基于自鎖蝸桿與離心式摩擦制動的高樓逃生裝置設(shè)計(jì)_程潔(1)

1、基金項(xiàng)目：國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)基金資助項(xiàng)目（"#"1%1&）!基于自鎖蝸桿與離心式摩擦制動的高樓逃生裝置設(shè)計(jì)程潔， 劉鳴， 蘇翔， 靳東， 范亮亮（山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 !"#$）!引 言目前國內(nèi)大多數(shù)高層建筑并未設(shè)置避難層，逃生設(shè)備幾乎為空白"美國 %$ 事件和上海商學(xué)院火災(zāi)事件等悲劇的發(fā)生，引發(fā)了研制安全有效的高層樓房逃生設(shè)備的熱潮"基于自鎖蝸桿與離心式摩擦制動的高樓逃生裝置能夠很好地彌補(bǔ)國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的不足，具有操作簡單!無需用電!安全可靠的特點(diǎn)"本文主要介紹了此逃生裝置的設(shè)計(jì)思想!原理結(jié)構(gòu)以及性能分析&qu

2、ot;"設(shè)計(jì)思想此裝置設(shè)計(jì)思想中包含以下幾個(gè)方面：（$）純機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高層樓房的供電系統(tǒng)在災(zāi)害發(fā)生時(shí)極有可能崩潰"基于自鎖蝸桿與離心式摩擦制動的高樓逃生裝置是純機(jī)械結(jié)構(gòu)，無需用電，這也是此裝置設(shè)計(jì)的基本思想"（!）安全可靠采用具有自鎖性能的蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)是主要下降機(jī)構(gòu)"通過人員手搖手柄產(chǎn)生的力矩即可克服蝸輪蝸桿的摩擦力矩將人體安全下放"同時(shí)，針對在劇烈震動狀況蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的自鎖有可能失效的情況，該裝置還具有離心式摩擦制動機(jī)構(gòu)，最大程度保證人員的安全"（&）操作及貯備方便此裝置下降過程可控，可在任意高度停留"這在一定

3、程度上減小了受困人員下降過程中的恐懼心理"操縱箱體跟隨人體一起下放，且貯存方便，可以作為高層建筑常備的逃生工具"# 設(shè)計(jì)方案!"#裝置的總體介紹為了減少使用過程中與樓房外壁產(chǎn)生的碰撞和摩擦，在控制箱體與墻壁接觸的一側(cè)安裝了兩個(gè)滾輪"總體結(jié)構(gòu)如圖所示"卷筒 ! 上用吊環(huán)螺釘固定滌綸防火安全繩，由箱體上的出繩孔引出，并將鋼絲繩的末端迂回，利用鉗工手藝將鋼絲繩扣緊，與扣鉤相連"搖臂 " 與蝸桿軸過盈配合連接"使用時(shí)，人體和控制箱體用安全帶相連，將扣鉤掛于暖氣管道!下水道!樓梯欄桿!床腿等強(qiáng)度較高的物體上，受困人員帶著控制

4、箱體一起下放到樓房外面，降落中人體控制搖臂"即可平穩(wěn)下降"蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu) & 具有自鎖功能，蝸輪不能帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，當(dāng)人的手搖搖臂使蝸桿轉(zhuǎn)動時(shí)，帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，使蝸輪的同軸卷筒上的安全繩穩(wěn)定下放，人體安全下降"離心式摩擦制動器! 作為安全裝置，運(yùn)動過程中一摘 要：高樓逃生裝置利用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的減速!自鎖以及離心式摩擦制動器的限速原理使人員安全下落"利用 !"#$%!&軟件進(jìn)行工程圖紙的繪制，采用$()*+$,-. 軟件繪制三維圖和應(yīng)力分析，針對蝸輪軸承受交變應(yīng)力的情況進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度的計(jì)算!性能測試及優(yōu)化"測試結(jié)果表明：采

5、用該裝置不僅能夠保證人員迅速逃離災(zāi)害現(xiàn)場，而且是純機(jī)械裝置，操作方便，安全可靠"關(guān)鍵詞：高樓逃生；蝸桿自鎖；離心式摩擦制動；純機(jī)械中圖分類號：!/012 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：" 文章編號：#$%&%（%$#0）34&$56&$%&() *+ ,(- ./01)( 2+% 34%&%45%4 .6&%1 *) 744%5%4&80% 9*4: 6)1 ;%)<4+/(60 =4><*) .46?% 34)>0%;,ABC D%E 27F G)(E HF I6)(E D7B $*)(E =JB 26)(K0

6、6)(（()*+, +- ./)*012)0, 31421/52146 (*017+14 8129/5:2;<6 =2101 !"#6 >*210）!"#$%&$! ?*2: 7/92)/ /1:5/7 A/+A,/!: :0-/ 7/:)/1; -5+B ;0, C2,7214: C< :214 ;*/ 255/9/5:2C,/ D+5B6 D+5B 4/057529214 017 ;*/ )/1;52-40, -52);2+1 C50E/F ?*/ G;+>GH :+-;D05/ D0: 0AA,2/7 ;+ /1421/5214 750

7、D214 A,+;214I ?*5/J72B/1:2+1 450A*: D/5/ +C;021/7 +1 (+,27K+5E: :+-;D05/6 C< D*2)* ;*/ -0;24/ :;5/14;* +- ;*/ D+5B 4/05 0L2: D0: ;*/1010,<M/7I N210,< A/5-+5B01)/ ;/:; 017 A/5-+5B01)/ +A;2B2M0;2+1 D0: 7+1/I ?*/ 5/:,;: +- ;*/ ;/:; :*+D/7 ;*0; ;*/7/:241 +- ;*/ /:)0A/ 7/92)/ )01 40501;/ ;*/ :)/

8、:-, /:)0A/ -5+B ;*/ 72:0:;/5 +)55/7 :A+; 017 2;: 07901;04/: 05/A5/ B/)*012)0, A5+7);O /0:< ;+ +A/50;/ 017 :0-/ 017 5/,20C,/I()* +,%-#! *24* C2,7214 /:)0A/P 255/9/5:2C,/ D+5BP )/1;52-40, -52);2+1 C50E/P A5/ B/)*012)0, 7/92)/機(jī)械工程師 %$#4 年第 4 期!"圖 ! 控制箱體總體結(jié)構(gòu)圖$I控制箱體外殼 !I離心式摩擦減速器 &I蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)QI滾

9、輪 "I搖臂 RI端蓋!軸承 SI卷筒%$" #& !制造業(yè)信息化仿真!建模! !"#! !"$! !"#! !"% $"&("!)*+&, +&(-*$")+.")+-&旦出現(xiàn)蝸輪蝸桿自鎖失效的情況，此安全裝置將會立即工作，使速度穩(wěn)定在國家標(biāo)準(zhǔn)限定的最大下降速度 !"#$%&以下，起到二次減速作用"每個(gè)摩擦制動塊上安裝了拉伸彈簧，從而保證了在低速的情況下不進(jìn)行制動，在速度達(dá)到!"#$%&時(shí)處于最佳制動狀態(tài)&q

10、uot;!"#自鎖式蝸輪蝸桿和離心式摩擦制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)此高樓逃生裝置的核心是圖 所示的自鎖式蝸輪蝸桿和離心式摩擦制動系統(tǒng)"蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)除了具有傳動比大!結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)之外，還具有反向自鎖性的特點(diǎn)"一般情況下，螺旋升角在 #!以下時(shí)，具有自鎖功能，即只能蝸桿主動，驅(qū)動蝸輪，反之則不能"一般蝸桿選用單頭蝸桿"此結(jié)構(gòu)中采用了動!靜摩擦系數(shù)值相對較大的鋼與鑄鐵的摩擦副，螺旋升角!()"!"在對自鎖可靠性要求高的重要場合（如起重設(shè)備等），應(yīng)加裝制動裝置"離心式摩擦制動器用于在蝸輪蝸桿自鎖失效的情況下進(jìn)行限速"此結(jié)構(gòu)

11、包括*個(gè)離心滑塊（附有摩擦襯片）!制動盤外盤!制動盤內(nèi)盤!平鍵!蝸桿軸!墊圈和擋圈等"其中，制動盤外盤與控制箱體內(nèi)壁剛性連接，制動盤內(nèi)盤與蝸桿軸通過兩個(gè)普通平鍵連接"內(nèi)盤結(jié)構(gòu)如圖)所示"*個(gè)離心滑塊分別位于"個(gè)滑道內(nèi)"離心滑塊垂直于制動盤內(nèi)盤半徑方向的外側(cè)表面采用粘接式連接了摩擦襯片，拉伸彈簧連接蝸桿軸和離心滑塊的內(nèi)側(cè)表面，采用開槽圓柱頭螺釘連接"此結(jié)構(gòu)利用蝸桿軸自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使摩擦塊上的摩擦襯片與制動盤外盤的內(nèi)表面產(chǎn)生摩擦，提供阻力矩，并能隨蝸桿轉(zhuǎn)速的改變而改變其阻滯力"此阻力阻礙了蝸桿軸的轉(zhuǎn)速，最終使蝸輪轉(zhuǎn)速下降

12、，達(dá)到減速的目的"當(dāng)速度下降到!"#$%& 以下時(shí)，制動器的限速作用逐漸減弱"拉伸彈簧的作用使制動器在人體下落速度小于!$%& 時(shí)不產(chǎn)生任何制動效果，保證超速狀態(tài)制動，低速狀態(tài)正常下降"為了便于零部件的采購和加工，摩擦襯片的材料選擇厚度為 )"$ 無石棉有機(jī)摩擦材料，離心滑塊為外側(cè)面微凸的六面體形狀，材料為灰鑄鐵，密度為+",#!-)./%$)"! 性能及應(yīng)力分析$%&性能參數(shù)表 ! 列出了該裝置的主要性能參數(shù)"$%應(yīng)力分析對于產(chǎn)品的性能 測 試 ， 利 用01234516.&軟 件

13、 中的應(yīng)力分析模塊進(jìn)行"通過對整套裝置進(jìn)行受力分析，主要對蝸輪蝸桿輪齒嚙合處進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度校核和安全繩纏繞處的卷筒進(jìn)行許用彎曲應(yīng)力校核"蝸輪采用灰鑄鐵材料，蝸桿采用 ,# 鋼材料"測試在逃生裝置最大承重!-./的條件下進(jìn)行"卷筒處軸的直徑為 #-$，蝸輪模數(shù) (,$，蝸輪直徑 )(+$，蝸輪厚度*(,-$"圖,為蝸輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度校核"通過對上述模型進(jìn)行進(jìn)行蝸輪輪齒彎曲疲勞 強(qiáng) 度 校 核后，進(jìn)而可得到輪齒的各個(gè)區(qū)域上的疲勞安 全 因 子（707）"從圖 ,中可以看出，蝸輪輪齒各區(qū)域以藍(lán)色和淺藍(lán)色為主，輪齒最大彎曲應(yīng)力&

14、quot;7約為!89:，707遠(yuǎn)小于!，輪齒不易達(dá)到疲勞狀態(tài)"圖 # 為蝸輪軸上許用彎曲應(yīng)力校核圖"材料的 "$為*-89:，卷筒軸區(qū)域顏色以藍(lán)色和淺藍(lán)色為主，最大彎曲應(yīng)力 "7約為!;*-9:"相對于卷揚(yáng)機(jī)等起重機(jī)械負(fù)載，人體負(fù)載較小，可以采取使用空心軸等方法來減輕重量和降低成本"" 結(jié) 語目前對高層樓房逃生裝置的研究和開發(fā)尚未成熟，推廣及應(yīng)用不甚廣泛"基于自鎖蝸桿與離心式摩擦制動的高樓逃生裝置的研究具有廣闊的應(yīng)用前景"自鎖蝸輪蝸桿和離心式摩擦制動器的配合使用是此裝置的一大創(chuàng)新"該逃生裝置具

15、有成本低!安全可靠!使用方便!無需用電等特點(diǎn)，可作為高層建筑常備逃生裝置，具有很高的實(shí)用價(jià)值"機(jī)械工程師!"#!年第!"期圖# 自鎖式蝸輪蝸桿和離心式摩擦制動系統(tǒng)!"離心式摩擦制動器（外盤）"蝸輪 )"蝸桿圖 $ 離心式摩擦制動器內(nèi)盤!"滑道 "鍵槽 )"內(nèi)孔名稱控制箱體材料搖臂半徑人體最大手搖速度適用樓層高度人體平均下落速度裝置總重量（含扣鉤及安全繩）最大承重潤滑方式每次乘坐人數(shù)安全扣鉤強(qiáng)度滌綸防火安全繩強(qiáng)度安全繩的安全系數(shù)參數(shù)9<* 玻纖增強(qiáng)塑料!-$"*6%&!+ 層及以下-

16、"!#$%&!-"#./!-./定期油潤滑!人=!->=!)->*表 % 主要性能參數(shù)圖 ! 蝸輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度校核圖 " 卷筒軸許用彎曲應(yīng)力校核% &仿真!建模! !"#! !"$! !"#! !"%制造業(yè)信息化$"&("!)*+&, +&(-*$")+.")+-&!參考文獻(xiàn)! 邱宣懷，等!機(jī)械設(shè)計(jì)"!北京：高等教育出版社，#$%& 王濤，朱文堅(jiān)&摩擦制動器：原理!結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)"&

17、廣州：華南理工大學(xué)出版社，#$&( 周明衡&離合器!制動器選用手冊"&北京：化學(xué)工業(yè)出版社，)*(+, 沈春根，王貴成，吳衛(wèi)國&-./主軸0刀柄連接錐面的疲勞壽命分析與計(jì)算1&工具技術(shù)，*$（#*）&2 徐平友+蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的自鎖性1+現(xiàn)代機(jī)械，*3*（3）+4 吳鴻業(yè)+蝸桿傳動設(shè)計(jì)"+北京：機(jī)械工業(yè)出版社，3$54+% 胡宗武，汪西應(yīng)，汪春生+起重機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)例"+北京：機(jī)械工業(yè)出版社，*$+（編輯 立 明）作者簡介：程潔（3$*6），女，山東大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)本科學(xué)生"收稿日期："#

18、"$ #"$ #&機(jī)器人焊裝線安全性控制系統(tǒng)構(gòu)建王健強(qiáng)3， 孫自強(qiáng)3， 王瑋3，（3+ 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 (*$；+機(jī)械工業(yè)第一設(shè)計(jì)研究院，安徽 蚌埠 (*3%）!引 言機(jī)械安全是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要考慮的因素很多，比如機(jī)械設(shè)備特點(diǎn)!工藝操作特點(diǎn)!安全設(shè)計(jì)理念等等"一般來說，安全控制系統(tǒng)應(yīng)該包括安全信號檢測，安全信號分析和處理以及安全信號響應(yīng)"這三個(gè)部分構(gòu)成了真正意義上的安全系統(tǒng)：安全信號點(diǎn)（急停，安全鎖，雙手按鈕等等）檢測，一般通過急停按鈕!信號燈!安全門限位開關(guān)或聯(lián)鎖開關(guān)!安全光柵或光幕!雙手控制按鈕!激光掃描儀等來

19、完成；安全信號點(diǎn)分析和處理一般通過安全網(wǎng)絡(luò)控制器!安全繼電器和安全總線等完成，以保證安全信號的正確性；安全信號點(diǎn)響應(yīng)一般通過安全驅(qū)動裝置將安全信號最后輸出給驅(qū)動裝置，如主回路中的接觸器!繼電器或閥等，完成安全功能的執(zhí)行"本文將結(jié)合合肥工業(yè)大學(xué)汽車裝備研究所承接的機(jī)器人自動焊裝線項(xiàng)目，對整線安全控制模式進(jìn)行闡述"!系統(tǒng)任務(wù)剖析白車身機(jī)器人自動焊裝線，通常由分總成 （7896:77;<9=> =?;），底板線（8A;B 9CA> =?;），主線（<:? 9CA>=?;）和調(diào)整線（D?7E?F =?;）等組成"此系統(tǒng)（如圖 # 所示） 包括

20、 條 7896:77;<9=> =?;，# 條 8A;B 9CA> =?;，以摘 要：安全性控制系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)和安全系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立控制，分別由標(biāo)準(zhǔn) !"# 和安全網(wǎng)絡(luò)控制器（$%#）控制"$%#在標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)中充當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)從站作用，與標(biāo)準(zhǔn)主站進(jìn)行狀態(tài)和信息交互；$%# 在安全網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)安全主站角色（連接安全設(shè)備或安全從站），處理整個(gè)控制系統(tǒng)安全邏輯，并給出相應(yīng)安全處理響應(yīng)"機(jī)器人自動化焊裝線中，在危險(xiǎn)設(shè)備應(yīng)用安全控制系統(tǒng)，能夠有效減少勞動災(zāi)害，確保制造現(xiàn)場安全性和生產(chǎn)性"關(guān)鍵詞：安全控制；機(jī)器人；自動化；焊裝線；標(biāo)準(zhǔn)主站；安全主站中圖分類號：

21、!&& 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：" 文章編號：#$%&%（%$#(）)(&$(&$"#$%& () *+# ,-)# .(*/(0 ,1$*#2 % 3(4(* 5#06%& 7%#5"#$ 8%-9:%-&! ,;< =%9:%-&! 5"#$ 5#%!>（#&.GECC= CD ":GE?;B> H I8JC<CJ?K; LF?;B?F，-;D;? M?K;B7?J> CD N;GEC=CF>O -;D;? ()$，PE?:；QR?B7J S;7?F H T;7;:BGE U7J?J8J;，V;F98 ()#%，PE?:）"%&()*" .:D; GCJBC= 7>7J;<!A?7WC?F JE; 7J:A:BA 7>7J;< :A 7:D;J> 7>7J;<!?7 GCJBC=;A ?A;X;A;J=> 9> 7J:A:BAYZP :A .:D;J> ;JCB PCJBC=;B ".P#Q .P :GJ7 :