔；4.减速档板；5.减速轴；6.轴承；7.滑块；8. 摇杆；9.减速轮；10.减速轴；11.减速手闸；12.调速手轮；13.内螺纹轴套；14.壳体；)方案1的工作原理如下：这个装置采用了钢丝绳替代轨道，减速机构在钢丝绳上产生位移，然后通过变化与绳子之间的摩擦力来达到降落过程中的速度变化。装配中的一级减速器是通过首轮进行调整速度的（图2中的12）。进而带动了装置内各个减速柱（图2中的2）的相对挤压运动，扩大了相互之间的摩擦力，减慢了绳子的速度。二级减速器的作用是把钢丝绳的垂直动作转变成旋转运动，这个动作的实现是通过在轴（图2中的5和10）上的缠绕而实现的。同时通过减速手闸进行控制速度和制动。方案1的使用方法如下：当意外发生时，先把绳子固定在室内并靠近窗户的地方，同时要保证固定的安全可靠，同时人把安全带扣在身上。然后把绳子放到窗外，通过调节调速手轮，使减速结构与绳进行自锁卡死，然后人爬出窗户，所有的重量都由钢丝绳承担。这是稍微松开调速手轮，由于重力较大的作用，人开始慢慢向下滑落。在下降过程中，可以通过调节调速手闸来控制自己的下落速度，安全到达地面。同时可以推动或松开摇杆（图2中的8），从而挤压或拉回滑块（图2中的7），改变滑块与绳之间的摩擦力，同时由于橡胶（图1中的6）与减速轮（图2中的9）之间的摩擦力也随之增大或减小，从而使轴（图1中）角速度增大或减小，从而使人下降的速度得到控制。2、 方案一的优点与不足这种方案具有的优点就是机械装置简单、占地小，普通家庭既可以进行使用，单个使用效率高等。同时在下降过程中，可以通过手动的进行调节下降速度，调节性较好。同时这种方案不能够实现自动的下降，需要人的控制，在实际操作过程中可能会由于人的因素而复杂操作。导致使用效率低等缺点。2.1.2 方案二1、 方案二的原理该方案是根据机械摩擦原理和欧拉原理（滚轮与绳索围包角之间的大小决定摩擦力）设计的，是机械设计基础知识的应用，属于机械式装置。其原理图如下：123456789图2-3 往复式可控高楼火灾逃生器原理图（1.支架；2.绳索；3.动滑轮；4.控制轴；5.摩擦轮；6.挡绳轮（4个）；7.吊篮；8.上升控制绳；9.定滑轮。）原理及使用方法：装置采用直径3mm的钢丝绳在控制轴上绕长可为100m，（根据需要选择绳长）共三股100m绳绕在控制轴1上，三股绳分别位于挡绳轮6之间，且中间一股绳的缠绕方向要与两边的绕绳方向相反。将支架1固定在楼层的阳台护栏上，开始时，将摩擦轮刹死，100m绳事先缠绕在控制轴4上。通过控制手柄放开摩擦轮5，由于人重力的原因，使控制轴4转动，控制轴4转动的时候，同时释放绕在控制轴4上的绳，实现吊篮7的下降。在下降的过程中，可以通过控制刹皮与摩擦轮5的摩擦力大小控制控制轴4的转速大小来实现缓降，快速下降。如遇到突发情况，把操纵杆置于紧急制动器档位，可实现紧急悬停，使人处于安全状态。随着控制轴4转动，上升控制绳8随着控制轴4的转动自动收起。待逃生者1号降到地面，上升控制绳8收起的长度恰好为所在楼层高度，接着逃生者1号拉动中间绳，使控制轴4旋转，由于用于滑轮组的绳与上升控制绳8的缠绕方向相反，随着上升控制绳8的拉长，吊篮7随着滑轮组绳的缩短（重新缠绕在控制轴4上）而上升，第2个人逃生创造了条件，如此循环，可满足多人逃生。完毕后，收尾工作简单方便，若最后状态为滑轮组绳收起，上升控制绳8下放，则先解开滑轮上方的绳，将滑轮绳缠绕在控制轴4上，并且不能让其在散开，这时可以转动控制轴4将上升控制绳8绕好在控制轴4上。若最后状态为上升控制绳8收起，滑轮组绳下放，则先绕好上升控制绳8，并且不能让其在散开，这时可以转动控制轴4将滑轮组绳绕好在控制轴4上。2、 方案二的优点与不足方案二的优点：一、该装置结构简单，轻巧。二、该装置安全系数高制动效果好。且生产加工成本低适合大众群体购买。方案二的不足：该装置在下降过程中需要逃生人员做相关的操作控制，且一人逃生后需已逃生人员操作另外被困人员才可逃生，且该装置的上升机构过于简单，万一绳索卡死则其他被困人员将无法使用。2.1.3 方案三1、 方案三的原理方案三在主要由四部分组成如下图1.4，分别是座椅、传动齿轮、主动轴和从动轴组成。当意外发生进行工作时，首先逃生人员调整好机构的仰角或者事先调整好。在刚开始下降时，会以一个较好的加速度进行下落，当下落一段时间之后，在从动轴上的传送带的包角会随着下降逐渐增大。同时随着接触面积的增加，也相应的增大了摩擦力，进而减小了加速度。逃生的人也会经历一个加速匀速和减速的过程，在保证最大速度的同时，减少了对人身体的冲击和着地时对人的冲击力，能够保证使用人安全达到地面。43211、 背靠挂钩；2、齿轮传动；3、从动轴；4、主动轴图2.4 方案三的结构简图图2-5 装置的自动减速原理图装置自动减速原理：如图2-5，绳索有一定的直径，当在轴一上面缠绕数圈时，会有一定的厚度。随着逃生人员的下落，绳索在轴一上缠绕的层数减少，从而引起绳索在轴二上的包角增大（如下图所示，）。由于压力一定，接触面积增大，则摩擦力增大，反馈到齿轮二上，此时，齿轮一也必然会减速，也就是人下降的速度会降低。达到先加速再匀速后减速下降的目的，最终以安全速度下降到地面。2、 方案三的优点与不足方案三的优点主要是能够利用逃生人员的自身优势，不需要外加动力等装置，同时在操作过程中不需要人员进行控制，能够自动调节速度，适应范围广。同时设计采用的是纯机械式结构，工艺简单，易操作。同时工艺的仰角可以通过调节适应不同的人群。在实际适应过程中，为了满足不同的需求，有时在钢丝绳末端会连接一段弹性缓冲器，更加能够保证人的生命安全。但这种结构也存在着对材料要求高，各部件连接紧密等不足之处。2.2 方案的比较与选择通过比较以上三个方案，以及各个方案与设计要求的对比，方案三装置结构简单，操作简便，能够实现自动减速，下降过程中无需逃生人员做任何其他操作，减少了因操作失误而引起的意外伤害事故，且方案三的原理结构简单不易发生机械故障，安全系数相对较高，并且符合其他相关设计要求，所以选择方案三为设计方案。3 装置零部件设计3.1 轴的设计3.1.1 轴的概述轴的分类方法有很多，一般都是根据实际应用情况按受力情况和轴线外形进行分类。下面将根据这两种情况分别进行介绍。1、按受载情况分。1）在实际工作中，轴同时受到弯矩和转矩的综合作用，相互影响。比如减速机中的轴及时如此。2）轴在起传动工作周所受的力以转矩为主，同时受到很小的弯矩或者不受。在现实中发动机与后桥之间的传动就是这种受力模式。3）心轴在工作中只受到弯矩的单独作用。不受转矩的作用力。2、按轴线形状分：1）曲轴。轴不是传统意义上的直轴，而是各段分别有不同的中心线。这种结构的轴典型的应用就是发动机中的曲轴。2）直轴。相对于曲轴，直轴的各个段的中心线都是同一个中心线上，它同时可以根据形状分为如下几种：（1）光轴。这种结构的轴外形比较单一。加工过程中很少出现应力集中现象。但在装配时会有不易定位的情况。所以一般用于传动或芯轴。（2）阶梯轴。这种轴是应用最普遍的轴，在实际生活中随处可见。（3）钢丝软轴。钢丝软轴在主要应用在工业生产中，它的结构是由几层钢丝绳紧贴着一起组成的，具有较好的挠性，能够实现远距离不同心的动力传递。在工业生产中主要用于远程控制。最典型的就是汽车的里程表内的应用。3.1.2 主动轴的设计主动轴的材质选用常用的45#钢，通过国标技术参数可以查得=260MPa。轴的弯矩和转矩都复合预定的强度极限条件。由于轴的频繁震动启动故江旋转切应力看为脉动循环应力，且力矫正系数由邱宣怀主编第四版机械设计中第十六章中表16.3得式（3.1） 式（3.1）式中 表示应力矫正系数； 表示对称循环应力状态下的许用弯曲应力； 表示脉动循环应力状态下的许用弯曲应力。 同时又由于主动轴只受到转矩的作用，则由式（3.2）： 式（3.2）得:式中 表示弯矩； 表示重力； 表示轴半径。其中，。校核轴上危险截面的强度，由式（3.3）： 式（3.3）式中 表示危险截面当量应力； 表示抗弯剖面系数。式（3.3）又可写为式（3.4）： 式（3.4）从而得设计公式式（3.5）： 式（3.5）式中 表示危险截面直径。从而得出：3.1.3 从动轴的设计取切向力的极限最大值，分析知轴的中点为危险点由式（3.6）： 式（3.6）对中点的弯矩由式（3.7）为 式（3.7）式中 表示轴长。轴受到产生的转矩最大值由式（3.8），式（3.9）： 式（3.8） 式（3.9）式中 表示最大摩擦力； 表示摩擦系数。其中取，。得:，且当时同时取到最大值。由式（3.10）： 式（3.10）将上面数据代入式（3.10）得：由设计计算、的值很小就可以满足强度条件。由缠绕绳的速度和装置结构本小组初取绕绳轴半径为mm，另一轴半径为。3.2 齿轮的设计3.2.1 齿轮的概述齿轮在机械动力传动中具有非常重要的地位，它精确的传动比，高效率的稳定传动，并且能够长时间工作。它不但能够应用到平行轴之间的传动，还能应用到交叉轴等范围的传动。高转矩的传递在机械设计中得到广发使用。常用的齿轮传动主要由圆柱齿轮、圆锥齿轮和涡轮蜗杆传动的三种形式。3.2.2 齿轮强度设计计算取轴r=30mm，G=2100N故齿轮传递的最大转矩为：T=63000Nmm应力循环次数取次。取圆柱齿轮的齿宽系数（悬臂布置），齿数比。齿轮的接触疲劳强度极限：根据本设计要求，选用以下数据：，其中为使用系数，为动载系数，为接触强度计算齿间载荷分配系，为弯曲强度计算齿间载荷分配系数，为接触强度计算齿向载荷分布系数，为弯曲强度计算齿向载荷分布系数，为弹性系数，为接触疲劳强度计算寿命系数。取失效的概率为，安全系数。则接触疲劳许用应力为： 式（3.11）式中 表示许用接触应力； 表示接触疲劳强度计算寿命系数； 表示失效概率为1%时齿轮的接触疲劳极限；其中，值已知，值可由邱宣怀主编机械设计（第四版）中第12章中图12.17查出。将已知数据代入式（3.11）得：计算齿轮分度圆直径，式（3.12）： 式（3.12）式中 表示齿轮分度圆直径； 表示齿数比； 表示齿宽系数； 表示许用接触应力； 表示弹性系数。将数据代入式（3.12）得：齿宽如式（3.13）： 式（3.13）带入数据得：模数如式（3.14）： 式（3.14）带入数据得：齿高如式（3.15）： 式（3.15）带入数据得：常用数据如下：， 式（3.16）带入数据得：按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径式（3.16）： 式（3.16）带入数据得：计算模数，将数据代入式（3.14）得：齿轮的弯曲强度极限：计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳安全系数，如式（3.17） 式（3.17）代入数据得：查得以下数据：， 设计计算如式（3.18）： 式（3.18）式中 表示齿形系数； 表示应力修正系数。代入数据得：对比计算结果，有齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲强度计算的模数，由齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮的直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度所计算的模数并就近圆整为标准值，按接触疲劳强度计算的分度圆直径：中心距如式（3.19） 式（3.19）带入数据得：计算齿轮齿宽，数据代入式（3.13）得：3.3 棘轮的设计3.3.1 棘轮的概述棘轮是由棘轮盘和棘轮抓构成的一种单向的运动机构，它是一种间隙运动，能够将连续的运动或者来往的运动转换成一种单向的，呈脉冲式的运动。它的轮齿一般采用的是单向齿，就是为了保证他工作的单向性和方向性。棘爪通过铰接与摇杆相连。当摇杆从逆时针方向进行运动时，驱动棘爪便插入逆向齿，确保不反转。棘轮在运功过程中，每次所转动的角度成为动程。动程的参数是可以调节的。主要是通过修改驱动机械的相关参数或者在运转过程中进行调节。同时可以为了提高棘轮运转的精度，可以采用多个棘轮棘爪同时运行的设计。棘轮在工作时一般会产生一定的声音和震动，并且一般保持在一个较低的工作频率。机械工程中经常用到的棘轮机构是外咬合式的。它一般由主动摆杆，棘爪，棘轮、止回棘爪和机架组成。当工作时，主动件首先进行顺时针转动，驱动了棘轮插入棘轮的齿槽中。带动了棘轮随之转动一定的角度，这时候，止回棘爪在棘轮的齿背上滑动。当反向运动时，进行相反的工作，止回棘爪阻止了运动的进行。棘轮机构按照结构可以分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构。两种结构分贝具有优缺点。其中齿式棘轮机构的设计制造比较简便，能够根据设计不同的动力装置实现动与停的自动选择。但是这种选择只能是有极的调节，同时在工作过程中会有比较大的振动和冲击力，所以只适合低速运动。摩擦式的棘轮机构采用的是偏心扇式的设计，其中采用了摩擦作用力的形式代替了棘轮的传动。这种设计形式能够保证传动的平稳，低声，并且能够实现无极调速。但因为是靠摩擦力进行动力传递，所以会出现类似于皮带传动的打滑现象，所以会有传动比不精确的缺点。棘轮机构按照啮合的方式也可以分为内啮合和外啮合的方式。其主要的区别就是棘爪或者楔块设计按照的位置的不同。两者分别有相应的有点。其中外啮合由于安装在外部，所以工艺加工等比较方便。内啮合则体现在整体结构的紧凑性。3.3.2 棘轮的设计棘轮击鼓的设计主要是对主要参数的选择以及计算验证。在棘轮的设计中主要参数有齿形的选择，模数的确定，齿面倾斜角的确定以及行程额动停比的调节方法等。下面将分别介绍：1棘轮齿形的选择棘轮齿形一般有梯形和三角型。其中梯形采用的是不对称的结构形式，这种结构能够承受较大的载荷。而当运动时产生较好载荷时可以采用三角型齿形。根据本次设计，选用了三角型齿形。2模数、齿数的确定在棘轮的设计中，模数m是一个基本的参数，是整个设计工作中的第一步。棘轮模数的设计是由棘轮的齿顶圆直径决定的，计算公式如（3.20） 式（3.20）棘轮齿数z一般由棘轮机构的使用条件和运动要求选定。对于一般进给和分度所用的棘轮机构，可根据所要求的棘轮最小转角来确定棘轮的齿数（，一般取z = 830），选择，。3齿面倾斜角的确定棘轮齿面与径向线所夹称为齿面倾斜角。棘爪轴心O1与轮齿顶点A的连线O1A与过A点的齿面法线nn的夹角称为棘爪轴心位置角。为使棘爪在推动棘轮的过程中始终紧压齿面滑向齿根部，应满足棘齿对棘爪的法向反作用力对轴的力矩大于摩擦力Ff沿齿面）对轴的力矩，即则因为所以 即 式中f和分别为棘爪与棘轮齿面间的摩擦系数和摩擦角，一般f取0.13 0.2。取f=0.2，取=204. 行程和动停比的调节方法1）采用棘轮罩通过改变棘轮罩的位置，使部分行程棘爪沿棘轮罩表面滑过，从而实现棘轮转角大小的调整。2）改变摆杆摆角通过调节曲柄摇杆机构中曲柄的长度，改变摇杆摆角的大小，从而实现棘轮机构转角大小的调整。3） 采用多爪棘轮机构要使棘轮每次转动的角度小于一个轮齿所对应的中心角时，可采用棘爪数为m的多爪棘轮机构。如n=3的棘轮机构，三棘爪位置依次错开，当摆杆转角在范围内变化时，三棘爪依次落入齿槽，推动棘轮转动相应角度为 范围内整数倍。3.4 其他零部件的设计选择3.4.1 安全座椅的选择安全座椅在工作过程中主要起承载重力和保护逃生人安全的作用。在刚开始下降过程中，将逃生人员通过安全带固定在座椅上，同时为了增加逃生人的的安全感，减少在逃生初期及过程中的恐惧感，加装了座椅扶手。当逃生人手握扶手时，能够在心理上实现一种更大的安全感。另外由于在逃生过程中也会有老人或者小孩，过多的限制，能够保证体力不支着不至于划掉，或者被安全带勒住。在一定程度上也保证了逃生人的安全保证。安全座椅的图片如下图。图3-1 座椅结构示意图目前在市场上，已经有相对比较成熟的各种实行的安全座椅，且具有较高的安全性和个性化设计。在本次毕业设计中，安全座椅仅仅是一个附件，所以并不做更深入的探讨和设计。3.4.2 挂钩的设计为了满足此逃生器具有最广的适应性，达到最大的应用范围，本设计采用了可调式挂钩设计。挂钩采用了可调的形式。当需要进行调解时，可以通过挂钩上的螺纹连接进行选择调节长度。同时，根据目前市场上调研的主流的建筑物窗台的高度和宽度，设计了两种不同尺寸和形式的挂钩，使用者不但能够根据实际情况进行调节长度，还能对其一些参数进行修改，以满足个性化需求。4计算和验证在本设计的前面主要对机械结构部分进行了设计计算。但是在实际工作过程中更重要的是考虑整个装在下降的时间，以确定在多长的 时间范围内能够下落到安全地带。以及在下降过程中速度的大小。本段将对次进行设计分析。4.1 静力学平衡计算为绳与轴的正压力，角为包角的微元静力学平衡方程如下式（4.1）： 式（4.1）式中 式中当趋近无穷小则： 由式（4.1）得：得到公式式（4.2）： 式（4.2）假设逃生人员重力为，轴一与轴二之间绳的拉力为，为绳与轴二的包角。齿轮的的分度圆直径相同。得到关系式式（4.3）: 式（4.3）得到静力平衡的模型式（4.4）： 式（4.4）由式（4.3）我们可以看出逃生人员的下降仅与轴一、轴二和摩擦因数有关，而与逃生人员自身重力无关。4.2 绕绳的计算设第四圈为平衡点,为绳子与轴的包角，为摩擦因素为，绳子的直径为，重力加速度为。忽略轴承的摩擦力和速度突变损失的能量。绳长的计算公式式（4.4）： 式（4.5）包角计算公式式（4.5） 式（4.6）式中 表示轴一半径； 表示轴二半径。则第四层包角将数据代入式（4.5）得：仰角计算公式式（4.6）： 式（4.7）带入数据得：即当仰角为时第四层达到平衡。4.3 速度计算合力公式式（4.7）： 式（4.8）加速度公式式（4.8）： 式（4.9）具体数据如表4-1表4-1 加速度的计算层数包角加速度第一层 第二层第三层第四层第五层第六层第七层第八层当楼层高度为20米时，设计一（每一层为8圈）表4-2 下降的瞬时速度层数绳长下降完该长度瞬时速度为耗时第八层3.37m3.53m/s 2.3s 第七层 3.17m4.68m/s 0.9s 第六层 2.90m5.29m/s 0.7s 第五层 2.63m5.57m/s 0.6s 第四层 2.37m5.58m/s 0.5s 第三层 2.11m5.27m/s 0.5s 第二层 1.83m4.70m/s 0.5s 第一层 1.52m3.64m/s 0.5s 落地速度为3.64m/s为安全落地速度，总下降需要时间为:6.5s设计二（每一层为9圈）表4-3下降的瞬时速度层数绳长下降完该长度瞬时速度消耗的时间第八层 4.1m2.00m/s1.3s第七层 3.6m3.85m/s1.4s第六层 3.3m4.67m/s1.0s第五层 3.0m5.02m/s0.
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