高楼火灾逃生器设计
毕业设计(论文)
高楼火灾逃生器设计
Design of Escape Machine from Highrise for
Fire
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20**年 5 月 27 日
摘要
本文从开始介绍了高楼逃生装置的背景和研究意义，并对现有的一些高楼逃生装置进 行了分析和对比，发现大多数的装置有成本高、机构复杂、安全系数低等一些不足之处。 本设计根据机械创新理论，设计出一种基于负反馈闭环系统的高楼逃生装置，该装置具有 成本低、操作简单、安全系数高、纯机械无电气结构等优点，最后通过对设计机构的零部 件进行计算，得出整个机构的图形，在多次试验和计算之后，确定了不论是小孩还是老人 都能从高楼平安降落到地面，达到了本次设计的目的。
关键词 高楼火灾逃生器；机械创新理论；往复；可控
Abstract
Firstly,this paper describes the background and significance of tall building escape device.And some ofthe existing tall building escape devices are analyzed and compared，most of
the devices are costly, complex organization, the safety factor 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 structure. 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 Higerise escape machine for fire Machineryinnovation theory Reciprocating Controllable
目 录
摘要............................................................................................................................................I Abstract......................................................................................................................................I 1 绪论.......................................................................................................................................1
1.1 设计背景及意义..............................................................................................................1
1.2 国内外研究概况.............................................................................................................2
1.3 高楼火灾逃生器的实例..................................................................................................3
1.3.1 内凸轮式高楼火灾逃生器.........................................................................................3
1.3.2 涡轮蜗杆式高楼火灾逃生器...................................................................................4
1.3.3 钢丝绳防滑逃生装置...............................................................................................4
1.3.4 心摩擦式高楼火灾安全逃生器................................................................................5 2 整体方案设计........................................................................................................................6
2.1 方案构设.........................................................................................................................6
2.1.1 方案一......................................................................................................................6
2.1.2 方案二......................................................................................................................9
2.1.3 方案三....................................................................................................................11
2.2 方案的比较与选择.......................................................................................................12 3 装置零部件设计..................................................................................................................13
3.1 轴的设计.......................................................................................................................13
3.1.1 轴的概述................................................................................................................13
3.1.2 主动轴的设计........................................................................................................14
3.1.3 从动轴的设计........................................................................................................15
3.2 齿轮的设计...................................................................................................................16
3.2.1 齿轮的概述............................................................................................................16
3.2.2 齿面接触疲劳强度和齿根弯曲强度设计..............................................................16
3.3 棘轮的设计...................................................................................................................20
3.3.1 棘轮的概述............................................................................................................20
3.3.2 棘轮的设计............................................................................................................21
3.4 其他零部件的设计选择................................................................................................22
3.4.1 标准件的选择........................................................................................................22
3.4.2 安全座椅的选择.....................................................................................................23
3.4.3 挂钩的设计............................................................................................................24
4 计算和验证..........................................................................................................................25
4.1 静力学平衡计算...........................................................................................................25
4.2 绕绳的计算...................................................................................................................26
4.3 速度计算.......................................................................................................................26 结论.........................................................................................................................................30 致谢.........................................................................................................................................31
参考文献.................................................................................................................................32
1 绪论
1.1 设计背景及意义
随着建筑高度的增加和日趋密集，建筑的安全隐患也越来越多，即使在发达 国家的高楼遇有火灾、爆炸等事件时，由于时间、空间等诸多因素的限制，人员 自救逃生也是一个急待解决的重要问题。高楼火灾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。高层建筑一般功能较多，内部通道和外部环境情 况复杂，一旦发生火灾，由于烟囱效应，火势和浓烟就会迅速扩大，很短时间内 蔓延到内部楼梯和走廊，封锁正常的疏散通道，至使楼上被困人员无法逃生。所 以逃生人员自救是一个亟待解决的重要问题。 高楼突然失火或其他灾难发生时 , 电梯不能用,楼梯阻塞,而一般地面救援装备的举高和投射能力又远远的落后于 高层建筑的高度发展而且装备体积庞大受道路交通， 建筑周边环境等方面的影响 因而延误救援时机，这样的情况每年都有发生 ,也有很多人因无法逃生而遇难, 所以怎样快速有效的逃离火灾建筑成了决定生死的问题， 而高楼逃生装置在这样 的环境下应运而生。 然而在人们将越来越多的精力和时间都投入到对安全问题保 障研究的同时,却忽略了最基础的一种手段 ,在人们越来越多的用到各种高科技 和现代手法进行安全保障的同时,却忽略意外事件的发生,是不可以借助外力和 各种现代手段解决的 ,要靠最基础和最简单的方式 ,也就是机械传动的方式才 是最安全和稳定的。
本课题要求针对高层建筑实际情况，设计一种在发生火灾情况下，能帮助人 方便、快捷的逃生的工具。要求设计出的逃生器能适合各种结构的建筑物，运行 实现自动化，并且要求操作方便，可以折叠，体积和重量在一个人可以操作的限 度范围内。可以多次往返高层建筑进行营救。从而能最大限度的减少火灾中的人 员伤亡。通过分析比较现有的一些高楼逃生器，大多数装置虽然能达到高楼逃生 这一功能，但其结构原理复杂，操作繁琐，安全性差，生产成本高，部分装置还 需要电力控制，局限性大(发生地震或火灾时很有可能断电，也不允许操作人员 进行复杂的操作)。所以本设计采用一种基于负反馈闭环系统的高楼逃生装置， 装置结构简单，操作简便，且无需电力或其他能源驱动，纯机械结构。其原理是 利用逃生人员的重力，通过机构的转换，产生阻止逃生人员快速下落的阻力，随 着下降中绕绳层数的减少，包角增大，阻力增大，使逃生人员依次有加速、匀速、 减速下降的过程，最终以安全速度到达地面。装置的仰角大小可以人为调节。当 从动轴与安全绳的粗糙度、 安全绳的直径发生改变时可以通过改变仰角的大小使 装置仍然可以正常使用，适应了各种环境。通过计算，结果达到预期要求，借助
本装置逃生人员可以以安全的速度平稳的下落到地面。 因而可以在灾难发生的时 候保证人的生命安全。符合设计要求。
1.2 国内外研究概况
在我国，目前主要的救生设备有逃生缓降器，这种设备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。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。40 秒虽然在平时 看似不多，但在火灾逃生分秒必争的情况下还是略显漫长。目前这种逃生缓降器 的使用状况不甚理想，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。
还有一个主要的设备是救生气垫， 它主要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。但是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，同时此装备要求有相当大的窗户作为人们逃生 的出路，在一定程度上受到很大的限制。因此应用范围非常有限，当然对于高楼 逃生就有很大的危险性。
目前国外高楼逃生器主要有以下几种形式：
1缓降器式：该类逃生器增加钢丝绳与轮之间的包角，使得钢丝绳与钢丝轮 之间的摩擦力增加。另外，再利用手控装置，进一步调节下降速度的快慢。
2间歇冲击式：间歇冲击式逃生器是通过间歇撞击能来消耗能量，如利用钟 表中的擒纵叉和擒纵轮原理来消耗能量。
3液体流动阻尼式：液体流动阻尼式是利用液体流动阻尼把人体势能转化成 液体热能，以达降低速度的目的。其主要特点是由于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》杂志报道，美国国防部高级研究计划署正在研究炮射飞 人。此项研究将有特殊的现实用途，诸如在紧急情况下将警员或者消防队员送入 高楼的屋顶。一具斜轨将以与地面呈 80 的姿态安放于目标地点附近，执行任务 的人员则坐在椅子中——类似于飞机驾驶员的弹射座椅。 压缩空气从背负的钢瓶 中迅速喷出，座椅即沿滑轨弹射，到达顶端时戛然停住，人体由于惯性飞离并到 达屋顶边，安全着陆。方案的关键在于正确计算抛物线轨迹，在国防部高级研究 计划署的专利方案中有一台计算机精准控制发射的角度及速度， 可在2秒内把人 安全送抵5层楼的高度。
1.3 高楼火灾逃生器的实例
1.3.1 内凸轮式高楼火灾逃生器
为了保证机械运动的安全可靠，常常需要对机械运动的速度进行限制，例如 对索道滑车、逃生器等进行紧急制动。目前，国内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。
该实用新型的目的是要提供一种内凸轮式自动限速器，该装置不仅结构简 单、体积小、无噪声而且生产成本低。
该实用新型是这样实现的（见图1）：它包括一固定内凸轮（外径200mm），其 特征在于所述的内凸轮型腔内设置有一导轨支架， 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
当内凸轮驱动滑动芯阀作往复横向移动时， 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。
优点：体积小，无噪声，成本低，生产安装及维修方便，持久耐用，实用性 高。
缺点：结构复杂，部件多，制造费工费时，下降速度不稳定，安全系数低。
1.3.2 涡轮蜗杆式高楼火灾逃生器
原理：利用蜗轮蜗杆的自锁性，蜗杆能带动蜗轮，但蜗轮不能带动蜗杆，使 逃生人员在逃生过程中，控制自己的下落；
优势：结构简单；具有自锁性，安全性高，制造成本不高；
缺点：摩擦磨损大，材料要求高，操作复杂，普通人不易操作。
1.3.3 钢丝绳防滑逃生装置
图1-2 钢丝绳防滑机构
钢丝绳缠绕在回转轴上的楔形槽内。有两个摆架，摆架可分别绕上端固定轴 摆动，每个摆架上均转有一个V形滚压轮架，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。
钢丝绳缠绕方式如图2所示。钢丝绳从左侧槽滚轮的左边向上穿，向右拐， 沿逆时针方向缠绕在回转轴上，然后从右侧槽滚轮的右边向下穿。
假设重物挂在钢丝绳左端。缠绕在回转轴上的钢丝绳在重物的拉动下，对左 侧槽滚轮产生一向右的压力，该压力使左侧摆架绕上端固定轴作逆时针摆动，从 而使左侧V形滚压轮架上的两个滚压轮紧紧地压在钢丝绳左侧自由端的外缘， 使 得钢丝绳左侧自由端与回转轴间的压力增大，摩擦力矩也因此增大。重物的重量 越大，则钢丝绳左侧自由端与回转轴间的压力也越大，摩擦力矩也越大。从而避 免了钢丝绳与回转轴之间的打滑。
当重物挂在钢丝绳右端时，受力情况与上述对称。
优点：防打滑，安全系数高
缺点：装置复杂，成本较高，不能快速把人能降落到地面。
1.3.4 心摩擦式高楼火灾安全逃生器
原理：重力带动卷轴转动，使得卷轴上的活动快由于离心力产生正压力，摩 擦片与外壳产生摩擦力， 在下降速度达到一定值， 摩擦力矩与人体重力力矩平衡， 匀速下滑;
优势：逃生人员下降过程中不需要人来控制;
缺点： 局限性大重力越大下落到地面速度越大安全系数低且最小使用重量为 20kg.
2 整体方案设计
机械系统是由原动机、传动系统、执行系统、控制系统和其它辅助系统组成 的，所以，机械系统总体方案设计的内容应是这几部分的方案设计及其各部分间 的协调设计。 即执行系统的方案设计、 原动机类型的选择、 传动系统的方案设计、 控制系统的方案设计和其它辅助系统的方案设计。
机械系统整体方案设计的特点：1．协调性：整体系统由各个子系统组成， 虽然各子系统的功能不同、 性能各异， 但它们在组合时必须按照整体功能的需要。
2．相关性：构成系统的各要素之间也是互相关联的，它们之间有着相互作用、 相互制约的特定关系。某个要素性能的变化将影响对相关要素的作用，从而对整 个系统产生影响。3．内外结合性：任何系统必定存在于一定的社会和物质环境 中，机械系统也不例外。环境的变化必将引起系统输入的变化，从而也将导致其 输出的变化。
2.1 方案构设
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， 在下降过程中通过增减装置与钢绳的摩 擦力来控制逃生人员的下降速度， 同时采用两级减速装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；)
原理说明：
该装置是利用绳子做导轨，减速装置在绳上运动，通过增减与钢丝绳之间的 摩擦力来实现下降过程的加减速。其中“一级减速器”是通过旋动调速手轮（图 2中的12），从而推动装置内各边减速圆柱（图2中的2）相向运动而互相挤压， 增大它们之间的摩擦力，使钢绳的速度减慢。 “二级减速器” 是把绳的竖直运动 通过在轴（图 2 中的 5 和 10）上的缠绕而变为轴的旋转运动，再通过减速手闸 （图2中的11）实现对轮的减速或制动。
使用方法：
首先把钢丝绳固定在临近窗户处， 人先把安全带扣在身上， 把绳子抛出窗外， 再调节“一次减速器”的调速手轮（图 2 中的 12），使减速圆柱（图 2 中的 2）
装置与绳卡死，随后人慢慢爬出窗户，使自身的重力完全作用在绳子上，再微松 “一次减速器”的调速手轮（图2中的12），由于此时重力大于摩擦力，人与装 置开始慢慢下落。在下降过程中，人可以调节“二级减速器”的手闸（图2中的
11），通过改变握紧力的大小来控制自己的下落速度，直到到达地面，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
方案一的优点：
一、该装置结构简单，所占空间不大，人们可以放在家中备用，火灾来临时 及时逃生，防止措手不及，从而脱离危险。
二、该设计主要采用增减钢绳与装置之间的摩擦力来实现下降过程的加、减 速。而且采用了两次减速设置，可调性很好。
方案一的不足：
一、该装置不能实现以安全速度全自动的下降，下降时需要逃生人员控制， 对逃生时情绪紧张的人容易造成操作不对而出现事故。
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：
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：
此装置采用直径 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
在实际操作过程中，需要调整机构仰角，逃生人员可以以一个很小的加速度 加速下落。经过一段时间之后，从动轴上的包角越来越大，接触面积增大，摩擦 力也增大，加速度减小，人经历了从加速，匀速，减速的过程，最终以安全的速
度降落到地面。
图 2-4 装置的自动减速原理图
装置自动减速原理：如图7，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，α＜β＜γ）。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：
相比其他的现有高楼逃生装置，该装置最大的优点就是不需要利用其他能 源，而是逃生人员自身的重力，下降不需要逃生人员来控制，适合不同人群， 纯机械结构，结构简单，操作简单，结构的仰角可以调节适用于不同的条件。 在绳子末端与逃生人员挂接处接一段弹性绳减缓冲击力，更加能保证人的生命 安全。
方案三的不足：
该装置对机构的制作材料要求较高，要求各部件的链接紧密，而且刚开始 的初速度比较大， 人需要有一定的承受能力。 逃生人员不能够连续的进行逃生， 每完成一个逃生人员，下一个逃生人员需自己缠绕绳子后再进行逃生。
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
轴一般有两种分类方法：
1、按受载情况分：
1）转轴既受弯矩又受转矩的轴如减速器中的轴。
2）传动轴主要受转矩，不受弯矩或弯矩很小的轴如汽车发动机与后桥 之间的轴。
3）心轴只受弯矩而不受转矩的轴。
心轴根据其工作时是否转动，又可分为：（1）固定心轴如自行车的前 轮轴；（2）转动心轴如铁路机车轮轴。
2、按轴线形状分：
1）曲轴，各轴段轴线不在同一直线上如内燃机中的曲轴
2）直轴，各轴段轴线为同一直线。直轴按外形不同又可分为：
（1）光轴，形状简单，应力集中少，但轴上零件不易装配和定位。常用于 心轴和传动轴。
（2）阶梯轴，特点与光轴相反，常用于转轴。
（3）钢丝软轴，由几层紧贴在一起的钢丝绳构成，具有良好挠性，可弯曲 绕过各种零部件将回转运动灵活地远距离传递如手持动力机械、里程表和遥 控装置传动。
轴要正常的运转，是需要轴承来固定的，所以轴承是很重要的。一般轴的失 效形式为：主要是因疲劳强度不足而产生的疲劳簖裂；或是因静强度不足而产生 的塑性变形或脆性簖裂、磨损、超过允许范围的变形和振动等等。一般轴的设计 应该要满足如下的准则：
1．要根据轴的工作条件、生产批量和经济性等原则，选取适合的材料、毛 坯形式及热处理方法。
2．要根据轴的受力情况、轴上零件的安装位置、配合尺寸及定位方式、轴 的加工方法等等具体的要求，确定轴的合理结构形状及尺寸，即进行轴的结构设 计。
3．要轴的强度计算或校核。对受力大的细长轴(如蜗杆轴)和对刚度要求高 的轴，还要进行刚度计算。在对高速工作下的轴，因有共振危险，故应进行振动 稳定性计算。轴的结构设计步骤：
1）分析所设计轴的工作状况，拟定轴上零件的装配方案和轴在机器中的安 装情况。
2）根据已知的轴上近似载荷，初估轴的直径或根据经验确定轴的某径向尺 寸。
3）根据轴上零件受力情况、安装、固定及装配时对轴的表面要求等确定轴 的径向（直径）尺寸。4.根据轴上零件的位置、配合长度、支承结构和形式确定 轴的轴向尺寸。
3.1.2 主动轴的设计
轴的材料选用45钢，由轴常用材料性能表查得[ s -1= 260 Mp ，轴的弯矩和 ]
转矩合成强度条件，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）。 a s -1[ ] b » 0 . 6 s 0 b 式（3.1）
式中 a ——表示应力矫正系数；
s -1[ ——表示对称循环应力状态下的许用弯曲应力； ]b
[ ——表示脉动循环应力状态下的许用弯曲应力。 s 0 ]b
同时又由于主动轴只受到转矩的作用，则由式（3.2）：
M = Gr 1
得: 式（3.2）
M =60000 N · mm
式中 M ——表示弯矩；
G ——表示重力；
r 1 ——表示轴半径。
mm 。 N ， r1 = 30 其中， G = 2000
校核轴上危险截面的强度，由式（3.3）：
s ca = a M
W £ [ s - 1 ] 式（3.3）
式中 s ca ——表示危险截面当量应力；
W ——表示抗弯剖面系数。
式（3.3）又可写为式（3.4）：
s a M
ca = 0 . 1 · d 3
1
从而得设计公式式（3.5）：
d aM
1 ³ 0. 1 [ s - 1 ]
式中 d 1 ——表示危险截面直径。
从而得出：
r1 ³ 6 . 1 mm
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）：Fa
max =2Gsin2 = 2 G
对中点的弯矩由式（3.7）为
M l
1 = G 2
式中 l——表示轴长。
轴受到 f 产生的转矩最大值由式（3.8），式（3.9）：
f a
max = 2 G 2 · u
M 2 = f max · r 2
式中 f max ——表示最大摩擦力；
u ——表示摩擦系数。
其中取 u = 0. 54 ， r2 = 32 mm 。
得:
式（3.4） 式（3.5） 式（3.6） 式（3.7） 式（3.8） 式（3.9）
f max = 2160 N ， M 2 =69120 N · mm
0 且当 a = 180 时同时取到最大值。
由式（3.10）：
sca =s - 1 ] £ [ 将上面数据代入式（3.10）得：式（3.10）
r2 ³ 6.0 mm
由设计计算 r 1 、r 2 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 r1 = 35 mm，另一轴半径为 r2 = 30 mm 。
3.2 齿轮的设计
3.2.1 齿轮的概述
齿轮是在机器中传递动力和运动的零件。齿轮传动可完成减速、增速、变向 等功能。
常见的齿轮：
1．圆柱齿轮，用于两平行轴之间的传动。
2．圆锥齿轮，用于两相交轴之间的传动。
3．蜗杆蜗轮，用于两交叉轴之间的传动。
传动特点：
1.效率高，传动比稳定，工作可靠，寿命长；
2.实用的速度和传递的功率范围广；
3.可用于平行轴、相交轴和交错轴之间的传动；
4.成本高，噪声大。
3.2.2 齿面接触疲劳强度和齿根弯曲强度设计
取轴r=30mm，G=2100N
10 次。 故齿轮传递的最大转矩为：T=63000Nmm应力循环次数取
. 07 （悬臂布置）取圆柱齿轮的齿宽系数 f ，齿数比 u = 1 。 d = 0
齿轮的接触疲劳强度极限： s Him = 600 MPa
根据本设计要求，选用以下数据：
6
K A = 1.25 ， K 1.3 ， K 1.2 ， KHa=K F a = 1 T = V =
KHb=1.26K F b = 1.2 ZE = 189.8MPa K HN = 1.38 1
其中 K A 为使用系数，K V 为动载系数，K H a 为接触强度计算齿间载荷分配系， K F a 为弯曲强度计算齿间载荷分配系数， K H b 为接触强度计算齿向载荷分布系 数， K F b 为弯曲强度计算齿向载荷分布系数， Z E 为弹性系数， K HN 为接触疲劳 强度计算寿命系数。
取失效的概率为 1 % ，安全系数 S = 1 。
则接触疲劳许用应力为：
[s H ] = K HN · s H lim
S 式（3.11）
H ] ——表示许用接触应力； 式中 [s
K HN ——表示接触疲劳强度计算寿命系数；
s H min ——表示失效概率为1%时齿轮的接触疲劳极限；
其中， K HN ，S ，值已知， s H lim 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：
[s H ] = 759 Mpa
计算齿轮分度圆直径，式（3.12）： d 1 t ³ 2. 2 K t T 1 æ Z E ö 1 u + ÷ f u è s H ÷ d ø 式（3.12）
式中 d1 t ——表示齿轮分度圆直径；
u ——表示齿数比；
f d ——表示齿宽系数；
s H ] ——表示许用接触应力； [
Z E ——表示弹性系数。
将数据代入式（3.12）得：
d . 8 mm 1t =122
齿宽如式（3.13）：
b = 0. 07 ´ d 1
带入数据得：
b = 8 . 598 mm
模数如式（3.14）：
m= d
z
带入数据得：
m = 1 . 754
齿高如式（3.15）：
h = 2 . 25 m
带入数据得：
h = 3 . 947 mm
常用数据如下：
K V = 1.2 ， K A = 1
K = K A K V K H a K H b
带入数据得：
K = 1 . 89
按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径式（3.16）：d K
t = d 1t K t
带入数据得：
d t = 139. 1 mm
计算模数，将数据代入式（3.14）得：
m = 1 . 987
齿轮的弯曲强度极限：
s FE = 380 MPa
计算弯曲疲劳许用应力：
取弯曲疲劳安全系数 S = 1.4 ，如式（3.17）
式（3.13） 式（3.14） 式（3.15） 式（3.16） 式（3.16）
K s s F ] = FN FE [ S
代入数据得： 式（3.17）
[ s F ] = 325 . 7 Mpa
查得以下数据：
K=KAKVKFaK F b =1.25´1.2´1´1.2= 1.8 ，Y Fa = 2.24 ， YSa = 1.25
设计计算如式（3.18）： m ³ æ Fa Y ö 2 KT Sa 1 Y ÷ 2 f s F ÷ d z 1 è ø 式（3.18）
式中 Y Fa ——表示齿形系数；
Y Sa ——表示应力修正系数。
代入数据得：
m ³ 1 . 698
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1.698并就近圆整为标准值 m= 2.0 mm ，按接触疲劳强 度计算的分度圆直径：
d 2 = d mm 1 = 140
中心距如式（3.19）
a 带入数据得： d 1 + d 2 2 式（3.19）
a = 140 mm
计算齿轮齿宽，数据代入式（3.13）得：
b =9 . 8 mm
3.3 棘轮的设计
3.3.1 棘轮的概述
它由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构。 它将连续转动或往复运动转 换成单向步进运动。棘轮轮齿通常用单向齿，棘爪铰接于摇杆上，当摇杆逆时针 方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮齿以推动棘轮同向转动；当摇杆顺时针方向摆 动时，棘爪在棘轮上滑过，棘轮停止转动。为了确保棘轮不反转，常在固定构件 上加装止逆棘爪。摇杆的往复摆动可由曲柄摇杆机构、齿轮机构和摆动油缸等实 现，在传递很小动力时，也有用电磁铁直接驱动棘爪的。棘轮每次转过的角度称 为动程。动程的大小可利用改变驱动机构的结构参数或遮齿罩的位置等方法调 节，也可以在运转过程中加以调节。如果希望调节的精度高于一个棘齿所对应的 角度，可应用多棘爪棘轮机构。棘轮机构工作时常伴有噪声和振动，因此它的工 作频率不能过高。 棘轮机构常用在各种机床和自动机中间歇进给或回转工作台的 转位上，也常用在千斤顶上。在自行车中棘轮机构用于单向驱动，在手动绞车中 棘轮机构常用以防止逆转。
工作原理:机械中常用的外啮合式棘轮机构，它由主动摆杆，棘爪，棘轮、 止回棘爪和机架组成。主动件空套在与棘轮固连的从动轴上，并与驱动棘爪用转 动副相联。当主动件顺时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中，使棘轮 跟着转过一定角度，此时，止回棘爪在棘轮的齿背上滑动。当主动件逆时针方向 转动时，止回棘爪阻止棘轮发生逆时针方向转动，而驱动棘爪却能够在棘轮齿背 上滑过，所以，这时棘轮静止不动。因此，当主动件作连续的往复摆动时，棘轮 作单向的间歇运动
棘轮机构的分类方式有以下几种：
按结构形式分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构。
齿式棘轮机构结构简单，制造方便；动与停的时间比可通过选择合适的驱动 机构实现。该机构的缺点是动程只能作有级调节；噪音、冲击和磨损较大，故不 宜用于高速。
摩擦式棘轮机构是用偏心扇形楔块代替齿式棘轮机构中的棘爪， 以无齿摩擦 代替棘轮。特点是传动平稳、无噪音；动程可无级调节。但因靠摩擦力传动，会 出现打滑现象，虽然可起到安全保护作用，但是传动精度不高。适用于低速轻载 的场合。
按啮合方式分外啮合棘轮机构和内啮合棘轮机构。
外啮合式棘轮机构的棘爪或楔块均安装在棘轮的外部， 而内啮合棘轮机构的 棘爪或楔块均在棘轮内部。外啮合式棘轮机构由于加工、安装和维修方便，应用 较广。内啮合棘轮机构的特点是结构紧凑，外形尺寸小。
按从动件运动形式分单动式棘轮机构、双动式棘轮机构和双向式棘轮机构 单动式式棘轮机构当主动件按某一个方向摆动时，才能推动棘轮转动。双动 式棘轮机构，在主动摇杆向两个方向往复摆动的过程中，分别带动两个棘爪，两 次推动棘轮转动。双动式棘轮机构常用于载荷较大，棘轮尺寸受限，齿数较少， 而主动摆杆的摆角小于棘轮齿距的场合。
3.3.2 棘轮的设计
棘轮机构的主要设计有：棘轮齿形的选择 、模数齿数的确定 、齿面倾斜角 的确定 、行程和动停比的调节方法等。
1．棘轮齿形的选择
选用常用齿形，不对称梯形用于承受载荷较大的场合；当棘轮机构承受的载 荷较小时，可采用三角形或圆弧形齿形；矩形和对称梯形用于双向式棘轮机构。 由于本机构承受荷载不是很大，选用三角形齿形。
2．模数、齿数的确定
与齿轮相同，棘轮轮齿的有关尺寸也用模数 m作为计算的基本参数，但棘 轮的标准模数要按棘轮的顶圆直径 d a 来计算如式（3.20）。
m = d a
z 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（ z £ 250 ， 一般取z = 8～30 ），选择 z = 20 ， m = 2 。
3．齿面倾斜角的确定
棘轮齿面与径向线所夹α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 β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N 对 O O 1 轴的力矩大于摩擦力Ff沿齿面）对 1 轴的力矩，即
N · O sin b > F O cos b 1 A f · 1 A
F f
N 则
因为 f = tan a= F f / N
所以 tan b > tan a
即 b > a
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α=20°
4. 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γ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 g / 3 ， 当摆杆转角 F g ³ F 1 在 1 ³ g / 3 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 F 2 为 g ³ F 2 ³ g / 3 范围内 g / 3 整数倍。
3.4 其他零部件的设计选择
3.4.1 标准件的选择
轴承的选用：考虑到本装置的工作特性、结构特点及工作效果，不需要选用 轴承。其具体原因如下：
1从结构上分析，不选用轴承不会对装置的可靠性、安全性、稳定性造成不 良的影响。(本装置的使用具有一次性的特点，不需要长时间连续工作工作，而 且也没有太大的工作负载。考虑到可能长时间放置的问题，只需在主轴与滑轮内 部做简单的防锈及润滑处理即可)
2从成本上分析，不选用轴承可以最大程度的降低本装置的成本，利于本装 置的推广普及。
3从功能上分析，本装置的工作目的在于对人的下降过程进行减速，而不选 用轴承恰好使主轴与滑轮之间的摩擦力大大增加，从而有利于本装置功能的实 现。
另外选用的标准件如下：
螺栓×6，M10×32；
螺母×6，M10；
垫圈×10。
3.4.2 安全座椅的选择
安全座椅的作用是实现下降过程中人员的安全保护， 在下降的过程中将逃生 人员固定在安全座椅上， 同时安全座椅上的的扶手等固定装置能减轻使用者在下 降过程中的恐惧感使其比在利用其他工具时拥有更大的安全感， 同时安全座椅在 下降过程中减小了安全带等其他逃生工具给逃生人员带来的不舒适的感觉， 对于 老年人和小孩也有一定的保护作用，从而更加符合不同人群的使用要求。
安全座椅如下图所示：
图 3-1 座椅结构示意图
市场上已有相对成熟的安全座椅厂商，且安全座椅仅为本设计配件,限于篇幅， 其工作原理及相关信息在此不做进一步阐述。
3.4.3 挂钩的设计
为了适应不同结构窗户的逃生需要，本设计采用可调式挂钩,挂钩采用较长 的螺纹旋合式连接来达到可调的目地， 另外根据当前的主流窗台宽度可设两种尺 寸的旋合挂钩， 能够是使用者根据自己的实际居住环境选择是否需要通过二次旋 合来进一步加大可调长度，从而使本设计更能适应不同的建筑结构。其具体结构 参见零件图。
4计算和验证
由于前文没有设计到绳索的计算和下降的时间， 不能确定人能在安全的时间 内下落到地面，以及下落的速度大小未知，所以须对其进行计算。
4.1 静力学平衡计算
N 为绳与轴的正压力，q角为包角的微元
静力学平衡方程如下式（4.1）：
ì ï ( F+DF) sinq+ Fsinq =
ï 22 N
í f= m N
ï ï î ( F+DF) cosq
2=Fq
2 + f
当q趋近无穷小则：
式中 式中 q» q
22 cosq
2 » 1
由式（4.1）得：
DFq
2 = mF q
dF = m Fdq
d F
F = m d q
òF 2d F
F = 1 F ò a
0 m d q
得到公式式（4.2）：
F mq
2= F 1 e
假设逃生人员重力为G ，轴一与轴二之间绳的拉力为 F 1 ，
包角。
齿轮的的分度圆直径相同。
得到关系式式（4.3）:
ìï F1R1=( G- Fí 1) R 2
ï î G= F ma
1 e
得到静力平衡的模型式（4.4）：
式（4.1） 式（4.2） 为绳与轴二的 式（4.3） a
e
而与逃生人员自身重力无关。
ma
=
R1+ R 2
R 2
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，
4.2 绕绳的计算
设第四圈为平衡点,a 为绳子与轴的包角，u为摩擦因素为 0 . 4 ，绳子的直径 为 5 mm ，重力加速度为 9 . 8 m / s 2 。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）：
s = 2p r
包角计算公式式（4.5）
式（4.5）
a = 式中 R 1 ——表示轴一半径；
R 2 ——表示轴二半径。
1 u
R 1 + R 2
R 2
式（4.6）
则第四层包角将数据代入式（4.5）得：
o
a 4 = 2 . 258 rad = 129 . 513
仰角计算公式式（4.6）：
b =a 4 - arccos带入数据得：
R1 + R 2
R 2
式（4.7）
o
b = 45 . 664
o
即当仰角为 45 时第四层达到平衡。 . 664
4.3 速度计算
合力公式式（4.7）：
é ù R 2
F = ê F - ( G - F 1 1 g
R ë 1 û
式（4.8）
加速度公式式（4.8）：
é 1 R R ù
a = ua ( 1 + 2 ) - 2 ú
R 1 R 1 û ë e
式（4.9）
具体数据如表41
表 4-1 加速度的计算
当楼层高度为20米时， 设计一（每一层为8圈）
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）
落地速度为2.43m/s为安全落地速度，总下降需要时间为: 6.7s 下落过程中速度与时间关系图如图8所示:
1 2 3 4 5 6 7
图 4-1 速度时间关系图
从上所述可以看出，人的落地速度在3m/s左右，小于一般要求的5m/s，人 相当于从半米的高度跳下，因此由此逃生器逃生时下落速度是安全的。
因此， 通过此高楼逃生器， 人可以从20米高的楼层降落， 下降速度小于5m/s， 而且下落时间也只要几秒钟，为其他逃生人员逃生争取了很多的时间，实现了快 速安全逃生的目的。由此可知本设计完全符合设计要求，能够实现高楼逃生。
o
另外，对于更高的楼层可以都将仰角调制 46 左右，如果火情严重要求进一 o 0
步缩短落地所需的时间则可将角度调制低于 46 ，但不得低于 30 。因为在将角 o 度调至低于 30 后，落地速度将大于一般的安全速度 5 m/ s ，且刚开始的下落速
度很大，一般人难以承受。另外由式（4.7），式（4.8）计算得，当楼层高于4
o 层事需将仰角调制不小于 55 ，另外由于本设计是高楼火灾逃生器设计，高楼即
高层建筑，按传统来说，一般9层以上，带电梯的楼宇被称为高楼。但在现代社 会，由于高层建筑数量越来越多，高度也越来越高，对高楼又增加了新的定义， 一般18层以上被称为高层建筑，所以按照此定义八层及以下的楼层以不在本设 计讨论范围内，但为了使本设计适应面更宽，将讨论范围扩展到4层。具体角度 调节只要旋转装配图中中连杆上的圆盘即可方便迅速的进行调节。
结论
毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核， 也是对我们进行科学研 究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能 力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。本次设计的完成，也意味 着大学最后一次作业的完成。这次设计范围较广，在设计的过程中，充分利用了 以前所学习得东西，用到了机械原理，机械设计中的很多知识，也查阅了很多课 外的资料。对丰富自己的知识有很大的作用。本次设计也是大学中最有价值的一 次设计，涉及的知识也是以前的设计所不能比的，对以后步入社会也是一个很好 的过渡过程，意义重大。
最后再对本设计总结一下，本装置利用逃生人员自重，通过机构的转换产 生阻碍逃生人员自由下落的阻力，从而使逃生人员以安全的速度下落；通过绕 绳层数的减少，使包角增加，从而阻力增加，使逃生人员有减速下落的过程， 从而在到达地面时为安全速度；机构仰角大小可以调节。在轴二的粗糙度、安 全绳的粗糙度、安全绳的直径发生改变时可以通过改变仰角的角度，使该装置 仍然可以正常使用，从而适应了各种环境。该装置的可行性很高，适合面广， 安全系数高，是高楼逃生的不错选择。
致谢
本次毕业设计工作是在刘文君老师的精心指导下完成的。 从前期论文课题的 选定，开题报告的完成，到理论分析、装配图的绘制及后期论文的撰写工作都得 到了刘老师的热情帮助，给我提出了许多宝贵意见，给予我大量尽心而有效的指 导。设计过程中遇到的疑难她总是耐心地为我们解决，还给予我们许多宝贵的参 考资料。这些不仅使我在这几个月的毕业设计中受益非浅，在今后的学习和工作 中也仍将给我积极的影响和帮助。
在此谨向刘老师表示最诚挚的谢意。 并向所有参加论文答辩的老师致以最诚 挚的感谢。同时，也向给予过我帮助的同学和室友表示衷心的感谢。
另外由于是初次设计较为复杂的机构，难免会有许多不足之处，还请各位老 师批评指正。最后再次感谢刘老师和其他各位老师长久以来的帮助。谢谢！
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