自动伸缩应急避难装置的机械结构设计与加工制作

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1、自动伸缩应急避难装置的机械结构设计与加工制作摘要本文是参加第五届首都高校机械创新设计大赛的参赛作品自动伸缩应急避难装置的设计与模拟，详细介绍了自动伸缩应急避难装置的创新设计研究与开发。本文对自动伸缩应急避难装置做了较为全面的介绍，介绍了避难装置的基本结构和原理。在设计中运用三维设计软件Pro/ENGINEER Wildfire对避难装置的零部件进行结构造型、装配设计和运动仿真。文中还对自动伸缩应急避难装置的加工制造工艺及调试运行进行了简要的叙述，并提出了该自动伸缩应急避难装置使用维护的注意事项。文末对自动伸缩应急避难装置进行了技术经济分析。本文设计过程参照机械设计手册及国家机械制图标准等。所设

2、计的自动伸缩应急避难装置体现了设计合理、结构先进、选材经济、自主创新、适用范围广等特点，具有一定的市场开发价值。关键词：应急避难装置，结构分析，创新，三维造型VIAbstractThis article is the fifth capital of universities to participate in creative design contest entries - Automatic retractable emergency evacuation device design and simulation, details of the automatic retractable

3、 emergency evacuation device research and development of innovative designs.This installation of automatic telescopic emergency shelter to do a more comprehensive, describing the evacuation device basic structure and principles. Used in the design of three-dimensional design software Pro / ENGINEER

4、Wildfire parts of the refuge unit for structural modeling, assembly design and motion simulation. The paper also automaticallyretractable emergency shelters device manufacturing process and debugging are briefly described, and proposed expansion of the emergency evacuation devices automatically main

5、tain precautions. At last, the automatic retractable emergency evacuation device of the techno-economic analysis.This reference design process and mechanical design handbook mechanical drawing national standards. The design of the automatic retractable device embodies the emergency shelter designed,

6、 advanced structure, selection of economic, innovation, wide range of applications and so on, have some economic value.Keywords: emergency shelter equipment, structural analysis, innovative, three-dimensional modeling目录第一章概述11.1 问题的提出.11.2 应急避难装置的研究状况.11.3 课题来源与研究意义51.3.1 课题的来源51.3.2 研究意义51.3.3 市场前景

7、51.3.4 研究的基本内容6第二章自动伸缩应急避难装置的结构创新设计72.1 自动伸缩应急避难装置的创新功能设计思路72.2 横向平行四边形机构A的设计92.3 纵向平行四边形机构B的设计122.4 铰盖的设计152.5 保护机构的设计16第三章 自动伸缩应急避难装置的强度校核183.1 螺栓杆的抗剪强度计算.183.2 螺栓杆的挤压强度计算.183.3 Ansys受力分析.18第四章自动伸缩应急避难装置的三维实体建模254.1 Pro/Engineer Wildfire的介绍254.2 自动伸缩应急避难装置零部件实体造型.274.3 自动伸缩应急避难装置实体装配模型284.4 自动伸缩应急

8、避难装置的零件图314.5 实物加工图片32第五章自动伸缩应急避难装置的加工345.1 UG 的简介.345.2 UG 加工仿真.34第六章自动伸缩应急避难装置的使用与维护416.1 产品说明书416.2 使用说明416.2.1 用户须知416.2.2 使用方法416.2.3 注意事项426.3 自动伸缩应急避难装置的日常维护和保养426.4 自动伸缩应急避难装置的常见故障及排除42第七章自动伸缩应急避难装置的技术经济分析437.1 自动伸缩应急避难装置的技术分析437.2 自动伸缩应急避难装置的经济分析437.3 自动伸缩应急避难装置的结论与展望43参考文献44致谢46第一章概述1.1 问题

9、的提出地震作为最严重的自然灾害，对国民经济的发展和社会的安定以及人民的生活质量造成了极大的危害。据官方统计汶川地震遇难人数为 69225，受伤人数为374640。玉树地震遇难人数为 2203。尤其是 1996 年唐山地震遇难人数达 242000， 受伤人数为 164000。另外，我国是煤矿的大国，煤碳开采量已达世界第一。但是，由于生产技术落后，矿难时有发生，严重危害了大量弱势群体的生命安全。2009 年 11 月 21 日 黑龙江新兴，108 人死亡。2007 年 12 月 6 日 山西洪洞，105 人死亡。2007年8月 17 日 山东新汶，死亡 181 人 。在矿难和地震等突发性灾难发生时

10、 ，人们会无意识的寻找狭小的避难场所，但往往不能保护人的生命安全。所以我们希望能设计一个应急避难装置：可以在突发性灾难发生时伸展出一个空间，供人们暂时避难，防止被落下的物体砸伤，从而使生命得到保障。1.2 应急避难设备的研究现状现代的避难逃生装置多种多样，各有优点，就现在的地震避难逃生装置做一下简单介绍。1） 地震救生床（如图 1 所示）图 1 地震救生床一种地震救生床，由钢管、角接头和部分钢板按立柱横梁式结构组成，其特征是在该床的前撑上套装并锁紧着带有导槽的前靠，后撑上套装并锁紧着带有导槽的后挡，纵上套装着交错穿插的床侧翻板和带有导槽的导向板，横上套装42着带有锁紧孔的实施板，床的前后横梁的

11、中段焊接着电磁离合器支撑板、电磁离合器就装在该板上、床的前撑和后撑的下部焊有卷簧箱，作为动力的两卷簧分别装在该两箱中，卷簧箱的下面是导向轮组，导向轮组的下面是床底板连接板，带有导槽的床底板通过螺栓与其相连接，前靠和后挡的中心线上各有一中心孔，孔中有一端与蓬盖链板的前端接头相连接，另一端与卷簧相连接的拉索，两块蓬盖链板以其两端的两组导向头组嵌装在相关部件的导槽中，平时，弹簧电磁铁组的铁心穿过实施板的锁紧孔后，又穿过一端与蓬链板尾端接头相连的第二拉索的另一端的锁紧孔、再穿过一端与导向轮组锁索相连的第三拉索的另一端锁紧孔，将蓬盖链板锁紧定位在床侧下，地震时因断电弹簧电磁铁组的铁心会从所有的锁紧孔中拉

12、回，导向轮伸出。卷簧通过与之相连接的拉索会将两块蓬盖链板拉到前靠与后挡的导槽中，通过锁紧扣件在床面上形成一个三角形棚架，与之同时失去了铁心控制的实施板会下翻，引起了以实施板为依托的两床侧翻板也下翻在床面下与两床端端板，床底板一起形成一个床盆，棕绷床面会很安全地落下到该床盆中。本救生床由床身、套装在床身前、后撑上带导槽的前靠、后档、套装在纵梁上的翻板，有导槽的导向板、套装在横梁上有锁紧孔的实施板、装在横梁中段的电磁铁、装在床端底箱中的卷簧、在前靠、后挡中心孔中与卷簧和篷盖链板相连的拉索，有导槽的底板，装在导槽中的篷盖链板等组成。平时篷盖链板由电磁铁锁定在床侧下，与一般睡床一样，见摘要附图，地震时

13、因断电松锁篷盖链板由卷簧经拉索拉到前靠与后挡的导槽中在床上形成棚架，翻板在床下与两端板、底板组成床盆共同抵御打击，实行救生。2） 抗震避难逃生装置（如图 2 所示）图2 抗震避难逃生装置一种抗震避难逃生装置，包括壳体（），壳体（）的壁上设有至少一个通气孔（），壳体（）内设有至少一个应急物品储藏室（），壳体（）的正面设有人员入口，人员入口处设有逃生门（）。当发生地震时，可打开逃生门（）进入到壳体（）内避险，平时则可作为衣柜或床使用。其目的是提供一种平时可作为衣柜或床使用，在发生强烈地震时可以让人们迅速方便的躲避进去安全逃生的抗震避难逃生装置。3） 地震安全防护逃生架（如图 3 所示）地震安全防护

14、逃生架，其为利用拱桥原理及架刚性结构，由钢管以全渗透焊接方式焊接而成，包括顶斜杆、上弦杆、垂直杆、倾侧杆、横杆、端侧杆、拱形杆、端撑杆、侧杆以及承座板，其特征是：上弦杆分别跨接于两相对的垂直杆的端脚处，并共同焊接于一承座板上以为桌脚；拱形杆顶与上弦杆中央并垒焊结； 在上弦杆与垂直杆焊结的交角处焊接有端撑杆并与拱形杆相连结，呈一拱形稳固架构体；又设位于上弦杆中央的横杆为焊接于拱形杆与上弦杆的侧面结合处；在桌体结构的水平面上的交角处焊接有顶斜杆、两桌侧的垂直面上的交角处焊接有倾斜杆而构成为整体桁架拱形结构。图 3 地震安全防护逃生架本实用新型涉及钢架子。解决地震安全逃生问题。由多根钢管按拱桥原理及

15、架刚性结构焊固。两侧设各四根垂直杆、上面设四根上弦杆、再以横杆、端侧杆及拱形杆组成。桌脚底端设有防滑垫，用于地震安全逃生。4）地震避难桌（如图 4、5 所示）一种地震避难桌，涉及逃生装置技术领域，所解决的是现有课桌抗冲击能力差的技术问题。该避难桌包括桌腿和桌面，其特征在于：所述桌腿上端固定安装一矩形框架，其中一组平行框边上固定安装一根横杆；所述桌面由两个旋转单元拼合而成，所述旋转单元包括一块长板、一块短板、一块竖板和一根弹簧，所述长板位于短板上方，其一侧边与短板铰接，该侧边的对侧边与另一旋转单元的长板铰接，所述短板活动安装于框架上，并能沿横杆的轴线移动，所述竖板固定于短板上，所述弹簧套设于横杆

16、上，其两端分别抵住竖板板面及框边，所述框架上设有触动开关，用于卡住或松开弹簧。本实用新型提供的地震避难桌，结构坚固， 抗冲击能力高，可用于地震时临时避难。图 4 地震避难桌图 5 地震避难桌1.3 课题来源与研究意义1.3.1 课题的来源本课题是代表北京石油化工学院参加首都高校第四届机械创新设计大赛的参赛作品。本论文是参赛作品的一部分。由于本届的主题为“珍爱生命，奉献社会”；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”。我们本着逃生避难的目标来设计研究自动伸缩应急避难装置，可作为在地震、矿难等突发性灾难的保护生命的设备，方便人民群众在紧急情况下保护好自己的生命。机械

17、创新设计大赛的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、综合设计能力和协作精神；加强学生动手能力的培养和工程实践的训练；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。因此本人对这项毕业设计充满浓厚的兴趣。1.3.2 研究意义随着世界人口的不断增长和城市化速度的加快,地震灾害问题在社会中越发显得突出, 地震作为最严重的自然灾害，对国民经济和社会的可持续发展、人民生活质量的提高以及国家安全的影响是巨大的。据官方统计汶川地震遇难人数为 69225，受伤人数为 374640。玉树地震遇难人数为 2203。尤其是 1996 年唐山地震遇难人数达 242000，受伤人

18、数为 164000。另外，我国是煤矿的大国，煤碳开采量已达世界第一。但是，由于生产技术落后，矿难时有发生，严重危害了大量弱势群体的生命安全。2009 年 11 月 21 日 黑龙江新兴，108 人死亡。2007 年12 月 6 日 山西洪洞，105 人死亡。2007年8月 17 日 山东新汶，死亡 181 人 。在矿难和地震等突发性灾难发生时 ，人们会无意识的寻找狭小的避难场所，但往往不能保护人的生命安全。我们希望能设计一个应急避难装置：可以在突发性灾难发生时伸展出一个空间，供人们暂时避难，防止被落下的物体砸伤，从而使生命得到保障。1.3.3 市场前景地震灾害问题在社会中越发显得突出, 地震作

19、为最严重的自然灾害，对国民经济和社会的可持续发展、人民生活质量的提高造成极大危害。另外我国作为煤炭生产的大国，煤炭开采量已达世界第一，但由于生产技术极为落后，致使煤矿坍塌时有发生，矿难对大量弱势群体的生命造成了严重的危害。目前我国的应急避难装置还比较缺乏，现有的避难装置也都是价格不菲，而我们设计的自动缩放应急避难装置采用 40 号刚，成本低廉又能保证强度。在矿难和地震等突发性灾难发生时 ，自动缩放应急避难装置可以在上述突发性灾难发生时伸展出一个空间，供人们暂时避难，防止被落下的物体砸伤，从而使生命得到保障。1.3.4 研究的基本内容本人研究的内容为自动伸缩应急避难装置的总体就够设计，本文的设计

20、目标如下：（1） 具有自动伸缩功能，占地小，运输携带方便。（2） 机构简单、承载能力强，受力均匀。（3） 具有自动识别的功能。在机械结构上增加了驱动部分和电路控制系统，装置由电机驱动，而控制系统控制电机的正反转，从而实现装置的伸展和收缩。本课题研究的内容宽泛，涵盖了各类跨学科知识，综合性强、实践意义突出。第二章自动伸缩应急避难装置的结构创新设计2.1 自动伸缩应急避难装置的创新功能设计思路现有的应急避难装置如地震救生床、抗震避难逃生装置、地震安全防护逃生架、地震避难桌等都存在着缺陷；比如救生床的缺陷为该装置会自动识别，只有在断电的情况下才会自动打开，这样就会有 2 个问题，第一就是轻微地震，已

21、经有物体开始掉落，可是还没有断电，该装置就无法启动，也无法保证人的生命安全；第二，平时的日常生活也会出现断电的情况，所以在平时生活中，一旦断电， 该装置就会启动，人们还需要时间去把它调回原来的状态以备地震时的使用。抗震避难逃生装置平时可以当做衣柜使用，可这也是它的缺陷，一旦地震等突发性灾难发生，该装置内存有大量的衣物，人们很难躲进该装置避难，如果该装置内不存放衣物，那该装置平时也没有其他的作用，还要占据很大的面积。地震安全防护逃生架在日常生活中没有其他的用途，而且占地面积大，加工要求精度高。这样该装置的成本也会很高，无法普及。参考这些应急避难装置，设计一种可以折叠的装置，这样就方便运输和储存，

22、 而且该装置在展开后要机构简单、承载能力强，展开后受力均匀，要有自动识别的功能，可以在地震时自动展开出一个空间可供人们避难。根据这些，查阅相关的资料并借鉴机械模型，所借鉴的模型采用平行四边形机构，可以伸缩，经过测量，模型截面展开和伸缩时的内径比约为 5：1，外径比约为 1.25:1。可见其外径的变化很小，但其内径的变化确很大。通过咨询老师，认为平行四边形机构运动灵活，可以折叠，而且受力均匀，承载能力大。很适合做折叠避难装置，所以最后选用平行四边形机构。图 6横向连接杆示意图采用平行四边形机构可以实现装置的缩放。模型中有 2 种连接杆，根据这 2种杆的形状及其孔的位置，将其放大 3 倍，但这样得

23、出的杆的长度都不是正数， 角度也不是整数，这样不方便加工制造，因为设计的应急避难装置要制作出成品， 考虑到最后的加工和装配，装置需要很高的加工精度，所以对杆件进行了改良， 把杆的长度都设计成整数，角度也设计成整数。这样就方便加工制造。但由于对杆件的尺寸进行了修改，很可能最后无法装配出一整个圆。经过对模型的研究， 发现模型中有 8 个平行四边形机构，这样每个平行四边形机构对应的角度应为45 度。所以将所设计的杆先在 Pro/E 中绘制出三维模型，然后装配，再测量设计的平行四边形机构的角度。第一次所设计的杆 AB 段过长，无法满足这个角度的要求。于是将 AB 段改短，但ABC 的度数又大了，仍然无

24、法满足角度的要求。经过若干次的调试，终于可以满足角度要求。AB 段长度为 120mm，BC 段长度为 100mm。ABC 的度数为157 度。这样由四根连接杆组成的平行四边形机构就在任意时刻角度均为 45 度。由 8 个平行四边形机构就可以组成一整圈标准的圆。这样 4 根连接杆 A 组成一个平行四边形机构 A，4 根连接杆 B 组成一个平行四边形机构 B, 平行四边形机构 A 用来实现装置的截面积的变化，平行四边形机构 B 用来实现装置纵向的尺寸的变化。这样 2 种平行四边形机构就可以实现装置的伸展和收缩。又设计一种铰盖，用来连接 2 种连接杆，这样就由着 3 种零件组成了一个形状像“桶”的应

25、急避难装置。在发生地震等突发性灾难时，人们可以躲进“桶”的内部避难，防止被倒下的重物砸伤，从而保证人的生命安全。由于做的是应急避难装置，主要是在突发性灾难发生时可以提供一个空间用来保护人的生命安全。装置现在只是一个架子，中间还存在着空隙，在灾难发生时，会有重物从空隙中插入装置，会对装置内的人造成很大的伤害。所以又对装置进行了优化设计。主要是设计一个保护机构，保护机构的一端焊接在铰盖上，另一端上装有高强度的防护缓冲材料。这样就能把整个的装置都包裹在防护缓冲材料里，这样就可以更好的保护人的生命安全。下面将介绍我所设计的横向连接杆 A、纵向连接杆 B、铰盖和保护机构。2.2 横向平行四边形机构 A

26、的设计图 7平行四边形机构 A 示意图图 8 连接杆A 示意图图 9 横向连接杆 A 工程图平行四边形机构 A（如图 7 所示）由 4 根连接杆 A 组成，4 根连接杆 A（见图 8 、9 所示）用螺栓连接。平行四边形机构 A 的夹角始终为 45（见图 10 所示），这样由 8 个平行四边形机构就组成了一圈 360的圆周。图 10平行四边形机构 A 的夹角图 11 平行四边形机构 A 原理示意图经过计算及验证（见图 11 所示）：平行四边形机构 A 在任意时刻夹角都为固定值（45），这样保证了一周 8个平行四边形能够组成 360整圆。证明如下：连接杆 AOF（黑色的杆）与 BOC（绿色的杆），

27、因为连接杆 AOF 与 BOC 的长度相等（AO=BO,OF=OC）而且AOF=BOC,所以上图中，连接杆 BOC 相当于是连接杆 AOF 绕点 O 旋转了一定的角度，所以AOB=COF.又因为 AO=BO,OC=OF，所以OAB=OBA, OCF=OFC,综上几点，可以推导出三角形 AOB 与三角形 COF 相似，所以OAB=OBA=OCF=OFC。图中蓝色的杆件为连接杆 BOC 转到的另一个位置（HOI），要想证明四杆机构在任意位置夹角都为固定值，只需证明AEC=AGF。所以需要证明GAE=GFE。又GAE=GAO-EAO ；GFE=EFO-GFOEFO=ECO+FOC=180-OFC=1

28、80-ECO又根据前边的证明，可以知道，三角形 AOH 与三角形 OCI 相似，且OAH= OHA=OIF=OFI.所以 GAO+GFO=180所以，GAE=180-GFO-EAOGFE=180-GFP-EAO可以推出，GAE=GFE所以，平行四边形 A 在任意时刻夹角都为固定值，保证了其在任意时刻都为圆形，受力均匀且伸展灵活。如图 所示，连接杆 A 为弯曲的杆，杆上有 3 个孔，分别用来与另外的连接杆 A 和铰盖连接。杆的尺寸是根据装置的大小来定的，所以只要满足平行四边形的角度要求，修改杆的尺寸，即可实现装置的体积的变化。2.3 纵向平行四边形机构 B 的设计图 12 平行四边形机构 B 示

29、意图图 13 纵向连接杆 B图 14 横向连接杆 B 工程图纵向平行四边形机构 B（如图 12 所示）由 4 根连接杆 B（如图 13、14 所示） 组成。纵向的连接杆也是参照模型所设计的。连接杆 B 与连接杆 A 的不同之处就是中间孔的位置，连接杆 A 的中间孔是在折弯处(B 处)，而连接杆 B 的中间孔则在杆长的一端，靠近 A 端。为了使装置在折叠时的纵向高度最小，所以连接杆在装配时要向内弯曲，这样才能保证折叠后的纵向高度最小。而且中间孔在 B 点， 这样使得折叠后的尺寸更小，也不会影响展开后的高度。所以采用这种设计，这样的设计使得平行四边形 B 在折叠时的纵向尺寸更小，而展开时的高度也大

30、。下图为 2 种连接杆连成的平行四边形机构的展开和伸缩时的对比图（如图 15、16、17、18 所示）。图 15 平行四边形机构 B 折叠状态图 16 平行四边形机构 B 展开状态图 17 平行四边形机构 A 折叠状态图 18 平行四边形机构 A 展开状态纵向的平行四边形机构B由4 根连接杆 B 组成，每一圈有 8 对铰盖组成， 所以有 8 个纵向的平行四边形机构 B 与铰盖连接。两两对应的铰盖间距为最大值时，纵向平行四边形机构 B 处于收缩状态。两两对应的铰盖间距为最小值时，纵向平行四边形机构 B 处于展开状态。横向的平行四边形机构 A 和纵向的平行四边形机构 B 通过铰盖连接后，形成一个可

31、自由伸缩的筒状结构，将装置水平放置后，无论是居家或在井下，灾难发生时人们躲入内部，可防止重物的砸伤（见图 19、20 所示）。图 19 装置总体示意图图 20 装置总体工程图2.4 铰盖设计图 21 铰盖示意图图 22 铰盖工程图为了连接 2 种连接杆，又设计了 1 种铰盖（如图 21、22），用来连接 2 种连接杆。在设计铰盖的形状时，考虑到以下几点。第一，为了方便加工，铰盖要设计成对称的。第二，在装置折叠时，铰盖是相互靠在一起的，为了不产生磨损， 所以铰盖要设计成方形的。第三，铰盖是用来连接杆件的，所以铰盖上需要打孔， 根据前边的受力分析可知，用来连接铰盖与连接杆的螺栓为 M5，又需要考虑

32、铰盖的强度，所以需要在打孔处留出更多的位置，以保证铰盖的强度。第四，铰盖上还需要安装驱动的丝杠、电机、自锁装置和限位装置，所以铰盖的中间还需要使用。根据这些，我设计的铰盖如图所示。尺寸为 60*60*30。铰盖中突起的部分的高度为 15mm，四角的突起是四个正方体，在其一面的正中位置打孔，这样就保证了铰盖的强度。中间的部分也可以利用，比如打孔安装驱动电机、丝杠、限位开关和自锁机构等。2.5 保护机构的设计如图 23、24、25 所示，保护机构焊接在铰盖上，机构上有 4 个直径为 5 的孔，套有内螺纹，可以和螺栓连接。防护缓冲材料我们选用的是玻璃纤维，将玻璃纤维上打孔，玻璃纤维分别于左右 2 侧

33、的保护机构相连接，这样就有 4 块玻璃纤维围住装置，然后用螺栓将玻璃纤维固定在保护机构上，这样就能起到保护作用。保护机构上的突起圆柱还可以套一些有缓冲的作用的海绵等。图 23 保护机构图 24 保护机构焊接在整体结构上图 25 保护机构焊接在整体结构上玻璃纤维简介（如图 26 所示）玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料。英文原名为：glass fiber或fiberglass 。成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺。最后形成各类产品，玻璃纤维单丝的直径从 几 个微米到二十几米个微米，相当于一根头发丝的 1/2

34、0-1/5 ，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成，通常作为复材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等，广泛应用于国民经济各个领域。作为补强材玻璃纤维具有以下之特点： (1)拉伸强度高，伸长小(3%)。 (2)弹性系数高，刚性佳。(3)弹性限度内伸长量大且拉伸强度高，故吸收冲击能量大。(4)为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳。(5)吸水性小。 (6)尺度安定性，耐热性均佳。(7)加工性佳，可作成股、束、毡、织布等不同形态之产品。(8)透明可透过光线.(9)价格便宜。图 26玻璃纤维示意图第三章 自动伸缩应急避难装置的强度校核装置在展开后，铰接处连接件受到剪切力，所以采用受剪螺栓

35、连接铰制孔用螺栓，根据尺寸，选择 GB M5 X 35（A 级），六角头。采用 40 号钢，下面进行强度校核。3.1 螺栓杆的抗剪强度计算螺栓杆的抗剪强度条件：4 F Ssp m d 2 t 其中：Fs是剪切力，m是接触面个数，d s是螺杆半径， t 是许用剪切应力。Fp md 2 t sS 4其中：m=1，d=5 ， t =s s = 335MPa = 134MPasss2.5所以,Fs 2631.1N3.2 螺栓杆的挤压强度计算挤压强度条件：Fs dsh s ps其中：d =5，h=8， s p = 335所以F s d shsp =1.255 8 335 1.25 = 10720 N综上

36、所述， Fs 2631.1N3.3 Ansys 受力分析3.3.1 Ansys 简介ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。3.3.2 ANSYS 软件提供的分析类型1. 结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS 程序中的静

37、力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。2. 结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。3. 结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS 程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。4. 动力学分析ANSYS 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时

38、，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。5. 热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。6. 电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。7. 流体动力学分析ANSYS 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为

39、瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。8. 声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。9. 压电分析用于分析二维或三维结构对 AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进

40、行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；3.3.3 Ansys 受力分析过程图 27 Ansys 导入模型（1） 用 UG 建模后，保存为 IGES 格式文件，导入 ansys。（如图 27 所示）（2） 设置单元类型 BEAM188（见图 28 所示）图 28 设置分析单元（3） 设置杆件的截面参数（见图 29 所示）图 29 设置杆件的截面参数（4） 设置材料参数（见图 30 所示）。材料信息材料： = Iron_40材料属性：

41、材料类型：各向同性质量密度7.192e-006 kg/mm3杨氏模量1.262e+008 mN/mm2(kPa)泊松比0.25热膨胀系数1.08e-005 1/C导热性52000 mW/mm-C比热4.47e+008 microJ/kg-K图 30 设置材料参数（5） 自动划分网格（见图 31 所示）图 31 自动划分网格（6） 添加约束，施加载荷。约束为地面支撑，共有 32 个节点受力，大小均为400N。（见图 32 所示）图 32 添加约束与载荷施加（7） 后处理并得到结果（见图 33 所示）图 33后处理结果云图（8） 选择危险单元和节点进行受力分析，单元 50 和 13 在节点 13

42、的受力分别为：FXFYFZ（KN）单元 130.96853-2.1139-0.0047825单元 50-0.337870.22221-0.0002627所以 XOY 面上的总受力为 2.0KN 2631.1N。所以安全。下面分析单个危险杆件的受力情况。（1） 首先，将 PRO/e 中的杆件保存为 IGES 格式的文件，再导入 UG 中，在 UG 中进入高级仿真，新建 FEM 和仿真，选择 ansys。（2） 填写材料属性，分 3D4 面体网格，单元类型选择 SOLID92,自动划分网格。（如图 34 所示）图 34 划分网格（3） 在各点添加约束和载荷。（如图 35 所示）图 35 添加约束（

43、4） 求解并自动生成 INP 文件，用 ansys 导入该文件，直接求解，后处理。得出个各个节点应力。最大应力值为 329.54MPa，40 号钢的屈服强度为 335MPa， 所以安全。（见图 36 所示）图 36 单杆受力云图第四章自动伸缩应急避难装置的三维实体建模4.1 Pro/Engineer Wildfire的简介Pro/E（Pro/Engineer 操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称 PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可

44、和推广，是现今最成功的 CAD/CAM 软件之一。Pro/E 第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。1. 参数化设计和特征功能Pro/Engineer 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的

45、基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。2. 单一数据库Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与

46、工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高， 产品能更好地推向市场，价格也更便宜。Pro/Engineer 是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型 棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然， 更直观，无需采用复杂的几何设计方式

47、。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不像其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变， 其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印机。Pro/Engineer 还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer 软件的其它模块或自行利用C 语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块) 具有大

48、部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer 功能如下：1. 特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；2. 参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；3. 通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。4. 支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列， ProPROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等)。5. 贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动

49、都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 ProENGINEER 的基本功能。4.2 自动伸缩应急避难装置的零部件实体造型图 4-1 连接杆 A图 4-2 连接杆 B图 4-3铰盖图 4-4 套筒图 4-5 螺栓图 4-6 螺母图 4-7 快速接头下部图 4-8 快速接头上部图 4-9 丝杠图 4-10 丝杠螺母图 4-11 保护机构4.3 自动伸缩应急避难装置的实体装配模型图 4-12 横、纵向装配示意图图 4-13机构展开示意图图 4-14 机构折叠示意图图 4-15 保护机构示意图图 4-16整体结构示意图4.4 自动伸缩应急避难装置的工程图图 4-17 整体结构工

50、程图4.5 自动伸缩应急避难装置的实物加工图片图 4-18 四杆机构实物图图 4-19 铰盖实物图图 4-20 机构折叠实物图图 4-21 机构展开实物图第五章 自动伸缩应急避难装置的加工与调试5.1 UG 的简介来自 UGS PLM 的 NX 使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。 NX 包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。为了真正地支持革新，必须评审更多的可选设计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中

51、所获得的知识更早地做出关键性的决策。NX 是 UGS PLM 新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。 NX 独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。 NX 可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。NX 建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新， NX 的成功已经得到了充分的证实。这些目标使得 NX 通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的

52、过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中。5.2 UG 加工仿真使用 UG 软件对装置的零件进行加工仿真。生成 G 代码，可以导入数控铣床， 这样可以用数控铣床加工零件，这样加工效率高而且加工精度高。下面我简单说明我用 UG 制作零件的加工1. 创建程序并修改名称2.修改坐标、设定安全距离图 37 创建程序图 38 修改坐标、设定安全距离3. 指定部件、毛坯、修改参数图 39 指定部件、毛坯、修改参数4. 创建刀具并修改名称、参数。图 40 创建刀具5. 创建方法并修改部件余量6. 创建操作图 41创建方法7. 生成轨迹图图 42创建操作8. 加工仿真图 43生成轨迹9. 后处理生成 G

53、代码图 44 加工仿真图 45后处理生成 G 代码所有的零件设计校核完成后，从网上订购了铝条，将铝条切成一段一段的铝杆，然后将铝杆一端夹在台虎钳上，另一端套上钢管，弯曲铝杆，最后定孔的位置打孔，由于加工的设备有限，只能尽量保证加工的精度。铰盖的加工先用软件生成加工程序，然后用数控铣床加工，这样就保证了加工精度。由于连接杆与连接杆之间有 10mm 的间隙，所以又买来塑料管，将塑料管剪成 10mm 一段的短管， 用来当套筒。装置主要靠螺栓连接，所以买来 M5 的螺栓。将铰盖与连接杆装配， 组成一整个圆。由于加工精度不高，装配后会有一点的误差，无法组成一个一个标准的圆。而且用铝，模型过重，考虑到要使

54、用电机驱动，电机又不能过大，所以很可能模型无法展开，所以决定换材料，最后选定亚克力（有机玻璃）作为模型的主要材料。从网上订购了亚克力板，然后将板子切成杆件，通过加热器使其软化，然后弯曲变形。为了保证弯曲的精度，制作了一个模板，然后将弯曲的杆放入模板中，等杆件冷却后,再将其拿出，这样就可以保证精度，然后打孔。根据孔的定位尺寸，找准位置，然后打孔，以保证精度。铰盖的材料也改为有机玻璃，考虑到有机玻璃的强度，可能数控铣床无法铣出，可能在铣的过程中，就会出现断裂。所以想到将突起的部分线切成一个个小块，然后粘在线面的快上。可是这样无法保证铰盖的强度而且增大了工作量。所以通过咨询数控铣床的师傅，师傅告诉我

55、们铣应该没问题，就都用数控铣床加工铰盖。所有的零件加工完成后， 开始装配。经过几周的努力，制作的装置可以装成一个圆，而且装置的重量也减小了。机构部分完成后，为模型装驱动部分，为了保证强度，将驱动部分连接的铰盖换成先前制作好的铝制铰盖，把这 2 个铰盖的中间打孔，然后安装电机、丝杠、丝杠螺母，联轴器。电机和丝杠螺母是焊接在铰盖上的，这样电机旋转就可以带动丝杠旋转，丝杠旋转使得丝杠螺母带动铰盖发生轴向运动，以实现装置的伸展和收缩。初步做的驱动部分只能是模型展开，而无法自动缩回原为，为了增加这个功能就有买了开关、继电器等元器件。又增加了限位开关。这样模型在展开到一定位置后就会自动停止，这样就不会对模

56、型产生破坏。在模型上安装自锁机构，自锁机构是从五金店买的快速接头（如图 46 所示）。图 46快速接头由于装置叫自动伸缩应急避难装置，所以装置应该有自动识别的功能，于是从网上查找各种开关、继电器等。最后买了一个震动开关（如图 47 所示），这个开关原理很简单，有一个圆筒，为连接时，桶内的球在 A 侧，需要连接时，只要摇晃圆筒，桶内的球会跑到 B 侧，这时线路就连接上了，但球离开 B 侧后，有会断开，所以需要增加了一个继电器，该继电器与震动开关串联，继电器的开关又与振动开关并联，这样就可以实现继电器的自锁(如图 48 所示)。装置就具有了自动识别的功能。图 47 振动开关图 48继电器自锁第六章

57、自动伸缩应急避难装置的使用与维护6.1 产品说明书自动缩放应急避难装置，主要由铰盖、连接杆 A、连接杆 B、电机、螺栓、螺母、套筒、丝杠和自锁装置快速接头组成。由 4 根连接杆 A 所组成的平行四边形机构 A 用来实现装置截面方向的伸缩，由 4 根连接杆 B 所组成的平行四边形机构 B 用来实现装置纵向的收缩。电机放到设备外圈的某个铰盖上，电机旋转带动连接在铰盖内侧的丝杠转动，电机的运动使得 2 个铰盖的间距增大或变小，从而带动连接杆运动，以实现装置的伸展和收缩 。每一周选择均布的 8 对铰盖在相对的内侧安装快速接头，以便装置伸展后各连接杆依靠快速接头实现自锁，快速接头使各连接杆与铰盖形成具有

58、较强抗压能力的装置，可在矿难发生时或地震中房屋倒塌时成为人们的紧急避难场所。本装置机构设计独特，启动迅速，整体造型构思巧妙，选择适当的材料后设备抗压能力较强，能够保证人身安全，并且操作简易成本低廉，可在危机时刻成为人们的紧急避难场所。6.2 使用说明6.2.1 用户须知本装置为自动应急避难装置，在地震或矿难等突发性灾难发生时可提供一个场所供人们避难。该装置在平时处于折叠状态，这样便于运输和存贮。该装置由电瓶提供电源，不用外接其他电源。本装置有 2 个开关，一个为手动开关，当人们按下手动开关后，装置会自动打开。另一个为震动开关，应为该装置为有自动识别功能，当装置受到过大震动时，装置会自动展开，这

59、样在运输途中装置就有可能受到过大震动，这时装置就会自动打开，这样就不方便运输，所以该装置有一个振动开关，在运输到指定地点后，装置不再会被移动，这时人们按下震动开关，这时装置就启动自动识别的功能，当人们想移动该装置时，只需关掉震动开关，再将其移动即可。6.2.2 使用方法当地震或矿难等突发性灾难发生时，人们可以按下开关，装置自动展开，人们可以躲进装置内避难；当灾难发生时，人们来不及区按下开关，这时，由于装置有自动识别功能，所以装置会自动打开，人们就可以直接躲进装置内避难而不用再去按开关。这样更加人性化。6.2.3 注意事项1.安全检查装置平时处于折叠状态，所以在使用前，需要见车个螺栓是否有松动，

60、若有松动，要及时筋骨，以保证其可以正常使用。用户还需要测试装置的 2 种启动方式是否可以正常启动。具体步骤如下 1.用户先按下开关，看装置能否自动展开， 若不能则需要检查装置的线路和电瓶；2.用户将装置放好，然后按下震动开关， 再摇晃装置，看装置能否自动展开，若不能则需要检查装置的线路和电瓶。装置展开后的体积会变大，所以装置不应放在狭小的地方，以免装置无法打开。2. 严禁擅自修改电气部分尤其是控制电路和控制器，不要在没有专业人员指导下拆卸，更严禁对装置的卵子修改，防止不必要的麻烦和损坏。应该到专业的销售部门检修。6.3 自动伸缩应急避难装置的日常维护和保养定期检查装置，并留意机件的性能，可以防

61、止有故障。装置由电瓶提供电源， 所以要定期检查电瓶是否有电。电瓶充电后，需要注意电瓶与装置的线路连接， 要连接牢固，不能只是将导线挂在电瓶上，更不能接错电瓶的正负极。电瓶要定期充电，一般为半年一次。6.4 自动伸缩应急避难装置的常见故障及排除装置有可能在运输途中有元器件连接不牢固，发生断裂，所以需要检查装置的电控线路。若有连接处断开现象，需要将其断裂处连接好。装置主要零件由螺栓连接，所以要注意螺栓是否松动，若有松动现象，需要把松动的螺栓拧紧。以保证装置的正常使用。第七章自动伸缩应急避难装置的技术经济分析7.1 自动缩放应急避难装置的技术分析自动缩放应急避难装置中的零件都是我们自己在学校加工的，铰盖用的数控铣床铣的，精度高。连接杆我们用的锯床锯的，精度不高，在工厂大批量加工时， 可以也用数控铣床铣出或者制作一个模具，这样方便大批量的加工。我们的自动缩放应急避难装置的零件只要是在精度要求范围内就可以很方便的装配，装配后的结构强度也能满足要求。7.2 自动缩放应急避难装置的经济分析地震灾害问题在社会中越发显得突出, 地震作为最严重的自然灾害，对国民经济和社会的可持续发展、人民生活质量的提高造成极大危害。另外我国作为煤炭生产的大国，煤炭开采量已达世界第一，但由于生产技术极为落后，致使煤矿坍塌时有发生，矿难对大量