研究高樓逃生裝置設計方案1 緒言1.1 課題的背景及研究意義隨著世界經濟的發展，各個城市高樓林立。而高樓火災、爆炸、地震等事故時有發生，高樓逃生自救就成為了迫切需要解決的問題。一般多功能的高層建筑，內部通道錯綜復雜，一旦發生火災，樓內通風口會迅速擴大火勢和煙霧，很快就會擴散到各個角落，一旦濃煙覆蓋就會寸步難行。進而困在樓上無法脫身。當突如其來的災難來臨時，電梯會因為電力中斷而不能用，樓梯又被人群堵死，一般的地面救援裝備在高度上可能不夠，而且還會因為裝備的笨重而不能迅速快捷的實施救援1。從而延誤搶救時機，有很多人都因此而丟掉了寶貴的生命或則留下終身殘疾。因此如何快速而有效的逃離起火大樓成了一個生死攸關的問題。高樓逃生裝置就在這樣的環境應運而生。本設計要求在高層建筑發生火災等其他突發情況時，設計一種可以幫助人們方便，快捷的逃生工具。要求設計的逃生裝置在各種結構的建筑物都可以適用，操作簡單自動化，可以在一個人可以操作的尺寸和重量的范圍內使用和運送,多次重復往返高樓大廈進行施救。因此，它可以最大限度地減少火災傷亡。通過分析現有的一些高樓逃生裝置，雖然大部分設備可以實現高樓逃生此功能，但其復雜的結構原理和操作系統，昂貴的價格和偏低的安全性對高樓逃生自救還是很有限的。一些設備還需要電源控制，但當地震或火災很可能無電力供應。復雜的操作使得有些人可能有自救裝置因為不會使用而葬生。因此，本次設計高樓逃生裝置是基于負反饋回路系統設計的一種結構簡單、操作方便，并且不需要電力或其他能源驅動的純機械結構的逃生裝置。其原理是當逃脫人員因為重力下落時通過機構轉換，產生阻礙逃生人員快速下落的阻力，隨著逃生人員下降，阻力能夠隨之增大，使逃生人員在下降過程中依次經歷加速、勻速、減速三個階段，最終以一個安全的速度到達地面，實現成功自救。該裝置仰角人工可調，不用的仰角合適不同的高度范圍。當從動軸和繩索之間的摩擦系數以及繩索的直徑發生變化時，還可以通過改變該裝置的仰角來恢復該裝置的正常使用，適應于各種環境。1.2 國內外研究現狀在我們國家，主要的救生設備是緩降逃生器和空氣救生墊。緩降逃生器2主要用于普通家庭和個人，它是由調速器，安全帶，安全鉤，繩索等組成。可攜帶100公斤左右個人自由單向滑動，以每秒1.5米左右的速度下降。從建筑物的30樓逃生，需要花費超過60秒的時間，根據體重的不同，稍微有所差異。雖然平時60秒看似不起眼，但在分秒必爭的災難逃生的現場下或稍顯較長。現在使用這種逃生緩降器的情況并不理想，除了家庭消防意識弱，經濟因素的原因。還因為這種逃生緩降器適用范圍不高，老年兒童及病殘都不能有效操作使用，可能還會出現多家庭同時使用產生交織安裝問題，而且需要定期維護。以上種種因素導致它難以進入普通人們的家庭。空氣救生墊是利用充氣膨脹而產生緩沖效果的高空救生設備。大部分都是由高強度纖維材料縫紉、粘合制成。使用時用高壓氣瓶充氣即可，但救生氣墊的安全性隨著樓層的高度增加而降低。在3-4層建筑物使用效果還是非常可觀的，但是隨著高度的增加，其緩沖效果和逃生人員落地的準確性都得不到保障。因此空氣救生墊應用范圍非常有限，對于樓層過高的高樓下跳是非常危險的。本來可能還有生路，這樣縱身一躍把唯一的生路都無意間放棄了，如果跳下來沒有落在救生墊上，結果肯定會很慘。目前，國外高樓逃生裝置有以下幾種形式：間歇沖擊：間歇性沖擊式逃生裝置是由間歇性的撞擊消耗能源3。就和一個時鐘的擒縱叉和擒縱輪的道理一樣，達到消耗能量的目的。 液體流動阻尼：液體流阻尼逃生裝置4是根據液體流經小孔時會產生穩定阻尼來降低速度的原理。其主要特點是由于液體阻尼器的尺寸依賴于外部負載，所以不管體重大小都能使用，而且效果良好。此外，據新科學家雜志報道，美國國防部高級研究計劃局正在研究彈射飛人。該研究的現實用途非常特殊，可以在緊急情況下可以把將警方或消防人員發送到高樓，從而迅速完成各項任務的。一種斜軌是以一個與地面斜坡成80的姿態靠近目標位置，執行任務的人員坐在椅子上類似于飛行員駕駛艙的彈射座椅。壓縮氣瓶中的空氣從中迅速排出，則沿滑軌彈射座椅，到達滑軌頂部的時停止，身體由于慣性飛到屋頂，安全到達指定位置。正確計算拋物線軌跡是此方案成功與否的關鍵。因此如果有一臺能夠精準控制發射角度和速度的電腦，此方案必定可行。據報道，確實有這樣一臺電腦能夠兩秒內把人安全送到5樓。1.3 高樓逃生裝置的類型確保安全可靠的機械運動是必要的，而限制機械運動的速度是確保安全可靠的首要任務。目前，國內有不少自動限速裝置的類型，主要包括包括間歇性、離心調速器和液體阻尼。1.3.1 內凸輪式高樓逃生裝置內凸輪自動限速器，如圖1.1,它包括一個外徑為200mm的固定內凸輪，其中，把凸輪支架設置在凸輪型腔內，中央導軌支架的橫向的設置是有滑動閥芯的，多個依序連續并沿著同一圓周的弧形內凸輪面均勻分布在凸輪型腔內，就組成了內凸輪型腔的內周壁，兩個相鄰的弧形內凸輪面的結合處到內凸輪中心連線的延長線與延長方向所對的弧形內凸輪面的頂點相交，通過徑向凸輪的中心的內腔內的凸輪的內芯的滑動閥的長度等于設置有油室的導軌托架主體，滑動芯是固定連接與位于阻尼器的油室的上部和下部側的閥。圖1.1 凸輪式模型當該凸輪滑動型芯在氣門驅動用作往復橫向移動，從而使從油腔從一側通過間隙流動阻尼片的油室的另一側，然后用緩沖室的另一側回油油側的初級側，此過程中產生極大的阻尼，是為了限制內凸輪的速度。內凸輪構件與任何需要限速的回轉件聯接，可以實現自動限制旋轉部件轉動的速度。 優點：體積小，無噪音，成本低，易于安裝和維護的制作，堅固耐用，實用性高。 缺點：復雜的，多部件，生產耗費時間和勞動力，下降速度不穩定，安全系數比較低。1.3.2 渦輪蝸桿式高樓逃生裝置原理：利用自鎖式蝸輪蝸桿可以驅動蝸輪，但該蝸輪不能驅動蝸桿，使人們在逃生疏散過程中，掌握自己的命運。優點：結構簡單，具有自鎖，安全性，制造成本低廉。缺點：摩擦磨損大，物料需求比較高，操作程序復雜，一般人是不容易操作。1.3.3 心摩擦式高樓逃生裝置原理：人的重力驅動著卷軸的轉動，當卷軸的活動很快時，會因為離心力而產生正壓力，這樣摩擦片與外殼產生的摩擦力就成為了逃生人員下降的阻力5 ，并在下落速度達到一定值時，各項指標達到平衡，人逃生人員就勻速下降。 優點：逃亡下降過程中不需要人員控制。缺點：局限性大，對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，則達不到最初的目的。而且最小使用重力為200N。2 設計方案的確定機械系統是一個由原動機，傳動系統，執行系統，控制系統以及其他輔助系統協調運作的系統。所以在機械系統設計的過程中應該著重注意上述幾部分之間的協調運作。所以原動機的選擇，傳動系統、執行系統、控制系統以及其他輔助系統的設計都需要全面考慮。整體機械系統設計的特點：協調性：整個系統由各個子系統構成，而子系統有著不同的屬性，但各個子系統結合時，他們必須遵循的總體功能需求。 相關性：系統內的各要素之間是相互關聯的，有的相互作用，有的相互制約。改變任意一個要素就會牽動其他要素的變動，從而影響整個系統的性能。內部和外部結合：外部環境的變化將導致內部系統輸入的改變，從而將使得系統在輸出時也會相應的改變，所以內外相互影響著。2.1 方案設計原理高樓逃生起結構，如圖2.1。圖2.1 逃生裝置結構圖6 1.窗口或陽臺的墻壁 2.仰角調節旋鈕 3.主動軸 4.從動軸 5.齒輪二 6.齒輪一 7.手柄 8.板件 9.掛鉤 10.上下連桿本次設計中無需原動機，僅由逃生人員的重力使其下落。傳動系統則選擇齒輪傳動，因為其特點是傳動穩定、結構緊湊且雙向傳動。控制系統有齒輪外側手柄和仰角調節旋鈕。在火宅、地震等災難發生的時候，將該裝置掛在窗口或則陽臺，保證該裝置的穩定。該裝置繩索的一端固定在主動軸上，并且順時針纏繞，另一端在從動軸的上方通過后用于逃生。在逃生人員與繩索固定后，然后自由下降。因為繩索順時針纏繞在主動軸上，所以在下落的同時會帶動主動軸順時針轉動，主動軸的順時針轉動會產生一個順時針的轉矩，然后再傳遞到主動軸側邊的齒輪上。又因為繩索在從動軸上方通過，在下降過程中，繩索對從動軸會因為壓力而產生摩擦力。摩擦力則會對從動軸產生一個順時針轉矩，再傳遞從動軸側邊的齒輪上。經過外嚙合齒輪的傳遞，齒輪的嚙合處產生的反方向阻力，將會阻礙主動軸的順時針快速轉動，也就阻礙了逃生人員的下降。之后隨著逃生人員的下落，繩索的伸長，繩索厚度的減小。使得繩索與從動軸的包角越來越大，接觸面積增大，摩擦力增大，從動軸的順時針轉矩增大，阻礙主動軸快速轉動的力就越大。就這樣，逃生人員的加速度經過正數零負數的過程。逃生人員也相應的經過了加速，均勻、減速過程，最后以安全速度下降到地面。此外，還可以調整仰角來合適不同高度的逃生。 圖2.2 逃生裝置自動減速原理圖裝置自動減速原理，如圖2.2。當有一定的直徑當繩索在纏繞在軸上時，會有些厚度。隨著逃生人員的下落，繩索的伸長，繩索在軸一上纏繞的層數越來越少，從而使得繩索在軸二的包角越來越大（），接觸面積也隨之增大。因為當壓力一定時，摩擦力隨著接觸面積的增大而增大。此時反饋到齒輪二上，齒輪二的阻力也必然增大。這樣就能達到使逃生人員先加速再勻速后減速的目的，以安全速度降到地面。2.2 設計方案的優缺點方案的優點：相對于其他現有的高樓逃生裝置，此裝置最大的優勢在于設備不需要使用其他能源，僅依靠逃生者自身的重力。逃生過程中也不需要逃生人員的控制，適用于老弱病殘等操作不便之人。此裝置是純粹的機械結構，結構簡單，操作簡單。方案的缺點：該設備對制作材料的屬于要求較高，各個機構之間必須緊密鏈接。而且在人員下落的加速過程中速度可能會加到很大，逃生人員需要有一定的耐受性。逃生人員不能持續逃脫，每完成一個逃生人員，下一個逃生人員需要把逃生繩再纏繞后逃生。還有就是后面重點說到的通用性不足。3 逃生裝置各部件設計3.1 軸的設計3.1.1 主動軸的設計45調質鋼7是該裝置中軸材料的最好選擇。初取主動軸半徑軸，重力。則主動軸所受扭矩。當扭轉切應力為脈沖循環變應力時，取。則按軸的彎矩和扭矩合成強度條件校核8時，一般只校核危險截面的強度9，則有： （3.1） 式中 軸的危險截面計算應力； 折合系數； 軸所受的扭矩； 軸的抗彎截面系數()。 由軸常用材料性能及其主要力學性質表8查得對稱循環變應力時軸的許用彎曲應力，因為，故符合要求。3.1.2 從動軸的設計初取，軸長。取切向力的極限最大值，分析知軸的中點為危險點有： （3.2）對中點的彎矩有： （3.3）軸受到產生的轉矩最大值由（3.5），（3.6）可計算。 （3.4） （3.5）其中取，當時同時取得最大值：，再按軸的彎矩和扭矩合成強度條件校核8： （3.6） 因為，故符合要求。由上述校核可知、的值均可以滿足條件。考慮纏繞繩的速度取繞繩軸半徑，另一軸半徑。3.2 齒輪的設計目前，設計一般使用的齒輪傳動時，通常只按齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度來設計計算8。本次設計中，因為在其他條件一定時，中心距越大，則包角越大。而該裝置就是利用包角的增大來實現減速。所以在保證該裝置的尺寸能夠接受的同時應該使兩軸中心距最大化。所以在此考慮選用多對相同齒輪，因為這樣可以保證較大的中心距的同時，使得裝置連接緊湊，美化裝置的外觀，更重要的是減輕裝置的重量。根據擬定的軸長，確定選擇兩對相同型號的齒輪10。3.2.1 按齒輪齒面接觸疲勞強度設計根據上述計算的取值r=35mm，G=1500N。故齒輪傳遞的最大轉矩為：T=52500Nmm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：根據本設計要求和查機械設計第八版，選用以下數據： ， ，其中 使用系數； 載荷系數； 動載系數； 接觸強度計算齒間載荷分配系數； 彎曲強度計算齒間載荷分配系數； 接觸強度計算齒向載荷分布系數； 彎曲強度計算齒向載荷分布系數； 彈性系數； 接觸疲勞強度計算壽命系數。現取失效的概率為1，安全系數S=1。則接觸疲勞許用應力11為： （3.7）式中 許用接觸應力； 接觸疲勞強度計算壽命系數； 失效概率為1%時齒輪的接觸疲勞極限。其中，S的值已知，值可由機械設計（第八版）第10章 圖10-21知。將已知數據代入式（3.7）得：計算齒輪分度圓直徑： （3.8）式中 齒輪分度圓直徑； 齒數比； 齒寬系數； 許用接觸應力； 彈性系數。將數據代入式（3.9）得： 因為，再根據校核公式： （3.9）則根據校核，滿足要求，再求出其他尺寸。齒寬如式： （3.10）模數如式： （3.11）齒高如式： （3.12） （3.13）帶入上述數據得： 按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑： （3.14）計算模數，將數據代入（3.11）得： 3.2.2 按齒輪齒根彎曲強度設計由機械設計（第八版）第10章 圖10-18和圖10-20知：齒輪的彎曲強度極限為，。取彎曲疲勞安全系數，計算彎曲疲勞許用應力： （3.15）代入數據得： 計算載荷系數： （3.16）查機械設計（第八版）第10章 表10-5得以下數據： ， 設計計算如下： （3.17）式中 齒形系數； 應力修正系數。代入數據得：根據校核公式： （3.18）則根據校核，滿足要求。計算結果知，根據齒面接觸疲勞強度計算出模數比根據齒根彎曲強度計算出模數大，因為齒輪的模數主要與彎曲強度決定的承載能力有關12，而齒面接觸疲勞強度決定的承載能力僅僅只與齒輪的直徑有關，而與模數無太大關聯。所以取由彎曲強度計算并四舍五入到最接近的標準值時，本次設計中取m=2mm。然后按照接觸疲勞強度計算相關的分度圓直徑：計算中心距： （3.19）計算齒輪齒寬，數據代入（3.10）得： 3.3 其他零部件設計其他零部件的設計及校核就不詳細列出，在此就作一個簡單的說明介紹。3.3.1 板件和手柄的設計根據實際情況以及齒輪的直徑取板件的主要尺寸如下：L=150mm ，W=700mm，H=20mm。手柄和板件的孔直徑可以根據國家標準、實用性以及軸的尺寸確定。3.3.2 連桿和掛鉤的設計因為該逃生裝置需要滿足不同結構不同尺寸的逃生窗，在使用過程中也能需要大幅度調節其仰角，則連桿和掛鉤的長度都需要可調。為了實現可調，可采用較長的螺紋旋合式連接13 ，這樣可以根據不同尺寸的逃生窗和不同仰角的角度來調節掛鉤和連桿的長度來滿足需求，這樣就可以適應不同建筑不同高度的用戶。其尺寸可以根據配合情況確定。4 逃生裝置的計算和驗證設計好該逃生裝置的各個構件之后，對于其可行性和安全性還需要驗證。下面對逃生人員落地的耗時長短以及落地的速度是否安全進行計算驗證。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14方程如下式： （4.1）當趨近無窮小時有，經過計算得： （4.2）假設逃生人員的質量為，主動軸與從動軸之間繩的拉力為，從動軸與逃生人員之間的拉力為，為繩與從動軸的包角。當人固定在繩上，再由上面推導結論和力矩平衡有： （4.3）則得合力公式： （4.4）加速度公式： （4.5）又因為當加速度為時，有： （4.6） 則得 （4.7）將（4.7）帶入（4.5）有： （4.8）則得： （4.9）當合力，加速度為零時,有，所以： （4.10）則得靜力平衡模型： （4.11）4.2 加速度和速度計算在計算中取摩擦因素為0.4，繩子直徑d=5mm，重力加速度g為10m/s2，每層繩子繞8圈。設在繩索的第四層達到平衡，則有： （4.12）算得： 此時，仰角為： （4.13）根據上述推導的公式計算后得出數據，如表4.1。表4.1 加速度的計算繩子層數包角（rad）加速度（m/s2）第一層 2.2012.0432第二層 2.1431.1046第三層 2.1010.4913第四層 2.0670第五層 2.0310.4013第六層 1.9950.7654第七層 1.9621.1766第八層 1.9271.4596當樓層為6層，每層3m，即共18m時，如表4.2。表4.2 下降的瞬時速度繩子層數繩子長度（m）下降完該長度瞬時速度（m/s）耗時（s）第八層3.012.022.1 第七層2.763.190.8第六層2.514.090.6第五層2.265.010.5第四層2.015.310.4第三層1.755.170.4第二層1.514.560.4第一層1.263.630.4落地速度為3.63m/s為安全落地速度，總下降需要時間為:5.6s由圖中數據得出速度時間關系圖，如圖4.1。圖4.1 速度時間關系圖由表4.215可知：逃生人員使用該逃生裝置從第6層高度為18米的位置下落，將會以3.63m/s的速度著地，而人類著陸的安全速度為5m/s，則該裝置下落速度安全。所以本文設計的逃生裝置達到了預期目標，能夠實現在高樓災難時安全逃脫。而且表中的下落總時間也只要幾秒，能夠迅速逃脫險情。4.3 估算一定條件下逃生最大高度估算在摩擦因素為0.4，繩子直徑d=5mm，每層繩子繞8圈時的逃生最大高度。在加速度為零時，由幾何關系可知仰角的計算公式為： （4.14）式中 齒輪的中心距。因為當仰角為90時，有最大包角。經過計算，當時，仰角差不多為90。此時，繩子的厚度為45mm。再用繩子的體積相等計算繩子的長度L： （4.15）解得： 因為逃生人員的加速度經過正數零負數的過程，所以可以看成一個對稱的過程（實際上肯定不是完全對稱的，這樣是為了方便估算）。則逃生人員的在摩擦因素為0.4，繩子直徑d=5mm，每層繩子繞8圈的情況下估算的最大距離為2L=63.04，因為不需要逃生人員的落地速度可以大于零，只要小于5m/s就可以，所以最大高度還可以有小量增加，綜合各方面考慮16，估計在最大高度為65m左右。注：當繩子直徑和每層繩子繞的圈數不同時，逃生的最大高度會有所不同。4.4 分析逃生裝置的可行性經過計算分析可知，該裝置雖然能夠達到自減速的目的，但是該裝置的最大缺點就是通用性不足。在一定的高度逃生時，一定需要仰角，繩子初始厚度，每層繩子繞的圈數達到一個平衡范圍才能實現成功逃生。在一定的高度下逃生，如果仰角過小，繩子初始厚度過大，每層繩子繞的圈數過多，都會導致加速過程過長而減速過程不足而不能以一個安全速度著地。反之，如果仰角過大，繩子初始厚度過小，每層繩子繞的圈數過少，則會導致加速過程過短而減速過程提前結束，會使逃生人員停留在半空中。所以，該逃生裝置一旦仰角，繩子初始厚度，每層繩子繞的圈數確定后，該逃生裝置就只能在一定高度的范圍內逃生。如果在其他高度逃生，可能會導致摔傷或則停留在半空中，而不能達到成功逃生的目的，反而會將自己置于另一個險境。5 總結與展望至此，為期一個學期的畢業設計就要結束了，同時也給自己的大學生活畫上一個句號。這次畢業設計可以說對自己大學這幾年所學知識進行的一個全面的回顧和復習，這其中也發現了自己的不足和欠缺之處，雖然今后像大學這樣系統的學習機會還會有很多，但是能夠通過畢業設計發現自己不足之處，能夠再一次全面系統的學習一次大學知識，將會對自己起到很大的幫助。通過這么長時間的鍛煉和學習，使自己學到了很多在課堂上不曾學到的知識和經驗，這對以后工作和學習都很有益。最后再對本文總結一下，在本此設計過程中：首先是確定設計方案，本文的設計方案是利用逃生人員自身重量自由落下，通過轉換機制產生阻礙逃生人員自由下落的阻力，使逃生人員能夠有一個減速的過程，降至安全速度后達到地面。然后是對該裝置的重要的零部件設計和校核。根據經驗和實際情況初取軸的半徑，通過彎扭矩合成條件對軸進行校核；再根據齒根彎曲強度和齒面接觸疲勞強度對齒輪進行設計計算和校核。最后是通過計算驗證該裝置功能的可行性和實用范圍。經過計算分析可知該逃生裝置的自減速功能可以實現，但是通用性不足，由此我設想把現代化的人工智能16應用到該逃生裝置上，自身可以根據加速度來自動調整仰角，使該逃生裝置能夠在各個高度通用。致 謝春去秋來，時光荏苒，幾載寒暑匆匆而過，如果將人生比作一本書，則大學就是這本書的前言，很慶幸能在這個學校留下歡樂的笑臉，勤奮的身影，以及思索的足跡。雖然畢業即將來臨，但我依然很留戀這個美麗的校園。古語曰“師者，傳道授業解惑也”，厚德以傳道，行正以授業，博識以解惑。雖然完成本次畢業設計花了很多時間與精力，但這不是我一個人的功勞，從課題的選擇到論文的完成，我的指導老師范奎老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。當我即將完成畢業設計之時，涌上心頭的不是長途跋涉后即將抵達終點時的欣喜，而是源自心底的誠摯謝意。謝謝你，老師，你幸苦了。“一枝獨秀不是春，百花爭艷香滿園”，在四年求學生涯里，我結識了不少優秀同學，由衷感謝所提供的無私幫助，給予的熱心指點，難釋那段“如切如磋，如琢如磨”的日子，謝謝同學的幫助。最后，再次對我的畢業設計老師和全體代課老師，以及幫助我的同學們道一聲：謝謝！參考文獻1 邱樹青.巧力夾高樓逃生裝置P.中國,200420088385,2004.2 趙大中,林宏源,徐杰,盧明.高樓個人逃生器P.中國,922404941.1992.3 章綠林.