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往 复 式 高 楼 逃 生 装 置
作品内容简介
作品是采用二力平衡原理,使重物下降时的主轮受到的主动力矩与刹车的制动力矩相平衡,从而实现匀速下降的一种缓降器。
作品主要由摆线轮机构和刹车机构两部分组成。摆线轮机构由一个主轮两个副轮构成,线绳嵌在主副轮的啮合面之间,参于啮合,以防止绳子与轮之间的打滑;当绳子受到重力时,缓降器上方受的拉力与重力相平衡,而吊钩下的楔形块将拉力转化为正压力,使刹车片产生摩擦力矩。通过设计与实验,我们得到了合理的楔形块角度,对于不同重量的人或重物,使主轮受的主动力矩与刹车的制动力矩始终保持平衡,因而无需任何调整,均能实现匀速降落。使用时,将卷线轮向楼下抛出,绳子被打开,人用绳子的一端向下缓降,当一人完成缓降后第二个人可用绳子的另一端进行逃生,来回往复以提高逃生效率。
作品重量轻,制造成本低,是一种便携式设计,市场前景大。
1 研制背景及意义
随着城市化进程的加快,越来越多的人在高楼中居住和办公室。在高楼大厦发生火灾等紧急状况、特别是楼梯等安全出口已无法使用时,仅仅等待消防人员的营救是不够的,若能有效自救会给受困人员带来更多机会。在这种情况下,高楼逃生装置应运而生。目前国内高楼逃生装置取得了较好的进展,典型的逃生装置有:高楼逃生绳,高楼逃生缓降器,高楼逃生伞,高楼逃生管,救生梯等,其中与本作品较为接近的产品是高楼逃生缓降器。
高楼逃生缓降器:是在绳子上加一装置,人摩擦阻力使人获得降落的救生装置。 (1)
设轮子与摩擦块之间的摩擦系数为f,轮子受到摩擦块的轮子摩擦力为
(2)
匀速运动时,轮子所受的主动力矩与阻力矩相等,则有:
(3)
(4)
(5)
式(5)中,a,b,r是机构的几何参数(如图1所示),f是摩擦系数。从这一式子可得:绳子的平衡只需满足一定的几何条件,而与重力大小无关。因而这一设想若能成功地应用在逃生装置中,则可使这一逃生装置只要满足一定的几何条件,就可使人们在下降过程中保持匀速运动,并且这一匀速运动与重力大小无关。
若将如图1中所示的力学模型中应用于工程中,显然应解决几下几个问题:
当在摩擦副作用下,主轮不转动时,绳子与轮子有相对滑动的可能,若绳子与轮之间出现相对滑动,则摩擦副的摩擦力将不会对绳子产生作用,因而必须防止绳子与主轮之间相对滑动。
由于力学模型中杠杆机构尺寸较大,结构也较为松散,其结构必须进行优化。针对上述问题,我们在实验的基础上进行了探讨,得到了有效的解决方案。
3.2 解决绳子与主轮之间的相对滑动的问题
在《机械设计》基本理论中,带传动中的同步带传动与普通带传动有一显著的区别,普通带传动是利用摩擦进行传动的,带与轮之间存在弹性滑动,甚至是打滑,而在同步齿型带传动中,带与轮是相互啮合的,而正是由于啮合传动,带与轮之间已不再是靠摩擦力传动,因而不会产生打滑现象,所以啮合传动是有效解决绳子与轮子相对滑动的一种方法。
为此,我们利用互相啮合的机构来解决打滑的问题,如图2所示,围绕着主轮有两个副轮,线绳夹在主轮与两副轮之间,让主轮——线绳——副轮三者形成啮合传动。
齿形的选择:
渐开线齿轮传动是啮合传动中最常用的传动,但在两齿轮中要卡一绳子再进行传动,一是绳子对传动特性影响有较大,二是若采用普通齿轮传动,则普通齿轮的齿形中,齿面与齿顶圆的拐点势必会对绳子产生较大的损伤,综合各种齿形,我们选择了摆线轮传动,见图2。
摆线轮的设计
根据摆线运动规律,建立摆线方程
圆外摆线:(t为摆圆转过的角度,t=0~360°)
X= R·sin(t/2z)-2r·sin(t/2) ·cos(t/2+t/2z) (6)
Y= R·cos(t/2z)+2r·sin(t/2) ·sin(t/2+t/2z) (7)
圆内摆线:(t为摆线圆转过的角度,t=0~360°)
X= R·sin(t/2z)-2r·sin(t/2) ·cos(t/2-t/2z) (8)
Y= R·cos(t/2z)-2r·sin(t/2)·sin(t/2-t/2z) (9)
取内摆线轮齿数Z=14,取摆圆半径r=2,则基圆半径R=2rZ=28,代入摆线方程,用CAD中函数曲线方式,作出单个齿的摆线图线,通过阵列得到全部的齿形。
由于主轮与副轮之间还有一线绳,为了更好地进行传动,主轮与副轮之间应留有线绳子的厚度,因而将前述所作的摆线轮曲线向内用CAD软件作等距线,得到实际的齿形摆线轮曲线,见图2所示。
摆线轮传动的中心距: a=2R=2r(z1+z2)=56
正确啮合传动的保证
由于在主轮与副轮之间有一线绳,因而主轮与副轮不相互接触,通过实验发现,在线绳受力后压紧时,主轮与副轮之间有时会出现啮合不正确的现象,导致主轮与副轮会卡住,
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