毕业设计(论文)-高楼火灾逃生装置设计(全套图纸)

湖南农业大学东方科技学院
全日制普通本科生毕业论文
高楼火灾逃生装置设计
DESIGN OF HIGH-RISE FIRE ESCAPE DIVICE
学生姓名：
学号：
年级专业及班级：2007级机械设计制造及其自动
化（3）班
指导老师及职称：
湖南·长沙
提交日期：2011年5月
目录
摘要 (1)
关键字 (1)
1 前言 (2)
1.1 选择本课题的目的和意义 (2)
1.1.1 现实意义 (2)
1.1.2 理论意义 (2)
1.2 高楼火灾逃生装置的现状及发展趋势 (2)
1.2.1 现状 (2)
1.2.2 趋势 (3)
2 设计方案的拟定 (3)
3 高楼火灾逃生装置的设计 (5)
3.1 高楼火灾逃生装置主要技术参数 (5)
3.1.1 主要技术参数的内容 (5)
3.1.2 主要技术参数的确定 (5)
3.2 高楼火灾逃生装置的结构设计计算 (6)
3.2.1 机身的设计 (6)
3.2.2 机身各部件结构材料的选择 (6)
3.2.3 绕绳轮轴的设计计算及强度校核 (7)
3.2.4 第二级减速机构的设计及计算 (8)
3.2.5 精度等级公差和表面粗糙度的确定 (16)
4 机器的安装顺序 (17)
5 结论 (17)
参考文献 (18)
致谢 (18)
高楼火灾逃生装置设计
摘要：由于全球城市化的日益扩大，高层建筑物日益增多。

同时国内暂时没有实用的大众化家庭高楼火灾逃生设备。

而市场上存在的高楼火灾逃生装置存在价格较贵，操作复杂或者安装困难等缺陷。

而本产品对于其他同类型产品来说具有结构简单，易制造，易实现动态自控制下降速度等优点。

设计的内容包括：高楼火灾逃生装置的结构设计、钢丝绳回收系统的设计。

设计主要分为四个部分：第一部分是绪论，第二部分是高楼火灾逃生装置现状及发展趋势，第三部分是设计方案的拟定，第四部分是设计研究的内容。

最后还包括结束语、致谢和参考文献。

关键词：高楼火灾逃生装置；自动化；离心运动；控制
全套图纸，加153893706
Design of high-rise fire escape device
Student:
(Oriental Science＆Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)
Abstract ：As a result of the global urbanization's day-by-day expansion, the high-rise building increases day by day. Simultaneously domestic does not have the practical popular family tall building fire escape apparatus temporarily. But in the market exists the tall building fire escapes the installment existence price to be expensive, operation complex or flaws and so on installment difficulty. But this product has the structure regarding other same type product to be simple, easy to make, easy to realize the tendency from merits and so on control rate of descent. The design content includes: The tall building fire escapes the installment structural design, the steel wire recovery system's design. The design mainly
divides into four parts: The first part is an introduction, the second part is the tall building fire escapes the installment present situation and the trend of development, the third part is design proposal sketch, the fourth part is designs the research the content. Finally also includes the concluding remark, the acknowledgment and the reference
Key words: design of high-rise fire escape device；automation；eccentric exercise；control
1 前言
1.1 选择本课题的目的和意义
1.1.1 现实意义
随着我国经济实力和人民生活水平的提高，大家慢慢的步入城市的这种水泥森林。

高楼在解决了地面空间不足问题的同时，也对消防和高空安全提出了更高的要求。

据有关资料显示，高楼火灾的时候，一般都是通过消防队员的高楼云梯去解救人。

这种传统的做法由于城市交通经常拥堵和消费设备数量或者高度有限，这种方法不能保证救火灾的及时性，在火灾这种瞬间万变的情况下无形中让受灾群众安全不能得到应有的保护。

另外花大价钱去购置更高层更先进的消防设备也不是很有成效，首先更高层的消费设备动辄几千万，因此研究一种自动化程度高且安全可靠的适合大众化配备的高楼火灾逃生装置，对于高楼发生火灾时人们逃生条件具有现实意义。

而该本设计应用了伟大的地心吸力科学原理，著名杠杆科学原理，摩擦原理结合控制原理，结构精密科学合理，理论上使用重量与杠杆翘动的偏心轮产生的摩擦系数成正比，解决了高层建筑的救援与下降的世界难题。

设计时调整杠杆支点与力点、功点的距离即可调整摩擦系数与下降速度。

本课题设计生产的高楼火灾逃生装置，其主要工作为分为2级摩擦，第一级摩擦提供负载的90%的摩擦阻力，第二级摩擦则是通过离心摆锤来根据但是下降速度动态提供摩擦阻力。

由于考虑到产品的安全最高性，即使在逃生人员在逃生过程大火燃烧到该设备，该设备也能比较好的完成该次逃生工作；所以该产品是全机械结构能够即使在火灾蔓延到该逃生装置也能圆满完成一次逃生任务。

由于火灾平均发生带每户家庭的概率比较低，所以没有添加任何需要电池的电子设备。

因为即使是蓄电池也需要相关的不定期的保养，而这些也是容易被平时人们忽略的，另外电子设备在遇到火灾蔓延到该设备时基本就会毁坏掉而不能正常工作，另外会大幅提高产品的价格。

这是为何该设备没有添加任何电子设备，纯机械系统相对加入电子设备来说具有结构简单，易制造以及成本低廉等优点。

高楼火灾逃生装置其安全可靠，简单，价格便宜等特点使其在高楼火灾逃生设备中占有越来越重要的地位，并且将逐渐成为每个高楼住户家庭不可或缺的工具。

1.1.2 理论意义
带动设计相关行业的发展，如钢丝绳，离心轮，刹车块，杠杆结构。

使机械杠杆传动技术和机械自动控制系统技术往快速、自动化、人性化的方面发展。

1.2 高楼火灾逃生装置的现状及发展趋势
1.2.1 现状
随着城市高层建筑的快速发展，高楼火灾发生的概率也在慢慢增加。

但我国的高楼消防和发达国家相比还存在着巨大的差距，主要表现为交通拥堵导致不能及时到达现场，不够高，设备数量不够，故障多；自动化水平低，而市场上的高楼火灾逃生设备存在价格高，操作安装费力；品种不全，附加价值率低。

1.2.2 趋势
随着国内这两年对火灾安全教育加强，高楼火灾大众化逃生设备的技术水平也正在迅速地提高。

当前高楼火灾逃生装置的发展水平和趋势具体表现在一下几个方面：价格大众化；系列化；模块化；自动化。

2 设计方案的拟定
高楼火灾逃生装置是大众化的高楼火灾逃生主要设备之一，近些年全世界范围内就已经有产品出现。

我国进些年也开始这方面的研制。

至今我国已比较多的，品种繁多，结构和复杂程度差别很大价格方面。

但不论设计哪一种高楼火灾逃生装置，设计方法和程序都有共性的一面，即第一，高楼逃生时的下降速度，装置的形状、尺寸、材料、重量和逃生人员下降过程安全对受力的要求，包括压力、速度、位移、工作环境、自动化程度等等。

总之，通过工艺分析达到明确高楼火灾逃生装置工作的过程，即一个工作循环中每一个动作的详细要求和必要的调整范围。

第二，调查研究。

任何设计都应该尽力达到满足用户单位使用要求；制造工艺性好和具有先进的技术经济指标。

因此认真调查研究用户单位、制造单位的要求和意见。

并尽可能搜集和研究国内外同类产品的结构、性能的有关资料，在此基础上初步设计出一个设计方案。

经过会审，广泛征求改进意见以后，确定一个最佳方案，作为施工设计的基础。

第三，最后完成全部施工设计和编制制造验收等全部技术文件。

第四，通过样机试制，性能实验和工艺实验，验证设计是否符合预期的要求，并对设计做必要的修改。

对本课题设计的拆装机进行功能分析：该课题设计的高楼火灾逃生装置是集减速器和防护装置及回收装置一起的，下降逃生过程需要的摩擦力并不太大，而它对工作的安全可靠性和平稳性要求相对比较大。

高楼火灾逃生装置主要由减速系统和回扬系
统组成的一个整体。

减速部分由绕线器和一级摩擦机构和二级减速机构等组成。

回收部分由简单的曲柄部分组成。

能实现高楼火灾下降自动控速功能的技术有很多，具体分析如下：
1）第一级摩擦机构，通过杠杆将下降的重量附加到第一级减速机构上达到整个下降的重力的98%左右。

通过这样让防止第一级摩擦系统的自锁，同时减轻第二级减速机构的受力，这样将有效提高第二级减速的安全性同时降低成本（因为第一级减速的结构和制作成本比第二级简单便宜得多）
2）高楼火灾工作要求，最后下降的速度为0.5m/s。

要在保证下降平稳的要求的情况下保证动态稳定，该高楼火灾逃生装置的方案是，二级减速机采用离心摆锤加杠杆来实现根据下降速度施加第二次摩擦力的大小，从而来动态稳定下降速度。

3）回收机构，就是在绕绳轮的联动轴上加上一个简单曲柄，用来将其回收再使用。

3 高楼火灾逃生装置设计
高楼火灾逃生装置设计过程的主要内容是：确定主要技术规格，动作线图，第一级摩擦系统和第二级离心减速系统，主机设计，各零部件设计和总体布局。

全部零件图，使用说明书和制造验收技术文件。

这些过程是整个设计有机的组成部分，在进行每一个步骤时，都不能孤立的考虑，而应综合比较，互相协调。

3.1 高楼火灾逃生装置主要技术参数
确定绕绳轮主要技术规格是设计工作中最重要的步骤之一。

因为它直接关系到所设计的机器是否满足人体下降的安全系数和安全质量的要求。

同时它也是设计各零部件的依据，它对零部件的尺寸、要求加工设备的能力和整机成本有极大的影响。

因此，必须仔细分析机器工作时工艺动作程序；所使用第一次和第二次摩擦机构和相关尺寸和安装要求；各动作要求的压力、速度、相对位置关系，工作行程和行程停止点的位置精度要求。

在确定主要技术规格时，我们还应深入调查研究同类型设备的结构，主要技术规格、操作性能等相关资料。

3.1.1 主要技术参数的内容
主要技术规格是表示机器工作性能的指标。

通常包括以下部分：第一，主要规格又称主要参数，它是表示高楼火灾逃生装置主要特性的参数。

第二，各执行机构个动作的力。

第三，工作空间，包括各执行机构运动的最大距离和最小距离，摩擦片尺寸等。

第四，各运动部件的的角速度。

第五，机器外形尺寸和总重量。

3.1.2 主要技术参数的确定
确定主要技术规格时,基本的方法是工艺分析和统计分析相结合的方法.
通过对高楼火灾逃生装置下降过程的必要的工艺试验,可以确定整个下降过程动作和关系和各动作要求的压力,速度和工作空间等。

同时，可以依据经验和有关计算公式决定有关参数.
在设计专用产品时,往往对产品设计只有工艺设想,缺乏实际试验或者因试验条件限制而不能较为准确地提供参数要求;就是在设计标准系列时,也常常遇到很多困难,例如机器不能设计的过于庞大、复杂致使机器成本增加等。

因此，我们必须较为准确地确定所设计产品尺寸范围，典型绕绳轮直径和宽度以确定有关参数。

在确定参数时，应尽可能的收集国内外同类型产品的有关资料，应用统计分析的方法，得出各参数的范围和它们之间的关系，以帮助正确制定所设计产品的主要技术规格。

根据绕绳轮尺寸、形状、材料所需抗压力等，初步选定本次设计的拆装机绕绳轮为内桶半径为20mm,外筒半径为50mm绕绳桶长50mm，高楼火灾逃生装置额定负载1500N,下降最大速度0.5m/s。

初步确定其主要技术规格如下：
钢丝绳长：30m
绕绳轮转速： 1.60r/s~3.98r/ s
摩擦片系数：0.25—0.35
3.2 高楼火灾逃生装置的结构设计计算
3.2.1 机身的设计
机身由底座、绕绳轮、中心轴、杠杆、支撑杆、摩擦片，离心速度控制器、主动控制器，回收曲柄等组成。

底座为主架，绕绳轮装在底座正上方，绕绳轮左右两侧完全对称安装第一级摩擦机构和第二级减速机构，杠杆臂用以连接第一级摩擦机构和第二级减速机构，曲柄回收安装在底座侧方，方便回收再操作。

3.2.2 机身各部件结构材料的选择
（1）底座的类型及结构型式选择
由于本高楼逃生装置只是应那不高的火灾发生时只用，而且工作时一个流程的时间也不长。

所以对材料的特性性要求并不是太高的，杠杆臂和轴采用直接滑动，轴和底座直接采取滑动接触。

各活动部件直接采用滑动接触不加入轴承，这样简单实用。

（2）摩擦块的选择
由于考虑到该产品要较耐高温（即使在逃生过程中，大火蔓延到该装置时，也能完成此次的逃生）所以摩擦片选择铝制，和刚的绕绳轮的摩擦系数为0.30（无润滑）。

（3）第一次摩擦机构设计及其计算
杠杆臂受力分析如下图：
图1 杠杆力臂的受力分析图
Fig.1 Release lever arm of force's stress analysis chart
如图杠杆端滑轮受力F和F’（F=F’=mg）所以杠杆臂绕轴转动力矩为(F+F`sin30o)*2R=R*f 所以f=3F
第一次摩擦机构受力分析如下图
图2 第一次摩擦机构受力分析图
Fig.2 First friction mechanism stress analysis chart
f’=μNsinθf=f’+Ncosθ且f=3F (F=mg) 摩擦系数μ=0.3 （防止自锁的设定）f’=μN’sinθ=0.98F
由上解得
θ=59o，N’=3.66F=5722N （m=150Kg，F=1500N）
第二次减速机构通过杠杆臂与第一次摩擦机构联动于是得如下图结构草图
图3 逃生装置总体结构分布草图
Fig.3 Escapes the installment gross structure distributed schematic diagram
3.2.3 绕绳轮轴的设计计算及强度校核
初步确定轴的最小直径。

先初步估计轴的最小直径。

选取轴的材料为45钢，调质处理。

根表15-3，求得
d=10mm。

轴的机构图如图
图4 轴的结构图
Fig.4 Figure4 Shaft structure
轴所受到的荷载是从轴上零件传来的，计算时将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点去为载荷分布段得中点。

通常把轴当作置于铰链支座的梁，支反力的作用点与轴承的类型布置有关，轴承的支反力的作用点就在轴承的中心线上与轴垂。

力学简图如图
图5 轴的力学模型
Fig.5 Axial mechanical model
作出弯矩图
如上述简图，分别按水平和垂直面计算个力产生的弯矩，并按计算结果作出水平面上的弯矩图图和垂直面上的弯矩图，然后作出弯矩如图
图6 弯矩图
Fig.6 Moment Diagrams
绕绳轮轴零件见DYL-０１。

3.2.4 第二级减速机构的设计及计算
由于安全要求线速度<0.5m/s（接近等于绕线轮的边缘的线速度），第一级摩擦机构只提供98%的下降阻力。

分析如图
图7 扭矩计算草图
Fig7 Torque computation schematic diagram
线速度和直径成正比，综合考虑后将小离心轮的直径设计为10mm，且小轮轴直径为4mm。

由于小轮和大轮滚动所以线速度相同为0.5m/s。

由于第一次摩擦机构设计只提供98%的下降摩擦阻力，得两个离心机构要提供0.02F=0.02×1500=30N，所以当个提供15N摩擦力得离心轮提供15/μ的压力,即两个离心摆的每个离心摆提供25N的离心力。

即mv2/L×n=25N，v=0.5×（2L/0.01）即综合分析和查相关材料受力后mL=1/n×0.0025，所以取m=0.01kg，L=20mm，n=12.5。

离心摆球的材料取铅球（铅的密度为11.37g/cm3），则铅球的正方体铅块的边长a=9.60mm。

则n的计算分析如下图
图8 离心摆锤第一级扩力臂计算草图
Fig.8 The centrifugal bob first level expands the arm of force computation schematic diagram
图9 离心轮设计计算草图
Fig.9 To heart piece design calculation schematic diagram
综合考虑第一级扩力n1取值3，则离心摆轮力臂比n2为4.17。

综合分析材料受力。