高樓逃生裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計,高樓,逃生,裝置,結(jié)構(gòu)設(shè)計 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 題 目 高樓逃生裝置 高樓逃生裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘要：本文介紹的是一種高樓逃生裝置。前期進行了市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)市面上的高樓逃生裝置均存在成本高，操作復雜，安全系數(shù)低等缺陷。正對于此，我們設(shè)計了該裝置。該設(shè)計逃生裝置根據(jù)機械設(shè)計，機械原理創(chuàng)新理論，設(shè)計出一種負反饋閉環(huán)系統(tǒng)的低成本，高安全性的高樓逃生裝置。該裝置具有低成本、安全系數(shù)高、操作簡單、純機械并且無電氣結(jié)構(gòu)等特點，最后通過對逃生裝置機構(gòu)零部件進行計算，畫出整個機構(gòu)的CAD圖形，在多次計算和試驗之后，確定了不論是任何人在高樓遇險時都能從高樓平安逃生，達到了本次機械設(shè)計的目的。 關(guān)鍵詞:高樓火災逃生器；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；閉環(huán)系統(tǒng)；往復；可控。 I Structure Design of escape device in High Building Abstract：This paper mainly introduces the background and research significance of the high-building escape device, analyzes and compares some shortcomings of the existing high-building escape device, such as high cost, complex mechanism, low safety factor and so on. According to the mechanical design and the innovative theory of mechanical principle, the device designed a low cost and high safety escape device of negative feedback closed loop system. The device has the characteristics of low cost, high safety factor, simple operation, pure machinery and no electrical structure. Finally, through the calculation of the components of the escape device, the CAD figure of the whole mechanism is drawn, and after many calculations and tests, I'm sure it's no matter what People can safely escape from tall buildings when they are in distress, and achieve the purpose of this mechanical design. Keywords ：High-rise building fire escape device， mechanical structure design， closed-loop system， reciprocating，controllable. 目錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 第2章 整體方案設(shè)計 5 第3章 軸的設(shè)計 9 2.1 軸的概述 9 2.2 主動軸的設(shè)計 10 2.3 從動軸的設(shè)計 11 第4章 齒輪的設(shè)計 13 3.1 齒輪的概述 13 3.2 齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲強度設(shè)計 13 第5章 棘輪的設(shè)計 17 4.1 棘輪的概述 17 4.2 棘輪的設(shè)計 18 第6章 其他零部件的設(shè)計選擇 21 5.1 標準件的選擇 21 5.2 安全背帶衣的選擇 21 5.3 安全掛鉤的設(shè)計 22 5.4 安全下降繩的設(shè)計 22 第7章 計算和驗證 23 6.1 靜力學平衡計算 23 6.2 繞繩的計算 24 6.3 速度計算 25 第8章 裝配圖 29 結(jié)論 31 參考文獻 35 英文翻譯 36 III 第1章 緒論 隨著城市房屋建筑高度和密集度日趨上升，高層，超高層建筑的安全問題也越來越顯現(xiàn)出來，即使在歐美國家的高樓遇有火災、爆炸等突發(fā)安全事件時。由于時空等諸多因素的限制，人員若可以自救逃生也是一個解決問題的安全有效途徑。高樓遇險后的應急逃生和有效救援，已經(jīng)成為全社會高度關(guān)注的安全問題。高層，超高層建筑一般是多功能，里面逃生通道和周圍環(huán)境情況復雜，一旦發(fā)生突發(fā)情況，由于火勢擴大理論，火情和煙霧就會迅速擴散，短時間延伸到內(nèi)部通道和過道，關(guān)閉一般行走通道，使高樓上部被困人員無法逃脫。所以被困人員自救是一個務必立刻解決的重要措施。高樓突遇突發(fā)性災難時 ,電梯不可以用,樓梯逃生擁堵,而地面救援設(shè)備的舉高和投射能力又遠遠的低于高層建筑的高度發(fā)展而且設(shè)備龐大易受道路擁堵，建筑周圍環(huán)境等方面的影響，從而導致救援時機的延誤。這樣的情況屢屢發(fā)生 ,大量的人因無法逃脫而遇難。因此怎樣有效快速的逃離災害現(xiàn)場成了刻不容緩的問題，而高樓逃生裝置在這樣的情況下油然而生。現(xiàn)如今的社會人們，社會資源總之在考慮和解決安全問題保證，如何去預防突發(fā)事件的發(fā)生。這的確是個非常重要的問題，但是我們卻忽略了一個十分重要的問題，突發(fā)事件根本就不可能完全杜絕，不可能完全消失。我們應換個角度，換個思維模式找到外力來解決突發(fā)事件來臨時的逃生問題，這將顯得是尤為重要。本設(shè)計就是通過最簡潔的純機械結(jié)構(gòu)來進行逃生人員的逃生問題。結(jié)構(gòu)簡單，操作簡潔，成本低廉，主要是安全系數(shù)十分高。它的安全與穩(wěn)定均是十分大優(yōu)勢，能夠滿足本次設(shè)計的初衷。 本課題要求針對超高層，高層建筑實際情況，設(shè)計一種在發(fā)生意外災害情況時，能幫助人安全，方便、快捷的逃生的方式工具。要求設(shè)計的逃生裝置能適合各種框架的超高層，高層建筑物，運行實現(xiàn)全自動化，并且要求操作簡潔，可以進行重疊，體積大小和重量輕重在每人可以操作的限度范圍內(nèi)?？梢远啻瓮党邔樱邔咏ㄖM行營救被困人員。從而能最大程度的減少意外災害中的人員受損情況。通過進行分析比較現(xiàn)存的大量高樓逃生裝置，大多數(shù)器材。即使高樓逃生這一功能能夠得以實現(xiàn)，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理十分復雜，操作過于繁雜，安全性太低，生產(chǎn)成本十分高昂，部分高樓逃生裝置還需要電力動力控制，局限性過大(發(fā)生海嘯，地震，大型意外事件時往往會斷電，也絕不能讓操作人員進行過多復雜的步驟操作)。因此該裝置應用于一種利用負反饋閉環(huán)系統(tǒng)的超高層，高層建逃生裝置，裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作簡潔，且無需電能或其他能源驅(qū)動，純機械結(jié)構(gòu)裝置。該逃生裝置之所以能夠成功達到目的，是因為內(nèi)部棘輪機械結(jié)構(gòu)以及帶輪包角帶來的的能量轉(zhuǎn)換。下降過程可以分為三部分，逃生人員的重力大于向上的拉力時，為加速運動；重力等于拉力為勻速運動；重力小于拉力時為減速運動。最終安全到達地面。逃生器的仰角角度可以進行調(diào)檔。讓從動軸與鋼絲繩的粗糙指數(shù)、鋼絲繩的直徑通過調(diào)節(jié)時可以讓其改變仰角的度數(shù)大小使逃生器依舊可以正常應用于各種突發(fā)情況，適應于每一種不定突發(fā)環(huán)境。通過數(shù)據(jù)計算，數(shù)據(jù)分析，最終結(jié)果將有預期要求，利用該逃生器被困人員可以用安全的降落速度平緩的下降到安全地面。因此該逃生裝置的設(shè)計成功地達到了我們的目的。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 在現(xiàn)有的市場中，目前主要的救生器逃生設(shè)備有緩降逃生器，這種機器主要受眾群體是獨立個人和單獨家庭，該組成由變速器、背帶、掛鉤、內(nèi)鋼絲麻繩等組成。一次能夠承受極限約100公斤左右重的獨立個人自由下行，其下行速度大約為每秒1.2米，從十八層樓的超高層建筑上降落到地面上約需50多秒/每人，根據(jù)個人身體差異的不同，略有相對差異。50秒對平常來說確實不多，但在意外災害救援時，每分每秒的逃生時間都顯得尤為重要?，F(xiàn)如今該高樓自救逃生裝置的利用情況十分不好，該狀況的產(chǎn)生不僅有個人意識不夠，經(jīng)濟成本之外。其根本問題還是不適用于一切用戶，傷殘老弱之類。大量用戶一起使用該機械時存在相互交錯問題，和裝修問題、定期維護問題等，很難被尋常人們所應用。 救生氣墊是最主要的設(shè)備之一，該設(shè)備的原理是利用氮氣充滿從而產(chǎn)生一種緩沖效果的高樓下降緩沖設(shè)備。高硬度納米纖維材料是其主要材料之一,利用縫紉粘貼工藝加工制成，該裝置的充氣來源是高壓氦氣瓶[9]。僅僅在3-4層的樓房出現(xiàn)意外事故時，才可以使用救生氣墊，隨著隨著建筑相對高度的不斷升高，該裝置氣墊使用強度，受力作用，落地效果。與此同時，該逃生器必須要有相當大的窗戶作為被困人員的逃生路徑，這在很大程度上對該器械的應用進行了限制。所以這就十分有限地限制了該裝置，在使用該裝置的時候就產(chǎn)生了極大的危險性。 世界上的高樓逃生裝置有以下幾種[9]： 1）緩慢下降式：這種逃生裝置利用鋼絲麻繩于滑輪之間包角增大的原理，從而使得鋼絲麻繩于鋼輪之間摩擦力逐漸增大。另外，可以從側(cè)面，利用手動裝置可以調(diào)節(jié)人體下降速度，已達到逃生的目的。 2）間歇暫停式：間歇暫停式逃生裝置利用撞擊消耗能量的原理進行降落，如槽輪，棘輪，連桿，不完全齒等間歇機構(gòu)來消耗能量。 3）阻尼流動液體式：該式逃生裝置是利用人體勢能與液體熱能的轉(zhuǎn)換，從而能夠達到是人體下落速度降低目的。該裝置是由于下降液體阻尼數(shù)值的大小取決于外來承載所決定，這是其重要特點。因此，該逃生器的功能可以實現(xiàn)人體下降速度的恒定不變。 根據(jù)最新的《紐約時報》頭版頭條刊登，美國能源部及NASA高能研究計劃中央局報道，正在對彈射發(fā)射起飛人員進行深入徹底研究。該項研究具有深遠的現(xiàn)實用途意義，例如在突發(fā)情況之下可以將特警，消防人員等特種人員送入或者送出事故現(xiàn)場。在每個高層超高層建筑的目標地點安放一具傾斜斜軌與地面呈80度，特種營救人員坐在該機器之中，這是一種類似于戰(zhàn)斗機彈射座位的發(fā)射座位。在使用時，提前準備的氮氣罐快速噴出氣體，彈射器沿著鋼制軌道弧線達到最高點時，依靠慣性到達自己預設(shè)的所需地點。該設(shè)計的重中之重是如何精確計算出彈射出后的弧線軌道計算。美國麻省理工和NASA聯(lián)合開發(fā)了一臺超大型計算機，其性能和級別同我國銀河計算機相同，可以精確計算出發(fā)射角度和初速度，能做到在3秒之內(nèi)將特種人員送到六層樓上，十分方便。 71 第2章 整體方案設(shè)計 機械系統(tǒng)一般主要由電機、傳動、操作、執(zhí)行及其其他的一些輔助系統(tǒng)組成。由機械系統(tǒng)的定義知道要想構(gòu)成一個機械系統(tǒng)，必須這些機構(gòu)組成一個相關(guān)聯(lián)的機構(gòu)，并且存在一定的裝配關(guān)系而實現(xiàn)某些特定的功能，所以對于機械系統(tǒng)的設(shè)計就要對上面所說的這些各個部件進行設(shè)計，要分別進行選擇電機的種類、執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)定、控制系統(tǒng)的方案、帶動方式的選擇及其傳動機構(gòu)的設(shè)計，完成各個模塊的設(shè)計的同時還需要考慮到各個模塊之間的裝配、連接關(guān)系，所以就需要整體的框架設(shè)計。機械系統(tǒng)設(shè)計的主要特點： （1） 相關(guān)性：系統(tǒng)的各個模塊之間是需要傳遞一定的信息，比如傳動系統(tǒng)到執(zhí)行系統(tǒng)需要傳遞力和矩，這就需要各個模塊相互關(guān)聯(lián)，相互制約，上一級到下一級所傳遞的信息正好是下一級所需要的。如果其中某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，那么整個系統(tǒng)將不能實現(xiàn)預定的期望。 （2） 協(xié)調(diào)性：系統(tǒng)的各個模塊之間雖然執(zhí)行的是不一樣的功能，但是他們之間是相互協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)整體的功能就必須實現(xiàn)各部分的正常工作。 （3） 內(nèi)外結(jié)合性：所有的機械系統(tǒng)都會在一定的環(huán)境下工作，外界環(huán)境的好壞將直接機械系統(tǒng)的工作效率，比如環(huán)境可能會影響系統(tǒng)的輸入量，這將導致輸出的改變。 根據(jù)圖2.1的原理所展示的方案在實際執(zhí)行的時候需要調(diào)整機構(gòu)的仰角，逃生者將會獲得一個較小的下落加速度，這樣逃生者的下落速度會越來越大，與此同時，帶傳動的從動軸的包角也會越來越大，所產(chǎn)生的阻力也就越來越大，所以下落加速的也就會逐漸減小最后沒有加速度，求生者的下降速度也會逐漸減小，最后隨著摩擦力的增加求生者逐漸減速，最終平穩(wěn)落地。自動減速原理如圖示 圖2-1裝置的自動減速原理圖 如圖2-1，繩索在帶輪上纏繞多圈，由于繩索本身具有一定的直徑，導致纏繞在帶輪上以后外圈的帶輪包角會小于內(nèi)圈的帶輪包角，這樣在包角變換的過程中，受到的壓力不變，摩擦力與接觸面積成正比關(guān)系，反饋到求生者上就是下降速度會發(fā)生由小變大在變小的過程，最終求生者將會平穩(wěn)的落地。 圖2-2該逃生裝置的左視圖 圖2-3該逃生裝置的俯視圖 圖2-4該逃生裝置的主視圖  第3章 軸的設(shè)計 3.1 軸的概述 軸是支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞運動和動力，因此是一切回轉(zhuǎn)零件所必不可少的重要部件，根據(jù)受載和軸線形可分為兩種情況： 3.1.1 根據(jù)大小受載荷情況區(qū)分： 1）在工作中彎矩和扭矩都必須承受的軸，通常稱為轉(zhuǎn)軸，常用于各種機器。[2] 2）一般情況下僅僅承受扭矩，不承受彎矩或者彎矩特別小，近乎為零的成為傳動軸。多用于汽車零件傳動方面[2]。 3）一般軸只收彎矩，不受扭矩時，稱其為心軸[2]。 通常根據(jù)心軸工作時是否轉(zhuǎn)動，我們將其分為轉(zhuǎn)動和固定這兩種。 3.1.2 根據(jù)軸線的不同進行區(qū)分： 1）各段軸線不在同一條直線上的軸，我們稱其為曲軸。其代表就是汽車發(fā)動機內(nèi)部的曲軸。 2）因此，我們將各段軸線在同一條軸線上的軸稱之為直軸。根據(jù)外形的不同我們可以對其再進行細分： （1）表面光滑，形狀簡單，應力集中少，不利于裝卸其他零件，常用于心軸和傳動軸。將其稱為光軸。 （2）形狀呈階梯狀，容易裝卸，常用于轉(zhuǎn)軸。將其稱之為階梯軸。 （3）用好幾層鋼絲細繩纏繞而成，能夠彎曲繞過各零部件并且遠程操控搖桿距離的軸，并且具有良好的撓性，將其稱為鋼絲軟軸-----如傳動搖桿裝置，汽車時速表。 3.1.3 軸承的重要性及失效 軸承在軸的運轉(zhuǎn)工作中十分重要，若軸承選擇不當，將會產(chǎn)生導致機械工作失誤。一般軸失效的主要形式是：因沖擊負載導致的彎曲或計算失誤導致的彎曲；承受軸向壓力負載造成失穩(wěn)；最嚴重的事故，因設(shè)計，材料，熱處理，加工，沖擊負載等問題造成的折斷；還有一些較為特殊的軸易造成重心偏置，擾度過大等問題，例如空心軸，簡支梁[2]。 3.1.4 因此在軸的設(shè)計中，必須遵循如下規(guī)則： 1）首先我們必須依據(jù)該州的工作環(huán)境，工作條件，工作載荷以及受力方向。從而確定材料，表面及熱處理工藝。 　 2）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們根據(jù)軸的受力情況，工作情況，載荷情況以及軸上零件的裝配，配合，定位情況。最后再根據(jù)軸的加工條件確定軸的合理結(jié)構(gòu)形狀及尺寸。 　　3）對于一些類似于細長軸的剛度要求較大，必須進行剛度計算和校核。還有一些對于硬度要求較高的軸，必須進行硬度的計算。一些在高速運轉(zhuǎn)情況下工作的軸，因為有共振的風險，因此必須進行共振穩(wěn)定性測驗。 3.1.5 對軸的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計： 1） 根據(jù)不同軸的工作情況不同，對軸上零件的裝配進行設(shè)計以及軸在整個機械裝置中的安放位置。 2） 利用已知軸上的近似載荷，再根據(jù)一定經(jīng)驗，初步估計軸的尺寸和某徑向尺寸。 3） 在根據(jù)軸上的安裝，裝配和與零件的配合以及軸上受力，周表面的處理，從而確定軸的徑向尺寸。 4） 最后再根據(jù)軸上零件的位置，支撐架結(jié)構(gòu)，配合結(jié)構(gòu)和形式最終確定軸的軸向尺寸。 3.2 主動軸的設(shè)計 軸的材料選用45鋼，由軸常用材料性能表[1]查得，軸的彎矩和轉(zhuǎn)矩合成強度條件，由于軸的頻繁震動啟動故江旋轉(zhuǎn)切應力看為脈動循環(huán)應力，且力矯正系數(shù)由邱宣懷主編第四版《機械設(shè)計》中第十六章中表16.3得式（3.1） [5]。 （3.1） 式中 -表示應力矯正系數(shù)； -表示對稱循環(huán)應力狀態(tài)下的許用彎曲應力； -表示脈動循環(huán)應力狀態(tài)下的許用彎曲應力。 同時又由于主動軸只受到轉(zhuǎn)矩的作用，則由式（3.2）： （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）： （3.3） 式中 ——表示危險截面當量應力； ——表示抗彎剖面系數(shù)。 式（3.3）又可寫為式（3.4）： （3.4） 從而得設(shè)計公式式（3.5）： （3.5） 式中 ——表示危險截面直徑。 從而得出： 3.3 從動軸的設(shè)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）： （3.6） 對中點的彎矩由式（3.7）為 （3.7） 式中 ——表示軸長。 軸受到產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大值由式（3.8），式（3.9）： （3.8） （3.9） 式中?——表示最大摩擦力； ——表示摩擦系數(shù)。 其中取，。 得: ， 且當時同時取到最大值。 由式（3.10）： （3.10） 將上面數(shù)據(jù)代入式（3.10）得： 由設(shè)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(jié)構(gòu)本小組初取繞繩軸半徑為mm，另一軸半徑為。  第4章 齒輪的設(shè)計 4.1 齒輪的概述 齒輪是在機器中傳遞動力和運動的零件。齒輪傳動可完成減速、增速、變向等功能。 4.1.1常見的齒輪： 圓柱齒輪 用于兩平行軸之間的傳動 圓錐齒輪 用于兩相交軸之間的傳動 蝸桿蝸輪 用于兩交叉軸之間的傳動 4.1.2傳動特點： 1）.效率高，傳動比穩(wěn)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。 4.2 齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲強度設(shè)計 取軸r=30mm，G=2100N 故齒輪傳遞的最大轉(zhuǎn)矩為：T=63000Nmm應力循環(huán)次數(shù)取次。 取圓柱齒輪的齒寬系數(shù)（懸臂布置），齒數(shù)比。 齒輪的接觸疲勞強度極限： 根據(jù)本設(shè)計要求，選用以下數(shù)據(jù)： ，，， 其中為使用系數(shù)，為動載系數(shù)，為接觸強度計算齒間載荷分配系，為彎曲強度計算齒間載荷分配系數(shù)，為接觸強度計算齒向載荷分布系數(shù)，為彎曲強度計算齒向載荷分布系數(shù)，為彈性系數(shù)，為接觸疲勞強度計算壽命系數(shù)[10]。 取失效的概率為，安全系數(shù)。 則接觸疲勞許用應力為： （4.11） 式中 ——表示許用接觸應力； ——表示接觸疲勞強度計算壽命系數(shù)； ——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(shè)計》（第四版）中第12章中圖12.17查出。 將已知數(shù)據(jù)代入式（4.11）得： 計算齒輪分度圓直徑，式（4.12）： （4.12） 式中 ——表示齒輪分度圓直徑； ——表示齒數(shù)比； ——表示齒寬系數(shù)； ——表示許用接觸應力； ——表示彈性系數(shù)。 將數(shù)據(jù)代入式（4.12）得： 齒寬如式（4.13）： （4.13） 帶入數(shù)據(jù)得： 模數(shù)如式（4.14）： （4.14） 帶入數(shù)據(jù)得： 齒高如式（4.15）： （4.15） 帶入數(shù)據(jù)得： 常用數(shù)據(jù)如下： ， （4.16） 帶入數(shù)據(jù)得： 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑式（4.16）： （4.16） 帶入數(shù)據(jù)得： 計算模數(shù)，將數(shù)據(jù)代入式（4.14）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(shù)，如式（4.17） （4.17） 代入數(shù)據(jù)得： 查得以下數(shù)據(jù)： ，， 設(shè)計計算如式（4.18）： （4.18） 式中 ——表示齒形系數(shù)； ——表示應力修正系數(shù)。 代入數(shù)據(jù)得： 對比計算結(jié)果，有齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲強度計算的模數(shù)，由齒輪模數(shù)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(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強度所計算的模數(shù)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（4.19） （4.19） 帶入數(shù)據(jù)得： 計算齒輪齒寬，數(shù)據(jù)代入式（4.13）得： 第5章 棘輪的設(shè)計 5.1 棘輪的概述 5.1.1棘輪機構(gòu)的組成及機構(gòu)特點： 該是一種單向簡諧運動，是由搖桿，棘爪，棘輪，止動爪所構(gòu)成。棘輪所進行的是單向步進運動，不是轉(zhuǎn)動或者往復單向運動。彈簧的使用是棘輪的一大特點，止動爪和棘輪之間的接觸就是利用彈簧來保持接觸，或者在搖桿和爪之間設(shè)置彈簧。棘輪機構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，運動可靠等眾多特點。而且棘輪每次可調(diào)整的角度都在較大的可調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)，十分方便。但是其結(jié)構(gòu)缺點是在工作時，有較大的沖擊和噪聲，而且運動精度相對較差。因此它不適合應用于低速載荷小的場所[5]。 5.1.2棘輪機構(gòu)的工作原理: 通常情況下，我們將棘輪固裝在傳動軸上，搖桿則空套在傳動軸上。當搖桿逆時針擺動時，棘爪推動棘輪轉(zhuǎn)過某一個角度。當搖桿順時針轉(zhuǎn)動時，止動爪阻止棘輪順時針轉(zhuǎn)動，棘爪在棘輪的齒背上滑過，棘輪靜止不動。因此當搖桿連續(xù)往復擺動時，棘輪便得到單向的間歇運動[10]。 5.1.3棘輪機構(gòu)的分類： 按照齒在棘輪上的內(nèi)外緣上，我們可以分為外接棘輪機構(gòu)和內(nèi)接棘輪機構(gòu)。因為有時工作需要棘輪作不同轉(zhuǎn)向的簡諧運動，所以我們還可將棘輪分成順時針單向間歇和逆時針單向間歇運動。通常還有雙動式棘輪結(jié)構(gòu)，此機構(gòu)的棘爪可制成鉤頭或者直推的，一般應用于當搖桿來回擺動時使棘輪向同一方向轉(zhuǎn)動時。還有齒嚙式棘輪機構(gòu)和摩擦式棘輪機構(gòu)，這都是機械中常用的棘輪機構(gòu)。 5.1.4棘輪機構(gòu)的功能： 通常在機械設(shè)備中棘輪的有實現(xiàn)進給，轉(zhuǎn)位或分度的功能。通過齒輪傳動，曲柄搖桿，棘輪機構(gòu)來使與棘輪固連的絲杠作間歇轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)間歇進給?；蛲ㄟ^改變曲柄長度的大小來實現(xiàn)間歇進給。在棘輪外加一個棘輪罩，用來遮蓋搖桿擺角范圍內(nèi)的一部分棘輪。在搖桿逆時針擺動時，棘爪先在罩上滑動，然后才嵌入棘輪的齒間來推動棘輪轉(zhuǎn)動。從而來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度的大小。 5.2 棘輪的設(shè)計 棘輪齒形、模數(shù)齒數(shù)、齒面傾斜角、行程和動停比的調(diào)節(jié)方法這四大塊都是棘輪設(shè)計的重點，我們需進行逐個項目的設(shè)計和確定等。 5.2.1棘輪齒形的選擇 選擇一般通用齒形，當載荷較大時，我們通常使用不對稱梯形；一般使用三角形或圓弧形齒形時，這種情況是在棘輪機構(gòu)承受載荷較小時；當使用雙向式棘輪機構(gòu)時，我們通常使用矩形和對稱梯形。本次設(shè)計逃生裝置的載荷較小，因此我們最終確定三角形齒形。 5.2.2模數(shù)、齒數(shù)的確定 模數(shù)m是棘輪設(shè)計的重中之重，這一點同齒輪模數(shù)m是同樣重要。棘輪的頂圓直徑是棘輪模數(shù)計算的基礎(chǔ)。用如下公式來計算（5.20）。 （5.20） 使用條件和運動是棘輪齒數(shù)確定的兩大關(guān)鍵因素，根據(jù)這兩大要求選定齒數(shù)。一般情況下，我們都是根據(jù)棘輪的最小轉(zhuǎn)角從而確定棘輪的齒數(shù)，主要針對進給和分度的棘輪機構(gòu)（當z小于等于250時，一般取z的范圍是8~30）。因此我們選擇，。 5.2.3齒面傾斜角的確定 我們?nèi)藶橐?guī)定，把棘輪齒面與徑向線所形成的α角，稱之為齒面傾斜角。一般人為規(guī)定棘爪軸心與輪齒頂點的連線與過齒面法線的夾角，我們將其稱為棘爪軸心位置角。 為了滿足棘輪在被棘爪推動的過程中，在齒面滑向齒根的過程中始終是緊壓狀態(tài)。一定要達到力對軸的力矩大于力f沿齒面對軸的力矩（N：棘齒對棘爪的法向反作用力，f：沿齒面的摩擦力），即 則 因為 所以 即 上式中摩擦力f分別和棘齒和棘爪產(chǎn)生一定的摩擦系數(shù)，摩擦角。一般f取，f=0.2，α=20° 5.2.4 行程和動停比的調(diào)節(jié)方法 1）采用棘輪罩 如何改變棘輪轉(zhuǎn)角的大小，一般都是通過改變棘輪罩的位置，是棘爪沿棘輪罩表面滑過。 2）改變擺桿擺角 如何進行實現(xiàn)棘輪機構(gòu)轉(zhuǎn)角大小的調(diào)整,一般通常利用曲柄搖桿機構(gòu)中曲柄的長度，試搖桿擺角改變。 3） 采用多爪棘輪機構(gòu) 我們必須要達到，任何一個輪齒所對應的中心角γ必須大于棘輪每次轉(zhuǎn)動的角度時，因此我們必須采用多爪棘輪機構(gòu)，其棘爪數(shù)為m。 如n=4的棘輪，四棘爪位置依次錯開，當擺桿轉(zhuǎn)角在范時，四棘爪依照次序進入齒槽，從而推動棘輪轉(zhuǎn)動相對應角度為 范圍內(nèi)整數(shù)倍。 第6章 其他零部件的設(shè)計選擇 6.1 標準件的選擇 在是否選用軸承的這個問題上，存在一些爭議，比如本裝置的工作特性和效果以及結(jié)構(gòu)的特點。這些原因是我們不需要選用軸承的關(guān)鍵所在： 1從本裝置的結(jié)構(gòu)特點來說，它的安全性、可靠性和穩(wěn)定性不會受不選用軸承的影響。 2從站在節(jié)約成本的角度上，不選用軸承即可最大程度上降低預算，并且有利于該裝置的推廣和普及。 3從最后從功能方面來看，不選用軸承使得主軸和滑輪的摩擦增大許多，從而在人的下降過程中起到減速的作用，剛好順應了該裝置的設(shè)計目的，并且能更好地實現(xiàn)裝置的良好功能。 另外選用的標準件如下： 螺栓×6，M10×32； 螺母×6，M10； 墊圈×10。 6.2 安全背帶衣的選擇 安全背帶衣是逃生人員在下降過程中保護人員身體安全的的重要措施，在下降的時候，安全背帶衣中將逃生人員緊緊地包裹住，是逃生人員的身體能夠盡可能的收縮在一塊。與此同時，安全背帶衣在下降過程中還能給逃生人員充足的安全感，尤其是老人，幼兒和婦女。安全背帶衣的使用不僅在實用性上能夠大大減少人們在下降過程中受傷的幾率，而且從心理上來說可以在很大程度上撫慰人們在突發(fā)事件來臨時緊張和恐慌的情緒。因此安全背帶衣的使用十分必要。 現(xiàn)在，國內(nèi)外都有十分成熟的市場和產(chǎn)品。在超高層高層的戶外玻璃清潔中，應用十分成熟。且安全背帶衣是本逃生裝置的配件,由于文章片段的文字篇幅，其工作原理及相關(guān)信息不再進一步詳細贅述。 6.3 安全掛鉤的設(shè)計 因為我們無法確定在發(fā)生意外突發(fā)事件時，每一個高樓的具體情況如何。因此本逃生裝置使用可調(diào)式掛鉤,略長的螺紋旋合式掛鉤連接可以達到逃生裝置可調(diào)的目地。另外由于當前的高層超高層建筑通常都是流行的大型落地窗，必須設(shè)計兩種尺寸的旋合掛鉤，這樣就能根據(jù)自身情況判斷是否需要進行二次旋轉(zhuǎn)，加大可調(diào)節(jié)長度的范圍。本掛鉤的設(shè)計必須滿足任何高樓的逃生裝置。該掛鉤較為類似于軍隊特種部隊的上下建筑物所用的掛鉤，市場也是較為豐富[11]。 6.4 安全下降繩的設(shè)計 為了能夠更好地應用于各種環(huán)境的高層超高層建筑的各種環(huán)境，安全繩的選擇顯得尤為重要。這是保證被困人員逃生時的關(guān)鍵所在。我們通常所應用的繩子都是普通麻繩，一旦載荷過大或者遇到較為堅固或者鋒利的物體進行研磨，易造成繩子的斷裂。這樣會對逃生人員的生命安全造成嚴重威脅。因此我們必須應用高韌性的專用野外用繩。在此基礎(chǔ)上，為確保萬無一失，我們使用鋼絲繩。是在野外用繩的基礎(chǔ)之上，在內(nèi)部加入鋼絲，確保韌性硬度的兼具。從而保證被困逃生人員在下落時的安全。 第7章 計算和驗證 對于逃生人員在一定的安全時間內(nèi)能否逃出的時間，以及逃生人員的落地速度我們都無法得知。因此必須進行計算。 7.1 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（7.1）[3]： （6.1） 式中 式中 （7.1） 當趨近無窮小則： 由式（7.1）得： 得到公式式（7.2）[3]： （7.2） 設(shè)人重力，軸一周二拉力，為繩與軸二的包角。 齒輪的的分度圓直徑相同。 得到關(guān)系式式（7.3）: （7.3） 得到靜力平衡的模型式（7.4）： （7.4） 由式（7.3）可以得到逃生人員的下降僅與兩軸的摩擦系數(shù)有關(guān)，與逃生人員的體重沒有任何關(guān)系。 7.2 繞繩的計算 設(shè)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（7.4）： （7.5） 包角計算公式式（7.5） （7.6） 式中 ——表示軸一半徑； ——表示軸二半徑。 則第四層包角將數(shù)據(jù)代入式（7.5）得： 仰角計算公式式（7.6）： （7.7） 帶入數(shù)據(jù)得： 即當仰角為時第四層達到平衡。 7.3 速度計算 合力公式式（7.7）： （7.8） 加速度公式式（7.8）： （7.9） 具體數(shù)據(jù)如表7-1 表7-1 加速度的計算 層數(shù) 包角 加速度 第一層 第二層 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(shè)計一（每一層為8圈） 表7-2 下降的瞬時速度 層數(shù) 繩長 下降完該長度瞬時速度為 耗時 第八層 3.37m 3.53m/s 2.3s 第七層 3.17m 4.68m/s 0.9s 第六層 2.90m 5.29m/s 0.7s 第五層 2.63m 5.57m/s 0.6s 第四層 2.37m 5.58m/s 0.5s 第三層 2.11m 5.27m/s 0.5s 第二層 1.83m 4.70m/s 0.5s 第一層 1.52m 3.64m/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(shè)計二（每一層為9圈） 表7-3下降的瞬時速度 層數(shù) 繩長 下降完該長度瞬時速度 消耗的時間 第八層 4.1m 2.00m/s 1.3s 第七層 3.6m 3.85m/s 1.4s 第六層 3.3m 4.67m/s 1.0s 第五層 3.0m 5.02m/s 0.7s 第四層 2.7m 5.02m/s 0.6 第三層 2.4m 4.68m/s 0.5 第二層 2.0m 3.94m/s 0.5 第一層 1.8m 2.43m/s 0.7 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(guān)系圖如圖7-1所示: 圖7-1 速度時間關(guān)系圖 從以上的實驗分析計算可知，每個人的最終速度均在3.5m/s左右，最終的落地速度小于5m/s，對于我們成人來說，這是一個安全的落地速度。相當于承認從小于1m的高度跳下，所以這是一個安全的速度。 因此，有以上可得。我們該逃生裝置完全符合我們的設(shè)計初衷。即使對于像25層的超高層建筑，使用該逃生裝置，最終的落地速度僅僅為5m/s。下降時所需的時間僅僅只需幾秒鐘。雖然僅有幾秒鐘，但這對于突發(fā)事件的被困人員來說，這是非常寶貴的黃金時間。能夠?qū)崿F(xiàn)本設(shè)計快速逃生的目的。 本設(shè)計逃生裝置對于更高的樓層依然適用，在更高樓層的這種情況下，必須將仰角調(diào)節(jié)到上下。如果將仰角調(diào)節(jié)小于，大于等于時，這是由于突發(fā)情況十分嚴重，被困人員必須盡快逃離現(xiàn)場，逃生時間必須再縮短。但是必須牢記的是，仰角的角度大小不能小于。因為如果小于的話，最終下落的落地速度將會超過5m/s。這樣會使一般人難以承受，易造成受傷情況。另外由式（4.7），式（4.8）計算得，經(jīng)計算所得，當樓層高度于15m時，仰角必須調(diào)節(jié)到大于等于。本設(shè)計名叫高樓逃生裝置，傳統(tǒng)情況下我們通常將八層以上安裝電梯的樓房都叫高層建筑。但我們現(xiàn)在的建筑越來越高，通常高層建筑超過二十層樓的高度?，F(xiàn)代社會，由于高層建筑數(shù)量越來越多，高度也越來越高，高樓的概念又在發(fā)生改變，一般二十層層以上被稱為高層建筑。因此，八層以下的樓房建筑不在本次的設(shè)計逃生裝置范圍之類，但是八層以下的建筑也是尤為重要，我們將其往下拓展四層樓。具體操作時轉(zhuǎn)動連桿上的圓盤可以調(diào)節(jié)裝置，十分方便。具體在裝備設(shè)施圖上可以找到。 第8章 裝配圖 本課題是設(shè)計一個高樓逃生裝置，假設(shè)有火災發(fā)生或者發(fā)生了其他緊急情況，住在高層的人們就可以借助這一工具進行安全快速的逃生，而且該逃生工具的體積小、可以對此進行折疊，操作簡單?？梢詫Ρ豢厝藛T進行多次往返救助，效率較一般逃生裝置要搞。進行設(shè)計前，首先對市場上現(xiàn)存的高樓逃生裝置進行對比分析，雖然都能夠幫助進行高樓逃生，但是通過了解發(fā)現(xiàn)這些裝置的操作復雜，成本售價高而且安全性能不是很高，有些是需要電力進行驅(qū)動，在緊急情況下很可能會發(fā)生斷電等情況，所以這些裝置具有很大的局限性。因此在本設(shè)計中，預采用一種基于負反饋閉環(huán)系統(tǒng)完成對高樓逃生裝置的設(shè)計，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)比較簡單，而且有操作簡單和不需要電力驅(qū)動的優(yōu)點，屬于一種簡單的純機械設(shè)計。其設(shè)計原理是根據(jù)不同逃生人員的重力，進行機構(gòu)傳動的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生較大的阻力從而防止逃生人員快速下墜，隨著逃生人員的不斷下落，繞線輪上的繞線層數(shù)逐漸減少，則所對應的帶輪上的包角將逐漸增大，隨之阻力也將增大，逃生人員便可實現(xiàn)加速、勻速和減速的快速安全逃生。我們還可以對該逃生裝置的仰角進行調(diào)整，就可以適應當從動軸與安全下降繩的粗糙度、安全下降繩的直徑發(fā)生改變時的情況，使之在這種情況下還可以正常工作。經(jīng)過計算驗證，該結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足預期的要求，可以幫助逃生人員快速安全逃離[7]。 結(jié)論 對于我們畢業(yè)生而言，畢業(yè)設(shè)計并不只是一次簡單的機械產(chǎn)品設(shè)計。在考察我們大學四年的專業(yè)課知識學習的同時。該畢業(yè)設(shè)計也是對我們大學生大學四年綜合實力水平的測試。知識的提煉，學術(shù)的鉆研，團隊的協(xié)作，上下的溝通，語言的表達等都是我們以后不管是學習還是工作的必備能力。本次設(shè)計是大學四年以來，涉及面最廣，專業(yè)領(lǐng)域最深，也是難度最大的一次設(shè)計。主要應用了機械設(shè)計，機械原理的相關(guān)知識。輔助還查詢了大量的課外書本。有國內(nèi)外的學術(shù)文獻，還有具體的成品設(shè)計資料。本次設(shè)計對我們意義重大，不僅是我們對之前所學知識進行了回顧和靈活應用。而且對我們的綜合能力提升十分有幫助，對我們以后的工作和再學習都有十分重大的意義。 本逃生裝置是完全依靠逃生人員的重力，通過齒輪，軸，棘輪等所有的機械零件所組成的純機械結(jié)構(gòu)。將重力轉(zhuǎn)換為阻礙被困人員自由下落的阻力，最終以安全速度使人員逃生。通過繞繩層數(shù)的減少，包角增加，阻力增加，使逃生人員最終成為一個減速下降的過程，最終以安全速度降落到地面，成功逃生。機構(gòu)仰角大小可以調(diào)節(jié)，在軸二的粗糙度、安全下降繩的粗糙度、安全下降繩的直徑發(fā)生改變時可以通過改變仰角的角度，使該裝置仍然可以正常使用，從而適應了各種環(huán)境。該機械裝置的各種性能，不管是實用性，操作性，成本問題，普及問題都是十分好的選擇。 致謝 首先，在此要感謝西安文理學院機材學院提供這個平臺給我們這次機會。還要感謝劉凌老師在畢業(yè)設(shè)計工作中對我的精心指導。若是沒有劉凌老師對我的細心指導，我很難將畢業(yè)設(shè)計完成。在此我還要感謝大學四年之中，機材學院所有的任課老師。你們四年的傳道授業(yè)為我畢業(yè)設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)。還要感謝我們小組的同學，他們的也給了我很大幫助。從論文課題的選定，開題報告的完成，到理論分析、裝配圖的繪制及后期論文的撰寫工作都得到了劉老師的熱情幫助，給我提出了許多寶貴意見，給予我大量盡心而有效的指導。設(shè)計過程中遇到的疑難她總是耐心地為我們解決，還給予我們許多寶貴的參考資料。這些不僅使我在這幾個月的畢業(yè)設(shè)計中受益非淺，在今后的學習和工作中也仍將給我積極的影響和幫助。 在此謹向劉老師表示最誠摯的謝意。并向所有參加論文答辯的老師致以最誠摯的感謝。同時，也向給予過我?guī)椭耐瑢W和室友表示衷心的感謝。 另外由于是初次設(shè)計較為復雜的機構(gòu)，難免會有許多不足之處，還請各位老師批評指正。最后再次感謝劉老師和其他各位老師長久以來的幫助。謝謝！ 參考文獻 [1] 甘永立．幾何量公差與檢測[M]．上海：上海科學技術(shù)出版社，2010． [2] 孫訓方．材料力學[M]．北京：高等教育出版社，2010． [3] 王鐸．理論力學[M]．北京：高等教育出版社，2009． [4] 任家隆，李菊麗．機械制造基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2009． [5] 邱宣懷．機械設(shè)計[M]．北京：高等教育出版社，2008． [6] 張策．機械動力學究[M] ．北京：高等教育出版社，2007. 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cyclic stressing were performed. The results show that the ratchet ing strain of this alloy can get into shakedown after tens ( or hundreds) of thousand cycles. After the ratcheting strain is saturated under the condition that stress amplitude is half of peak stress, it will bring about subsequent fatigue failure, and relationship between fat igue life and one of peak stress and saturated ratcheting ( SR) strain meets pow er law . As the alloy is under stress jiggling with stress amplitude that is 1%
25% of peak stress, the ratchet ing strain still become remarkable and goes into shakedown after several hundreds of thousand cycles but there exists little accessional strain caused by creep effect. It is notable that, w hen t he peak stress is 85%
100% of yield stress, t he long
cyclic stressing will lead SR strain to be from 14% to 2 5% even if the initial ratio of ratcheting strain is zero. Based on ratcheting threshold proper
ty of peak stress and monotonicity of relationship between the peak stress and SR strain, a saturated ratcheting model ( SRM ) is developed to predict SR strain and to estimate saturated creep strain also. In addition, t he classes of ratchet ing evolutions of metals are discussed. Key words: T225NG; t itanium alloy; shakedown; ratcheting; cycle; plasticity; stress; strain; fa
tigue; creep Gradual increase plastic strain may be pro
duced for metal materials under cyclic stressing and such kind of deformation w ith plastic strain accumulation is named as the ratcheting deform ation. The durative accumulation of ratcheting deforma
tion can cause structures to exceed their size limit or to speed up their failure. The ratcheting strain can be defined by (1) w here the subscript T denotes the true state of strain and stress. For the true strain
T and the true stress T , there are tw o expressions:
T = ln( 1+
) and T = ( 1 +
) w here
and are corresponding to the uniaxial engineering strain and nominal stress ( axial force P / initial cross
section area A of specimens) , respectively. In Eq. ( 1) ,
T , m ax and
T, min are the maximum and the m ini
mum of true strain in each cycle, respectively; and T, R and T , L are the true stresses corresponding to
T , m ax and
T, min, respectively. T he ratcheting strain rate is given by
（2) where N is the stress cyclic number. During the past tw o decades, scholars general
ly believed that the m ain parameters controlling the uniaxial ratcheting behavior are stress am plitude a, mean stress m, stress rate
, cyclic number N , temperature T , stress history and tem pera
ture history !. Hence the ratcheting strain can be expressed as （3） Because of the complexity of the control pa
rameters, researchers gave up systematic tests needed for given material and their traditional re
search attention w as turned to the constitutive modeling on the basis