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创新大赛范本2


普及型高层家用救生器

工程学

石子仪 唐山一中高二 7 班)

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摘要:普及型高层家用救生器是一款适用于高层普通家庭用户的救生 设备,本设计应用了摩擦原理,采用纯机械设备,由一个下降器、一 根安全绳和一个安全带组成,具有操作简单、实用性强、成本低廉、 易于推广等特点。 本设计能够使身处高层火

灾现场的人快速安全的逃 离危险境地,从而可以避免很多悲剧的发生。 关键词:普及型 家用 救生器 一、研究背景 随着商品经济的日益发展和科技水平的逐渐提高,现代化都市的 标志——高层建筑的高度也逐渐增高。 高层建筑的消防安全问题也随 之日益凸显,越来越引起人们的重视。 2008 年 11 月 14 日,上海商学院的一六楼女生宿舍突然起火, 宿舍内的四名女生因没有救生设备,门又因变形无法打开,只能从阳 台跳了下去,全部遇难。当我看到这条新闻时,不禁为这些过早凋零 的生命感到惋惜。她们才刚刚迈过十八岁的门槛,刚刚开始崭新的大 学生活,刚刚体验到世界的美好,就被一场突如其来的火灾夺去了享 受生命的权利。前一秒,也许她们正翱翔在文字的天空,遨游在知识 的海洋,也许她们还贪恋着上海的万家灯火和繁华街道,也许她们还 沉浸在对美好未来的憧憬与期待中,但是,后一秒的这样一场大火, 把她们的似锦前程,她们的雄心壮志,她们的小幸福与小感动,全部 烧成了灰烬!这怎能不让人为之扼腕叹息呢。这样的惨剧还有很多, 经查,2005 年 10 月 25 日下午 2 时 45 分许,福州市台江区广达路世 纪新华都酒店突发大火,5 名住店旅客从着火的 10 楼窗户跳下逃生, 3 人当场身亡,2 人落在楼下一辆面包车顶上摔成重伤。 2005 年 6 月 10 日 11 时 40 分左右,广东省汕头市潮南区峡山街道华南宾馆突 发大火,过火总面积 2800m2,43 间房间遭火焚毁,共计 31 人在火灾 中丧生…… 这是多么令人痛心的悲剧! 我在查阅资料时得到以下这组数据:2008 年我国全年共发生火 灾 13.3 万起,死亡 1385 人,其中居民住宅共发生火灾 5.2 万起,死 亡 968 人,死亡人占总数的 70%;2009 年 1 至 8 月份全国共发生火灾
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89664 起, 死亡 730 人, 受伤 398 人, 其中居民住宅共发生火灾 35430 起,死亡 507 人,受伤 205 人,死亡和受伤人数分别占总数的 69.5% 和 51.5%。表明了高层住宅火灾造成的伤亡占因火灾造成的伤亡的比 重之大。 难道,这么大的世界,就没有可以帮助人们从高层火灾现场逃 生的工具吗?我开始了在互联网上的查询, 发现国内外的相关设计多 达上百种,而且各有各的特点和优势。那么为什么我们的日常生活中 没有它们的踪影呢?一一比对之后,我得到了答案,原来这些设计的 作者为了保障使用者的安全和增加作品的实用性, 将其作品设计的极 为复杂,专业性很强,有的需要预先安装,对于普通百姓来说,熟练 掌握其使用方法就显得尤为困难。 而且, 这些救生器的价格都很昂贵, 是普通百姓所负担不起的,那么这些救生器不被大众接受、不被普及 也就不奇怪了。 当我又见到高层火灾伤亡的报道,我就想如果我能设计一种既实 用又易普及的救生器该有多好。 而这次创新大赛就给我提供了研究的 机会和平台。我就借此开始了我的研究之旅。 上海商学院火灾现场 二、研究过程 在依次检索了世界范围内有关设计之后,我开始了思索:救生器 的主体——下降器的操作性能和安全性能, 是各种救生器设计方案的 不同所在。大部分下降器的构造都很复杂,大体上均由传动系统、稳 定系统、固定系统等组成,大大小小的滑轮齿轮等等多达十几种,又 有轴承、电阻、二极管、阻尼块、阻尼盘等普通百姓闻所未闻见所未 见的装置,非常容易出现故障,造成安全隐患。而且,这些构造复杂 的救生器,价格通常达数千元。可以说下降器的成本,直接决定了整 个救生器的价位。因此,要使救生器既安全、可操作又能普及,关键 在于下降器。这就使下降器的研究,成为整个研究的重点难点。如何 提供一种安全简单便于操作的下降器的设计, 成为整个研究过程中最 大的问题。 在网上搜索的过程中,我发现一种很简单的攀岩设备(如图)。

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它的绳子的缠绕方式非常简单,而且安全性能也很高,是攀岩运 动最普及最常用的一种工具,只不过它是为专业人员设计的,不适用 于普通百姓而已。我便将其绳子的缠绕方式应用于我的救生器,把绳 子按照该方法缠绕在两个可移动的滑杆上, 利用绳子与滑杆之间的摩 擦力使逃生者安全下降。这样就可以抛开那些复杂的零件,将其故障 的发生减少到最少。为了增强其可操作性,我把下降器的外壳设计成 圆筒形,便于手握保持身体平衡和操作控制。 下降器的主体设计好了, 我把图纸交给一家工厂车间去制作实物。 得到实物之后, 我便把在市面上买到的安全系数较高的安全带和安全 绳连接到下降器上,想要试一试我设计出来的下降器的功效。可是在 没有安全保障的条件下,也不能贸然尝试在高楼上试验啊。突然我想 到了单杠等健身器材。于是我拿着我的设备跑到健身器材那里,开始 了试验。我把挂钩挂在高的单杠上,安全带系在身上,双脚腾空,整 个身子就悬在了半空中了。虽然下降器和绳子的摩擦比较大,没有像 预想的那样缓慢匀速的下降,但是救生器承受住了我的重量,发挥了 它的作用,没有让我做自由落体运动,已经是成功了一半了。只要再 把下降器内壁和滑杆打磨光滑,改变缠绕方式,减少一点摩擦力,就 可以让它正常工作了。 在这些工作完成之后,我的辅导教师启发我,如果在主体上再加 一个速度控制的装置,可以使下降器的控制更方便。于是我又开始了 这方面的探索。刚开始,我想用一种类似于飞机操纵杆的手控杆控制 两滑杆之间的距离,从而使阻力增大或减小。但是在试验过程中发现 了操作死角,所以否定了该方案。后来,我通过查阅资料发现有一种 装置叫做偏心轮(如图),

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偏心轮



可以改变它与其它零件之间的距离。我灵机一动,可不可以把偏心轮 应用在我的下降器中呢?只要在偏心轮上安装一个手柄, 通过转动手 柄即可改变两滑杆之间的距离,从而改变其摩擦力的大小,实现速度 的可控。经过多次试验,最终确定了该方案,用偏心轮加手柄,做为 控速装置。 经过长时间努力,一种新型的家用救生器诞生了。但愿它能发挥 应有的作用,拯救更多的生命。这样的话,我也算是为社会的发展尽 了微薄之力。 三、研究成果 普及型高层家用救生器的特点、 原理、 操作及与市面上同类产品的比 较。 1.特点: ①便于操作: 普及型高层家用救生器由安全绳、下降器、安全带组成,下降器 采用纯机械装置,由一个钢制管状外壳、两个滑杆、一个速度控制装 置(其构成部件为两个偏心轮和一个控制手柄)组成。下降过程中, 人只用固定在安全带上,一手抓着下降器,另一手控制控速装置,脚 踩着墙保持平衡。 ②实用性强: 普及型高层家用救生器能够帮助被困火海的人迅速逃生,在火灾 频发的今天,非常具有实用价值。其优良的安全性能、简单的结构、 低廉的成本、便捷的操作都使其比其它同类产品更具有实用性。 ③易于推广: 其它同类设计因零部件较多,成本也很高,一般都在千元以上, 不易普及。而此普及型高层家用救生器结构非常简单,成本就能保持
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在二百元至三百元,这是普通家庭容易接受的,因此,本设计非常易 于推广。而本设计在安全性能上又毫不逊色,据查阅技术数据,安全 绳可负担 400kg, 高空安全带可负担 1500 千克, 下降器可负担 3000kg 重量,总体可以承担 400kg 的重量,而人体重量一般不超过 100kg, 具有较高的安全系数。 2.下降器原理: ①原理

图1 下降器原理可用图 1 来说明。 绕在固定圆柱上的绳子作顺时针方 向运动时,圆柱对绳子产生反方向摩擦力。 由欧拉公式 F1=F2 eμ α 其中:F1 指人体重力 F2 指操纵力 μ 指绳子与圆柱之间的动摩擦系数 α 指绳子在圆柱上的包角 包角越大,对于一定操纵力产生的摩擦力就越大,所以常见结 构是用绳子缠绕在多根圆柱上,由欧拉公式可得,圆柱间距越小,包 角越大,根数越多总包角也越大,所产生的摩擦力也就越大。

②本项目的设计图如下:
绳 子 上端 固 定 速度控制 装置

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滑 杆

滑杆槽

绳子

本项目设计的普及型高层家用救生器的主体为下降器,采用了 摩擦原理,利用摩擦力控制逃生者的下降速度,其独特之处是两个圆 柱设计成可滑动的,利用两滑杆之间的距离越大、绳子与滑杆之间的 阻力就越小的原理设计了控速装置。控速装置采用偏心轮结构,通过 调节两滑杆之间的距离来改变绳子在圆柱包角α 的大小, 从而控制阻 力的大小,使下降器的下降速度实现可控制。当两个圆柱滑杆的距离 最小时, 滑杆之间的挤压力又进一步使摩擦力增加, 可使下降速度实 现最低,保障安全。为了增强控速装置的可操作性,使手柄在松手后 可以自动复位,特意将滑杆的滑动槽设计成倾斜状。如图所示。这种 设计的目的是:人在惊慌失措、忘记操作时,手柄自动复位,使下降 速度变缓不失控,保持安全状态,不至于发生危险。 3.操作: 平时,救生器可以存放在阳台或柜子等取用容易的地方。一旦发 生火灾, 迅速将其取出, 把绳子上端的挂钩固定在室内的固定装置 (如 暖气管道、桌子、床等),把安全带系在腰上,绳子另一端扔向地面, 就可以跳出窗户顺着绳子下降了。下降过程中人面向墙壁,可以一手 抓着下降器,另一手调节控速装置,脚踩着墙体保持平衡。调节控速 装置时,将手柄向下拉动,可使下降速度增大,反之,则减小。若操 作人因惊慌无法调节,下降器也不会因此失控,仍会缓慢下降,不会 造成生命危险。如果出现紧急情况须停止下降,则只需要向下拽下端
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绳子, 即可使下降器暂停下降。 而且, 即使绳子长度不足以到达地面, 也可以下降到离开起火楼层达到安全楼层时再踢开窗户上的玻璃进 入楼体,解下安全带便可从楼梯逃生。此外,还可以在一根安全绳上 连接多个下降器,以便多人同时逃离火灾现场。 4.与市面上同类产品比较 市面上的同类产品种类繁多,应用的原理也颇多,大多数都由众 多零件构成, 有的是提前固定在墙体上, 有的是随逃生者一起下降的, 虽然都能保障使用者的安全,但成本偏高,而且容易出现机械故障。 但本救生器因设计简单,出现故障的可能性很小,而且成本低,又有 良好的安全性能,因此很有推广价值。 四、研究反思及展望 由于技术条件等有限,本普及型高层家用救生器仍有一些缺点亟 待改进。例如钢管可以做的更小,内壁应做防锈处理,打磨光滑,增 加绳索导向槽,减少阻力。 五、结论 本普及型高层家用救生器秉着安全简单实用的原则设计, 作品安 全程度高,实用性强,操作简单,亦能为普通市民接受。本作品成本 控制在 200 元至 300 元,易于普及。 普及型高层家用救生器操作简单、实用性强,与市面上同类型的 产品相比,成本低廉,又能达到救生的目的,保证安全,更能为普通 家庭所接受,有广阔的发展前景,能产生良好的社会效益。’ 六、 创新点: 1.下降器小巧, 直接手握既保持平衡又可防止摩擦伤手。 2.摩擦制动装置设计成可移动的滑杆,结构简单,制作成本低,易于 家庭普及。3.纯机械构造,无需操作。4,零件极少,安全可靠,无 故障隐患,适合家庭使用。5.无需安装,直接使用。6.一根安全绳上 可配多个下降器,满足家庭多人使用。

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参考文献: 中国专利信息网 机械量测量 摩擦学原理 Thomas G.Beckwith 电子工业出版社 2004.7.1 黄平 / 温诗铸 清华大学出版社 2008.9.1 曾平/程光明 吉林工业

回转机械转动惯量和动摩擦力矩测试方法 大学

致 谢: 在此,特意感谢我的指导教师吴明骏老师、方薇薇老师和佘念利 老师,三位老师在我的研究过程中付出了大量的心血,给了我很多切 实可行的建议;耿立志老师也为我的论文创作提了很多建议;还有其 它给过我帮助的老师同学和支持我的父母, 成品的问世也有他们的功 劳。感谢他们的付出。 感谢百忙之中抽岀时间对本作品进行评审的评委老师,谢谢!

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