1、畢業設計(論文)高樓火災逃生器設計design of escape machine from high-rise for fire 學生姓名學院名稱專業名稱指導教師20*年5月27日 徐州工程學院畢業設計(論文)摘要本文從開始介紹了高樓逃生裝置的背景和研究意義，并對現有的一些高樓逃生裝置進行了分析和對比，發現大多數的裝置有成本高、機構復雜、安全系數低等一些不足之處。本設計根據機械創新理論，設計出一種基于負反饋閉環系統的高樓逃生裝置，該裝置具有成本低、操作簡單、安全系數高、純機械無電氣結構等優點，最后通過對設計機構的零部件進行計算，得出整個機構的圖形，在多次試驗和計算之后，確定了不論是小孩還是老

2、人都能從高樓平安降落到地面，達到了本次設計的目的。關鍵詞 高樓火災逃生器；機械創新理論；往復；可控abstractfirstly,this paper describes the background and significance of tall building escape device.and some of the existing tall building escape devices are analyzed and compared，most of the devices are costly, complex organization, the safety factor

3、 and low number of shortcomings are found. the design applied theory of inventive problem solving. to design a negative feedback loop system based on tall building escape device. the device has many advantages such as low cost, simple operation, high safety factor, purely mechanical no electrical st

4、ructure. finally, the components of the calculated design agency .the graphics get in the whole body ,after many tests and analysis, determining whether children or the elderly can safely descend to the ground from high buildings. the purpose of this design has achieved.keywords hige-rise escape mac

5、hine for fire machinery innovation theory reciprocating controllable目 錄摘要iiabstractiii1 緒論11.1 設計背景及意義11.2 國內外研究概況21.3 高樓火災逃生器的實例31.3.1 內凸輪式高樓火災逃生器31.3.2 渦輪蝸桿式高樓火災逃生器41.3.3 鋼絲繩防滑逃生裝置41.3.4 心摩擦式高樓火災安全逃生器52 整體方案設計62.1 方案構設62.1.1 方案一62.1.2 方案二92.1.3 方案三112.2 方案的比較與選擇123 裝置零部件設計133.1 軸的設計133.1.1 軸的概述133

6、.1.2 主動軸的設計143.1.3 從動軸的設計153.2 齒輪的設計163.2.1 齒輪的概述163.2.2 齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲強度設計163.3 棘輪的設計203.3.1 棘輪的概述203.3.2 棘輪的設計213.4 其他零部件的設計選擇223.4.1 標準件的選擇223.4.2 安全座椅的選擇233.4.3 掛鉤的設計244 計算和驗證244.1 靜力學平衡計算254.2 繞繩的計算264.3 速度計算26結論29致謝30參考文獻31311 緒論1.1 設計背景及意義隨著建筑高度的增加和日趨密集，建筑的安全隱患也越來越多，即使在發達國家的高樓遇有火災、爆炸等事件時，由于時間、

7、空間等諸多因素的限制，人員自救逃生也是一個急待解決的重要問題。高樓火災的有效救援和應急逃生，已經成為人們高度關注的社會問題。高層建筑一般功能較多，內部通道和外部環境情況復雜，一旦發生火災，由于煙囪效應，火勢和濃煙就會迅速擴大，很短時間內蔓延到內部樓梯和走廊，封鎖正常的疏散通道，至使樓上被困人員無法逃生。所以逃生人員自救是一個亟待解決的重要問題。高樓突然失火或其他災難發生時 ,電梯不能用,樓梯阻塞,而一般地面救援裝備的舉高和投射能力又遠遠的落后于高層建筑的高度發展而且裝備體積龐大受道路交通，建筑周邊環境等方面的影響因而延誤救援時機，這樣的情況每年都有發生 ,也有很多人因無法逃生而遇難,所以怎樣快

8、速有效的逃離火災建筑成了決定生死的問題，而高樓逃生裝置在這樣的環境下應運而生。然而在人們將越來越多的精力和時間都投入到對安全問題保障研究的同時,卻忽略了最基礎的一種手段 ,在人們越來越多的用到各種高科技和現代手法進行安全保障的同時,卻忽略意外事件的發生,是不可以借助外力和各種現代手段解決的 ,要靠最基礎和最簡單的方式 ,也就是機械傳動的方式才是最安全和穩定的。本課題要求針對高層建筑實際情況，設計一種在發生火災情況下，能幫助人方便、快捷的逃生的工具。要求設計出的逃生器能適合各種結構的建筑物，運行實現自動化，并且要求操作方便，可以折疊，體積和重量在一個人可以操作的限度范圍內。可以多次往返高層建筑進

9、行營救。從而能最大限度的減少火災中的人員傷亡。通過分析比較現有的一些高樓逃生器，大多數裝置雖然能達到高樓逃生這一功能，但其結構原理復雜，操作繁瑣，安全性差，生產成本高，部分裝置還需要電力控制，局限性大(發生地震或火災時很有可能斷電，也不允許操作人員進行復雜的操作)。所以本設計采用一種基于負反饋閉環系統的高樓逃生裝置，裝置結構簡單，操作簡便，且無需電力或其他能源驅動，純機械結構。其原理是利用逃生人員的重力，通過機構的轉換，產生阻止逃生人員快速下落的阻力，隨著下降中繞繩層數的減少，包角增大，阻力增大，使逃生人員依次有加速、勻速、減速下降的過程，最終以安全速度到達地面。裝置的仰角大小可以人為調節。當

10、從動軸與安全繩的粗糙度、安全繩的直徑發生改變時可以通過改變仰角的大小使裝置仍然可以正常使用，適應了各種環境。通過計算，結果達到預期要求，借助本裝置逃生人員可以以安全的速度平穩的下落到地面。因而可以在災難發生的時候保證人的生命安全。符合設計要求。1.2 國內外研究概況在我國，目前主要的救生設備有逃生緩降器，這種設備主要針對普通家庭和個人使用，其構造由調速器、安全帶、安全鉤、鋼絲繩等組成。每次可以承載約100公斤重的單人個體自由滑下，其下滑速度約為每秒1.5米，從二十層樓上降到地面約需40多秒/每人，根據人體重量的不同，略有差異。40秒雖然在平時看似不多，但在火災逃生分秒必爭的情況下還是略顯漫長。

11、目前這種逃生緩降器的使用狀況不甚理想，其原因除家庭消防意識、經濟因素之外，主要是難以適用老幼病殘者，多戶同時使用可能發生相互纏繞，以及安裝問題、定期保養等，難以走進百姓家門。還有一個主要的設備是救生氣墊，它主要是一種利用充氣產生緩沖效果的高空救生設備。一般采用高強度纖維材料,經縫紉、粘合制成，其氣源一般采用高壓氣瓶。但是救生氣墊僅限于高度為3-4層的樓房使用，隨著高度的增加，其緩沖效果、作用面積也將大打折扣，同時此裝備要求有相當大的窗戶作為人們逃生的出路，在一定程度上受到很大的限制。因此應用范圍非常有限，當然對于高樓逃生就有很大的危險性。目前國外高樓逃生器主要有以下幾種形式：1緩降器式：該類逃

12、生器增加鋼絲繩與輪之間的包角，使得鋼絲繩與鋼絲輪之間的摩擦力增加。另外，再利用手控裝置，進一步調節下降速度的快慢。2間歇沖擊式：間歇沖擊式逃生器是通過間歇撞擊能來消耗能量，如利用鐘表中的擒縱叉和擒縱輪原理來消耗能量。3液體流動阻尼式：液體流動阻尼式是利用液體流動阻尼把人體勢能轉化成液體熱能，以達降低速度的目的。其主要特點是由于液體阻尼的大小取決于外負載，所以不論人體質量的大小均能以比較恒定的速度下降。另外據新科學家雜志報道，美國國防部高級研究計劃署正在研究炮射飛人。此項研究將有特殊的現實用途，諸如在緊急情況下將警員或者消防隊員送入高樓的屋頂。一具斜軌將以與地面呈80的姿態安放于目標地點附近，執

13、行任務的人員則坐在椅子中類似于飛機駕駛員的彈射座椅。壓縮空氣從背負的鋼瓶中迅速噴出，座椅即沿滑軌彈射，到達頂端時戛然停住，人體由于慣性飛離并到達屋頂邊，安全著陸。方案的關鍵在于正確計算拋物線軌跡，在國防部高級研究計劃署的專利方案中有一臺計算機精準控制發射的角度及速度，可在2秒內把人安全送抵5層樓的高度。1.3 高樓火災逃生器的實例1.3.1 內凸輪式高樓火災逃生器為了保證機械運動的安全可靠，常常需要對機械運動的速度進行限制，例如對索道滑車、逃生器等進行緊急制動。目前，國內的自動限速器的種類主要包括離心式、間歇沖擊式和液體阻尼式。該實用新型的目的是要提供一種內凸輪式自動限速器，該裝置不僅結構簡單

14、、體積小、無噪聲而且生產成本低。該實用新型是這樣實現的（見圖1）：它包括一固定內凸輪（外徑200mm），其特征在于所述的內凸輪型腔內設置有一導軌支架，所述的導軌支架的中部橫向設置有滑動芯閥，所述的內凸輪型腔的內周壁由若干個依次連續并沿同一圓周均勻分布的拱形曲面組成，兩相鄰拱形曲面的交接處至內凸輪中心連線的延長線恰好通過延長方向所對的拱形曲面的頂點，所述的內凸輪型腔內過內凸輪中心點的徑向線的長度與滑動芯閥的長度相等，所述的導軌支架體內設置有油腔，所述的滑動芯閥上下側固定聯接有位于油腔內的阻尼片。圖1-1 凸輪驗證仿真模型 當內凸輪驅動滑動芯閥作往復橫向移動時，使得油脂從油腔的一側自縫隙翻越阻尼片

15、流到油腔的另一側，再從另一側翻越阻尼片流回油腔的原側端，在此過程中產生很大的阻尼，以此來限制內凸輪的速度。將該內凸輪與任何需要限速的回轉件聯接，即可達到自動限制該回轉件轉速的目的。優點：體積小，無噪聲，成本低，生產安裝及維修方便，持久耐用，實用性高。缺點：結構復雜，部件多，制造費工費時，下降速度不穩定，安全系數低。1.3.2 渦輪蝸桿式高樓火災逃生器原理：利用蝸輪蝸桿的自鎖性，蝸桿能帶動蝸輪，但蝸輪不能帶動蝸桿，使逃生人員在逃生過程中，控制自己的下落；優勢：結構簡單；具有自鎖性，安全性高，制造成本不高；缺點：摩擦磨損大，材料要求高，操作復雜，普通人不易操作。1.3.3 鋼絲繩防滑逃生裝置圖1-

16、2 鋼絲繩防滑機構鋼絲繩纏繞在回轉軸上的楔形槽內。有兩個擺架，擺架可分別繞上端固定軸擺動，每個擺架上均轉有一個v形滾壓輪架，v形滾壓輪架可相對于擺架繞小軸擺動，每個v形滾壓輪架上均裝有兩個滾壓輪，滾壓輪壓在鋼絲繩的外緣。每個擺架下端還有一個槽滾輪。鋼絲繩纏繞方式如圖2所示。鋼絲繩從左側槽滾輪的左邊向上穿，向右拐，沿逆時針方向纏繞在回轉軸上，然后從右側槽滾輪的右邊向下穿。假設重物掛在鋼絲繩左端。纏繞在回轉軸上的鋼絲繩在重物的拉動下，對左側槽滾輪產生一向右的壓力，該壓力使左側擺架繞上端固定軸作逆時針擺動，從而使左側v形滾壓輪架上的兩個滾壓輪緊緊地壓在鋼絲繩左側自由端的外緣，使得鋼絲繩左側自由端與回

17、轉軸間的壓力增大，摩擦力矩也因此增大。重物的重量越大，則鋼絲繩左側自由端與回轉軸間的壓力也越大，摩擦力矩也越大。從而避免了鋼絲繩與回轉軸之間的打滑。當重物掛在鋼絲繩右端時，受力情況與上述對稱。優點：防打滑，安全系數高缺點：裝置復雜，成本較高，不能快速把人能降落到地面。1.3.4 心摩擦式高樓火災安全逃生器原理：重力帶動卷軸轉動，使得卷軸上的活動快由于離心力產生正壓力，摩擦片與外殼產生摩擦力，在下降速度達到一定值，摩擦力矩與人體重力力矩平衡，勻速下滑;優勢：逃生人員下降過程中不需要人來控制;缺點：局限性大重力越大下落到地面速度越大安全系數低且最小使用重量為20kg.2 整體方案設計機械系統是由原

18、動機、傳動系統、執行系統、控制系統和其它輔助系統組成的，所以，機械系統總體方案設計的內容應是這幾部分的方案設計及其各部分間的協調設計。即執行系統的方案設計、原動機類型的選擇、傳動系統的方案設計、控制系統的方案設計和其它輔助系統的方案設計。機械系統整體方案設計的特點：1協調性：整體系統由各個子系統組成，雖然各子系統的功能不同、性能各異，但它們在組合時必須按照整體功能的需要。2相關性：構成系統的各要素之間也是互相關聯的，它們之間有著相互作用、相互制約的特定關系。某個要素性能的變化將影響對相關要素的作用，從而對整個系統產生影響。3內外結合性：任何系統必定存在于一定的社會和物質環境中，機械系統也不例外

19、。環境的變化必將引起系統輸入的變化，從而也將導致其輸出的變化。2.1 方案構設2.1.1 方案一1、方案一的原理方案一利用摩擦力控制速度的原理，在下降過程中通過增減裝置與鋼繩的摩擦力來控制逃生人員的下降速度，同時采用兩級減速裝置使下降速度能得到充分的控制，安全性更好。其工作原理及結構簡圖如下：圖2-1 二級手動調速裝置（1.殼體；2.減速手柄；3.減速杠桿一；4.減速杠桿二；5鋼絲繩 ；6.橡膠；7.減速輪；）圖2-2（去掉了圖3中的剎車裝置3、4、5、6、8） 減速裝置主視圖(1.固定軸套；2.減速圓柱；3.穿繩孔；4.減速檔板；5.減速軸；6.軸承；7.滑塊；8. 搖桿；9.減速輪；10.

20、減速軸；11.減速手閘；12.調速手輪；13.內螺紋軸套；14.殼體；)原理說明：該裝置是利用繩子做導軌，減速裝置在繩上運動，通過增減與鋼絲繩之間的摩擦力來實現下降過程的加減速。其中“一級減速器”是通過旋動調速手輪（圖2中的12），從而推動裝置內各邊減速圓柱（圖2中的2）相向運動而互相擠壓，增大它們之間的摩擦力，使鋼繩的速度減慢。“二級減速器” 是把繩的豎直運動通過在軸（圖2中的5和10）上的纏繞而變為軸的旋轉運動，再通過減速手閘（圖2中的11）實現對輪的減速或制動。使用方法：首先把鋼絲繩固定在臨近窗戶處，人先把安全帶扣在身上，把繩子拋出窗外，再調節“一次減速器”的調速手輪（圖2中的12），使

21、減速圓柱（圖2中的2）裝置與繩卡死，隨后人慢慢爬出窗戶，使自身的重力完全作用在繩子上，再微松“一次減速器”的調速手輪（圖2中的12），由于此時重力大于摩擦力，人與裝置開始慢慢下落。在下降過程中，人可以調節“二級減速器”的手閘（圖2中的11），通過改變握緊力的大小來控制自己的下落速度，直到到達地面，同時可以推動或松開搖桿（圖2中的8），從而擠壓或拉回滑塊（圖2中的7），改變滑塊與繩之間的摩擦力，同時由于橡膠（圖1中的6）與減速輪（圖2中的9）之間的摩擦力也隨之增大或減小，從而使軸（圖1中）角速度增大或減小，從而使人下降的速度得到控制。2、 方案一的優點與不足方案一的優點：一、該裝置結構簡單，所占

22、空間不大，人們可以放在家中備用，火災來臨時及時逃生，防止措手不及，從而脫離危險。二、該設計主要采用增減鋼繩與裝置之間的摩擦力來實現下降過程的加、減速。而且采用了兩次減速設置，可調性很好。方案一的不足：一、該裝置不能實現以安全速度全自動的下降，下降時需要逃生人員控制，對逃生時情緒緊張的人容易造成操作不對而出現事故。2.1.2 方案二1、 方案二的原理該方案是根據機械摩擦原理和歐拉原理（滾輪與繩索圍包角之間的大小決定摩擦力）設計的，是機械設計基礎知識的應用，屬于機械式裝置。其原理圖如下：123456789圖2-3 往復式可控高樓火災逃生器原理圖（1.支架；2.繩索；3.動滑輪；4.控制軸；5.摩擦

23、輪；6.擋繩輪（4個）；7.吊籃；8.上升控制繩；9.定滑輪。）原理及使用方法：此裝置采用直徑3mm的鋼絲繩在控制軸上繞長可為100m，（根據需要選擇繩長）共三股100m繩繞在控制軸1上，三股繩分別位于擋繩輪6之間，且中間一股繩的纏繞方向要與兩邊的繞繩方向相反。將支架1固定在樓層的陽臺護欄上，開始時，將摩擦輪剎死，100m繩事先纏繞在控制軸4上。通過控制手柄放開摩擦輪5，由于人重力的原因，使控制軸4轉動，控制軸4轉動的時候，同時釋放繞在控制軸4上的繩，實現吊籃7的下降。在下降的過程中，可以通過控制剎皮與摩擦輪5的摩擦力大小控制控制軸4的轉速大小來實現緩降，快速下降。如遇到突發情況，把操縱桿置于

24、緊急制動器檔位，可實現緊急懸停，使人處于安全狀態。隨著控制軸4轉動，上升控制繩8隨著控制軸4的轉動自動收起。待逃生者1號降到地面，上升控制繩8收起的長度恰好為所在樓層高度，接著逃生者1號拉動中間繩，使控制軸4旋轉，由于用于滑輪組的繩與上升控制繩8的纏繞方向相反，隨著上升控制繩8的拉長，吊籃7隨著滑輪組繩的縮短（重新纏繞在控制軸4上）而上升，第2個人逃生創造了條件，如此循環，可滿足多人逃生。完畢后，收尾工作簡單方便，若最后狀態為滑輪組繩收起，上升控制繩8下放，則先解開滑輪上方的繩，將滑輪繩纏繞在控制軸4上，并且不能讓其在散開，這時可以轉動控制軸4將上升控制繩8繞好在控制軸4上。若最后狀態為上升控

25、制繩8收起，滑輪組繩下放，則先繞好上升控制繩8，并且不能讓其在散開，這時可以轉動控制軸4將滑輪組繩繞好在控制軸4上。2、 方案二的優點與不足方案二的優點：一、該裝置結構簡單，輕巧。二、該裝置安全系數高制動效果好。且生產加工成本低適合大眾群體購買。方案二的不足：該裝置在下降過程中需要逃生人員做相關的操作控制，且一人逃生后需已逃生人員操作另外被困人員才可逃生，且該裝置的上升機構過于簡單，萬一繩索卡死則其他被困人員將無法使用。2.1.3 方案三1、 方案三的原理在實際操作過程中，需要調整機構仰角，逃生人員可以以一個很小的加速度加速下落。經過一段時間之后，從動軸上的包角越來越大，接觸面積增大，摩擦力也

26、增大，加速度減小，人經歷了從加速，勻速，減速的過程，最終以安全的速度降落到地面。圖2-4 裝置的自動減速原理圖裝置自動減速原理：如圖7，繩索有一定的直徑，當在軸一上面纏繞數圈時，會有一定的厚度。隨著逃生人員的下落，繩索在軸一上纏繞的層數減少，從而引起繩索在軸二上的包角增大（如下圖所示，）。由于壓力一定，接觸面積增大，則摩擦力增大，反饋到齒輪二上，此時，齒輪一也必然會減速，也就是人下降的速度會降低。達到先加速再勻速后減速下降的目的，最終以安全速度下降到地面。2、 方案三的優點與不足方案三的優點：相比其他的現有高樓逃生裝置，該裝置最大的優點就是不需要利用其他能源，而是逃生人員自身的重力，下降不需要

27、逃生人員來控制，適合不同人群，純機械結構，結構簡單，操作簡單，結構的仰角可以調節適用于不同的條件。在繩子末端與逃生人員掛接處接一段彈性繩減緩沖擊力，更加能保證人的生命安全。方案三的不足：該裝置對機構的制作材料要求較高，要求各部件的鏈接緊密，而且剛開始的初速度比較大，人需要有一定的承受能力。逃生人員不能夠連續的進行逃生，每完成一個逃生人員，下一個逃生人員需自己纏繞繩子后再進行逃生。2.2 方案的比較與選擇通過比較以上三個方案，以及各個方案與設計要求的對比，方案三裝置結構簡單，操作簡便，能夠實現自動減速，下降過程中無需逃生人員做任何其他操作，減少了因操作失誤而引起的意外傷害事故，且方案三的原理結構

28、簡單不易發生機械故障，安全系數相對較高，并且符合其他相關設計要求，所以選擇方案三為設計方案。3 裝置零部件設計3.1 軸的設計3.1.1 軸的概述軸一般有兩種分類方法：1、按受載情況分：1）轉軸既受彎矩又受轉矩的軸如減速器中的軸。2）傳動軸主要受轉矩，不受彎矩或彎矩很小的軸-如汽車發動機與后橋之間的軸。3）心軸只受彎矩而不受轉矩的軸。心軸根據其工作時是否轉動，又可分為：（1）固定心軸-如自行車的前輪軸；（2）轉動心軸-如鐵路機車輪軸。2、按軸線形狀分：1）曲軸，各軸段軸線不在同一直線上-如內燃機中的曲軸2）直軸，各軸段軸線為同一直線。直軸按外形不同又可分為：（1）光軸，形狀簡單，應力集中少，但

29、軸上零件不易裝配和定位。常用于心軸和傳動軸。（2）階梯軸，特點與光軸相反，常用于轉軸。（3）鋼絲軟軸，由幾層緊貼在一起的鋼絲繩構成，具有良好撓性，可彎曲繞過各種零部件將回轉運動靈活地遠距離傳遞-如手持動力機械、里程表和遙控裝置傳動。軸要正常的運轉，是需要軸承來固定的，所以軸承是很重要的。一般軸的失效形式為：主要是因疲勞強度不足而產生的疲勞籪裂；或是因靜強度不足而產生的塑性變形或脆性籪裂、磨損、超過允許范圍的變形和振動等等。一般軸的設計應該要滿足如下的準則： 1要根據軸的工作條件、生產批量和經濟性等原則，選取適合的材料、毛坯形式及熱處理方法。2要根據軸的受力情況、軸上零件的安裝位置、配合尺寸及定

30、位方式、軸的加工方法等等具體的要求，確定軸的合理結構形狀及尺寸，即進行軸的結構設計。3要軸的強度計算或校核。對受力大的細長軸(如蝸桿軸)和對剛度要求高的軸，還要進行剛度計算。在對高速工作下的軸，因有共振危險，故應進行振動穩定性計算。軸的結構設計步驟：1） 分析所設計軸的工作狀況，擬定軸上零件的裝配方案和軸在機器中的安裝情況。2） 根據已知的軸上近似載荷，初估軸的直徑或根據經驗確定軸的某徑向尺寸。3） 根據軸上零件受力情況、安裝、固定及裝配時對軸的表面要求等確定軸的徑向（直徑）尺寸。4.根據軸上零件的位置、配合長度、支承結構和形式確定軸的軸向尺寸。3.1.2 主動軸的設計軸的材料選用45鋼，由軸

31、常用材料性能表查得，軸的彎矩和轉矩合成強度條件，由于軸的頻繁震動啟動故江旋轉切應力看為脈動循環應力，且力矯正系數由邱宣懷主編第四版機械設計中第十六章中表16.3得式（3.1）。 式（3.1）式中 表示應力矯正系數； 表示對稱循環應力狀態下的許用彎曲應力； 表示脈動循環應力狀態下的許用彎曲應力。 同時又由于主動軸只受到轉矩的作用，則由式（3.2）： 式（3.2）得:式中 表示彎矩； 表示重力； 表示軸半徑。其中，。校核軸上危險截面的強度，由式（3.3）： 式（3.3）式中 表示危險截面當量應力； 表示抗彎剖面系數。式（3.3）又可寫為式（3.4）： 式（3.4）從而得設計公式式（3.5）： 式（

32、3.5）式中 表示危險截面直徑。從而得出：3.1.3 從動軸的設計取切向力的極限最大值，分析知軸的中點為危險點由式（3.6）： 式（3.6）對中點的彎矩由式（3.7）為 式（3.7）式中 表示軸長。軸受到產生的轉矩最大值由式（3.8），式（3.9）： 式（3.8） 式（3.9）式中 表示最大摩擦力； 表示摩擦系數。其中取，。得:，且當時同時取到最大值。由式（3.10）： 式（3.10）將上面數據代入式（3.10）得：由設計計算、的值很小就可以滿足強度條件。由纏繞繩的速度和裝置結構本小組初取繞繩軸半徑為mm，另一軸半徑為。3.2 齒輪的設計3.2.1 齒輪的概述齒輪是在機器中傳遞動力和運動的零件

33、。齒輪傳動可完成減速、增速、變向等功能。常見的齒輪：1圓柱齒輪，用于兩平行軸之間的傳動。2圓錐齒輪，用于兩相交軸之間的傳動。3蝸桿蝸輪，用于兩交叉軸之間的傳動。傳動特點：1.效率高，傳動比穩定，工作可靠，壽命長；2.實用的速度和傳遞的功率范圍廣；3.可用于平行軸、相交軸和交錯軸之間的傳動；4.成本高，噪聲大。3.2.2 齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲強度設計取軸r=30mm，g=2100n故齒輪傳遞的最大轉矩為：t=63000nmm應力循環次數取次。取圓柱齒輪的齒寬系數（懸臂布置），齒數比。齒輪的接觸疲勞強度極限：根據本設計要求，選用以下數據：，其中為使用系數，為動載系數，為接觸強度計算齒間載荷分

34、配系，為彎曲強度計算齒間載荷分配系數，為接觸強度計算齒向載荷分布系數，為彎曲強度計算齒向載荷分布系數，為彈性系數，為接觸疲勞強度計算壽命系數。取失效的概率為，安全系數。則接觸疲勞許用應力為： 式（3.11）式中 表示許用接觸應力； 表示接觸疲勞強度計算壽命系數； 表示失效概率為1%時齒輪的接觸疲勞極限；其中，值已知，值可由邱宣懷主編機械設計（第四版）中第12章中圖12.17查出。將已知數據代入式（3.11）得：計算齒輪分度圓直徑，式（3.12）： 式（3.12）式中 表示齒輪分度圓直徑； 表示齒數比； 表示齒寬系數； 表示許用接觸應力； 表示彈性系數。將數據代入式（3.12）得：齒寬如式（3.

35、13）： 式（3.13）帶入數據得：模數如式（3.14）： 式（3.14）帶入數據得：齒高如式（3.15）： 式（3.15）帶入數據得：常用數據如下：， 式（3.16）帶入數據得：按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑式（3.16）： 式（3.16）帶入數據得：計算模數，將數據代入式（3.14）得：齒輪的彎曲強度極限：計算彎曲疲勞許用應力：取彎曲疲勞安全系數，如式（3.17） 式（3.17）代入數據得：查得以下數據：， 設計計算如式（3.18）： 式（3.18）式中 表示齒形系數； 表示應力修正系數。代入數據得：對比計算結果，有齒面接觸疲勞強度計算的模數大于由齒根彎曲強度計算的模數，由齒輪模數

36、的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪的直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲強度所計算的模數并就近圓整為標準值，按接觸疲勞強度計算的分度圓直徑：中心距如式（3.19） 式（3.19）帶入數據得：計算齒輪齒寬，數據代入式（3.13）得：3.3 棘輪的設計3.3.1 棘輪的概述它由棘輪和棘爪組成的一種單向間歇運動機構。它將連續轉動或往復運動轉換成單向步進運動。棘輪輪齒通常用單向齒，棘爪鉸接于搖桿上，當搖桿逆時針方向擺動時，驅動棘爪便插入棘輪齒以推動棘輪同向轉動；當搖桿順時針方向擺動時，棘爪在棘輪上滑過，棘輪停止轉動。為了確保棘輪不反轉，常在固定

37、構件上加裝止逆棘爪。搖桿的往復擺動可由曲柄搖桿機構、齒輪機構和擺動油缸等實現，在傳遞很小動力時，也有用電磁鐵直接驅動棘爪的。棘輪每次轉過的角度稱為動程。動程的大小可利用改變驅動機構的結構參數或遮齒罩的位置等方法調節，也可以在運轉過程中加以調節。如果希望調節的精度高于一個棘齒所對應的角度，可應用多棘爪棘輪機構。棘輪機構工作時常伴有噪聲和振動，因此它的工作頻率不能過高。棘輪機構常用在各種機床和自動機中間歇進給或回轉工作臺的轉位上，也常用在千斤頂上。在自行車中棘輪機構用于單向驅動，在手動絞車中棘輪機構常用以防止逆轉。工作原理:機械中常用的外嚙合式棘輪機構，它由主動擺桿，棘爪，棘輪、止回棘爪和機架組成

38、。主動件空套在與棘輪固連的從動軸上，并與驅動棘爪用轉動副相聯。當主動件順時針方向擺動時，驅動棘爪便插入棘輪的齒槽中，使棘輪跟著轉過一定角度，此時，止回棘爪在棘輪的齒背上滑動。當主動件逆時針方向轉動時，止回棘爪阻止棘輪發生逆時針方向轉動，而驅動棘爪卻能夠在棘輪齒背上滑過，所以，這時棘輪靜止不動。因此，當主動件作連續的往復擺動時，棘輪作單向的間歇運動棘輪機構的分類方式有以下幾種： 按結構形式分為齒式棘輪機構和摩擦式棘輪機構。 齒式棘輪機構結構簡單，制造方便；動與停的時間比可通過選擇合適的驅動機構實現。該機構的缺點是動程只能作有級調節；噪音、沖擊和磨損較大，故不宜用于高速。 摩擦式棘輪機構是用偏心扇

39、形楔塊代替齒式棘輪機構中的棘爪，以無齒摩擦代替棘輪。特點是傳動平穩、無噪音；動程可無級調節。但因靠摩擦力傳動，會出現打滑現象，雖然可起到安全保護作用，但是傳動精度不高。適用于低速輕載的場合。 按嚙合方式分外嚙合棘輪機構和內嚙合棘輪機構。外嚙合式棘輪機構的棘爪或楔塊均安裝在棘輪的外部，而內嚙合棘輪機構的棘爪或楔塊均在棘輪內部。外嚙合式棘輪機構由于加工、安裝和維修方便，應用較廣。內嚙合棘輪機構的特點是結構緊湊，外形尺寸小。按從動件運動形式分單動式棘輪機構、雙動式棘輪機構和雙向式棘輪機構單動式式棘輪機構當主動件按某一個方向擺動時，才能推動棘輪轉動。雙動式棘輪機構，在主動搖桿向兩個方向往復擺動的過程中

40、，分別帶動兩個棘爪，兩次推動棘輪轉動。雙動式棘輪機構常用于載荷較大，棘輪尺寸受限，齒數較少，而主動擺桿的擺角小于棘輪齒距的場合。3.3.2 棘輪的設計棘輪機構的主要設計有：棘輪齒形的選擇 、模數齒數的確定 、齒面傾斜角的確定 、行程和動停比的調節方法等。1棘輪齒形的選擇選用常用齒形，不對稱梯形用于承受載荷較大的場合；當棘輪機構承受的載荷較小時，可采用三角形或圓弧形齒形；矩形和對稱梯形用于雙向式棘輪機構。由于本機構承受荷載不是很大，選用三角形齒形。2模數、齒數的確定與齒輪相同，棘輪輪齒的有關尺寸也用模數m作為計算的基本參數，但棘輪的標準模數要按棘輪的頂圓直徑來計算如式（3.20）。 式（3.20

41、）棘輪齒數z一般由棘輪機構的使用條件和運動要求選定。對于一般進給和分度所用的棘輪機構，可根據所要求的棘輪最小轉角來確定棘輪的齒數（，一般取z = 830），選擇，。3齒面傾斜角的確定棘輪齒面與徑向線所夾稱為齒面傾斜角。棘爪軸心o1與輪齒頂點a的連線o1a與過a點的齒面法線nn的夾角稱為棘爪軸心位置角。為使棘爪在推動棘輪的過程中始終緊壓齒面滑向齒根部，應滿足棘齒對棘爪的法向反作用力對軸的力矩大于摩擦力ff沿齒面）對軸的力矩，即則因為所以 即 式中f和分別為棘爪與棘輪齒面間的摩擦系數和摩擦角，一般f取0.13 0.2。取f=0.2，取=204. 行程和動停比的調節方法1）采用棘輪罩通過改變棘輪罩的

42、位置，使部分行程棘爪沿棘輪罩表面滑過，從而實現棘輪轉角大小的調整。2）改變擺桿擺角通過調節曲柄搖桿機構中曲柄的長度，改變搖桿擺角的大小，從而實現棘輪機構轉角大小的調整。3） 采用多爪棘輪機構要使棘輪每次轉動的角度小于一個輪齒所對應的中心角時，可采用棘爪數為m的多爪棘輪機構。如n=3的棘輪機構，三棘爪位置依次錯開，當擺桿轉角在范圍內變化時，三棘爪依次落入齒槽，推動棘輪轉動相應角度為 范圍內整數倍。3.4 其他零部件的設計選擇3.4.1 標準件的選擇軸承的選用：考慮到本裝置的工作特性、結構特點及工作效果，不需要選用軸承。其具體原因如下：1從結構上分析，不選用軸承不會對裝置的可靠性、安全性、穩定性造

43、成不良的影響。(本裝置的使用具有一次性的特點，不需要長時間連續工作工作，而且也沒有太大的工作負載。考慮到可能長時間放置的問題，只需在主軸與滑輪內部做簡單的防銹及潤滑處理即可)2從成本上分析，不選用軸承可以最大程度的降低本裝置的成本，利于本裝置的推廣普及。3從功能上分析，本裝置的工作目的在于對人的下降過程進行減速，而不選用軸承恰好使主軸與滑輪之間的摩擦力大大增加，從而有利于本裝置功能的實現。另外選用的標準件如下：螺栓6，m1032；螺母6，m10；墊圈10。3.4.2 安全座椅的選擇安全座椅的作用是實現下降過程中人員的安全保護，在下降的過程中將逃生人員固定在安全座椅上，同時安全座椅上的的扶手等固

44、定裝置能減輕使用者在下降過程中的恐懼感使其比在利用其他工具時擁有更大的安全感，同時安全座椅在下降過程中減小了安全帶等其他逃生工具給逃生人員帶來的不舒適的感覺，對于老年人和小孩也有一定的保護作用，從而更加符合不同人群的使用要求。安全座椅如下圖所示：圖3-1 座椅結構示意圖市場上已有相對成熟的安全座椅廠商，且安全座椅僅為本設計配件,限于篇幅，其工作原理及相關信息在此不做進一步闡述。3.4.3 掛鉤的設計為了適應不同結構窗戶的逃生需要，本設計采用可調式掛鉤,掛鉤采用較長的螺紋旋合式連接來達到可調的目地，另外根據當前的主流窗臺寬度可設兩種尺寸的旋合掛鉤，能夠是使用者根據自己的實際居住環境選擇是否需要通

45、過二次旋合來進一步加大可調長度，從而使本設計更能適應不同的建筑結構。其具體結構參見零件圖。4計算和驗證由于前文沒有設計到繩索的計算和下降的時間，不能確定人能在安全的時間內下落到地面，以及下落的速度大小未知，所以須對其進行計算。4.1 靜力學平衡計算為繩與軸的正壓力，角為包角的微元靜力學平衡方程如下式（4.1）： 式（4.1）式中 式中當趨近無窮小則： 由式（4.1）得：得到公式式（4.2）： 式（4.2）假設逃生人員重力為，軸一與軸二之間繩的拉力為，為繩與軸二的包角。齒輪的的分度圓直徑相同。得到關系式式（4.3）: 式（4.3）得到靜力平衡的模型式（4.4）： 式（4.4）由式（4.3）我們可

46、以看出逃生人員的下降僅與軸一、軸二和摩擦因數有關，而與逃生人員自身重力無關。4.2 繞繩的計算設第四圈為平衡點,為繩子與軸的包角，為摩擦因素為，繩子的直徑為，重力加速度為。忽略軸承的摩擦力和速度突變損失的能量。繩長的計算公式式（4.4）： 式（4.5）包角計算公式式（4.5） 式（4.6）式中 表示軸一半徑； 表示軸二半徑。則第四層包角將數據代入式（4.5）得：仰角計算公式式（4.6）： 式（4.7）帶入數據得：即當仰角為時第四層達到平衡。4.3 速度計算合力公式式（4.7）： 式（4.8）加速度公式式（4.8）： 式（4.9）具體數據如表4-1表4-1 加速度的計算層數包角加速度第一層 第二

47、層第三層第四層第五層第六層第七層第八層當樓層高度為20米時，設計一（每一層為8圈）表4-2 下降的瞬時速度層數繩長下降完該長度瞬時速度為耗時第八層3.37m3.53m/s 2.3s 第七層 3.17m4.68m/s 0.9s 第六層 2.90m5.29m/s 0.7s 第五層 2.63m5.57m/s 0.6s 第四層 2.37m5.58m/s 0.5s 第三層 2.11m5.27m/s 0.5s 第二層 1.83m4.70m/s 0.5s 第一層 1.52m3.64m/s 0.5s 落地速度為3.64m/s為安全落地速度，總下降需要時間為:6.5s設計二（每一層為9圈）表4-3下降的瞬時速度

48、層數繩長下降完該長度瞬時速度消耗的時間第八層 4.1m2.00m/s1.3s第七層 3.6m3.85m/s1.4s第六層 3.3m4.67m/s1.0s第五層 3.0m5.02m/s0.7s第四層 2.7m5.02m/s0.6第三層2.4m4.68m/s0.5第二層 2.0m3.94m/s0.5第一層 1.8m2.43m/s0.7落地速度為2.43m/s為安全落地速度，總下降需要時間為: 6.7s下落過程中速度與時間關系圖如圖8所示:圖4-1 速度時間關系圖從上所述可以看出，人的落地速度在3m/s左右，小于一般要求的5m/s，人相當于從半米的高度跳下，因此由此逃生器逃生時下落速度是安全的。因此，通