基本信息
- 项目名称：
- 自适应高空安全缓降机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 设计了一款以机械式摩擦离合器为主体的，以基于单片机控制的电磁离合器为辅助的高空缓降机，本设计结构简单、可靠性高，能在最大程度上满足高空逃生要求，本高空缓降机能在不外接电源的情况下，不同体重的逃生者能够选择0.3m/s,0.5m/s,和0.8m/等 3个不同的速度缓降到地面，同时在逃生过程中看通过遥控来微调下落速度。
- 详细介绍：
- 我们设计的自适应高空安全缓降机主要结构包括：制动模块（包含机械制动子模块和自动化电磁制动子模块），增速齿轮组模块，抗冲击模块，绳筒绳索减震模块，收绳模块。本装置缓降原理为机械制动器、电磁制动器、发电机阻力矩与人重力平衡从而达到匀速下降。 一， 系统模块介绍 机械制动子模块是由摩擦离合器经改装而成，经改装后的摩擦离合器制动效果十分显著, 当制动轴旋转时，制动器上的蹄块会因离心力的作用与固定的外圈摩擦而产生制动力矩。 自动化电磁制动子模块由24v微型直流发电机、24v电磁制动器和相关自动控制电路组成,单片机控制具有准确度高，可靠性好，调速方便，且成本低等优点，该控制电路即为采用基于单片机的控制电路。经试验验证，该直流发电机的输出电压与转速成近似正比关系。为避免本缓降器依赖外部供电工作，在此将直流电机输出的电压经过稳压电路为控制电路的芯片供电；同时作为电磁制动器回路的工作电源。采集到的速度信号经单片机中的程序比较判断当前转速是否达到工作转速，并决定是否输出控制电平，控制电平经功率三极管放大后控制继电器的开闭，即实现了控制制动器工作状态的要求。 绳筒能容纳约220m，直径3mm的钢丝绳，足以满足位于高达70层摩天大楼的用户的要求。绳端的绳扣处设置了一 段直径14mm、长度为200mm，拉伸比达1：2.5~3的双股蹦极绳，该蹦极绳的加入，能有效缓冲因为逃生者有初速下降所带给人体的冲击，能起到显著减震的作用。 增速齿轮组由两对齿轮组成，整体的传动比是1:11。其中一个齿轮内部装有单向超越离合器，其作用是使制动部分仅在重物下降阶段工作，而收绳时不会随着绳筒旋转而转动。 收绳装置包括一对增速齿轮、摇柄轴和摇柄组成。增速齿轮组传动比为2.5:1，能保证迅速回收钢丝绳。摇柄与摇柄轴通过截面为正方形的一段长约4cm的孔轴相连，端部由轴端挡片和沉头螺钉固定。摇柄轴使用一对深沟球轴承支撑于机架上。 身处高层的人员在遇到火灾的时候，即便有高楼逃生机可供使用，但现在已开发出来的高楼逃生机构中，都未能很好的解决人员在极度慌张的情况下直接往下跳所而造成逃生机械损坏的后果，针对这一问题，我们团队开发了一套用于高空缓降机的抗冲击装置。抗冲击模块主体为一段悬臂梁，综合运用杠杆原理、摩擦学原理等基本原理，成功实现了抵抗对减速装置冲击的功能。 二， 使用描述 实际使用中，逃生者身穿普通登山用安全带，和绳扣相连，从窗外以一较小速度或零初速度开始下降，带动绳筒转动,在传动比为11：1的增速齿轮组的作用下制动轴以绳11倍转速转动，同时机械制动器开始工作，产生一定的制动力矩，这个制动力矩和人下落速度平方成正比，此时人继续加速下落但加速度逐渐减小。当速度达到V1时，在直流电机和控制电路的控制下电磁制动器开始工作，产生较大的制动力矩，使人下落速度下降，当速度减小到V2时电磁制动器停止工作，人的下落速度再次上升，当达到 时电磁制动器重新工作。如此循环，直至安全降落地面. 三． 安全性能分析 由于本装置极有可能在非常恶劣的环境下工作，如极端高温的火灾现场等，所以非常有必要分析一下本装置在各种恶劣条件下正常工作的可靠性。 （1）在火灾时，缓降机会在较高温的环境下工作。 首先，讨论高温环境下的缓降机对于使用者的影响。由于钢丝绳的挂钩是扣在使用者的安全带上，不与人体直接接触，所以对人体不会造成伤害。随着使用者的下降，挂钩将远离热源，所以缓降机机身的温度增加对于使用者并不会造成烫伤等伤害。 其次，机身温度增加对制动部分的影响分析如下：机械制动部分由于是耐高温的复合金属材料，所以在高温时完全能够正常工作。电磁制动部分，在电路不损坏的情况下，电磁制动器将正常工作。如果控制电路被大火烧毁，将只有机械制动器工作。不过，根据前面的计算，我们知道在仅有机械制动器工作时，50kg的使用者下降速度仅为约 ，这已经完全能够满足普通人群的要求，而对于重量为 的使用者，其下降速度 ，取 ，则 ，此速度仍然是非常安全的。 综上所述，在极端高温情况下，该装置的可靠性近于100%。 （2）在某些特殊情况下，使用者可能急于逃生而发生两名或多名使用者同时抓住安全带下跳的情况，这时负载会大于100kg，因此有必要校核此时装置的安全性。 根据第4部分的强度计算，可知整个装置最薄弱环节为抗冲击装置的悬臂梁，在100kg负载下有4.89的安全裕量，因此在200kg负载下仍有2.45的安全裕量，这已经能够确保两个人同时下降时的安全性。 在设计计算中，我们对于每一个零件的设计和校核都取了相同使用情况下最高的安全系数。例如，齿轮的失效概率小于 。所以，即使使用者的体重大于设计上限100kg，本缓降机也能出色的完成缓降逃生任务。 （3）. 在时分危急的情况下，逃生者出于逃生的欲望，可能在绳索没有收紧的情况下就跳下，对装置造成很大的冲击。 首先，在前面校核的部分，我们已经考虑到了冲击的问题，计算时增加了冲击系数（大于3），所以零件在突加载荷的作用下不会失效。 此外，我们还增加了两个抗冲击部件。其一，是在绳扣和钢丝绳之间增加一段蹦极弹性绳，伸缩比达1:3，能有效吸收人下落的初始动能，一方面,减轻了装置受到的冲击载荷，另一方面，减少逃生者受到的冲击力，防止逃生者受到意外伤害。其二，有一套专门的防冲击装置，能使钢丝绳在意外受到剧烈冲击时将钢丝绳抱死，防止装置受到冲击而损坏。经过理论计算，钢丝绳在受到瞬时2000-5000N冲击力时，经防冲击装置隔离后，减速部分受到的冲击载荷小于1000N，远小于装置的设计抗冲击载荷1300N。 因此，该装置的抗冲击性良好。 （4）.在长时间未使用时，一般的机械装置都会出现生锈的情况。而对于缓降机，通过对零件进行表面处理（表明氧化、表面涂防锈漆或者表面镀锡等工艺），可以有效地防止零件出现生锈而导致失效。 而对于机械制动器，它的蹄块是由纸基制成，不会出现生锈的情况。外罩是由钢制造的，表明镀了一层氧化膜，也不会出现生锈的情况。机械制动器是由摩擦离合器改装而成的，我们去掉了里面的弹簧组，所以不用考虑弹簧的失效问题。 电磁制动器的摩擦片是有机塑料，只要电路部分正常工作，电磁制动器就不会出现失效。 螺丝在长时间不用时可能出现松动，可以通过螺纹胶和双螺栓来防止松动。螺纹胶是在拧上螺母时滴加的，通过增加预紧力来防止松动。在拧下螺栓时，螺纹胶会破碎，对螺纹拆装不会造成不良影响。 此外，通过定期检修，可以提高本装置的可靠性。 （5）. 在长时间连续工作时，机械部分不会受到太大的影响。机械制动器在长时间工作时温度会上升，但是其制动性能不会受到影响。 电磁制动器部分，由于使用的都是大功率、耐高压的电子元件，所以能承受长时间工作。 综上所述，在各种极端情况下，本装置都正常工作。所以，本装置是一种安全性高、适用范围极广的缓降逃生装置。 四． 高空缓降机的创新点 ○1超越离合器 在增速齿轮组和减速模块之间设置了超越离合器，其作用是使制动部分仅在逃生者缓降阶段工作，而收绳时不会随着绳筒旋转而转动，这样能使装置后续使用者轻松摇起安全带，显著缩短辅助时间，提高了装置的实用性。 ○2抗冲击装置 根据以往的教训，人员在急于逃生的情况下，直接跳下，即有初速降落的情况，极易造成对缓降机械的冲击破坏，从而造成严重后果。为克服以上缺陷，我们团队设计了这套用于高空缓降机的抗冲击装置。它能有效缓冲来自钢丝绳对齿轮等减速部件的冲击力，显著提高装置的安全性和可靠性。 ○3缓降速度与逃生者体重无关，速度稳定 与传统高空逃生器多采用一种制动方式不同的是，高空缓降机从原理上采用以机为主、机电结合为特色的制动方式，不仅实现了能安全降落，更实现了能在逃生者体重发生显著变化的情况下仍以定速缓降到达地面。下图为基于实测数据所绘制的速度—体重图。 ○4缓降速度分为3档，逃生者可自由选择 自动化电磁制动子模块，是基于单片机控制的系统。通过编制特殊的单片机程序和比较电路，使逃生者能够自由选择3个档位缓降至地面。 低速档： 适用于：小孩、老人 中速档： 适用于：成年人 高速档： 适用于：特别危急的情况 五． 高空缓降机的优点 结合已有逃生机的特点，高空缓降逃生装置具有以下突出的优点： （1）可靠性高。有独立工作的机械和电磁两个制动器，即使某个制动器意外失效，另一个制动器也能独立完成制动缓降功能，并且下落速度都控制在安全范围内。 （2）由于机械和电磁制动系统优势互补，在控制电路的调控下，基本能使得不同体重的逃生者都能以恒定的下落速度下降。与市面上大多数缓降器下落速度随逃生者体重增加而显著增加的情况不同的是，该高楼缓降装置经数十次沙袋和真人的对比试验的结果显示，当载荷显著变化时（如 ），下落速度增幅小于10%。克服了重者降得快，轻者降得慢，下降速度波动过大的缺点。 （3）电磁制动器和控制电路由直流发电机供电，发电机将人下落时的重力势能转化为电能，无需蓄电池等外接电源，能很好的适用于火灾等极端恶劣的情况下，免去了一般逃生装置需要外接电源，且定期维护电源的麻烦。 （4）下落时使用者无需特殊操作，适合各类人群（包括老人和儿童）使用。 （5）装置由各个模块化部件组成，配置灵活，可根据使用环境不同灵活配置各个组成模块。如低层楼房可配小型绳筒，高层大楼可配大绳筒。根据使用楼房人口密集程度，如应用于人群密集的楼房时，也可更换功率更大的电机和性能更强的制动器，以实现多人同时缓降逃生以便更快撤离的目的。 （6）由于增加的抗冲击装置，使得人在突然跳下时，装置仍能够正常工作。 自动控制电路的优点： 1.整个系统的供电由直流发电机的输出电压稳压提供，不依赖任何外部电源，可保证电磁制动器能在任何情况下都可靠工作； 2.对下落速度的限制具有滞回特性，既保证了平稳下落，又增加了继电器工作的可靠性和使用寿命； 3.设置3种工作模式（可随时切换3个档位），对应3种下落速度，以满足不同人群的需求，适应性极强，可靠性高； 4.基于单片机控制，稳定性好，准确度高。 六. 应用前景 目前，各类高楼缓降器已经在国外获得了较大的发展。在一些欧美国家，缓降器已被普遍应用于一些高层宾馆、饭店、写字楼内，多数消防中队的消防车也都配备了缓降器，用于高层火灾的救援和抢险工作。近年来，随着国内人民生活水平的提高，人们对楼房安全性的关注越来越多，虽然国家目前还未对居民家中配备缓降器作相关明文规定，但是随着高层建筑的增多，人们安全意识的增强，居住在高层的居民和人员密集的宾馆、酒店都将逐步配备优质价廉的高楼逃生缓降机。 本文介绍的高楼缓降逃生装置，是一套能够适应各类人员在大多数复杂情况下安全使用的大众化的救生设备。基于它优质、可靠、实用、价廉等诸多优点，它将承载起保护人民生命安全，并减少社会财富损失，同时减少消防部官兵在救火、救人时的伤亡的重任。随着我们对机械的安全性和可靠性的不断改进，对成本的更好控制，本高楼缓降机走向普通家庭、走向普通楼房的可能性将越来越大。我们坚信，该高楼缓降逃生机将会拥有广阔的应用前景和巨大的市场空间，它的普及将指日可待！
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：用于高楼火灾等紧急情况的逃生，将人安全而快速地输送到地面上 基本思路：设计了一款以机械式摩擦离合器为主体的，以基于单片机控制的电磁离合器为辅助的高空安全缓降机，本高空安全缓降机能在不外接电源的情况下，不同体重的逃生者能够选择适合自身的速度逃生。 创新点：两套制动系统独立工作、优势互补，安全系数高；无需外接电源；逃生者下落速度与重量无关；具有抗冲击性能；使用了超越离合器；下降速度分高、中、低三档，适应不同人群需要。 关键技术及指标：机械制动器的摩擦系数的选取和确定；电磁离合器选择，如何避免慌乱逃生时对装置的冲击，如何避免外接电源、速度信号的精确采集；能自适应的速度控制算法；灵敏且高可靠的电路系统。
科学性、先进性
- 下面我们通过对比来说明我们装置的先进性和科学性： 现有的高空缓降装置的调研：主要有三类，第一类：逃生轮；第二类：液体流动阻尼式高楼逃生器； 第三类：绳索自锁式缓降器。 现市场上缓降装置的缺点：不能调速；下降速度随使用者体重增加而增加；只有一套减速装置，安全性差；无抗冲击装置；需外部供电或内置电池；操作困难、下落速度不稳定，波动太大，安全性不足；对使用者有一定要求，有的装置根本不能用于老人和小孩。 我们的高空缓降机的新进性有： 1、机械、电磁制动器独立工作，安全系数很高。 2、机械电磁两套制动装置，优势互补，下落速度与重量无关，速度稳定。 3、本装置有机械式抗冲击装置，保护装置又保护逃生者。 4、下降速度分高、中、低三档，适应不同人群需要。老人和小孩可选择低速档，青壮年可选择高速档，节省救援时间。 5、无需外接电源。直流发动机将人体重力势能转换为装置所需要的电能。 6、无需使用者操控。 7、性价比高，占地小、质量轻、便于安装。
获奖情况及鉴定结果
- 在2011年5月初，获得北京理工大学“世纪杯”科技竞赛特等奖，举办方北京理工大学。
作品所处阶段
- 现在已经制作完了实物，并且通过真人实验，验证了本作品的可靠性、实用性和安全性。
技术转让方式
- 专利权转让 专利实施许可
作品可展示的形式
- 作品实物、图纸、现场演示、图片、录像等
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：使用时将装置通过固定支架固定在窗户或者阳台上，逃生者穿上安全背心，通过钢丝绳上的铁钩勾住安全背心即可。 技术优点： 本装置针对高楼等灾害或者紧急情况而设计的，用于将人从高楼安全而快速地输送到地面。主要优点是： 1、下落过程中无需人为操作，简单易行； 2、两套安全系统，安全系数高； 3、下落速度与重量无关；下落速度也可通过遥控改变，既适合青壮年也适合老人、小孩或者病危而无自我保护能力的人，从而扩大了使用人群； 4、有机械抗冲击装置，即可保护逃生者又可保护装置； 5、本装置采用流量发动机供电，将人体重力势能转换为电能；无需外接电源，避免了灾难发生时没有外接电源的情况；同时也避免了内置电池可能会因长时间放置而失效的情况。直流发动机的使用，使装置更加安全可靠； 6、性价比高，占地小、质量轻、便于安装； 基于以上几点，可见本装置推广性比较好。在未来高楼越来越多的大都市里，本装置将会成为紧急救援时的必备装置，从而将会有巨大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 我们通过调研，发现现有的高空缓降器主要有以下五类，他们各有优点，但是也有各自的缺点： 一、GJH—A型高空救生缓降器 基本原理：减速齿轮+摩擦片+肢体操作 主要不足： 1．需要专门用于悬吊用的梁钩，需要楼房外墙环境宽敞，否则荣易被挂住，使用环境受限； 2. 针对不同体重的使用者，下降速度波动太大 ； 3. 无抗冲击模块,初速度过大，难以控制。 4. 针对不同高度的用户，需要专门订制绳的长度，通用性差； 5．需要将卷线筒扔下，可能伤及他人，非常危险； 6，操作复杂费力，不适合老人，小孩等弱势群体。 二、高空柔性逃生滑道 基本原理：摩擦袋+肢体操作 主要不足： 1.使用时，人的手肘，膝盖会被摩擦袋擦伤； 2.用在消防车上时，不同救援高度需要不同长度的布袋，通用性较差； 3. 布袋由防弹衣所用的“凯夫拉”材料、高弹性旋转纺纱、100%的玻璃纤维材料等特种材料经特殊工艺制成，成本均非常高。 三、摩天大楼逃生轮 基本原理：增速齿轮+摩擦片 主要不足： 1.只有机械制动，速度平稳性差太快。 2.使用难度大，不适用于老人和小孩； 四、棘轮逃生器 基本原理： 棘轮反复冲击消耗能量 主要不足： 1.棘轮反复冲击易疲劳破坏，装置可靠性不足，使用寿命短； 2.下落速度不稳定，不同体重使用者速度波动太大。 五、绳轮摩擦换降机 基本原理： 绳轮摩擦+肢体操作 主要不足： 1.操作困难，不适于老人小孩使用； 2.单考摩擦制动，速度波动大，平稳性差 3. 无法收绳，装置只能使用一次 。 总结后得到现有缓降机有以下缺点： 1. 下落速度不稳定，波动太大，安全性不足； 2. 绝大多数装置无抗冲击模块，安全性无法保证； 3. 对楼房条件要求过高，通用性不足； 4. 对地面影响较大，使用环境受限； 5. 不易固定，难于在普通楼房使用； 6. 收绳问题未能很好解决，不便循环使用； 7. 对使用者有一定要求，有的装置根本不能用于老人和小孩； 8. 材料、加工费用不菲，成本高。
