华北电力大学机械创新设计大赛书.doc

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。

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目 录
华北电力大学机械创新设计大赛章程 1
作品展示
I 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 43
IX一种高空逃生柔性滑道 60
X 便携式水面救援器 65
I多功能生命保障器 73
II简易人工破冰除雪车 77
III汽车速度自减装置 80
IV可供多人使用的高楼缓降逃生器说明书 90
V用于高层建筑失火时的循环逃生机 93
VI组合式床梯 97
VII避难之星 101
VIII高楼控速逃生器 107
IX矿难逃生高度计 110
X实用轻型铲雪车 123
XI新型火灾消防应急设备 130
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 140
华北电力大学第二届机械创新设计大赛报名表 142
华北电力大学第二届机械创新设计大赛奖励办法 145
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 146
华北电力大学第二届机械创新设计大赛流程 147
华北电力大学第二届机械创新设计大赛评分表 148
华北电力大学第二届机械创新设计大赛获奖名单 149
华北电力大学第二届机械创新设计大赛总结 151
参赛感言 155

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 总则
第1条 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：⑴ 由评审委员会进行初审；⑵ 学校大赛。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 组织机构及其职责
第8条 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：⑴ 审议、修改大赛章程和评审规则；⑵ 协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；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 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成。
第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，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 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 参赛资格和作品申报
第13条 参赛对象为当年我校正式注册的本科生。
第14条 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 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 作品评审与奖励
第16条 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 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 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 作品展览、交流与转让
第19条 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。
第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 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 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 附则
第23条 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 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 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。

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。
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)
=0 P(x-3l)=(x-3a)
P(0.22-0.9)=(0.22-0.66)
M

-0.68P=-0.44
=1.545P
=P

=-0.545P
=0
=
=0.64

α=50.13º=50º
=1.192
==1.296P
=-1.296P
=2P M+0.3P=?
M=-0.04P
=-0.04P+0.22*(-0.545P)=0.12P-0.04P=0.08P
σ=
中心线
正方形薄壁杠 =
?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µ=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为轮子与扶手的摩擦力。故：
故列式：
M=125kg, G=125*9.8N=1225N
Fn1+Fn2=1060.85N,
G1=G*sin30°=612.5N，
F总= Ff1+Ff2+Ff3
G1-F总=Ma=0,
故：F总=G1=612.5N,µF闸=F总
得：F闸=F总/µ=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，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。
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：
　　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。
图1
　　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。
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
2

1

3

5

6
[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
安装锁套处
杠杆
外盖板
楔形块
导块
绳子
安装测速仪处
[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。
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。
1
2
3
4
6
[1]轴 [2]内盘

[3]外壳 [4]滑动金属块

[5]报警器 [6]电源

5
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）。
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。
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，
则==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/(μ*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：
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：
[1]崔永军 杜冬梅．工程制图[M] 北京：中国电力出版社，2006．9
[2]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1999．6
[3]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 2006．5

III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：
厚度：s=2.5
截面面积 F=2.14
重量：G=1.68㎏/m
==1.86
==1.49
2、 螺栓选择
选用GB 5780-86 M8×60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=5000N F
3、 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=5000N

（2） 踏板
一个人踩在踏板上，踏板所能承受的弯曲应力（图三·2）

（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： 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：
（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：

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：

（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：
与水平呈角：
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.

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。
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，轴4上装有一个小齿轮和一个扇叶，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。
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：
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。
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 梁敏 卢甜甜
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