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起重工中级理论复习题
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华北电力大学机械创新设计大赛书
序 言创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不懈动力。自主创新能 力是国家竞争力的核心。一个国家只有拥有强大的自主创新能力，把自主创新摆 在全部科技工作的突出位置，才能屹立于世界民族之林不倒。 当今社会处于急速发展的时期，各个领域、各个行业的竞争日趋激烈，对于 创新型人才的渴求也呈现出前所未有的增强之势。中华民族要奋发图强，就必须 顺应世界时代发展的潮流――大力培养创新型人才， 为我们古老的文明注入新鲜 的血液。只有自主创新才能在激烈的国际竞争中把握先机、赢得主动。 由此，机械创新设计大赛应运而生。 全国大学生机械创新大赛是经教育部高等教育司批准， 由教育部高等学校机 械学科教学指导委员会主办，机械基础课程教学指导分委员会、全国机械原理教 学研究会、全国机械设计教学研究会联合著名高校共同承办，面向大学生的群众 性科技活动。目的在于引导高等学校在教学中注重培养大学生的创新设计能力、 综合设计能力与协作精神；加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学 生针对实际需求进行机械创新、设计、制作的实践工作能力、吸引、鼓励广大学 生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件。 为了响应国家建立创新社会的号召， 我校在第四届全国大学生机械设计创新 大赛前在校内举办了华北电力大学第二届机械创新设计大赛，以“珍爱生命，奉 献社会”为主题，内容为“在突发灾难中，用于救援、破障、逃生、避难的机械 产品的设计与制作”。大赛为同学提供了一个展示自我，公平竞争的平台。在这 次大赛中有不少优秀的作品涌现，还有很多让人意想不到的新想法，新思路。对 此专家及学校领导都给予了充分肯定。更值得欣慰的是，同学们都认识到创新的 重要性，认识到当代大学生在科技创新方面重任在肩，任重而道远。 本书收录了此次大赛的部分具有代表性的优秀作品， 以期多同学看到机械创 新就在身边，鼓励大家积极创新，参与各种创新型赛事。并为以后的参赛者提供 借鉴。 我校作为电力大学中的翘楚，每年为我国电力事业输送大量高水平人才。所 以我们更应该鼓励学生发扬团结奋进、自强不息的精神，为培养出创新型人才再 接再厉。12目作品展示录华北电力大学机械创新设计大赛章程 ........................................................................................... 1I 多功能楼梯逃生担架椅设计说明书 ........................................................................................... 1 II 单绳楔块自锁缓降器 ................................................................................................................ 10 III 一种用于集体宿舍楼发生火灾的紧急避难新型床梯 ............................................................ 15 IV 液力控速的高空安全降落逃生装置....................................................................................... 21 V 多功能急救担架背包 ................................................................................................................ 24 VI“主动式气囊伸缩臂”水上救援装置..................................................................................... 26 VII 封闭式客车自动打开安全窗 ................................................................................................. 33 VIII 火灾救援专用弹射飞爪 ........................................................................................................ 42 IX 一种高空逃生柔性滑道............................................................................................................ 59 X 便携式水面救援器 .................................................................................................................... 64 I 多功能生命保障器 ...................................................................................................................... 72 II 简易人工破冰除雪车 ................................................................................................................. 76 III 汽车速度自减装置 .................................................................................................................... 79 IV 可供多人使用的高楼缓降逃生器说明书................................................................................ 89 V 用于高层建筑失火时的循环逃生机 ......................................................................................... 92 VI 组合式床梯 ............................................................................................................................... 96 VII 避难之星 ................................................................................................................................ 100 VIII 高楼控速逃生器 ................................................................................................................... 106 IX 矿难逃生高度计 ..................................................................................................................... 109 X 实用轻型铲雪车 ....................................................................................................................... 122 XI 新型火灾消防应急设备.......................................................................................................... 129 文件汇编 关于举办华北电力大学第二届机械创新设计大赛的通知................................................ 139 华北电力大学第二届机械创新设计大赛报名表 ....................................................................... 141 华北电力大学第二届机械创新设计大赛奖励办法 ................................................................... 144I关于“华北电力大学第二届机械创新设计大赛”提交作品的通知 ....................................... 145 华北电力大学第二届机械创新设计大赛流程 ........................................................................... 146 华北电力大学第二届机械创新设计大赛评分表 ....................................................................... 147 华北电力大学第二届机械创新设计大赛获奖名单 ................................................................... 148 华北电力大学第二届机械创新设计大赛总结 ........................................................................... 150 参赛感言....................................................................................................................................... 154II华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集华北电力大学机械创新设计大赛章程第一章第 1条总则本章程根据华电校〔2007〕5 号文件和全国大学生机械创新设计大赛相关文件制定。 第 2条 华北电力大学机械创新设计大赛是由华北电力大学教务处和团委主办，能源动力与机械工程学院承办，是华北电力大学科技学习与技术创新的一 项综合性较强的全校性竞赛活动，每两年举办一届。 第 3条 大赛宗旨是弘扬华北电力大学求是创新精神， 培养大学生的创新设计能力、综合设计能力和团队协作能力，加强学生动手能力的培养和工程实践的 训练，提高学生针对实际需求进行创新思维、机械设计和工艺制作等实际工作能 力，吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，营造良好的校园学术氛围。 第 4条 华北电力大学机械创新设计大赛是一项公益性的大学生科技活动，是促进我校教学改革， 加强教育与产业之间的联系， 推进科学技术转化为生产力， 促进更多的青年学生投身我国机械设计与制造事业的一项学科创新的示范性科 技活动。 第 5条 机械创新设计大赛的基本形式： 由评审委员会进行初审； 学 ⑴ ⑵校大赛。推荐优秀作品参加首都高校机械创新设计大赛、全国大学生机械创新设 计大赛和大学生“挑战杯”大赛。 第 6条 参赛题目采用命题式或任选式。 大赛组委会可结合首都和全国大学生机械创新设计大赛等情况指定每届大赛的主题或任选主题。 第 7条 大赛组委会组织评审委员会对参赛作品进行评审， 评选出具有创新性、科学性、实用性的优秀作品，对作者予以表彰，同时组织优秀作品展览、交 流和科技成果转让洽谈，推动我校学生科技成果向现实生产力转化。第二章第 8条组织机构及其职责大赛组织委员会由校教务处、 团委和承办学院主管领导组成， 设主任、委员若干名，指导竞赛活动。 第 9条 大赛组织委员会的职责： 审议、 ⑴ 修改大赛章程和评审规则； 协 ⑵商决议大赛活动组织中的重大问题；⑶ 筹集竞赛组织、评审、奖励所需的经费；1华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集⑷ 确定评审委员和指导教师的资格；⑸ 审议通过获奖名单；⑹ 处理大赛中出 现的异议事项和决议其它未尽事宜。 第10条 10条 成。 第11条 11条 大赛设立评审委员会。评审委员会设主任一名、评审委员若干名， 大赛组委会下设秘书处， 负责大赛日常工作。 秘书处由若干成员组评审专家由承办单位提名聘请具有高级职称的高水平专家组成。 评审委员会在本 章程和评审规则范围内，独立开展评审工作。 第12条 12条 大赛评审委员会职责：⑴ 在本章程和评审规则基础上制定评审实施细则；⑵ 评审参赛作品及演示，对参赛个人或团队进行提问；⑶ 向组委会提 交获奖作品名单，并推荐获奖等级。第三章第13条 13条 第14条 14条参赛资格和作品申报参赛对象为当年我校正式注册的本科生。 申报参赛作品必须是未参加过省级及以上各类竞赛的作品。 每件作品的作者不能超过 5 人，指导教师不超过 2 人。 第15条 15条 各参赛作品必须填写作品报名表。 参赛者应提交所设计作品的实物样机或模型，以及作品设计说明书。第四章第16条 16条作品评审与奖励评审委员会本着“公平、公正、公开、科学、规范”的原则，通过理论方案评审、答辩和实物模型演示等程序，从参赛作品的选题、方案设计、结 构设计和制作等方面对作品的合理性、创新性、实用性以及新的设计理论与方法 的应用进行评分，按照得分高低，确定各奖项的归属。 第17条 17条 大赛设立优秀设计奖、 优秀指导教师奖等奖项， 并由华北电力大学颁发获奖证书。 第18条 18条 优秀设计奖：设立一等奖、二等奖、三等奖和优秀奖。一、二、三等奖和优秀奖的比例由大赛评审委员会根据实际情况确定。第五章第19条 19条作品展览、 作品展览、交流与转让参赛作品提供的实物样机或模型， 将在比赛现场参展或演示， 供评审委员会答辩和其他人员观摩。2华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集第20条 20条决赛期间组织学术交流活动。采取报告会、论坛、专家点评等各种形式，介绍学生的创新设计制作成果和体会。 第21条 21条 大赛组委会对大赛作品（包括完整作品的各组成部分）享有所有权和完全知识产权，有权组织参赛作品的成果发布、成果转让洽谈、结集出版参 赛作品介绍及评委点评，选手对大赛作品享有署名权。 第22条 22条 凡是由华北电力大学机械创新设计大赛组委会提供资金、设备、场地完成的作品，大赛组委会将把作品（实物样机或模型）留在承办学院保存。第六章第23条 23条附则评审结果实行公示制度。对于有异议的作品，大赛组委会将组织调查，经调查确认资格不符者，则取消其获奖资格。 第24条 24条 大赛组委会有权以学校大赛组织委员会的名义寻求赞助，冠名权以“ ‘××杯’第×届华北电力大学机械创新设计大赛”的形式出现。 第25条 25条 本章程自华北电力大学机械创新设计大赛组织委员会审议通过之日起生效，由大赛组委会负责解释。3
华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集I 多功能楼梯逃生担架椅设计说明书一等奖作品 作者：卞境 纪执琴 刘浩 刘伟龙 曲泽宇 指导教师：庞力平 马志勇 一、背景及目的虽然科技在迅速发展，但无论何时，突发性灾难都是不可避免的。 中国每年发生突发性灾难包括火灾、雪灾、地震、突发性事故等。中国每年因火灾而死 伤的人数都在几千人。1993 年和 1994 年,中国分别发生特大火灾 124 起和 151 起,火灾死亡 人数分别为 433 人和 855 人,出现了 20 世纪 90 年代以来群死群伤火灾。之所以死亡人数如 此高，有很大一部分原因是人们遇到这些灾难不会处理，大部分人会惊慌失措，然后拥挤哄 乱，人们顾着各自逃命，将一些老年人等活动不方便的人被遗留下来，使死亡人数剧增。 据新华社北京１月 29 日报道，全国老龄办主任会议 29 日在京召开。从此间获悉，目前 我国人口老龄化速度进一步加快。2009 年，全国 60 岁及以上老年人口达到 1.6714 亿，占总 人口的 12.5％。与上年度相比，老年人口增加 725 万，老年人口比重增加 0.5 个百分点。与 此同时，高龄化程度进一步加重，１０年来，我国高龄人口增加了近一倍。空巢化比重进一 步加大。截至２００８年底，上海市老龄化程度已经达到 21.6％，部分大中城市核心区和部 分地市老龄化程度也相继超过 20％。 据统计我国有 8296 万多残疾人， 如果发生突发性灾难， 这些老年人以及残疾人很有可能被遗弃，进而遭遇不幸。 虽然我们不能解决这个问题， 但是我们可以将伤害降到最低程度， 本作品是专门应用于 受伤者、 老年人及残疾人等不易活动的人群， 当发生突发性灾难时， 帮助他们轻易方便下楼， 解决了下楼不方便、 解救不及时等问题， 坚固了逃生器材上针对弱势人群救助这一薄弱环节。二、装置结构及特点本作品采用类似于座椅的结构。当突发性灾难发生时，由施救者操作，迅速组装，通过1华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集卡手将装置固定于楼梯扶手上， 然后可将受伤严重、 老年人及残疾人等活动不便人群用安全 带固定在座椅上；利用伤者及作品自身重力，结合刹车，根据需求调节下滑速度，从而较为 省力、快速平稳的将伤者运送至地面得到进一步救助。 本作品由卡手、担架椅、卡凳等结构组成。具体介绍如下。1、 卡手卡手由挂钩、刹车、木垫构成。 挂钩由钢铁制作， 两组月牙形的钢铁通过螺栓连接成弯钩形， 类似一个弯钩挂在扶手上， 弯钩型的设计能够使装置顺利拐弯， 且挂在扶手上比较方便、牢固，安全。 木垫是由普通木头做成同弯钩一样的形状，垫在两片 月牙形中间，可以增加稳固性，同时减小摩擦力，可以使 装置顺利下滑，也可以减小摩擦发出的噪音。 刹车选用摩托车刹车，直接镶嵌在挂钩内，其原理同 摩托车刹车，刹车控制端连接在担架椅上，借助于刹车可 以使本装置在下行过程中更加平稳、安全。2、 担架椅担架椅由插销、座位、平板担架和手把等组成。 （1）巧妙利用插销将担架椅与卡凳相连接， 使装置稳固， 同时将平板担架转换成座椅结构。 插销取用一般门的插销，牢固、便宜、轻便且美观。2华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集座椅的材料是不锈钢，位于在担架椅中央，可以与担架成任意角度变换，方便施救者使 用，且结构稳定，被救者坐在上面会很舒适，从而减小振动伤害。 （2）手把采用一般自行车手把，与刹车相连，施救者可以用来方便地控制刹车。且手把可 以方便拆装，这样发生突发性灾难时，可以使整个装置组装快速方便。 担架椅下方还有脚踏板,方便伤员踩踏，让伤员舒适地到达平地。 当伤员到达平地时， 可借助插销将担架椅改成担架， 方便运送伤员前往医院等进行进一 步的救助。3、 卡凳卡凳为不锈钢材料， 其通过插销和卡锁与担架椅相连， 用于固定担架椅，将各部分组成一个整体，起连接作用。 卡凳下面有肋板，成三角形稳固结构，使装置稳定、安全。 卡凳下方有雪橇型的挡板，巧妙利用雪橇的形状，可 以使装置顺利拐弯。挡板可以防止装置在下滑的时候与楼 梯扶手下面的支撑柱发生碰撞从而震动，这样人在下滑的时候可以舒适、平稳、安全。三、理论计算1、 牢固程度校核= (x-3l)=(x-3a)+=(x-3l) -(x-3a)=0P(x-3l)=(x-3a)P(0.22-0.9)=(0.22-0.66)3华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集-0.68P=-0.44=1.545P=P=-0.545P=0==0.64 α=50.13?=50? =1.192==1.296P=-1.296P=2PM+0.3P=?M=-0.04P =-0.04P+0.22*(-0.545P)=0.12P-0.04P=0.08Pσ=4华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集正方形薄壁杠=中心 线?为截面中心线所围面积 为最薄处长度弯曲应力==正方形 =所以正方形薄壁为 =-为形心到最远端的距离所以可得为最大弯曲正应力所以==[b*]正应力、弯切应力、扭转力都有校核2、 下滑速度与施力分析假设 人的质量 为 100kg,装置 的质量 为 25kg, 人下滑 匀速运动， V=0.5m/s, 加速度 a=0m/s2。 查得橡胶与钢材之间的摩擦系数 ?=0.8。 Fn1=Fn2 为扶手对卡手的支持力，Ff1=Ff2 为卡手上刹车与扶手的摩擦力，Fn3 为轮子5华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集与扶手的摩擦力。故： 故列式： M=125kg, G=125*9.8N=1225NFn1+Fn2=1060.85N, G1=G*sin30°=612.5N， F 总= Ff1+Ff2+Ff3 G1-F 总=Ma=0, 故：F 总=G1=612.5N,?F 闸=F 总 得：F 闸=F 总/?=765.6N, 查资料得：自行车刹车手把省力约为 80% ，故 F 手=20%F 闸=153N。 所以人需施加 153N 的力在刹车手把上，能够使装置达到匀速下滑。四、改进思想1、 体积伸缩扩展方面（1）变形担架：可以将担架追加设计成伸缩抽缩式或者折叠式，在平时存放时可大大减小 其所占的空间，且增加了美观性。 （2）悬挂卡手：将卡手主受力杆设计成抽拉式。2、 稳定性方面（1）活动座椅：现有的座椅只有一个活动销可以固定， 可于座椅对角线处加上备用销设计， 在座椅展平于外框架 形成担架时， 备用销插于外框架对应处的销孔， 从而使现有座椅展平为担架存在的上下晃动 问题得以解决。 （2）卡手处刹车装置： 可适当增加卡手处刹车制动块的体积， 增加与楼梯扶手的接触面积，6华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集同时加固收缩制动块的弹簧，力求做到刹车装置的灵敏性与安全性。3、 减震方面可在卡手侧面与楼梯竖梁接触处的直杆支架外表面上增加橡胶减震隔膜， 在起到减震效果的 同时， 又可以减小支架与竖梁间由于剧烈摩擦所带来的材料废损问题， 而且大大减少了噪音 的产生。4、 结构功能扩展方面（1）担架：可于担架四角处设计加上轮子，在平地上时可以滑动前进，将担架由两人帮助 减少为一人协助。 还可以在轮子上方与担架连接处加上弹簧缓冲减震装置， 类似于摩托车的 轮子减震设计，防止了在滑动时由于震动对伤员带来的二次伤害。 （2）卡手： a、可以将主卡手设计成“多适型”卡手，既能用于装置本身，又能安装在轮椅上，做 到生活中无电梯或者电梯无法使用的居民楼轮椅病人的上下楼工具。 b、将现有卡手设计成可调节式的卡手，同时满足多种楼梯扶手的结构特点。5、 结构欠佳方面：（1）内侧担架扶手：现有扶手会在下楼的过程中紧贴在楼梯扶手与竖梁之间，使得内侧手 无法起到作用， 可将内侧扶手适当向外调整， 远离楼梯扶手与竖梁， 从而可以使手加持其上。 （2）手刹车制动处：在担架与卡手分离时，由于手刹装置固定在担架扶手上，使得两者不 能快速分离，可将手刹与扶手处设计为建议为拆卸结构，一扣即紧，一拧即松，能够实现担 架与卡手整体的快速分离。五、综合优点本产品系紧急情况下(如火灾、地震等)无电梯或者电梯无法使用时针对于受伤、年迈等 行动不便人群的设计。现市场上已经出现了类似产品，但综其适用范围还是很局限（如地铁 进出站口出的双程直线载人装置） ，相对比之下，本产品的适用范围大为改善，且更加适合 于普通消费人群。除却用于紧急情况下的伤者人员的救助，本产品亦为日常家居、出入下楼7华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集快速便捷的备用设备。现将其有点列述如下：1、 椅架变形：本产品很好的采用了结构变形的思想，能够快速的实现担架与座椅两者之间的转变，该特点是结构整体上的一大亮点。2、 操作简便：本产品由两大构件组成，拆卸组合极为简单，只要将卡手悬挂于楼梯扶手处，再将变形担架卡置其上，就完成了该产品使用的前期准备工作。再下楼的过程中，只需 一人协助伤员下楼，完成必要的刹车、拐弯等工作，即可下楼。3、 流线型操作：从前期准备工作到快速下楼后，产品即可二次分离，变座椅为担架，再由另外一人协助，将伤员快速转移、快速救治，且可以循环上下楼救助伤员。4、 快速、便捷、省时、省力：本产品利用了楼梯下滑原理，能很好地到达楼梯底层，且重量由扶手承担，对营救人员的负担大为减少。5、 安全、稳定、不易震动：某些伤员不能承受剧烈的震动，这就限制了由营救人员将伤员层层背下的营救方式（振动过大且不安全） 。本作品很好的解决了该问题。本作品为下滑 式运输，与楼梯竖梁处也为直杆平行接触（面接触） ，加上作品设计上的减震措施，能够平 稳、安全地将伤员及时运下而不会带来附加伤害。6、 成本低廉：由于作品本身结构较为简单，体积较小，用材少，所以成本较为低廉。 7、 适用范围广泛：日常家居，大型超市，医院、车站等地都可以采用本作品，以满足紧急情况及平时对行动不便人群的快速转移。六、推广价值本作品在日常生活中仍可得到广泛的应用。 平时可以运送老年人、 残疾人等活动不便人 群以及较重或易碎物品等，因为与扶手接触面很光滑，所以不使用刹车装置时阻力很小，可 以将人或武平运下楼梯， 方便省力而且安全可靠， 担架椅还可以作为临时小床、 晾衣杆等用， 美观大方，不易生锈。 本作品巧妙利用扶手较台阶而言更加平滑、不颠簸的特点，使其顺扶手滑下，比以往靠8华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集人力运下更加安全可靠、平稳、快速，可操作性强。在没有电梯或发生灾难电梯运行故障时 是非常必要的。同时具有体积小、重量轻、造价低等优点，适合学生宿舍或者家庭使用，应 用前景非常广泛。9华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集II 单绳楔块自锁缓降器二等奖作品 作者：段军 来冠华 李鑫杰 李志强 指导教师：常连生 一、设计背景本设计是按照第四届全国大学生机械创新设计大赛通知所要求的主题“珍爱生命，奉献 社会”和内容“在突发灾难中，用于救援、破障、逃生、避难的机械产品的设计与制作”的要 求进行设计创作的。设计中主要考虑以下两个问题。 随着重点发达地区经济的快速发展， 城市化趋势越来越明显。 由于城市建筑用地的日趋 紧张， 城市住房建筑的高楼化趋势也明显加快。 然而， 发生于高楼的灾难并没有明显的下降， 火灾，恐怖袭击发生于高楼屡屡见于报端。并且，发生于高楼的灾难一般都会造成重大的人 员伤亡和经济损失，因此，高楼灾难的防灾、减灾等相关问题已经引起了相关部门的高度重 视。 虽然高楼化的趋势在加快，但是用于高楼逃生的相关逃生缓降器材的配备率却十分低。 其中主要原因是由于当前的国内上一些逃生缓降器材体积大，耗材多，使用不方便。并且， 该类器材的设备使用率不高，这样又在一定程度上造成资源浪费。 基于以上原因，我们特设计出一种安全可靠、结构简单、尺寸小、质量轻、操作 方便、价格便宜的机械产品、其高楼突发灾难的逃生上有一定的优越性。二、基本原理本设计运用的基本原理是自锁 自锁：10华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集法向支持力 N 与摩擦力 f 的合力 R 称为支持面对物体的全反力。 即摩擦力 f 达到最大值 fmax 时，这时的夹角 a 也达到最大值 b,把 b 称为摩擦角。 tanb=f/N= ? 此式表明：摩擦角 b 的正切等于静摩擦因数。 图1如果作用于物体的主动力的合力 R 的作用线在摩擦角之内，则无论这个力怎样大，总 有一个全反力 R 与之平衡，物体保持静止；反之，如果主动力的合力 R 的作用线在磨擦角 之外，则无论这个力多么小，物体也不可能保持平衡。这种与力大小无关而与摩擦角有关的 平衡条件称为自锁条件。物体在这种条件下的平衡现象称之自锁现象。 本设计在绳子的夹持处应用了自锁的原理， 保证在夹持状态下绳子不会发生移动， 使用 者能够在空中停留三、装置结构1、 大致结构[1]绳子 [2]捆缚及固定器件 [3]外壳 [4]楔块自锁器件 [5]手动控速器件 [6]超速报警装置 使用者通过操作控速器件[4]来控制自身的下降（使 用者悬挂于外壳[3]之下，与之同时下降）2、 楔块自锁器件与手动控速器件右图为楔块自锁器件以及手动控速器件的大致结 构。 安11华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集该部分装置实现两项功能： a.空中停留 b.下降 空中停留： 由于导块与楔块的接触面倾角 θ 满足自锁条件： μ&tanθ 因此保证了使用者不对杠杆施力时，绳子不会发生移动，使用者能在空中停留。 下降： 需要下降时通过对杠杆施力， 提升楔块高度， 增加楔块开度而减小摩擦， 实现安全下降。3、 超速报警装置本装置大致如下图 轴[1]与图 3 中的下侧滑轮联轴 当使用者以安全速度（3 米每秒）下降时，滑轮 转动，带动报警装置内盘[2]转动，滑动金属块[4]将到 一个很大的向心加速度（约为重力加速度的 4 倍）而 接触外壳[3]，使电路接通，报警器[5]工作。 当使用者受到报警，松开杠杆后，绳子被锁死，滑轮速度下降，滑动金属块[4]在弹簧 作用下复位，电路断开，报警器停止工作。 电源[6]使用纽扣电池，报警器[5]发光并产生声音（结构类似于电子贺卡） 。 [1] 轴 [2]内盘4、 捆缚及固定器件我们尝试使用类似于腰带的， 可以迅速调节松紧并固定的穿戴工具。 该穿戴工具将有效 提高使用者逃生速度。12华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集四、强度校核及尺寸确定1、 救生绳的校核：救生绳采用市场上出售的登山绳，直径为 8~14mm，承重为 1000kg 及以上。假定下降 者最大的加速度为 g，绳子承受的力为 G，则有： G-mg=mg 即 G/g=2m(m 为下降者的质量) 由于 m 设定的最大值为 200kg，所以绳子完全满足强度要求。2、 自锁器件的校核及尺寸确定：首先由登山绳的直径及相关摩擦系数确定楔块的尺寸，取厚度为 14mm，长 30mm，下 底宽 10mm，楔度为 20°，满足自锁条件。与绳子的接触面进行滚花处理。3、 轴的尺寸确定：假定下降者减速下降的最大加速度为 g，则轴上承载的最大径向力为 Gmax=2mg， （接 近 4000N） 。45 钢剪切强度为 178MPa，需要的轴半径为 r，r=则sGmax 2 * π = 178π =3.78mm取整 r=4mm(其中 s 为安全系数)4、 导块尺寸确定：由力学的分解与合成可知，导块受到的最大压力为 Nmax=2mg/(?*cot20°) 按剪切强度算： s=Nmax/178=2*200*9.8/(0.6*cot20*178)=13.36mm2 故设计尺寸完全符合 要求。 （按生产工艺及使用方便要求，设计的尺寸取得稍大。 ）5、 杠杆的尺寸确定：同理，按力学的合成与分解，杠杆受力不超过 2mg，杠杆截面设计成矩形，同时保证强 度和挠度。6、 其它尺寸：13华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集其它部件为不承重部件，设计尺寸以节约材料和经济实用为原则。五、本设计创新点与优势1、 楔形块自锁原理的应用利用楔形块沿滑道上下滑动， 能较好地控制楔块与绳子之间的挤压力， 利用了楔形块的 优点。此外，产品中利用了自锁原理，能很好的保证减速效果，逃生者在下降过程中，能较 好地控制速度，尽量降低二次伤害。 配有速度报警器 该报警器在逃生者下降速度超过安全速度时，即发生报警，提醒逃生者减小下降速度， 避免逃生者盲目高速的地下降而造成意外事故发生。 改进配套的逃生穿戴工具 该穿戴工具穿戴起来较为方便、快捷，节省了逃生时间。六、参考资料： 参考资料：[1]崔永军 杜冬梅．工程制图[M] 北京：中国电力出版社，]吴宗泽 罗圣国．机械设计课程设计手册[M] 北京：高等教育出版社 ]样可桢 程光蕴 李仲生．机械设计基础[M] 北京：高等教育出版社 2006．514华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集III 用于集体宿舍楼发生火灾的紧急避难新型床梯 用于集体宿舍楼发生火灾的紧急避难新型床梯二等奖作品 作者：刘利平 唐彦嫣 杨宁 程菊 杨磊 指导教师：柳亦兵 高青风 一、设计目的在众多灾难中， 火灾是最常见也是最让人扼腕叹息的， 人们往往是因为起火时无法脱身 而失去他们宝贵的生命。当发生火灾时，人往往缺乏逃生工具而束手无策，上海商学院四名 大学生就是这样一个悲剧性的例子。 结合各种实际情况， 我们小组在原有集体宿舍楼床梯上 进行了创新，使其具有逃生避难的功能。梯子平时用于集体宿舍攀爬床所用，发挥其应有的 作用。当火灾发生时，我们可以利用梯子寻求更多的逃生机会。 于是，本小组立足防范于未然，在普通梯子的基础上，设计了在突发灾害发生时保护自 我和他人生命安全的机械――一种用于集体宿舍楼发生火灾的紧急避难新型床梯， 并动手制 作了其木质实物。二、国内研究概况为防止出现与已有产品发生雷同的现象， 本小组在设计前特地开展了一些搜索调研 工作，且并未发现国内市场上有与之相类似的用于逃生避难的床梯。在设计过程中，我们本 着贴近现实、 服务现状的宗旨， 自始至终遵循着实用性、 可靠性、 可推广性的原则进行设计， 并发散式地调查了国内许多高校宿舍床与梯的结构， 证实大多数宿舍的床梯规格和式样与我 们设计时参考的床梯一致或只有较小的差别。 同时， 这些被调查的宿舍的住宿人员数量大部 分是 4～6 位，这也吻合了我们设计该床梯时多梯相连的理念。所以本产品是贴近生活的， 是可大规模推广的。三、工作原理一般梯子结构简单，没有机构上的复杂性，只是一个结构稳定的杆件物15华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集体。本梯子沿用了传统梯子的基本结构，只是在其基本结构上加以变化，使梯子 成为了用于集体宿舍楼发生火灾时可发挥其逃生避难作用的新型床梯。 此床梯经 本小组设计后，平时仍可保证宿舍人员上（下）床的正常使用，毫不影响其安全 稳定性；发生火灾时，即可将梯子瞬间取下用于逃生。梯子与床体用所设计的挂钩连接， 用一对六角螺栓加以固定。 平时六角螺栓将梯子 与床体固定在一起，人可安全稳定地上（下）床；需要搬动时，只需用一定的力度（力量要 求很小）将六角螺栓拔出，梯子便可被挪动。 一般一个宿舍有多个梯子， 当逃生时若单个梯子长度不够， 可将多个梯子首尾相接 地连在一起增加长度。在每个梯子底部最后一个踏板上方，两扶手逐渐向内圆弧形过渡，扶 手之间的间距变窄。此时，设置一根截面尺寸稍小于踏板、且长度大于踏板的横杠穿插过两 扶手，用做最后一级踏板和下一级梯子的钩挂。梯子与梯子之间仍用挂钩连接，同时用前述 同样规格的六角螺栓固定，方便快捷，无需其他任何辅助工具。 外墙处需安装一钩挂装置， 本小组对其进行了严格的应力计算， 其安全性可得到保 证，并且安装方法简单。发生火灾时，多梯首尾相接后，将首梯的挂钩钩在外墙的钩挂装置 上，仍用六角螺栓固定，人即可顺着梯子爬下，获得更多的逃生机会。 本小组还在每个梯子的尾部设计安装了一组支撑部件， 其端部用橡胶包裹， 既可缓 冲压力， 也可使梯子与墙壁保持一定的距离， 避免了人站在梯子上因太过贴近墙面而无法落 脚的尴尬，保证了人的生命安全。四、设计计算1、 扶手设计材质：冷拔无缝方形钢管的尺寸钢管 （GB3094-82） 尺寸规格： 外正方形边长： Α=25 mm 厚度：s=2.5 mm16华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集截面面积 F=2.14 cm 重量：G=1.68 K/m2Jx J y=4 =1.86 cmWx = Wy =1.49 cm 32、 螺栓选择选用 GB ×60 型六角螺栓 材料：低碳钢 保证载荷：F=6590 N极限情况时，螺栓受到剪切力Fmax =5000N≤ F3、 各受力部分的应力计算（1）扶手 极限情况：六个人在同一梯子同一排 上，一边扶手的拉应力（图三?1）六个人以每人 80Kg 计算，并且富余一 些重量，则：F=5000Nσ 拉 max =（2）踏板F 5000 = = 23.36 Μ Ρ a ≤ S 2.14 × 10 -4[σ b ] = 375 Μ Ρ a一个人踩在踏板上，踏板所能承受的弯曲应力（图三?2）σ弯 =M 400 × 0.15 = = 77.62 ΜΡa ≤ [σ s ] = 235 ΜΡa W 0.773 × 10-617华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集（3）连接杆（图三?3） 极限情况： 情况①：各梯子钩挂，六个人均在同 一梯子上且都踩在梯子中间时， 连接杆的 弯曲应力计算：σ 弯maxM 2500 × 25 × 10-3 = = = 105.04 ΜΡa ≤ [σ s ] = 235 ΜΡa W 0.595 × 10-6情况②： 各梯子钩挂， 六个人均在同一梯子上且都踩在梯子一侧时， 连接杆的弯曲应力计算：M 5000 × 25 × 10-3 σ弯max = = = 210.08 ΜΡa ≤ [σs ] = 235 ΜΡa W 0.595 × 10-6（4）挂钩 极限情况： 情况①：各梯连接，两扶手受力分布相同，首梯挂钩 的弯曲应力计算：σ 弯maxΜ 2500 × 26 × 10-3 = = = 43.59 MPa ≤ [σ s ] = 235 MPa W 1.49 × 10-6情况①：各梯连接，一扶手受全部力，首梯挂钩的弯曲应力计算：σ弯maxΜ 5000 × 26 × 10-3 = = = 87.19 MPa ≤ [σs ] = 235 MPa W 1.491 × 10-6（5）外墙处连接床梯挂钩的承重装置的应力计算（此装置采用材料为 Q235 冷拔无缝方钢，其截面正方形边长 a=8 水平方向：18mm ）华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集σ拉 =F
= 2 = = 39.06 ΜΡa ≤ [σ b ] = 375 ΜΡa S a 64与水平呈 45 角：。σ压 =F
= 2 = = 55.31 ΜΡa ≤ [σ b ] = 375 ΜΡa S a 64五、使用方法1、 取下用于固定梯子的六角螺栓，抱住梯子竖直往上抬，梯子就从床体卸下，并用同样方 法依次将其他床的梯子拿下； 2、 利用钩挂装置将梯子首尾相连，用所取下的原有六角螺栓固定； 3、 将梯子挂到逃生出口的钩挂装置上（如窗台外、阳台等） ，用六角螺栓固定； 4、 确保梯子挂稳后，人可顺着梯子依次爬下远离灾源。六、功能特点及主要创新点1、 本产品的主要创意在于：结合现状将普通的床梯改为可逃生避难的新型梯子，既不影响 平时上下床的使用功能，又可用于逃生避难，一梯双用，省力又省心。 2、 床端部的挂钩可挂于窗、阳台外所设置的可承受较大力的可靠钩挂装置上，使逃生通道 变得更加广泛。 3、 多梯相连，可大大增加梯子的长度，扩大逃生者的避难范围，延长了救援时间（如待在 梯子上悬于空中等待救援） ，增加了遇难人生还的可能性。 4、 如若多层人员同时逃生，高层逃下者可借用所挂床梯逃到低层，再借用低层所挂床梯往 下逃，以直接到达地面。七、作品实物模型外形照片（注：实物按照比例 1：1 制作，为木材质地，制作时因条件限制与图纸尺寸稍有差别， 并且在实物制作完成后，床梯结构设计又有些许变动，但实物已难以改动，故实物及其图片19华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集仅用于原理示意，而所设计的床梯结构均以电子图纸为 准，实际材料为 Q235 冷拔无缝方钢。 ）八、参考文献【1】刘鸿文主编.简明材料力学.2 版.北京:高等教育 出版社,2008. 【2】杨可桢、程光蕴、李仲生主编.机械设计基础.5 版.北京:高等教育出版社,2006. 【3】徐灏主编.机械设计手册.北京:机械工业出版社,1991.20华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集IV 液力控速的高空安全降落逃生装置三等奖作品 作者：闫帅 屠逍鹤 赵媛 指导教师：李林 曹博 一、简介产地：SHY 工作室 原料：钢板、齿轮、不同半径的轴、滑轮、高强度绳索 功能：使突发灾难中高层人员安全平稳下落逃生。 附加功能：健身 特点：操作简单，下落平稳，可重复使用，功能拓展潜力大。二、原理利用液体阻力控制下落平台平稳下落。首先，人站在下落平台上，通过绳索拉动变速箱 主轴转动，再通过箱体内一系列齿轮传动使转速增大数 N 倍，传导到最后轴的转矩也相应 变为 N 分之一。备注：&&&此装置内有四条轴，设：从主轴起依次是轴 1、轴 2、轴 3、轴 4， 它们轴上的线轴及大小齿轮的半径依次为 r 线、R1，R2、r2、R3、r3、R4、r4，轴 1 与轴 2 间齿轮啮合力 F1，轴 2 与轴 3 间齿轮啮合力 F2，轴 3 与轴 4 间的啮合力 F3，扇叶受到液体 阻矩 M，被救人员和下落平台重 G。当人下落达到系统平衡时，每根轴都处于平衡状态， 对每根轴列力矩平衡方程：G*r 线=F1*R1、F1*r2=F2*R2、F2*r3=F3*R3，F3*r4=M。整理 得 G=M*（R1*R2*R3）/（r 线*r2*r3*r4）,其中（R1*R2*R3）/（r 线*r2*r3*r4）比之很大， 也就是需要很小液体阻矩就能达到平衡&&&高速轴末端固定有一组扇叶，叶轮浸在阻力箱的 阻力介质（水或油、沙子、锯末等）中，在扇叶高速运转时阻力介质对其产生比较大的阻力， 当转速达到一定值时，阻力与人的重力达到平衡，从而使人以安全速度平稳下落。21华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集三、结构控速箱：主箱体，箱内有一定传动比的齿轮组以及阻力箱（由叶轮和阻力介质组成） 。 共有四根轴，主轴上固连一个用来收线用的摇柄、两个线轴和一个单向传动的大齿轮，轴 2 和轴 3 上均装有大齿轮和小齿轮交错啮合， 4 上装有一个小齿轮和一个扇叶， 轴 连接方式是： 用距离主轴近轴上的大齿轮来带动远处轴上的小齿轮，从而达到加速减力的效果。 降落设备：包括绳索、载人台和绕绳装置。高强度的细绳索要能完全承受住人的重力， 细绳节省绕绳空间； 载人台靠墙一侧弯曲， 为了下降顺畅， 小的障碍物不能阻止其平稳下落。 载人台与绳的连接处有一滑轮组将绳锁死，载人台不会下落。人站稳后手动打开开关， 松开载人台与绳子之间的锁紧器，减小连接处的摩擦力，绳开始滑动。绳的一端绕在轴轮， 另一端系在主箱上。 绳子拉动轴轮转动使得横轴快速旋转， 又由多组齿轮传动将转速再次扩 大。每组齿轮的轴两端各连接一个浸在阻力介质中的扇叶。轴转动带动扇叶转动，借助介质 对扇叶的阻力使轴减速。从而使绳的下降速度减慢。达到安全降落的目的。横轴一端装有摇 柄，待第一批人着陆后，楼上的人可摇动摇柄使载人台升上去，再次救援。横轴与齿轮间是 单向传动，提升载人台时比较省力。 主要装置如上所述，除此之外还有附加装置：发电机、蓄电池、灯、电动机、健身踏车。 在主要装置的基础上增加了这些装置后，增添了其功能，应用更广泛，即使在日常生活中也 有它大显身手的时候， 不会令它在没有危险发生的时候是个废物。 增加了这些附加功能也许 会脱离主题，但我们另有用心：逃生装置一般只用于突发灾难中，而平时很少有用武之地， 这样一来难免会造成装置的年久失修，或者对装置过于陌生而不会正确操作使用。四、使用方法首先，使用者根据自己体重，调节阻力箱液面高度至适合自己的最佳状态（液面高度决 定了阻力大小，阻力箱上已有标记表明各体重段人群适合的液面高度） ，确定下落平台出于 锁死状态，登上降落平台，通过手中的控制器控制下落，安全到达地面后，将锁死开关处于 打开状态， 以便下一个待救人员把平台升起； 下一个待救人员通过变速箱体上的摇柄手动将 平台升起，重复执行如上操作。22华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集五、适用对象高层居住的、上肢力量相对薄弱的人群（注：上肢力量强大的人可直接沿绳索攀下） 。六、注意事项1、 下落前要选择好合适的液面高度，从而使救援达到最高效率。 2、 登上降落平台前一定要检查平台是否处于锁死状态，以免失足造成不可挽回的后果。七、维修保养： 维修保养：通过附加装置扩展了其日常功能， 使变速机构随时处于最佳状态， 建议每隔一个月对其 转动部位加一次润滑油，检查固定架的螺栓有没有松动。23华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集V 多功能急救担架背包三等奖作品 作者：刘振芳 张坤栋 董洪磊 指导教师：杜冬梅 一、设计背景我国是一个自然灾害频繁的国家，地震、滑坡、泥石流等这样的重大自然灾害时刻威胁 着人们的生命与财产安全，当类似上述灾难发生时，道路中断、房屋坍塌，大部分受灾者被 埋于废墟中，救援人员徒步救援时所携带的工具有极为有限。与此同时，百姓也急需救援工 具去救助受灾被埋的人，因此，方便携带有含多功能的救援工具就极为需要。梁敏 卢甜甜二、设计说明考虑到实际救援，尤其是地震救援，往往道路被破坏，救援人员只有徒步才能到达救援 现场，于是将救援工具、急救工具简化并合理改装于一背包上。如图所示，当折叠在一起时 即是一便于携带的背包，并且可以携带食品、药品或其他救援工具。当展开时，将带螺纹钢 管与接扣旋紧即是 50*200cm?的急救担架。 在确定钢管尺寸时，根据所学的有关材料力学的知识，对支撑杆所承受的剪力 Q、弯矩 M、应力σ的许用极限进行了计算，具体过程见下页。三、杆的受力与校核假设人重 90kg，则竖直方向 450N，杆上两端为集中力 F=225N， 面作用在杆上为均布载荷 q=225N/m。 杆上剪力 Q 的分布： 从左至右24华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集0-0.1m：Q=F=225 225N 225N/ 225N0.1-2.1m： Q＝225(1.1－x) 2.1-2.2m： Q=F=－225 杆上弯矩 M 分布： 从左至右mＱ0-0.1m： M=225xｘ2M =?0.1-2.1m：225 (x ? 0.1)2 + 225 x 22.1-2.2m： M=－225(x－2.2)杆的抗弯截面系数：? ? d ?4 ? 1 3 W = πD ?1 ? ? ? ? 32 ? ?D? ? ? ?M 1 35Nm－应力σ max =M max W ,取σ为 200MPa,取d 3 = , 则D = D 4 332 × M = ? ? 3 ?4 ? π × σ × ?1 ? ? ? ? ? ?4? ? ? ?332 ×135 = 0.0216m = 2.16cm, ? ? 3 ?4 ? π × 200 ×106 × ?1 ? ? ? ? ? ?4? ? ? ? 3 D = 1.62cm 4d=最终确定杆外径 2.16cm，内径 1.62cm。四、产品创新点此多功能担架背包集各种功能救灾工具和担架为一体， 摒弃了以往工具和担架分开的携带不 便和笨拙，通过对各部件的合理拆分和组装，实现了真正的多功能性，比折叠式担架功能更 强、更实用、更易携带，在救灾中一个背包解决一切问题。25华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集VI“主动式气囊伸缩臂”水上救援装置 “主动式气囊伸缩臂”三等奖作品 作者：朱雪柠 秦雯静 王宏宇 王耀函 徐赤 指导教师：刘俊承 柳亦兵 一、设计背景及可行性分析水是生命的摇篮，而有的时候，水却变成夺人生命的恶魔。据统计，每年因溺水死亡的 人占意外身亡人数的 40%。溺水的主要原因多为野外游泳和嬉戏时不熟悉水域情况，进入 深水区或遇到暗流后容易产生慌张，入水后水温较冷也亦发生抽筋，加上自救措施不当，容 易发生意外。 在通知救援队需花费很长时间及落水者的承 受能力有限（尤其是冬天落水）的前提下，如何能保证安 全快速地援救溺水人员是一个急需解决的问题。 目前生活中比较普遍的救援方式主要有以下几种： 1、 人力救援。 依靠熟悉水性的人游到落水者身边拖拽被救者 进行救援。这种方法对救生器材的要求最低，但对救援人 员的身体素质要求很高，而且有可能救人不成反而使自己陷入困境；2、抛掷救生圈救援。 通过将拴有绳子的救生圈抛到落水者身边，让落水者抓住救生圈，将其拖拽回岸边。这种方 法对器材要求比较低，但救援范围有限，准确性不高，而且如果落水者精疲力尽抓不住救生 圈，就很难进行有效救援；3，用船只救援，利用船只载人或利用到被救者身边进行救援。 这种方法成功率大，但缺点也是相当明显的，调用船只费时，救援时间长，而且很多小型水 库池塘中根本就没有船只。 除以上几种方法外还有一些运用专业救援装置进行救援， 但普遍 存在着成本偏高，不能方便普及的缺陷。因此，市场上急需一种安全快捷，廉价方便的水上 救援装置，我们的作品就是本着这个宗旨设计的。 本水上救援装置创造性的模拟了人力救援时救援人员的动作 (从落水者的背后靠近， 一 手从落水者前胸伸直对侧腋下，将其夹在自己的胸前拉出水面)，采用了转臂式结构，救援 人员通过遥控系统控制其快速游动到落水者身边， 对其进行主动救援， 解决了现有水上救援 装置速度慢、操作复杂，救援效果差等问题，而且装置体积小，携带方便，成本低廉，适合26华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集大量配备于消防救援队，水库看管等单位，大大提高救援效率，为落水人员以及救援人员的 人身安全提供了更多的保障。另外，本装置采用可充电电源作为动力源，安全环保，符合健 康协调可持续发展原则。 设计本装置使用的所有技术，如信号传输，机械传动，充气设备等均采用现有成熟相关 技术，工艺简单，可实现性强，成本低廉。具有很强的可操作性和市场潜力。二、装置简介1、 操作原理及设备图操作原理：发现落水者（意识不清或已被冻僵） ，将装 置开关打开，放入水中，通过救援装置顶端摄像头（17） 采集视频信号，遥控指挥救援装置到达落水地点并进行微 调，使救援装置找到合适的位置。实施救援时，通过发射 信号遥控救援装置上的电磁铁（15）将销钉（14）吸起， 此时处于压缩状态的弹簧将把 L 型旋转臂（12）弹出，弹 出后的两只 L 型旋转臂（12）的宽度恰好与一个正常成年 人的胸部宽度相当，此时，指挥齿轮电机（6）工作，通过齿轮带动 L 型旋转臂旋转，由后 往前在水下旋转约 180 度（时间约 2 秒） ，卡在落水者两腋下，远程控制充气系统中的气瓶 继电开关（16） ，使气瓶向气囊（18）中充气，约为 5～10 秒可充气完全，气囊（18）形状 为哑铃型， 两端膨大， 将落水者包围， 充气完全后前端的尼龙扣粘合， 保证落水者不会滑下。 此时，落水者胸部以上浮出水面，保证落水者生命安全。 救援装置中还设有音频信号传输，在救援过程中救 援人员还可通过救援装置上的扩音设备和麦克风与落水 者进行对话，了解落水者情况与需要，稳住落水者情绪， 使其保持信心，等待进一步救援。 对意识清醒且尚有余力的落水者，可直接指挥救援 装置游动到相应位置，打开气囊，气囊充气完全后也可当 救生圈使用。27华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集2、 基本技术参数装置总长： 600ｍｍ 船体长度：420ｍｍ L 型旋转臂长度：500ｍｍ 船体宽度：200ｍｍ 装置宽度（L 型旋转臂未弹开） ：300ｍｍ （L 型旋转臂完全弹开） ：450ｍｍ 装置高度：170ｍｍ 装置重量：2.5kg 吃水深度:10cm 静水速度：4m/s 动力电机额定功率：12Ｖ 转轴管控制电机： 12Ｖ 电源： 12V 3600mAh 40w 5w 6000r/ｍin 120 r/ｍin3、 组成系统（1）船体：PVC 材料制成，船体下部为”倒梯形” ，整 体为流线型，以减小行进中的阻力。上部扁平，面积大， 醒目，增加船体稳定性，便于遥控救援人员远距离遥控。 （2）伸缩臂： 伸缩臂由 两段 L 形旋转臂（82） 和一段转轴管（81） （材 质 PVC） ，齿轮（88） ， 挡板（87） ，弹簧（86） ，继电器（83） ，弹性钢片（85） ， 销钉（84） ，控制开关，电机等组成，其中长转轴管截面为28华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集圆形，转轴管上安装两段弹簧，和一个纵向齿轮（88） ，弹性钢片（85）一端固定在船体， 一端连接销钉（84） ；当开关未打开时，弹簧处于压缩状态，L 形旋转臂由销钉固定；当遥 控信号指挥继电器开关时，弹簧将 L 形旋转臂弹出。通过遥控信号启动电机，使伸缩臂内管 带动外管旋转，由下往上逆时针旋转 180°托住落水者腋下。 （3）充气系统 充气系统主要由压缩气瓶，充气气囊组成。 压缩气瓶： 压缩气瓶采用微型铝合金储气瓶， 工质为 CO2； 紧固在微型铝合金储气瓶瓶口的减压稳压阀，它由安装在 阀体内部的减压器、调节阀、截止阀、安装在减压稳压阀 侧面的压力计以及与减压稳压阀出气口相连的流量指示器 组成；一端与流量指示器出气口相连而另一端与输气管相 连。输气管上安装调节阀，调节阀由遥控信号控制。上述微型供氧器由于采用铝合金储气瓶 存储 CO2，并且结构紧凑，因此降低了供氧器总体重量，便于携带和使用。? 长 138mm 排水量为 45ml 气压 45mpa (根据设计计算，气瓶于 5～10 秒内使气囊充满完全，在完 全充气后气囊可承重 100kg 物体) 充气气囊：充气气囊由 TPU 尼龙复合荧光橙制成，充气完 全时长约 0.6m，充气气囊为哑铃型，固定在伸缩臂上，由 伸缩臂里的输气管为气囊充气，气囊打开时头部充气快， 先打开，保证气囊不会将求救者弹走，骨头型的大头处安 装有尼龙粘扣，充气完毕在压力下会粘合。 （气囊体积：10L× 2,最大提供 20Kg 浮力，结合人自身排水所产生浮力，足够使落水者胸 部以上浮在水面上） 直径 25.4mm 气体重 33g4、 动力系统（1）推动电机：该救援设备采用的是Ｍ２８电机，带动双螺旋桨为整个设备提供推动力。 具体参数及简图如下：29华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集型号：Ｍ２８－４６２０ 额定电压：１２Ｖ 额定转速：６０００ｒ／ｍ （2）螺旋桨：通过传动轴与电机相连，由电机 带动旋转推动设备前进。 螺旋桨的结构如右： 我们装置采用双螺旋桨配置，两个螺旋桨一面 旋转一面前进， 可以通过控制两者转速来控制船体前进方向， 替代了传统的用舵机来掌控方 向的做法。 （3）电池：设备采用锂电池，参数如下 标称电压 V：12V 标称容量 Ah：1.3Ah 结构组成：18*4IFR18650P 尺寸（L×W×H）mm：100×50×40 质量 KG：0.545、 控制系统控制系统由 遥控人员手 中的遥控/监视器，装置内部的遥控模块，ARM 模块， DSP 模块和继电器组成。在船上安装嵌入式系统采集 数据，利用 IEEE802.11 协议进行数据传输，摄像头采 集的视频信号和音频信号直接由 ARM 模块控制，电 机和电磁铁由 DSP 发送的高电平信号闭合继电器开关 实现通电。利用单板电脑作为数据处理终端，上面包 括一块 LED 显示屏，控制装置位移的操纵杆，转动电机控制钮，电磁铁控制钮，气瓶开关 控制按钮。救援人员手持遥控监视端在岸边对救援装置进行遥控。 单个接点的 ARM 模块与摄像头 控制电路图：30华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集三、装置特点及其适用范围1、 对体力不支及意识不清的溺水者能实施主动救援 2、 体积小，响应快速 3、 操作简便，定位准确 4、 适用范围广，救援效率高 该设备适用于水库、公园、湖泊及风浪不大水面救援，也可用于洪涝水灾后的救援。救 援速度可达 4m/s，救援范围为 200 米以内。四、小结经调查近些年水上救生系统的体制， 组成及救援设备的应用未发生显著变化， 鉴于在发 生水上生命危险时我们需要更专业，更迅速，更能带给落水者希望的救生设备，我们经自主 研究，设计产生了这种新型快速设备。该设备从传统的救援方式向信号化转入，从手动操作 施救到遥控式主动救援， 从大概锁定落水者范围到瞄准目标 精确到位， 从隔空呼叫给落水者打气到一对一对讲稳住落水 者情绪，无一不体现着它的优越性。 我们的装置大大提高了救援效率， 适用于各种水面救生 环境，为落水者及救援人员的人身安全提供了更多的保障。 此外，装置采用可充电电源作为动力源，安全环保，符合健31华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集康协调可持续发展原则。 而且本装置使用的所有技术均采用现有成熟相关技术， 可实现性强， 具有很强的可操作性和市场潜力。五、实物模型说明在确定了设计目标和思想后，我们进行了多方考察、严密的计算，收集原材料，自己动 手制作出一个简易的实物模型，该模型基本能完成设计的主要动作，例如对电机，电磁铁的 遥控、伸缩臂的伸缩、旋转等动作以及视频信号的采集与传输。 下图展示的是实物模型的臂架结构，传动装置以及控制电路：1、传动部分实物模型中我们选用了小齿轮代替， 整个传动结构发生 了一些变化， 转轴管截为两段， 中间插入转轴铁杆套上齿轮， 转轴铁杆两端焊接上六角螺母插入转轴管中， 固定并连接了 两根管，如图所示：2、控制部分控制部分实物模型我们用的是带有无线网卡的笔记本 作为我们的信号接收器和发射器，用软件进行指挥和控制。32华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集VII 封闭式客车自动打开安全窗优秀奖作品 作者：陈伟、白翔、吕源、王能、柴春景 指导教师：柳亦兵、滕伟 一、设计背景目前封闭式空调车凭借其舒适的乘车环境已经成为了公路客运的主角。 但无论客车车内 环境如何提升， 其安全性仍是必须首先重视的问题。 除了提高汽车本身的操作安全性能以外， 近年来频发的客车自燃和翻车事故也让人们开始关注客车在突发灾难发生时快速逃生和自 救方面的问题。对于封闭式客车，其突发灾害类型主要有发生车祸后翻车、车内发生突发火 灾、因于驾驶不慎或车体发生故障而使车体落入江河中等。一旦发生这类突发灾害时，车窗 和车门将是车内人员逃生和车外人员营救的唯一途径， 而现行的封闭式客车在遇到此类状况 时通常存在以下问题: 1、 车祸翻车：客车发生车祸翻车，车门变形或被压在向地一侧，不能打开时，只能依靠车 窗实施逃生和救援，但封闭式客车的车窗是密闭的，无法迅速打开，造成车内人员无法及时 逃离车体进行自救，也不利于车外人员的救援。 2、 发生火灾：封闭式客车发生火灾时，乘客急需短时间内逃离车体，车窗又是紧闭的，不 能迅速打开，仅仅依靠车门容易造成拥挤和混乱，车内人员便无法及时疏散逃生，去年的成 都市公交车自燃事件就是一次惨痛的教训。 针对封闭式客车存在的这些问题， 我们小组这次 设计了一种用于封闭式客车发生突发灾害时的自动打开安全窗。利用我们设计的这种安全 窗，能够很好地解决以上问题，帮助人们在遇到此类突发灾害时快速逃生和实施救援。二、封闭式客车现状1、 封闭式客车的改造在成都公交车自燃事件发生后， 国内掀起了一股关于封闭式客车的改造热潮。 现有的改 造措施有：33华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集（1）车内安装摄像头加强监控； （2）司机处增设一把安全锤； （3）车门外增加一个手动开关； （4）左右两侧各改一扇推拉窗; （5）制造了一种装有喷粉灭火系统的防火公交车2、 依然存在的问题（1）安全锤难起作用 以前公交车的安全锤都是藏匿在司机的座位底下或 者工具箱里，紧急时刻要么鞭长莫及，要么司机慌乱中忘 记安全锤这码事情。现在的安全锤挂在车上，容易被一些 素质不高的乘客带走成为自家工具， 危急时刻很可能在车 内找不到安全锤， 。即使在司机处增设了一个安全锤，在 突发灾害发生，车内必定十分混乱，安全锤也很难传递到 应用的地点。另外，现行的封闭式客车车窗玻璃都采用的 是钢化玻璃， 强度很高， 能够承受 1040g 钢球自 1 米高的自由落体冲击不破碎。 这种情况下， 即使身强力壮的男子敲击玻璃的中间也需要花费 30 多秒中才可能敲碎玻璃，这就耽误了逃 生的黄金时间。而且在慌乱中乘客也只是敲碎部分玻璃就进行逃生，逃生面积小，敲碎的玻 璃尖角往往还会刮伤正在慌乱逃生的乘客。 （2）车门手动开关问题多 首先，对于在车门外安装的手动开关，现在的市民知之甚少，行人很难在关键时刻给予 车内人员援助。而且，如果车祸致使公交车向该侧翻转，这个手动开关就起不到任何作用。 再者，车门外的手动开关也给客车带来了防盗之类的问题。 （3）左右推拉窗有瑕疵 现行封闭式客车的推拉窗需要人力支撑，危急时刻乘客都忙于逃生，不能保证逃生 人流的通畅， 而且支撑推拉窗的乘客也会占据车窗的一定面积， 不能够支持几名乘客同时逃 生，不利于缩短逃生时间。另外，安装推拉窗后，一些乘客易自行打开推拉窗换气，造成封34图 3 客车上安全锤被盗华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集闭式客车车内空调的能源浪费。 （4）防火公交车作用有限 防火公交车安装了一套喷粉灭火系统， 这大大增加了封闭式客车的制造成本， 不利于大 规模的推广应用。而且此类公交车只考虑了灭火，并没有考虑到帮助人员的逃生和救援。三、安全车窗设计介绍1、 主要的功能我们设计的智能化自动车窗利用自动控制技术和简单的机械机构实现了以下 3 个主要 功能： （1）司机控制开启车窗 车体里发生火灾时司机可以通过电控按钮迅速打开安全窗，形成乘客的快速逃生通道。 （2）翻车自动开启车窗 当车发生事故车体倾倒，车窗可自动安全打开，使车内人员能够迅速逃离受损客车，同 时方便外部救援人员实行及时的救治。 （3）乘客手动开启车窗 同时车窗具有手动开启功能， 在电动部分失灵时通过人工也能轻松打开车窗， 提高了车 窗使用的安全可靠性。2、 主要组成部件我们设计的自动打开 安全窗主要由锁紧单元、 锁 控单元、压缩弹簧钢片、窗 框、 密封胶条和车窗玻璃组 成。 （1）锁紧单元 车窗玻璃和窗框之间 采用了电磁铁和插销进行固定。 卡扣是我们设计的一种类似销的部件， 插入玻璃上的固定部35华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集分后可以很好的固定玻璃。 电磁铁是一种内部带有铁心的、 利用通有电流的线圈使其像磁铁 一样具有磁性的装置我们利用电磁铁在通电时有磁性， 断电后磁性就随之消失的特性， 在车 窗的上部对称地安装了二块电磁铁。断电时，电磁铁两端没有磁性，卡扣可以很好的卡住了 玻璃， 从而在窗框和玻璃之间起到牢靠的固定作用。 通电时， 电磁铁的磁力可以将卡扣解开， 从而使玻璃与窗框分离 （2）锁控单元 车窗锁控单元采用自带的独立电源驱动。它主要由下面几个部分构成： a、平衡感应器 我们采用的平衡感应器是水银开关(如图 7)。 水银开 关的特性是当其倾斜一个工作角度时，两个电极通过水 银便可进行开关的通、断动作。利用它的这种特性，我 们将其置于车体顶部，当车体倾斜的角度超过某个规定 值时，水银开关便能迅速感应到这种变化，接通电路。 图 7 水银开关 b、控制电路 为了防止车体颠簸时平衡感应器的误操作， 我们设计了一个控制电路， 电路中设置了一 个 555 时基电路。利用更改电路可以实现在开关持续接通电路一段时间后才打开锁紧机构。 c、手动开关 区别于水银开关的一个独立开关， 利用这个开关可单独实现电路的开启， 用于司机在突 发灾害发生时开启车窗。 d、手动开启单元 手动开启单元是为了防止电路失灵而专门设计的手动开窗机构， 它利用类似杠杆起钉的 装置实现插销的解开。利用它可以确保突发状况时车窗可以顺利打开。 （3）密封胶条 为了保证车体密封性的要求， 我们在车窗玻璃和窗框之间内外都装有装有密封胶条， 可 以有效的达到封闭式客车的密封要求，同时，在紧急情况下胶条也不会影响车窗的开启。 （4）压缩弹簧钢片36华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集为了实现车窗的快速自动打开。在电磁铁对车窗玻璃的固定解除后，依靠车窗的上 部槽内的压缩弹簧钢片，可以快速打开车窗玻璃，为车上人员逃生争取宝贵的时间。通过我 们对窗户的强度校核（具体校核见 详细设计说明书） 发现它的可靠性 ， 完全满足设计要求，同时由于压缩 弹簧钢 片处于槽内， 平时处于 压 缩状态，所以对于电磁铁的正常固 定功能不会造成任何影响。3、 完整动作实现过程（1）动作原理流程 控制按钮 控制按钮 锁 紧 单 元 手 动开平衡感 应器电路控制 单元卡扣解开（2）动作具体过程车窗开启封闭式客车突发灾害发生时，如火灾时，司机可第一时间按下按钮，电路控制单元收到 信号后，接通电磁铁，将锁紧单元打开，通过弹簧片将车窗玻璃绕活页打开，车内人员即可 迅速跳窗逃生。假若车体倾覆，司机乘客可能受伤，无法按下按钮，此时安全车窗的电动控 制单元，通过平衡感应器的感应，信号处理单元以及电路 控制单元，解开锁紧单元，利用弹簧片，实现了车窗的自 动开启， 这样极大地方便了车内人员的逃生和外部人员的 救生，同时，若电气部分失灵，我们在车窗上的手动开启 装置，利用类似拔钉的杠杆机构，拔出卡扣，也可实现车 窗的快速开启。4、 强度校核37华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集以厦门金龙考斯特系列的海风 XMLCUE 大客车为例：如果采用本设计的车 窗后，需要进行强度校核的部件为：锁舌、活页、手动柄 （1）锁舌校核： 切应力：τ=F S／A=F 弹/0.25π D2其中 F 弹为所选弹簧钢的弹力=50N；D=0.01m,由所选锁舌查表知：[τ]=32.7Mpa 又τ=50/0.25×3.14× 0.01 =5.6Mpa & 32.7Mpa 压应力: δb s= F/A b s 工程中取其纵剖面积为有效面积，因此 Abs=0.5Dδ由所选 所选锁舌查表知[δb s]=46.8Mpa δb s= F/0.5Dδ=50/0.5×0.02×0.03=0.17Mpa&[δb s]=46.8Mpa （2）活页的校核： 由物理知识可知：当窗子达到最大下落圆周速度时最容易损坏活页 窗子所受的圆周力 F 向=m V /L，由实验知：V max≈4.5m／s m=4.27kg L=1.28m ，2 2 2F 向=4.27× 4.5 /1.28=67.6N 由于有两个活页，每个活页有两个固定套，则每个受力为 F’= F 向/ 4=16.9N 对于 AB 段，切应力: τ=Fs’ / A’=F’/ 0.25π d2其中 d=0.007m，所选材料查表知：[τ]=23.6Mpa τ=16.9/0.25×3.14× 0.007 =0.44Mpa&[τ]=23.6Mpa 压应力：δb s= F/Abs 取 Abs=Dδ’382华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集又δ’ =0.016m 由所选材料查表知: [δb s]=35.4Mpa δb s =16.9/0.016×0.007=0.15Mpa&[δb s]=35.4Mpa 由以上强度校核可知本设计采用的材料是可行的四、设计产品创新点及特色1、 创新点产品的想法独到，有很强的实用性。 创新地设计了锁控装置，实现对于车窗自动开启。 使用了三种开窗方式，有效确保了车窗在危急时刻能够打开。 运用水银开关感受车体倾斜，实现了电路的自动控制。 运用 NE555 时基电路，拥有延时功能，能避免车体颠簸导致对车窗的误操作。2、 主要特点突发灾害发生时，一般情况下无需人力即可自动迅速打开整扇车窗，反应时间短，动作 快，逃生面积大，能够为车上人员争取宝贵的逃生时间。 我们设计的客车快速打开安全窗构造简单，成本低，便于封闭式客车运用和推广。五、参考文献[1]刘鸿文主编;《简明材料力学》 高等教育出版社 ； [2]杜冬梅，崔永军主编； 《工程制图》 ；中国电力出版社，]秦少军，曹岩主编； 《AUTOCAD2007 基础篇》 ；化学工业出版社，]徐泽鹏主编； 《电子技术》 ；人民邮电出版社，]杨可桢主编； 《机械设计基础》 ；高等教育出版社，2006.539华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集40华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集41华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集VIII 火灾救援专用弹射飞爪 火灾救援专用弹射飞爪优秀奖作品 作者：梁聪 丁峰 李学艳 王春财 成I| 指导教师：刘衍平 张乃强 一、设计介绍日常生活中火灾的频发使人们的生命财产遭受了极大的损失。 很多人由于来不及逃离而 被大火吞噬，也有人因等不及消防警救援而冒险选择了直接跳楼逃生，导致伤残甚至死亡。 分析很多案例，我们发现火灾发生后及时施以快速救援可以很大限度甚至完全避免伤亡发 生。 然而因为缺乏有效救援工具， 从火灾发生后到消防警到来前这段最佳救援时间却白白浪 费，普通公众无法实施有效救援（高楼住户火灾救援尤其困难） 。为了实现及时高效救援， 我们设计了“火灾救援专用弹射飞爪” ，用以在消防警到达之前就抓紧时间实施有效救援， 最大限度减少人员伤亡。 本救援工具实质就是为火灾现场被困者传递绳索，使之能够借助绳索快速安全的逃生。 当某幢一定高度的楼发生火灾时， 逃生通道因其他原因已无法使用， 楼内被困人员通过 窗户向外界呼救。救援人员迅速携带本工具，选择合适发射地点安装该救援工具，调节仰角 （关于角度调整及其他问题将在后续的设计说明书中详述） 利用激光器瞄准火灾发生窗户， ， 将飞爪装入弹射筒头部并触动开关。 后面连有细绳的飞爪迅速射出， 撞碎玻璃后射入火灾楼 层。受困者可依实际情况将飞爪固定，待救援者绷紧绳索并将另一端固定于地面某处（保证 牢固；尽量使仰角处于安全角度范围内） ，然后可就地取材将自己的衣服对折搭在绳索上， 双手抓紧衣服顺绳索下滑逃生。 本救援专用工具的创新点如下：1、 工具结构主要创新点（1）在传力拉伸杆上连接内伸爪，使轮盘转动时既起到了拉伸弹簧的作用，又起到了开关 的作用。42华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集（2）采用传力螺旋来拉伸弹簧，既安全又省力方便。 （3）模仿雪橇制成支撑架，有效抵消了反冲力，防止工具后翻，保证了发射稳定性。2、 救援方式创新相比现有的搭载云梯救援或是楼顶救援， 本工具的运用使非接触火场救援成为可能。 可 以在相邻楼房之间分层布置本工具 （具体分布参看 五） 进行交叉救援， ， 从而可以节约时间， 快速实施救援，最大限度保证安全。它可以分型号批量化生产并普及，像干粉灭火器一样根 据实际情况为每幢楼配置数量适宜的不同型号该装置，置于楼梯/电梯口等显眼位置，作为 消防备用的快速救援工具。3、 救援理念创新设计本救援工具的最初目的就是为了“抢时间” 。在火灾发生后消防警到来前，使普通 居民自己就能够第一时间实施救援， 尽最大限度减少火灾伤亡， 同时亦可作为消防警救援的 专用工具。二、结构介绍如下图所示，本救援工具组成部分：瞄准激光器部分、飞爪部分、动力弹射部分、固定 调节部分。1、 瞄准激光器部分上图弹射筒头部所示， 本部分由若干个激光灯 3 组成， 均匀分布在弹射筒头部外管壁上。2、 飞爪部分如图所示，本部分由一根足够长且具有强度高、耐高温、密度小等特性的绳索牢固连接 在飞爪底部。43华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集3、 动力弹射部分如下图所示，本部分由弹射筒主体 2、满足设计要求的若干根拉伸螺旋弹簧 4、飞爪弹 射盘 5、传力拉伸杆 6、轮盘螺杆 7 结构等组成。弹射筒主体拉伸螺旋弹簧44华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集飞爪弹射盘传力拉伸杆轮盘螺杆4、 固定调节部分如下图所示，本部分由三角支撑架 8、调节杆槽 9 和人字角度调节杆 10 组成。三角支 撑架与调节杆槽焊接于一体并通过转动副连接在弹射筒尾部， 人字角度调节杆通过转动副连 接在弹射筒头部。45华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集三角支撑架与调节杆槽人字角度调节杆三、制作材料及基本尺寸（单位：mm） 制作材料及基本尺寸（单位： ）名称 尺寸 料 弹射筒主体 材 备注长度 740淬 火钢轮盘螺杆长度 260淬 火钢传力拉伸杆长度 380淬 火钢弹簧自然长度 20060 SiMn弹射筒内外直径 100/120淬 火钢46华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集飞爪弹射盘直径 180淬 火钢传力拉伸杆底 盘 轮盘直径 200淬 火钢直径 340淬 火钢三角支架垂直高度 500普 通钢调节杆槽长度 1500普 通钢人字角度调节 杆 绳索垂直高度 1030普 通钢总长在
间小耐高温、强度高、密度四、工具操作具体说明在使用本工具时按以下步骤操作： 1、 展开支撑架，架起弹射筒； 2、 打开激光器，调整发射角度，瞄准救援目标房间的窗户； 3、 旋转轮盘，将弹簧拉伸到发射位置（螺杆红线处） ； 4、 继续旋转轮盘发射飞爪； 5、 待被困人员将飞爪固定在楼上某处后，发射人员将绳索另一端固定（保证仰角在安全范 围内，越小越好） ； 6、 接应下滑的被困人员。47华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集五、实际应用情景展示为了进一步清楚展示本救援工具在实际生活中的使用，现假设一应用情景来说明。如图 9 所示，由于现在社会经济的高速发展，城市内高楼林立，往往楼与楼之间相距不 是太远 （40 到 60 米之间） ①假设 A 楼的 1 到 8 层间某一楼层发生火灾， 7 层 D 点为例。 。 以 则救援人员可就近携带位于 A 楼或是 B 楼一层楼梯口的本救援工具选定两楼之间某一合适 地点发射飞爪实施救援。 绷紧后绳索的固定端可以选择 B 楼楼脚 C 点 （尽量使仰角Θ最小） 。 则被困人员可顺绳索下滑至 C 点由救援人员接应。 ②假设 A 楼的 8 到 12 层之间某一楼层发 生火灾，以 10 层 E 点为例。则救援人员可赶去 B 楼 8 层楼梯口携带本救援工具在 8 层选择 合适发射点 F 向 A 楼 10 层着火点 E 发射飞爪救援。绷紧后绳索固定于 F 点，救援人员在 F 点处接应被困人员。由于随着楼高增加危险度会增加，为了减小逃生人顺绳索下滑的速度， 可以在高层楼 8 楼以上每隔 3 到 4 层设置一处本救援工具， 置于楼梯口或电梯口， 发生火灾 后相邻高楼间可以交叉发射本救援工具来实施救援。六、火灾救援专用弹射飞爪 计算说明书1、弹簧设计计算：飞爪质量设计为 1.5 千克，绳索质量 2 千克，其他因素影响记为 0.5 千克；最大垂直弹 射高度 H 设计为 35 米，弹簧最大伸长量 X 设计为 150 毫米；取弹簧制作材料为 60SiMn， 最大许用切应力[τ]=981MPa,弹性模量 G=8×104MPa。48华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集由能量守恒定理有：MgH =1 FXn 2（n 为弹簧根数，在此取 12 根）由上式可得到单根弹簧最大拉伸力 F=1555.6N 劲度系数 k=10.37N/mm 曲度系数 K=1.3 旋绕比 C=5d=弹簧材料直径FKC =5 [τ] mm弹簧中径 D = Cd = 25 mm 弹簧外径 D2 = D + d = 30mm弹簧内径 D 1= D -d=20mm 弹簧有效圈数 N=Gd/8C3k=39 圈 间距 δ=0mm节矩 t=δ+d=5mm螺旋升角 α≈=3.6。总圈数 N1=39+2=41 圈弹簧展开长度 弹簧自由高度 L ′ =nδ+(N1-0.5)d=202.5mm=3224.8mm2、螺母盘及螺杆设计计算：采用锯齿形螺纹连接：工作面的牙形斜角 3 度（便于加工） ，非工作面牙形斜角 30 度， 外螺纹牙根处有相当大圆角，减小了应力集中，提高了动载强度，强度高，工艺性好，效率 高，用单向受力的传力螺纹。 部分符号含义： d 2 螺杆中径 F 轴向载荷 [P]许用压强 H 螺母高度 d 螺杆公称直径 λ螺纹升角 σ当量应力 b 螺纹牙z 旋合圈数 h 螺纹工作高度 底宽 T 传递转矩 S 导程p 螺距49华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集ρ’当量摩擦角f 摩擦系数FC 临界载荷 p 工作压强l 螺杆最大工作长度 计算项目 符 号耐 磨 性单 位计算公式和参数选定说明d 2= 螺杆 2 d m M 30 度F ? [ p ] =18螺 =0.65P=8 d 3=10.116 D1=12.0 d=24H= d 2 =45 螺 H 度 m 定 M 设计 式螺 螺 =1.2 2.5 式选z 数 螺 作 度 工作压 p 强验 算 自 锁H = 6 ≤ 10 ? 12 Z= pM 30 度 螺 h=0.75p=6工 h mM Pap=F = 11.46MPa ≤ [p ] πdhzρ’= 螺 角 ρ’= =4.18≤ 4.5 度50华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集度 螺 杆 强 螺 纹 牙 强 度M 力 Pa M b m 剪=[ 4F/3.14d2 2+ T/0.2d3 2]0.5109.49MPa ≤ [ ]=130MPa 30 b=0.74p=2.22F ≤ [τ ] τ πdbz =τ=3Fh ≤ [σ ] πdbzM 剪 PaF ≤ [τ ] τ πdbz =τ=3Fh ≤ [σ ] πdbz51华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集螺 杆 稳 定 性?liFc Fc N= 64.2 p 85I480 1 + 0.002(?li? )πd4= 58245.79 Ni=mmI d = A 4Fc/F=2.5 ∈ [2.5,4]31 3.5 力 1000 计计大设 F=1000N 力100 设计S=200mm2力 2τ=F s =MPa制作力[τ]=250MPa13到65mm力2πra r=65mm a=8mms = 2πra = 2π × 0.065 × 0.008 = 3.27 × 10-3 m252华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集τ=F 19000 = 7.14MPa s = 0.00327（3）小钩爪强度校核： 弹簧下盘受到弹簧向上的拉力和小钩爪向下的拉力， 弹簧拉力效果与上盘相同， 在此不 进行校核，小钩爪向下的拉力在此只校核受到的切应力，其他应力由经验估计。 取 4 个小钩爪，总受力为 F=19000N,如下图所示:F 15 10 F小钩爪顶部厚度 15mm，宽度 10mm， （4）销钉选择：τ=F 19000 s = 4 × 15 × 10 =31.7MPa1 0mm 3由于有四个小钩爪，故在此取 4 个普通圆柱销钉，此为标准件，选取公称直径 d=10mmα ≈ 1.2 l=35mm 的销钉，制作材料为 45 钢。τ=F 4× 2×πd4 =30.25MPa p [τ ]（5）弹射筒主体连接杆强度校核（采用 6 根连接杆） ：53华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集每根受力 F=6.67N 连接杆直径取 8mm，则σ=4F = πd 63MPa&[ σ ]?l ? 取 0.5，两端固定，l=350mm，i=d/4=2mm） i =87.5 稳定性： i （?l4、基本尺寸（见零件图所示） ：名称 弹射筒外径/ 内径 弹簧上盘直径 mm 150mm 弹射筒固定盘 1 到弹簧上盘 距离 弹簧下盘直径 弹射筒固定盘 直径 外伸耳朵长度 螺母盘直径 轮盘直径 5、零件清单： 名称 激光器 飞爪 弹射筒主 弹簧 活动勾爪 弹簧下盘 拉伸杆 数 5 1 1 1 4 1 4 45 钢 淬火钢 60Si2Mn ZG310―57 淬火钢 45 钢 材料 名称 螺母盘 销钉 螺杆 轮盘 支架及调节 固定盘 数 1 4 1 1 1 1 材料 ZG310--570 45 淬火钢 优质碳素结构 铸铁 铸铁 淬火钢 25mm 200mm 340mm 拉伸杆长 绳索长度 450mm 70000mm 180mm 170mm 弹射筒底部到固定盘 1 距离 螺杆长 240mm 180mm 355mm 尺寸 110mm/100 名称 弹射筒上筒长 尺寸 150mm5、飞爪弹射轨迹计算：如下图所示：54华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集着火点发射点 Vx=V0cosθ Vy= V0sinθ―gtX= Vxt= V0cosθt 消去 t 可得：1 Y= V0sin t― 2 gt2t= X/V0cosθX 1 X g X + Xtanθ Vsinθ ? g ? 2 Vcosθ = 2Vcosθ Y= Vcosθ为 了 增 加 精 度 ， 应 使 飞 爪 在 到 达 最 高 点 前 就 击 中 目 标 ， 即 ：X&tanθ Vsin2θ = g 2g Vcosθ瞄准点高度为 Y=Xtanθg X + Xtanθ 实际击中点高度为 Y= 2Vcosθ ? ?Y = ? g X 2Vcosθ 即为发射偏差所以七、火灾救援专用弹射飞爪 设计图纸火灾救援专用弹射飞爪装配图55华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集螺母盘图飞爪与活动勾爪图56华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集弹射筒主题图57华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集八、参考文献机械设计手册 弹簧设计手册 杨可桢等. 机械设计基础. 北京:高等教育出版社，2006华北电力大学力学教研组. 理论力学 2008 刘鸿文. 杜冬梅等. 郑凯等. 材料力学. 工程制图. 北京：高等教育出版社，1997 北京：中国电力出版社，2006 清华大学出版社，2008Solid Edge 应用教程.58华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集IX 一种高空逃生柔性滑道优秀奖作品 作者：张可 闫译文 付光路 韩聪 指导教师：鲍海 一、作品功能1、作品简介本作品用于高层建筑发生险情时，便于被困人员自救逃生的柔性救生滑道。2、作品结构由箱体，挂钩，荧光贴，着火自动报警装置，紧固环（方便固定装置） ，下降管道，滑 轮，带有橡胶球的绳子，橡胶环组成。3、作品工作指标箱体：用于收纳柔性滑道，表面涂有耐热油漆。 荧光贴：贴在箱体表面，便于在黑暗处找到。 着火自动报警装置：当发生火灾时及时提醒人们。 紧固环：由不锈钢制成，使用时起固定作用 下降管道：用石棉布制作，防火温度可达 850 摄氏度，时间可达 120 分钟。 入口圈尺寸：φ（直径）600mm 离地标距（装置下端与地面距离） ：0.5-0.8m 标准体重：40-80kg 设计下滑速度：v＜＝3.5m/s 长度:7.5-30m（以 10 米为例）59华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集4、工作原理（图）（1）着火自动报警装置的工作原理V CC （+6V） T 20k R1 7 3AX31 100k R3 0.01? C R2 V CC 8 RD 4 C2 3 6 555 2 1 5 0.01? C1R3 是温敏电阻，常温时电阻很小，555 芯片的 4 端接地，芯片不工作，即装置不报警。 当火灾发生时，温度升高温敏电阻阻值变大，4 端处于高电平，芯片工作，即报警器报警。 （2）逃生管道原理10?/10VvI1 vI22k滑轮固定在紧固环中,在下降管道的夹层（夹层中装有橡胶环）中，装有带有橡胶球的 绳子，绳子绕过滑轮。通过橡胶环和橡胶球之间的摩擦，使利用绳子逃生的人员的速度保持60华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集在安全下滑速度（v＜＝3.5m/s） 。经计算，橡皮球和橡皮环分别的等距排列距离在 8 厘米左 右，这样可使人既安全又快速的逃离火灾现场。紧固环处就是滑倒的入口，可供多人相继在 柔性救生滑道中同时滑行逃生。实现简便快速安全撤离险情现场。二、创新构思随着高楼的日益增多，也给消防工作带来巨大压力。例如当火灾发生时；如何能保证高 楼内生活或工作的市民，他们的人生安全已经成为非常严峻的问题。 仅在这十年里国内外关於“火灾安全逃生装置”的专利申请已超过五六十种之.但多数 为：单线式、钢丝绳、及机械化的逃生器。用机械旋转控制实现下行逃生;使用时将人吊在 空中，绳子自动回位旋转。操作复杂且占用时间，影响效率。并且逃生器也比较重，大部份 机械装置跟随人落到地上，安全性不高，对老人及小孩尤其不适用。初步操作就如发动摩托 车一样（并不是每一个人都会开摩托车） 。除此之外，逃生器中最昂贵的有云梯、消防车之 类的火灾安全逃生装置，其成本较高、体积大。难以普及于民众家庭安装和消费，一般只有 专业的消防队才能配置。 本产品设计初期的理念是可以应用于家庭，学校宿舍，办公楼，饭店等等公共场所。这 就要求产品体积要合适，于是我们采用了柔性滑道，用布代替了作云梯的金属材料。我们设 计的产品最具创新特点之处在于应用橡胶球作空降时提供阻尼的环节， 科学合理， 而且大大 的降低了成本。与此同时，滑道的长度可以用户的需要灵活的改变，只需要改变外层石棉布 的长度和橡胶球的个数即可。 本产品实现的难题在橡胶球与绳子的固定上，我们在这一环节设计了几个方案： 1）用高强力胶粘住空心橡胶球和绳子； 2）直接在绳子上打结，代替橡胶球； 3）整个绳子上密布橡胶球，然后绳子两端打结，保证橡胶球不来会松动。三、本产品与同类产品比较随着高楼的日益增多，也给消防工作带来巨大压力。例如当火灾发生时；如何能保证高 楼内生活或工作的市民，他们的人生安全已经成为非常严峻的问题。61华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集仅在这十年里国内外关於“火灾安全逃生装置”的专利申请已超过五六十种之.但多数 为：单线式、钢丝绳、及机械化的逃生器。用机械旋转控制实现下行逃生;使用时将人吊在 空中，绳子自动回位旋转。操作复杂且占用时间，影响效率。并且逃生器也比较重，大部份 机械装置跟随人落到地上，安全性不高，对老人及小孩尤其不适用。初步操作就如发动摩托 车一样（并不是每一个人都会开摩托车） 。除此之外，逃生器中最昂贵的有云梯、消防车之 类的火灾安全逃生装置，其成本较高、体积大。难以普及于民众家庭安装和消费，一般只有 专业的消防队才能配置。本产品较之前的逃生的装置结构安全，操作简单，适合各年龄层的 人群使用，也更科学地实现了缓降的特点。四、产品评价柔性救生滑道是一种可以广泛应用在高楼火灾的逃生设备，理论上可以使 20 人在一分 钟内从高楼上安全撤离，且人员不致受到灸烧、 燃烧和烟熏的伤害，任何人不需预先练习 都可以成功地使用， 而且可以用来营救老幼病残者。1、 柔性逃生装置，采用石棉布或阻燃布可折叠，可以放置在箱体中。体积小， 可置于室内。 2、 配有着火预警装置和荧光贴，设计人性化。 3、 带有特殊阻尼套的长条型通道式结构， 下落速度平缓，使逃生者下跳的恐 惧心理大为减少。 4、 采用最新多功能防火布做成的防火套，最高耐温 600°C，具有良好的抗热辐 射性能，特别适合火场使用。 5、 强度设计使整个装置的安全性，可靠性大为提高：入口圈采用优质不锈钢做 成的柜架式结构，即保证了强度又保证了刚度；整体抗拉强度超出正常使用的一 倍以上；整体延伸率＜＝1%。适应不同场合的各种形式的安装设计，使逃生前 的准备工作大为简化，数秒内即可就续，从而为逃生者获得宝贵的时间。综上所述，本产品具有极高的应用价值和开阔的市场前景。62华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集五、产品成本分析本产品采用大概 200 个橡胶球和 100 个橡胶环，一块 10m×2m 的石棉布，铁焊的紧固 环及其他固定装置，着火报警装置，定滑轮、绳子等其他配件，总成本大概在 200―300 元。63华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集X 便携式水面救援器优秀奖作品 作者：徐娟娟 布凡 程浩 康凯 刘S 指导教师：常连生 一、作品研究背景及意义在刚刚过去的 2009 年里，长江大学的三位同学见义勇为，勇救落水儿童的事迹感动了 千千万万的人。 我们为这三位花季男孩意外凋谢而扼腕叹息， 亦为这三位同学的见义勇为的 英雄行为而感动和钦佩。与此同时，也引发了我们的思考，能不能设计一种简单轻便易于携 带的救援器，使得在发生落水事件的时候，救援者可以尽量避免下水营救，使得救援者的安 全得到最大的保障。 由此，我们展开了一些列的调查和研究。在网上搜索时，我们发现，现阶段我们所普遍 使用的较为简便的水面救援器材无外乎救生圈，救生衣。而其他水面救援器材则相对复杂， 使用并不普遍，在发生落水事故时，这种救援器的用武之地更是少之又少。那么，能不能设 计一种结构既相对简单， 携带相对便携， 使用相对有效地水面救援设备呢？带着这样的疑问， 我们展开了如下的思考。 众所周知，落水事故通常发生时间较短，我们无法启用较为大型的救援设备，这就要求 我们的救援器必须启动迅速；另外，发生落水事故的地点往往相对偏僻，人烟稀少，救援设 备更是难以得到保障， 这就要求我们的救援器必须可以保证能够随身携带， 相对便携； 同时， 与使用人力投掷救生圈、 救生衣来说， 我们的救援器必须要保证所能够救援的距离要相对较 远，同时，更要保证它的准确性。最后一点，也是最关键的一点，救援器可以使得救援者不 用下水便可实施救援，保障了救援者的人身安全，更节省了救援者的人力，为救助更多的人 节省了人力。 确定了以上几点，我们便投入到了水面救援器的设计和研究中。由于知识和阅历有限， 经过一番思考和时间后，我们制订了救援器的主要构架，并制作了相应的模型。具体设计还 存在不足之处，希望广大老师和同学能够不吝赐教，使我们的水面救援器能够更精细。64华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集相信水面救援器的问世， 将能够填补便携式水面救援设备的缺失和空白。 也为将来人们 的救援工作提供更多的便利。二、作品内容简介便携式水面救援器是被设计成一项可以随身携带的较为轻便的救援器。 当发生意外落水 事故时，救援者可以使用便携式水面救援器，迅速、准确地营救落水者。同时，使用这个救 援器，可以确保救援者不必下水救助，从而避免了营救而带来的更多的不必要的伤亡。 便携式水面救援器主要由发射动力装置、绳索装置、浮力装置、转轮装置等四个大部分 组成。其中，发射动力装置是救援器最重要的部分。 模型图示如下：模型剖面图：65华北电力大学第二届机械创新设计大赛作品集1、 发射动力装置：将弹簧作为主要发射动力源，以空气压缩装置做为发射动力辅助力量。按动开关， 被压缩的弹簧在自身弹力和空气压缩