第 1 章 緒論

本課題所研究的是用于室外高層建筑火災(zāi)應(yīng)急逃生的裝置。通觀市場(chǎng)上現(xiàn)有的各種救援設(shè)備，根據(jù)使用場(chǎng)所、使用高度和適宜人群，總體上可將其劃分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用于公用建筑的大型逃生設(shè)備；另一類(lèi)是家用的小型逃生設(shè)備。表 1.2、1.3 分別列出了各種逃生用品的種類(lèi)、舉例、使用特點(diǎn)、救援效率及存在的問(wèn)題[6-7]。目前，救生緩降器的研發(fā)是高層建筑逃生設(shè)備的重點(diǎn)研究方向。救生緩降器按照工作原理（速度控制機(jī)理）可分為四類(lèi)：流體阻尼式、摩擦制動(dòng)式、電磁阻尼式和間歇沖擊式。（1）流體阻尼式救生緩降器流體阻尼式緩降救生器是將利用被困人員下降時(shí)的重力勢(shì)能，使流體流動(dòng)時(shí)的阻尼轉(zhuǎn)化為熱能，從而將緩降繩索的速度控制在合理的范圍之內(nèi)。按照流體介質(zhì)的不同，可分為液壓阻尼系統(tǒng)和空氣阻尼系統(tǒng)。湖南大學(xué)的許鵬，胡仲勛等提出了一種基于摩擦阻尼和流體阻尼相結(jié)合共同減速緩降的方案。下降初始階段主要依靠液體阻尼機(jī)構(gòu)來(lái)減速，保證啟動(dòng)平穩(wěn)性；在速度較高時(shí)，使用離心摩擦機(jī)構(gòu)增強(qiáng)阻尼效果，保證下降過(guò)程的平穩(wěn)性。研究中對(duì)高樓逃生器的工作性能進(jìn)行了仿真分析。采用遺傳算法原理對(duì)逃生器離心摩擦機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]。

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第 2 章 擒縱式救生緩降器設(shè)計(jì)與性能分析

2.1 擒縱式救生緩降器設(shè)計(jì)要求

考慮到高層建筑火災(zāi)自救逃生領(lǐng)域的具體需求，結(jié)合市場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)備、裝置和產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，擒縱式救生緩降器應(yīng)滿足的設(shè)計(jì)要求如下：（1）安全性要求：緩降器應(yīng)設(shè)計(jì)有間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，將逃生人員下落的速度控制在安全范圍之內(nèi)，安全地到達(dá)地面；緩降器應(yīng)設(shè)計(jì)有防滑結(jié)構(gòu)避免意外失控，打滑等現(xiàn)象發(fā)生。（2）快速性要求：在滿足救生人員安全逃生的前提條件下，救生緩降器的速度調(diào)控單元應(yīng)能以較大的下落速度快速將被困人員送至地面安全區(qū)域。（3）高效性要求：救生緩降器應(yīng)設(shè)計(jì)有正反轉(zhuǎn)換向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)裝置循環(huán)往復(fù)使用，提高救援效率。（4）人性化要求：考慮到被困人員逃生時(shí)緊張慌亂的心理因素，救生緩降器應(yīng)設(shè)計(jì)有啟動(dòng)單元，在心理準(zhǔn)備充分的情況下開(kāi)啟啟動(dòng)單元下落逃生。（5）其他設(shè)計(jì)要求：救生緩降器機(jī)械結(jié)構(gòu)要緊湊、質(zhì)量輕、體積�。皇褂貌僮骱�(jiǎn)單、可靠；無(wú)需外加電源供電。擒縱式救生緩降器設(shè)計(jì)參數(shù)要求，如表 2.1 所示。

2.2 擒縱式救生緩降器整體方案設(shè)計(jì)

擒縱式救生緩降器以逃生人員的自身重力作為驅(qū)動(dòng)力；被困人員逃生時(shí)，旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，動(dòng)力傳送到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)與搖桿相連的擒縱爪釋放被鎖住的擒縱輪，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，被困人員下降；當(dāng)槽輪轉(zhuǎn)過(guò) 120°后擒縱爪與擒縱輪發(fā)生碰撞，鎖住主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，被困人員停止下降；在飛輪自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的作用下，存儲(chǔ)的能量釋放，通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)曲柄，擒縱爪再次釋放擒縱輪，被困人員再次下落。以上動(dòng)作依次循環(huán)最終實(shí)現(xiàn)逃生人員安全、勻速下降逃生的目的。擒縱式救生緩降器實(shí)現(xiàn)速度控速的機(jī)構(gòu)是擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)，其為棘輪機(jī)構(gòu)的一種特殊形式，同屬單向間歇運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。擒縱機(jī)構(gòu)的動(dòng)作中，“擒”是將主傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鎖�。辞茏。�；“縱”就是利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量開(kāi)啟主傳動(dòng)使運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作持續(xù)進(jìn)行下去（即放開(kāi)）。擒縱輪給擒縱叉的力矩（被困人員自身重力產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩）基本穩(wěn)定時(shí)，即能使擒縱輪做平均轉(zhuǎn)速基本恒定的間歇運(yùn)動(dòng)。

第 3 章 含間隙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性研究................29

3.1 含間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法.................... 29
3.2 含間隙機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)副間隙描述.......... 30
3.3 含間隙平面連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程............. 33
3.4 含間隙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模............ 34
第 4 章 含間隙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度概率分析..................53
4.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度概率分析研究............. 53
4.2 含間隙機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度分析.................. 54
第 5 章 擒縱式救生緩降器試驗(yàn)研究..................67
5.1 擒縱式救生緩降器性能測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái) ............ 67
5.2 擒縱式救生緩降器性能測(cè)試試驗(yàn)............ 71
5.3 關(guān)鍵傳動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量實(shí)驗(yàn).................... 75

第 6 章 擒縱式救生緩降器改進(jìn)設(shè)計(jì)與研究

6.1 擒縱式救生緩降器改進(jìn)設(shè)計(jì)構(gòu)想

擒縱式救生緩降器的機(jī)械系統(tǒng)由啟動(dòng)單元、傳動(dòng)單元、速度控制單元及摩擦壓緊單元四部分組成，傳動(dòng)單元可實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)鎖死及換向功能。對(duì)擒縱式救生緩降器試樣樣機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)表明，該救生緩降器可以實(shí)現(xiàn)速度控制功能。優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)速度控制功能；機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊；啟動(dòng)單元旋鈕操作簡(jiǎn)單；左右兩側(cè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)使整體平穩(wěn)。缺點(diǎn)：涉及到多種機(jī)械傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)傳遞路線長(zhǎng)，可靠性降低；擒縱機(jī)構(gòu)中擒縱輪的結(jié)構(gòu)形式需改善；沖擊振動(dòng)較大。（2） 擒縱式救生緩降器改進(jìn)設(shè)計(jì)構(gòu)想由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和無(wú)返回力矩擒縱調(diào)速器三部分組成的無(wú)返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)是一種廣泛用于導(dǎo)彈、火箭彈和中大口徑榴彈上的成熟部件。無(wú)返回力矩擒縱調(diào)速器通過(guò)擒縱輪和卡擺的碰撞和傳沖，使機(jī)構(gòu)作周期性的擺動(dòng)來(lái)限制主傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)速的目的。擒縱式救生緩降器若采用無(wú)返回力矩擒縱機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)速度控制，將大為簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高運(yùn)動(dòng)可靠性和穩(wěn)定性。

6.2 無(wú)返回力矩擒縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

無(wú)返回力矩擒縱機(jī)構(gòu)也叫作無(wú)固有振動(dòng)系統(tǒng)型擒縱機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)沒(méi)有彈性元件，沒(méi)有恢復(fù)力矩，沒(méi)有固定擺動(dòng)周期，僅依靠擒縱輪對(duì)卡擺的來(lái)回碰撞使擺產(chǎn)生一無(wú)固定周期的振動(dòng)，其周期主要取決于工作力矩、卡擺與擒縱輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及擒縱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。無(wú)返回力矩擒縱機(jī)構(gòu)由卡擺和擒縱輪兩個(gè)零件組成，卡擺有卡瓦式和銷(xiāo)釘式兩種結(jié)構(gòu)形式。擒縱機(jī)構(gòu)的工作原理是通過(guò)卡瓦或銷(xiāo)釘對(duì)擒縱輪齒的碰撞傳沖來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)[88]。擒縱式救生緩降器對(duì)機(jī)械系統(tǒng)工作可靠性有較高的要求，而無(wú)返回力矩擒縱機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，，因此采用無(wú)返回力矩擒縱機(jī)構(gòu)作為救生緩降器的速度控制機(jī)構(gòu)。對(duì)于無(wú)返回力矩擒縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求主要有以下幾點(diǎn)[88]：（1）較小的摩擦損失。在滿足強(qiáng)度要求的條件下，軸頸尺寸與零件質(zhì)量應(yīng)盡量小。（2）足夠的作用時(shí)間。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證卡擺具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以獲得較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)周期，且擒縱輪齒數(shù)要多。（3）工作連續(xù)可靠。設(shè)計(jì)要求卡擺和擒縱輪輪齒無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉�？〝[應(yīng)比輪齒厚一些，以使輪齒在厚度方向上的與卡擺充分嚙合。（4）足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。救生緩降器要求結(jié)構(gòu)緊湊，且保證工作時(shí)卡擺、擒縱輪均有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度儲(chǔ)備。

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第 7 章 研究總結(jié)和展望

本文在全面分析國(guó)內(nèi)外高層建筑救生緩降裝置研究的基礎(chǔ)上，對(duì)采用間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的擒縱式救生緩降裝置進(jìn)行研究，從機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)副間隙對(duì)動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)動(dòng)精度的影響、樣機(jī)加工制作及工作性能試驗(yàn)測(cè)試等方面入手，針對(duì)基于擒縱原理的救生緩降器進(jìn)行了比較全面而系統(tǒng)的研究。主要的研究結(jié)果如下：1、基于擒縱原理救生緩降裝置的設(shè)計(jì)。結(jié)合救生緩降器的總體設(shè)計(jì)要求及各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想對(duì)擒縱式救生緩降器機(jī)械系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定了機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)，并對(duì)逃生繩索的工作可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，確保其在隨逃生人員下落過(guò)程中不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。運(yùn)用 Solidworks 三維軟件平臺(tái)對(duì)擒縱式救生緩降器進(jìn)行整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將整體機(jī)械系統(tǒng)分為啟動(dòng)單元、機(jī)械傳動(dòng)單元、速度控制單元和摩擦壓緊單元四部分進(jìn)行各機(jī)構(gòu)零件建模，利用軟件裝配體功能和干涉檢查功能完成了整體模型的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：148679