城軌逃生門梯畢業(yè)設(shè)計論文

1、南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 南 京 工 程 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作者： 徐海市 學(xué) 號： 201030132 院(系)部： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化（機(jī)械設(shè)計）題目： 18º坡梯運(yùn)動分析及強(qiáng)度校核 指導(dǎo)者： 單玉兵 工 程 師 戴祖信 高級工程師 李 鋼 講 師 評閱者： 2007 年 6 月 南 京- 2 -南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要最近15年來，全球地鐵事故發(fā)生不斷，造成了許多悲慘的事故。根據(jù)全世界的地鐵重大事故的經(jīng)驗和教訓(xùn)，乘客沒有得到快速、及時、安全地疏散是造成嚴(yán)重后果的重要原因。所以，乘客快

2、速、及時的安全疏散是整個地鐵安全體系中極其重要的內(nèi)容。現(xiàn)行設(shè)計的新式18º坡梯采用平板式蜂窩踏板，其與地面的夾角小，在保證強(qiáng)度的同時便于人員的奔跑逃生，可以加快緊急事故下的人員疏散速度，避免更多傷亡。本文從設(shè)計學(xué)的角度，利用功能的原理論述了整個坡梯的設(shè)計過程，結(jié)合三維軟件的仿真功能，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的，縮短了設(shè)計周期，節(jié)約了成本。關(guān)鍵詞：地鐵事故；安全疏散；18º坡梯；三維仿真畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要Title Operation Analysis and Strength Verification of 18ºRampAbstrac

3、tIn the recent 15 years, the occurrence of the metro accidents in the world has brought about many tragic consequences. In accordance with the experience and lesson learned from those accidents, the fact that the passengers havent been evacuated immediately and safely is the main reason for the acci

4、dents. Therefore, it is the major and most important part in the metro safety system to evacuate the passengers quickly and timely. The 18° ramp under design has applied the flat honeycomb step, where the angle with the ground is very small so that it features both great strength and the conven

5、ient evacuation of the people. In this way, people can be evacuated as soon as possible in emergent accidents avoiding more injuries. Considering in terms of designing and making use of the function theory, this report discussed on the whole design of 18°flat ramp steps integrated with the thre

6、e-dimensional software mode-building during which process the deficiency and shortage of the design will be found out timely so as to optimize the design, shorten the design period and save the cost of manufacturing.Key words: metro accidents；safely evacuate；18°ramp；3-D simulation目錄前 言1第一章 緒論21

7、.1城市軌道交通發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢簡介21.2本產(chǎn)品研究的意義41.3本論文研究的內(nèi)容5第二章 機(jī)械設(shè)計學(xué)簡介72.1設(shè)計與科學(xué)研究72.2近代設(shè)計學(xué)的重大發(fā)展72.3機(jī)械設(shè)計概述8第三章 坡梯的結(jié)構(gòu)設(shè)計103.1原有坡梯結(jié)構(gòu)簡介103.2緊急疏散梯結(jié)構(gòu)分析113.2.1原有數(shù)據(jù)分析113.2.2形態(tài)學(xué)矩陣12第四章 18º坡梯結(jié)構(gòu)的確定164.1總體方案的確定164.2踏板結(jié)構(gòu)及尺寸的確定164.2.1、一級踏板結(jié)構(gòu)形式的確定174.2.2、二級踏板結(jié)構(gòu)形式的確定184.2.3、三級踏板結(jié)構(gòu)形式的確定184.3坡梯側(cè)板與蜂窩接口的確定184.4關(guān)節(jié)點軸結(jié)構(gòu)的確定20第五章

8、應(yīng)力的計算與分析215.1節(jié)點力計算215.2solidworks和COSMOSWorks簡介265.3有限元分析27第六章 強(qiáng)度的校核及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化306.1材料應(yīng)力的校核306.2剛度的校核306.3空氣彈簧的選擇326.4結(jié)構(gòu)的優(yōu)化336.4.1四邊形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化336.4.2坡梯變形量的優(yōu)化33第七章 結(jié)論35參考文獻(xiàn)36致 謝37- IV -南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）前 言隨著城市的不斷發(fā)展，城市的交通也越來越發(fā)達(dá)，越來越擁擠。為了緩解城市交通的巨大壓力，地鐵交通憑借其客運(yùn)量大、環(huán)境污染小、能源利用率高等一系列優(yōu)點，并以其快速、安全、便捷等技術(shù)優(yōu)勢成為解決城市交通問題的首選方案。

9、是城市交通結(jié)構(gòu)中不可或缺的組成部分, 它極大地緩解了大、中城市擁堵的交通，降低了地面主要干道的壓力,滿足了城市化要求。我國目前有北京、上海、廣州、武漢、深圳、南京、長春、大連等近30座城市醞釀新建或擴(kuò)建城市軌道交通項目。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，“十五”期間，國內(nèi)軌道車輛需求將超過2000列，對緊急疏散門系統(tǒng)的需求超過4000套。地鐵的發(fā)展正在不斷地壯大！由于緊急疏散門系統(tǒng)是城市軌道列車主要的逃生系統(tǒng)，也是其必備的逃生系統(tǒng)。目前，18º坡梯已在國外地鐵中廣泛使用，而我國現(xiàn)行使用的是大多是舊式的與地面成約45º的臺階式坡梯，而少部分列車上所安裝的18º坡梯也全部是從國外進(jìn)口，

10、因而城市軌道車輛緊急疏散門系統(tǒng)的研發(fā)有著深遠(yuǎn)的意義和廣闊的市場前景。本次畢業(yè)設(shè)計的課題是18º坡梯運(yùn)動分析及強(qiáng)度校核。本課題在于借助南京康尼公司的力量對緊急疏散門系統(tǒng)中緊急疏散坡道進(jìn)行研究設(shè)計，根據(jù)康尼公司與四方機(jī)車車輛公司所達(dá)成的技術(shù)協(xié)議設(shè)計一部緊急疏散坡道滿足北京地鐵四號線的使用要求。在設(shè)計的過程中始終考慮了疏散坡道的安全性、可靠性的設(shè)計要求，同時在滿足功能、外形尺寸要求的前提下盡量選用簡單的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕便、操作容易。本課題按照北京地鐵四號線緊急疏散門系統(tǒng)技術(shù)協(xié)議中的相關(guān)要求，強(qiáng)調(diào)設(shè)計的可靠性與實用性，以求打入市場，在設(shè)計過程中嚴(yán)格遵守技術(shù)協(xié)議要求，采用自上而下的三

11、維設(shè)計方法，在設(shè)計過程中，參考康尼公司過去產(chǎn)品的特點和設(shè)計思想，緊密聯(lián)系公司的加工生產(chǎn)能力，將設(shè)計的結(jié)果通過產(chǎn)品的生產(chǎn)來檢驗。本設(shè)計說明書主要介紹了18º坡梯的設(shè)計及計算過程，由于此設(shè)計是屬于標(biāo)書項目，故希望設(shè)計成果對康尼公司的緊急疏散坡道的設(shè)計有所幫助，由于本人水平有限，設(shè)計過程中難免有考慮不周的地方，敬請各位批評指正。第一章 緒論1.1 城市軌道交通發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢簡介從各國城市化的發(fā)展實踐來看, 軌道交通以其運(yùn)量大、速度快的技術(shù)優(yōu)勢已成為城市交通結(jié)構(gòu)中不可缺少的組成部分, 較好地解決了大、中城市交通日益增長的供需矛盾問題,滿足了城市化要求。與城市的形成、發(fā)展及城市化進(jìn)

12、程的初級階段、中級階段和高級階段相對應(yīng)，城市交通的發(fā)展也分為初級、中級和高級3個階段，相應(yīng)地, 作為城市交通重要組成部分的城市軌道交通的發(fā)展則經(jīng)歷了生成期、成長期和成熟期3個階段。（1）生成期的城市軌道交通生成期城市軌道交通的變革具有時代的爆發(fā)性。城市化初期, 由工業(yè)技術(shù)進(jìn)步所創(chuàng)造的先進(jìn)交通工具首先用于解決市際交通問題。當(dāng)城市化過程發(fā)展到一定程度, 城市規(guī)模擴(kuò)大到只有利用交通工具才能保證城市經(jīng)濟(jì)生活的正常進(jìn)行時, 城市內(nèi)部交通系統(tǒng)才開始誕生, 出現(xiàn)了相應(yīng)的交通工具并逐漸有所發(fā)展。1828年巴黎出現(xiàn)了一種以固定路線，不定價格，按固定站循環(huán)的方式運(yùn)載乘客的單行“公共馬車”，這是歷史上第一條公共交通

13、線，隨后又演變成馬拉軌道車，從而拉開城市軌道交通發(fā)展的序幕。自此，世界上的其他國家的城市開始紛紛仿效，城市軌道交通得到初步發(fā)展。城市軌道交通的出現(xiàn), 對整個城市發(fā)展史而言, 是一具有爆發(fā)性的瞬態(tài)過程。生成期的城市軌道交通具有以下主要特點：設(shè)計簡單，技術(shù)裝備水平低。生成期的城市軌道交通的主要動力為畜力，和現(xiàn)代城市軌道交通相比，是不可同日而語的。軌道交通在城市交通中所占份額有限。那個時候的城市內(nèi)部交通還是通過個體交通工具來解決，因此收費(fèi)較貴，普通市民難以承受。（2）成長期城市軌道交通的特點在軌道交通走向成長期的過程中出現(xiàn)的較重要的思想是要求系統(tǒng)在硬件和軟件方面不斷地、盡快地研究和采用先進(jìn)技術(shù)。硬件

14、方面，一些先進(jìn)的技術(shù)開始應(yīng)用到城市軌道交通運(yùn)輸工具中，是其不斷更新和完善，推動了城市化進(jìn)程和現(xiàn)代城市社會與經(jīng)濟(jì)功能的進(jìn)一步的強(qiáng)化。軟件方面，開始采用先進(jìn)的設(shè)計思想來指導(dǎo)城市規(guī)劃和交通布局，及軌道交通網(wǎng)的發(fā)展。城市以軌道交通為軸作線性發(fā)展, 使硬件和軟件得到良好的匹配。而且這些思想基本被沿續(xù)下來, 并在世界各大城市得到普遍應(yīng)用。（3）成熟期的城市軌道交通在促進(jìn)城市軌道交通的發(fā)展過程中，除了先進(jìn)的技術(shù)，更重要的是社會因素。二戰(zhàn)后，世界各國的經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了一個新的發(fā)展期。一些二戰(zhàn)前城市文化水平并不怎么高的一些國家或地區(qū)，由于城市經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展也迅速達(dá)到較成熟的城市化階段。由于城市化的發(fā)展與城市交通密切的

15、發(fā)展關(guān)系，一些發(fā)達(dá)國家或地區(qū)的城市交通，特別是城市軌道交通的發(fā)展也逐漸地進(jìn)入成熟期。（4）走向可持續(xù)發(fā)展的城市軌道交通公共交通是解決城市交通問題的最佳途徑，軌道運(yùn)輸又是重中之重。城市軌道交通在城市客運(yùn)中的地位可以說自其誕生之日起，就一直得到持續(xù)發(fā)展, 在城市內(nèi)部交通中處于主導(dǎo)地位?？沙掷m(xù)發(fā)展理論使得人類越來越清醒地認(rèn)識到：人口、資源和環(huán)境是當(dāng)代人類生存和發(fā)展的三大基本問題，單純的經(jīng)濟(jì)富裕不等于幸福, 經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展必須顧及長遠(yuǎn)利益，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)達(dá)必須和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)相統(tǒng)一；如果只滿足于眼前的短期利益, 追求單純的增長，將會導(dǎo)致難以預(yù)計的后果。在新經(jīng)濟(jì)發(fā)展觀和發(fā)展條件以及環(huán)境、安全、技術(shù)等因素的綜

16、合作用下，軌道運(yùn)輸日益顯示出其自身具有的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，城市軌道交通具有的運(yùn)能大、占地少、能耗小和環(huán)境污染小的優(yōu)點是其他交通工具無法比擬的。如今，社會發(fā)展要求和高新技術(shù)的突破，引發(fā)了一場世界范圍內(nèi)的以調(diào)整舊運(yùn)輸結(jié)構(gòu)和發(fā)展模式為主旋律的交通運(yùn)輸革命，對世界各國的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展將產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，而軌道運(yùn)輸已經(jīng)成為調(diào)整傳統(tǒng)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的著眼點，以軌道交通為主的城市公共交通系統(tǒng)，是發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家的共同選擇。依靠軌道交通為主的公共交通解決城市交通問題的辦法，不僅在發(fā)達(dá)國家得到普遍應(yīng)用, 在發(fā)展中國家及地區(qū)也日益引起重視。為此，世界各國正積極采取行動，在可持續(xù)發(fā)展的思想指導(dǎo)下，為建立立體公共交通系統(tǒng)而

17、努力。確立以軌道交通為重點的城市交通運(yùn)輸發(fā)展戰(zhàn)略，是我國這樣的發(fā)展中國家城市交通發(fā)展的理性選擇。只有大力發(fā)展城市軌道交通運(yùn)輸，才能真正解決世界各國的城市交通運(yùn)輸問題，同時也將對世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起至關(guān)重要的作用。1.2 本產(chǎn)品研究的意義最近幾年，隨著城市軌道交通的迅猛發(fā)展，地鐵已成為許多大城市市民們的首選交通工具，其方便與快捷也得到了人們的普遍認(rèn)可。地鐵的快速發(fā)展大大緩解了城市交通的擁堵，產(chǎn)生了良好的社會效應(yīng)。然而，隨著地鐵的不斷發(fā)展，運(yùn)行速度的不斷的提升，其在產(chǎn)生良好社會效益的同時，我們?nèi)匀灰婪段ｋU事故的發(fā)生，不可掉以輕心。最近15年來，全球地鐵事故發(fā)生不斷，我國的北京、上海、廣州等城市地鐵先

18、后也發(fā)生不少事故，造成了許多悲慘的局面。根據(jù)全世界的地鐵重大事故的經(jīng)驗和教訓(xùn)，乘客沒有得到快速、及時、安全地疏散是造成嚴(yán)重后果的重要原因。所以，乘客快速、及時的安全疏散是整個地鐵安全體系中極其重要的內(nèi)容。隨著人們安全意識的提高，對安全體系的保障也越來越高。因此，在地鐵中安裝可靠的緊急疏散裝置是非常必要的。由于緊急疏散門系統(tǒng)主要用來在緊急情況下逃生的這一特殊地位，所賦予他的使命就是高安全性和高可靠性，因此18º坡梯的研究有著較深遠(yuǎn)的社會意義，能夠產(chǎn)生一定的社會效益。在過去，許多逃生梯都是與地面約成45º的臺階式坡梯，其體積小，收放也都比較方便，但其疏散速度慢，不便于緊急情況下

19、乘車人員的奔跑逃生，且一旦跌倒，很容易發(fā)生踩踏事故，使逃生處于尷尬的境地?，F(xiàn)行設(shè)計的新式18º坡梯采用平板式蜂窩踏板，其與地面的夾角小，在保證強(qiáng)度的同時便于人員的奔跑逃生，可以加快緊急事故下的人員疏散速度，避免更多傷亡。目前，國內(nèi)有用于緊急逃生的階梯，但是，尚沒有平板式的逃生坡道的研制。上海明珠二期以及深圳有使用的緊急疏散梯，均為國外進(jìn)口。國外進(jìn)口緊急疏散梯有兩種形式：一種為緊急逃生門向車端前部翻開，車門自動形成逃生坡道，緊急疏散門與緊急疏散坡道為一個整體。這種形式的坡梯要求車體端面較平且端部與車身角度接近90度，利于緊急逃生門打開后，門板內(nèi)側(cè)直接當(dāng)緊急疏散坡道用。這種坡道占用空間小

20、，操作方便，但是對車頭形狀有較高的要求，同時，安裝緊急疏散門的空間無法設(shè)置玻璃，影響視野；另一種形式是將坡道折為兩折，緊急逃生門打開后，兩折坡梯伸展開，形成逃生坡道。該種坡梯有較大的寬度和較小的角度，但其占用空間大，遮擋了列車前方視野，有待進(jìn)一步改進(jìn)。國內(nèi)從事緊急疏散門系統(tǒng)研究與生產(chǎn)的單位主要是南京康尼機(jī)電新技術(shù)有限公司，曾先后完成南京地鐵一號線、天津地鐵一號線等緊急逃生系統(tǒng)的研究與生產(chǎn)，具有一定的研發(fā)能力與技術(shù)積累。由于地鐵事業(yè)發(fā)展迅速，列車的型號多種多樣，每種型號的車都有不同的產(chǎn)品功能要求，甚至同一種型號的車在不同的地區(qū)，他們所提出的要求也不盡相同。所以對于緊急疏散門系統(tǒng)并沒有完全定型的產(chǎn)

21、品，基本都是根據(jù)客戶要求進(jìn)行研制生產(chǎn)。國外雖然有技術(shù)成熟的同類產(chǎn)品，但并不適合所有列車外形、技術(shù)等方面的要求，且一般價格較貴，同時一味引進(jìn)國外產(chǎn)品也不能滿足國產(chǎn)化要求。國內(nèi)產(chǎn)品，由于起步較晚，在產(chǎn)品的質(zhì)量、功能方面均有較大的提升空間。因此，18º坡梯的研究就顯得十分必要。本課題即是應(yīng)北京地鐵四號線業(yè)主香港地鐵公司要求，北京地鐵四號線需要加裝緊急疏散坡道，由南京康尼公司對其進(jìn)行研究與開發(fā)。1.3 本論文研究的內(nèi)容“18º坡梯”又名“緊急疏散梯”、“安全梯”等，是早在上個世紀(jì)就出現(xiàn)并應(yīng)用在地鐵交通中的一種安全裝置。它設(shè)置于地鐵車頭兩端，緊挨著緊急前門，并與之組成一個有機(jī)的系統(tǒng)。

22、在緊急情況下便于乘車人員的迅速疏散。在平時坡梯是被折疊起來的，放在一個較小的空間內(nèi)，對地鐵車頭的控制、采光等沒有任何影響。一旦危險發(fā)生，只要外力使緊急逃生門解鎖，門即可迅速打開，同時帶動梯子解鎖，迅速放下，坡梯展開后，便與地面成約18º左右的角度，以供車內(nèi)人員的緊急疏散。在地下隧道里，一旦發(fā)生事故，火車的兩側(cè)是無處可逃的，因此，緊急前門便成了疏散人員的主要通道。而車廂與地面是有一定高度距離的，人員直接從車廂上下來具有很高的危險性，逃生梯在這時便扮演了重要的角色，它連接車廂與地面，成為人員安全疏散的便捷通道。坡梯展開后，其一端固定于列車上，另一端懸于地面上空100mm以內(nèi)，但并不與地面

23、接觸。本論文主要研究坡梯的設(shè)計，以使其滿足預(yù)期的功能，重點著實與坡梯的可靠性和高安全性。組成：整個坡梯體系主要由立柱、踏板、搭扣裝置、回收自鎖裝置組成。其中一級踏板、二級踏板、三級踏板等部件構(gòu)成踏板部分。踏板整體應(yīng)該滿足質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)簡單，造型美觀并合乎車頭環(huán)境要求；立柱是坡梯的基礎(chǔ)構(gòu)件，坡梯上面的所有零部件都將以立柱為參考面或固定面，因此，立柱必須具有足夠的強(qiáng)度、剛性和加工精度等性能要求，才能保證坡梯的正常使用；搭扣裝置是當(dāng)坡道處于下放狀態(tài)時保持相連兩級踏板緊密聯(lián)在一起的裝置，它可以增加整個踏板的剛度；回收自鎖裝置的作用時是可以將坡梯由放開狀態(tài)回收至收攏狀態(tài)，且當(dāng)坡梯處于回收狀態(tài)時，必

24、須保證坡梯不會由于其他設(shè)備的誤操作而使坡梯自行脫落并產(chǎn)生下放現(xiàn)象，當(dāng)其需要投入使用時，又必須盡快地還原成坡梯形狀，故部分必須安全可靠，操作方便。可靠度：18º坡梯為安全類產(chǎn)品，因此它必須具有很高的可靠性和安全性能。具體地說，就是必須保證梯子在緊急情況下能夠安全可靠地放下，坡梯的回收自鎖裝置應(yīng)能夠很自如地實現(xiàn)自鎖和解鎖，不會在下放的過程中發(fā)生干涉或死點等問題，在正常情況下又能夠很好地使梯子靜置于車廂的固定位置，而不發(fā)生傾斜或噪音等。由于該坡梯是用于緊急情況下的逃生裝置，故設(shè)計時應(yīng)充分考慮到斷水、斷電、斷氣等各種惡劣的環(huán)境。因此，坡梯的放下與回收等操作，只能由純機(jī)械裝置提供，不得有其他外

25、置動力參與，以應(yīng)付各種復(fù)雜的情況，提高安全性和可靠性。結(jié)構(gòu)尺寸要求：緊急疏散梯是安裝于車頭部分，緊靠緊急前門的，故要注意其結(jié)構(gòu)不得與門體結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，保證在其回收與下放的過程中不得與門體、門框或地鐵鐵軌面發(fā)生碰撞或干涉。同時，由于坡道是用于行人的，故應(yīng)能承受一定的沖擊力，且不得發(fā)生永久變形。在滿足是用功能的前提下，應(yīng)力求其簡便的結(jié)構(gòu)，輕便的質(zhì)量，以減少各種慣性力的作用。材料要求：緊急疏散坡道系統(tǒng)需要面對各種復(fù)雜的情況，所以應(yīng)該有具體防火要求，故整個梯子的設(shè)計應(yīng)使用難燃或阻燃材料制成。第二章 機(jī)械設(shè)計學(xué)簡介2.1 設(shè)計與科學(xué)研究自人類進(jìn)化以來，一切物質(zhì)文明的產(chǎn)物都體現(xiàn)了人類的創(chuàng)造能力。拿今天的觀

26、點看，創(chuàng)造是一種從構(gòu)思到實現(xiàn)的過程，是為了滿足某種需要而進(jìn)行的一種人類特有的活動，這種活動，今天就叫做“設(shè)計”。一個好的產(chǎn)品設(shè)計不能離開科學(xué)技術(shù)的強(qiáng)大支持。可以說沒有高水平的科學(xué)研究就沒有高水平的設(shè)計。但人們的認(rèn)識往往存在一種片面性，以為有了高水平的科學(xué)研究就自然會有高水平的產(chǎn)品設(shè)計。這種認(rèn)識使得一些科技發(fā)達(dá)的國家在國際市場競爭中失利了。他們總結(jié)教訓(xùn)才明白，設(shè)計和科學(xué)研究并不是一回事，兩者在出發(fā)點、目標(biāo)和結(jié)果方面都是不同的，如表1-1所示：表1-1設(shè)計與科研的區(qū)別出發(fā)點目標(biāo)結(jié)果科學(xué)研究求知欲、好奇心發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律更好地認(rèn)識客觀規(guī)律產(chǎn)品設(shè)計需求發(fā)明新產(chǎn)品創(chuàng)造一個更好的新世界兩者不僅出發(fā)點、目標(biāo)和結(jié)

27、果不同，而且所需要的只是基礎(chǔ)也不盡相同?？茖W(xué)研究需要在已有知識和技術(shù)能力的基礎(chǔ)上運(yùn)用假設(shè)、分析和試驗等方法拉探索自然規(guī)律、而設(shè)計是需要廣泛得多的知識，不僅需要自然知識，還需要工程科學(xué)知識，工程技術(shù)知識以及人機(jī)學(xué)、美學(xué)、社會學(xué)、心理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和生態(tài)學(xué)等知識。如果只強(qiáng)調(diào)“科學(xué)和技術(shù)”的重要性，不注重產(chǎn)品設(shè)計的作用，結(jié)果是沒有很多本國自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品參與國際市場競爭。對設(shè)計的重視，很多國家并不是一開始就注意到了，而是在第二次世界大戰(zhàn)之后，隨著國際市場產(chǎn)品競爭的發(fā)展而逐漸清醒地認(rèn)識到的。例如美國，直到20世紀(jì)80年代，因為國內(nèi)市場受到日本產(chǎn)品的沖擊，才醒悟過來并提出了“為競爭的優(yōu)勢而設(shè)計”的口號，并

28、強(qiáng)調(diào)“這對美國的未來是至關(guān)重要的”。2.2 近代設(shè)計學(xué)的重大發(fā)展計算機(jī)的引入盡管產(chǎn)生了令人眼花繚亂的視覺沖擊和達(dá)到了令傳統(tǒng)的手工設(shè)計難以想象的效果和速度，但對于“設(shè)計學(xué)”來說，真正激動人心的則是三項“設(shè)計學(xué)”核心技術(shù)的萌芽和發(fā)展。.“功能”（Function）功能思想的提出和發(fā)展1947年，美國工程師麥爾斯創(chuàng)立了“價值工程（Value Engineering）”。他真正重要的貢獻(xiàn)不在于“價值工程”本身，而在于他提出的“功能”思想。他提出了一句重要的富有哲理性的名言：“顧客購買的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品所具有的功能”，明確說明了“功能”是產(chǎn)品的核心和本質(zhì)。這句話在美國技術(shù)界也經(jīng)過了足足30年才被人

29、們理解和接受。.“人機(jī)學(xué)（Ergonomics，Human Factor）”思想的形成和發(fā)展在設(shè)計機(jī)器時，要把人機(jī)接口作為一個重要的問題來處理，否則容易使操作者在工作中出現(xiàn)不舒服、效率低，甚至造成職業(yè)病的情況。不能夠因為今后機(jī)器傾向于自動化的方面發(fā)展，而不去認(rèn)真考慮人機(jī)接口的合理化問題。.“工業(yè)設(shè)計（Industrial Design）”學(xué)科體系的發(fā)展和成熟第二次世界大戰(zhàn)前在德國出現(xiàn)的“包豪斯（Bauhaus）”，正確地總結(jié)了工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的原則，提出了“技術(shù)第一、藝術(shù)第二”的正確口號，使工業(yè)設(shè)計達(dá)到了人、產(chǎn)品和環(huán)境的適應(yīng)和協(xié)調(diào)。2.3 機(jī)械設(shè)計概述設(shè)計是人的創(chuàng)造性活動，從開始到結(jié)束，常?？梢杂?/p>

30、如圖2-1所示的圖框來表示。設(shè)計的第一步是“認(rèn)識需求”，并由此決定要設(shè)計一種裝置來滿足它?！罢J(rèn)識需求”有時是一種很高創(chuàng)造性的活動。應(yīng)為所謂需求有時僅僅是一種含糊的不滿，或者僅是對一種對某些事感到不對的感覺，總之需求常常是不明確的。對需求的認(rèn)識常由相反的情況觸發(fā)的，是由一種隨機(jī)產(chǎn)生的事件引發(fā)的。第二步是界定目標(biāo)。這與認(rèn)識需求是有區(qū)別的，界定目標(biāo)有時可能要求做得很具體，必須包括對所要設(shè)計的對象的所有說明。這一步的基本目的是把需求限定在某種確定的方面，并限定滿足需求的一些特殊的技術(shù)要求和特性，這樣就可以在下一步尋求解決這一特定問題的解法。第三步是求解問題（或稱綜合），即“功能原理設(shè)計”，應(yīng)把各種可能

31、多的解法盡可能多地收集起來，供下一步分析比較，要盡可能避免把也許是最好的解法漏掉。第四步是分析和選優(yōu)。要對第三步提出的各種可能的解法進(jìn)行分析，進(jìn)而作優(yōu)選處理，盡量把各種解法的缺點加以克服，把優(yōu)點加以突出，以便在下一步作出合理的評價。千萬不要有先入之見，過早地把個人偏見放入分析過程往往是很有害的。第五步是評價和決策。這是最困難的一步，迄今為止，還沒有一種評價方法可以確保不會做出偏離正確方向的評價。應(yīng)盡量篩選掉那些看起來似乎很好，實際沒有前途的解法，挑出那些看來似乎不太好，實際經(jīng)過改進(jìn)可能是一種非常有前途的解法。評價之后就要決策，就是選出幾個最有希望的解法作進(jìn)一步的分析和試驗。第六步是表達(dá)。一般認(rèn)

32、為設(shè)計的最后階段是畫工程圖，這是對于那些常規(guī)的設(shè)計來說的。而對于創(chuàng)新構(gòu)思上的設(shè)計來說，最后階段更重要的是“表達(dá)”。設(shè)計的表達(dá)有三種方式：“寫”、“說”和“畫”，而“畫”是用來表達(dá)任何一種構(gòu)思都是很好的手段。第七步是實現(xiàn)。設(shè)計不同于藝術(shù)創(chuàng)作的主要區(qū)別或者說難點，就是必須要以物質(zhì)形式來實現(xiàn)預(yù)想的機(jī)械功能。實現(xiàn)是對構(gòu)思的驗證，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在不同的階段，實現(xiàn)的手段又可以分為原理樣機(jī)（模型）、實用樣機(jī)、產(chǎn)品樣機(jī)和市場實踐。實現(xiàn)的最后考驗是市場，市場實踐是檢驗設(shè)計成功與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)。因此，設(shè)計的過程是一個系統(tǒng)的過程，特別強(qiáng)調(diào)和重視從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，合理確定系統(tǒng)功能，提高可靠性，提高經(jīng)濟(jì)性，保

33、證安全性。確定系統(tǒng)功能時，應(yīng)遵循保證基本功能、滿足使用功能、剔除多余功能、增添新穎功能、恰到好處地利用外觀功能的原則，降低實現(xiàn)成本，提高功能價值，力求使產(chǎn)品達(dá)到盡善盡美的境地。第三章 坡梯的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 原有坡梯結(jié)構(gòu)簡介康尼公司原先也有類似的緊急疏散梯，如圖3-1所示梯子與地面成約43º左右的傾角，展開后，長度并不能比收攏時有大幅提高，折疊回收后占用縱向空間大，橫向空間小，承載能力大。該坡梯展開時，三級踏板相互獨立，一節(jié)一節(jié)的翻轉(zhuǎn)打開，打開速度慢。又該坡梯踏板面為臺階式，限制了乘車人員的疏散速度，不便于緊急情況下人員的奔跑逃生，且一旦逃生時跌倒，很容易發(fā)生踩踏事故，讓逃生處于尷尬的

34、境地。圖3-1階梯式緊急疏散梯另一種常見的逃生梯為雙踏板結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理如圖3-2所示，在緊急前門打開的同時，坡梯解鎖，利用坡梯兩側(cè)空氣彈簧的彈力將梯子的上踏板彈開，通過安裝在下踏板與車體上相連的拉帶，將下踏板拉開，與上踏板形成具有一定斜度的坡道，供逃生人員疏散。這種形式的坡梯由兩節(jié)踏板組成，占用空間小，操作方便，但該種坡梯要求列車的緊急前門于車廂的底板所成角度接近90度，車頭的形狀對其有較大影響，且對列車前方的視線有一定影響，不適合北京四號線的要求。第三種為緊急前門向車端前部翻開，其工作原理如圖3-3所示，車門與坡梯做成一個整體，車門自動形成疏散坡道，由于這種形式的坡梯直接被安裝在門上，故回

35、收后占用空間小，釋放動作操作方便，但由于坡梯的存在，將導(dǎo)致無法在列車的前后端門上安裝玻璃，影響視野。 圖3-2雙踏板式坡梯圖3-3門板式坡梯3.2 緊急疏散梯結(jié)構(gòu)分析3.2.1 原有數(shù)據(jù)分析由于北京4號線的車頭唯一有較大弧度的曲面，其大體結(jié)構(gòu)如圖3-4所示：其頭部外輪廓縱向彎曲一定角度，且有采光要求，故原先所擁有的幾種坡梯均不能滿足其要求，需重新設(shè)計。將圖3-4中的數(shù)據(jù)簡化為示意圖，如圖3-5所示：車廂底板距地面距離為1m，坡梯完全展開后與地面成約18º的角度，角度可有所適當(dāng)增加，但最大不得超過22º，展開后的坡梯底端不得與地鐵導(dǎo)軌面接觸，且距導(dǎo)軌的豎直距離應(yīng)盡量保持在10

36、0mm以內(nèi)。坡梯的安裝支架距車廂邊600mm。坡梯回收后其活動部分所占空間應(yīng)保持在350×650×1320mm的空間內(nèi)，且在司機(jī)室內(nèi)可通過一個控制手柄可以方便的實現(xiàn)解鎖、打開、關(guān)閉或鎖住等操作。圖3-5坡梯原始數(shù)據(jù)分析圖由以上原始數(shù)據(jù)圖及計算可知：坡梯放下后，其長度約是收攏后高度的3倍。故經(jīng)初步分析后，可采用三級踏板折疊的形式進(jìn)行設(shè)計。3.2.2 形態(tài)學(xué)矩陣實現(xiàn)一項功能往往可以采用多種不同的功能載體。為了獲得滿意的總體方案，應(yīng)尋找能實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)中的每一項分功能或功能單元的合適的功能載體。功能載體的不同組合將得到不同的總體方案。利用形態(tài)學(xué)方法建立形態(tài)學(xué)矩陣，對于開拓思路、探求

37、科學(xué)的創(chuàng)新方案是有效的。形態(tài)學(xué)矩陣中將系統(tǒng)的各個分功能或功能元作為目標(biāo)標(biāo)記，分功能或功能元的各種解法列為目標(biāo)特征。在本課題的研究中，其主要功能有：坡梯的下放、同步以及回收等，可建立形態(tài)學(xué)矩陣如表3-1所示：對形態(tài)學(xué)矩陣中的每一個分功能進(jìn)行一個簡易評價，盡量找出它們的優(yōu)點，從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，給每一個分功能打一個綜合分，最終選擇時，挑選分?jǐn)?shù)高者的各方案進(jìn)行組合。如有分?jǐn)?shù)一樣者，再通過其他角度進(jìn)行進(jìn)一步比較，選出方案較優(yōu)者。通過形態(tài)學(xué)矩陣的建立，我們可以在較短的時間內(nèi)，尋找出相對比較優(yōu)秀的方案，節(jié)約了大量的設(shè)計時間。- 12 -表3-1 形態(tài)學(xué)矩陣分功能解法/評價12345A下放的傳動齒輪傳動得分：

38、3鏈輪傳動得分：2支桿傳動得分：5齒輪雙搖桿得分：2帶傳動得分：1傳動平穩(wěn)，傳動精度高，加工成本高，質(zhì)量大可保持同步傳動，傳動精度低，成本相對齒輪較低，但傳動功率大時易產(chǎn)生跳齒現(xiàn)象，使傳動失去平穩(wěn)。結(jié)構(gòu)簡單，按裝維護(hù)方便，生產(chǎn)成本低，傳動精度高齒輪加工成本較高，由于梯子的轉(zhuǎn)動角度較大，在梯子的兩個極限位置搖桿的手里較大，且梯子不易放到位。生產(chǎn)成本低，傳動精度低，易打滑，不適宜安全要求較高的同步傳動B同步傳動四邊形結(jié)構(gòu)得分：5齒輪傳動得分：2鏈條傳動得分：3帶傳動得分：1滑輪繩傳動得分：4生產(chǎn)成本低，能夠較好地實現(xiàn)同步展開能夠很好的、精確地實現(xiàn)同步展開，但生產(chǎn)成本高，需要的齒輪個數(shù)多，且質(zhì)量大。

39、傳動精度低，成本不高，但傳動功率大時易產(chǎn)生跳齒現(xiàn)象，使傳動失去平穩(wěn)，不能夠有效地保證傳動的同步性。生產(chǎn)成本低，傳動精度低，易打滑，同步性差。生產(chǎn)成本低，傳動精度高，能夠很好的保持踏板展開的同步，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試復(fù)雜。分功能解法/評價12345C鎖緊機(jī)構(gòu)側(cè)板旁上下鎖得分：2側(cè)板旁左右鎖得分：2側(cè)板上方上下鎖得分：3使側(cè)板所占空間的寬度增加，增加了板桿軸的長度，降低了梯子的左右平穩(wěn)性。適宜于側(cè)板較窄時使用。使側(cè)板所占空間的寬度進(jìn)一步增加，適宜于側(cè)板較窄時使用。宜用于側(cè)板較寬時使用，對板桿軸無影響，但回收時易產(chǎn)生干涉。D側(cè)支撐強(qiáng)度要求普通碳鋼得分：2硬鋁得分：2生產(chǎn)成本較低，安裝維護(hù)方便，質(zhì)量大。

40、生產(chǎn)成本相對普通碳鋼較高，安裝維護(hù)方便，質(zhì)量輕，體積大。E踏板強(qiáng)度要求2mm不銹鋼鋼板得分：1鋁蜂窩得分：2生產(chǎn)成本低，安裝維護(hù)方便，質(zhì)量大，強(qiáng)度高。生產(chǎn)成本相對普通碳鋼較高，安裝維護(hù)方便，質(zhì)量輕，強(qiáng)度高。分功能解法/評價12345F回收棘輪拉帶裝置得分：3人工手推得分：1棘輪齒輪機(jī)構(gòu)得分：2生產(chǎn)方便，轉(zhuǎn)矩較大，回收時需較大的力量。需三人以上協(xié)同操作，有一定的安全隱患。生產(chǎn)成本不高，轉(zhuǎn)矩小，回收時旋轉(zhuǎn)圈數(shù)多。G拉帶材料鋼絲繩得分：1尼龍寬帶得分：2強(qiáng)度高，直徑細(xì)，屬不燃材料，但易產(chǎn)生毛刺，不宜用作扶手，多股在一起時易打結(jié)。強(qiáng)度高，寬度大，屬阻燃材料，手感好，可作為扶手，且大量纏繞在一起時不宜打

41、結(jié)，但彈性較大。注：下放傳動是指整個坡梯繞支點的轉(zhuǎn)動；同步傳動是指三級踏板能夠同時展開的運(yùn)動。- 38 -第四章 18º坡梯結(jié)構(gòu)的確定4.1 總體方案的確定根據(jù)以上方案的比較與評價分析取各個方案中的分?jǐn)?shù)較高者：A下放傳動可采用枝桿傳動（5分）+B同步傳動可采用平行四邊形結(jié)構(gòu)（5分）+C鎖緊機(jī)構(gòu)宜采用側(cè)板上方上下鎖（3分）+D側(cè)支撐采用硬鋁或普通碳鋼（2分）+E踏板材料采用鋁蜂窩（2分）+F回收時采用棘輪拉帶裝置（3分）+G拉帶材料采用尼龍寬帶（2分）=22，為最高分。方案確定后，整個機(jī)構(gòu)裝置大體如圖4-1所示（詳細(xì)結(jié)構(gòu)見總裝圖1000）：空氣彈簧（回收）拉帶圖4-1機(jī)構(gòu)整體方案示意圖

42、4.2 踏板結(jié)構(gòu)及尺寸的確定根據(jù)圖3-5原始數(shù)據(jù)，初步確定坡梯各踏板的尺寸，如圖3所示。經(jīng)初步分析，踏板所需的總長度應(yīng)小于3236+600=3836mm，假定坡梯收攏后的高度為1300，則三級踏板所能達(dá)到的總長度應(yīng)為1300×3=3900mm>3836mm，固該方案具有可行性。由于方案采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，要保證收攏后的空間盡量的小，那么平行四邊形就必須收攏得盡量的緊，即要保證收攏的三個踏板的關(guān)節(jié)活動點的長度應(yīng)盡量接近或相同。由于水平方向的600mm是必須保證的尺寸，因此，可初取水平方向上的長度為620mm，考慮各關(guān)節(jié)距離的接近，其余各關(guān)節(jié)每節(jié)先取590mm，共計2950mm，此

43、時坡梯地段與地面的距離約為87mm，滿足設(shè)計要求。圖4-2尺寸分析圖4.2.1 一級踏板結(jié)構(gòu)形式的確定對于圖4-2中，一級踏板的結(jié)構(gòu)既已確定為一水平長度加一斜坡，故有以下兩種方案待選：方案一：一級踏板做成兩個部分，兩部分之間通過關(guān)節(jié)連接，如圖4-3所示：此方案結(jié)構(gòu)功能明確，由于回收后原先斜著的坡梯關(guān)節(jié)已經(jīng)變得豎直，可保證梯子在回收后占用較小的空間，且結(jié)構(gòu)勻稱美觀，但在空間高度要求一定的情況下，此種結(jié)構(gòu)降低了坡梯的一級踏板的總體長度，而二三兩級踏板的長度是根據(jù)一級踏板來定的，因此一級踏板長度的減小將導(dǎo)致整個踏板長度的減少，從而使其在放下后梯子底端距地面的距離偏高；且此方案增加了一個活動的關(guān)節(jié)，使

44、控制裝置復(fù)雜化。方案二：一級踏板做成一個整體，如圖4-4所示：此方案將一級踏板的水平部分和斜坡部分做成一個整體，且形成了一個固定的角度，從而使回收后豎直方向上的可利用空間增大，相對方案一而言，增長了一級踏板的總體長度，即增長活動點間的距離，也就是增長了二三兩級踏板的長度，減少了控制的繁瑣，使梯子下放后的總體長度有所增加，滿足了梯子底端與地面的距離限制。但其結(jié)構(gòu)增加了一個凸肚，使回收的空間明顯增大，同時也是加工成本大幅上升，需對其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足其設(shè)計要求。4.2.2 二級踏板結(jié)構(gòu)形式的確定二級踏板是連接一級踏板和三級踏板的一個樞紐，由于一級踏板結(jié)構(gòu)形式已定，且整個踏板為平行四邊形結(jié)構(gòu)，故

45、二級踏板活動點位置的改變對三級踏板活動點的位置將產(chǎn)生成倍的影響。所以對二級踏板宜采用平板式，且中間活動點的位置處于兩端活動點連線的中點，如圖4-5所示。4.2.3 三級踏板結(jié)構(gòu)形式的確定三級踏板是整個坡梯的最后一節(jié)，其上只需兩個活動關(guān)節(jié)點即可。但由于三級踏板關(guān)系到坡梯回收后其收攏的程度。如圖4-6所示，若關(guān)節(jié)活動點的位置與底面的距離h過高，則坡梯收攏后的寬度將大于350mm，若h值過小，又會使支撐板3的受力過大，甚至使整個平行四邊形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生死點。各活動點的初始位置確定后，利用三維軟件solidworks先對各級支撐板和側(cè)板的單側(cè)進(jìn)行建模和試裝配，并對裝配后的虛擬產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動的仿真，利用三維軟件

46、的參數(shù)化功能和干涉檢查功能對支撐板和側(cè)板的活動點位置及尺寸進(jìn)行多次微量調(diào)動，使其在回收和放下后的空間及相關(guān)位置尺寸響應(yīng)原始數(shù)據(jù)的要求，以減少設(shè)計的不合理性，降低設(shè)計成本和生產(chǎn)成本，力求達(dá)到最優(yōu)設(shè)計。經(jīng)三維模擬與分析后，對于一級踏板，方案一不能夠滿足設(shè)計要求，因此，盡管方案二在成本上有所上升，但仍然選取該方案。4.3 坡梯側(cè)板與蜂窩接口的確定由于整個坡梯主要是由兩個坡梯側(cè)板與蜂窩板組合而成，因此他們結(jié)合的方式將對坡梯的性能有著重要的影響。結(jié)合方法一：若坡梯側(cè)板為鋼結(jié)構(gòu)，則側(cè)板與蜂窩可通過如圖4-7結(jié)構(gòu)相結(jié)合：鋼管與坡梯側(cè)板之間通過焊接進(jìn)行固定，在蜂窩板中放入墊塊，通過螺釘連接墊塊與鋼板，從而進(jìn)一

47、步使蜂窩板與坡梯側(cè)板相互固定。此種結(jié)構(gòu)，鋼板的加工工藝簡便，成本低廉，但整體結(jié)構(gòu)偏重，此時的搭扣組件不能夠安放于蜂窩板上，否則將會對坡梯的疏散人員造成一定的影響；若放于如圖4-7中所示的“上面”，其連接方式比較困難，且強(qiáng)度也難以達(dá)到；若放于如圖4-7中所示的“側(cè)面”，將會增加板桿軸的長度，使坡梯在使用時易產(chǎn)生左右晃動，影響使用功能。圖4-7鋼結(jié)構(gòu)側(cè)板與蜂窩的固定結(jié)合方法二：若坡梯側(cè)板為鋁結(jié)構(gòu)，則側(cè)板與蜂窩板可通過如圖4-8方式組合而成如圖4-8中左圖所示，蜂窩板與坡梯側(cè)板之間采用過亞弧焊進(jìn)行粘結(jié)。其結(jié)構(gòu)工藝簡單，年節(jié)牢靠，但由于蜂窩板上的鋁板較薄，容易發(fā)生變形甚至焊透而成為廢品。蜂窩板與坡梯側(cè)

48、板之間采用過盈配合而進(jìn)行粘結(jié)。要求加工精度較高，裝配史學(xué)特別小心，因為蜂窩板在圖示豎直方向受力時，可承受較大力量，但其在橫向的承載能力非常小，一旦蜂窩板少有變形，踏板與側(cè)板之間將有分離的可能，從而造成產(chǎn)品報廢。圖4-8鋁結(jié)構(gòu)側(cè)板與蜂窩的固定為安全起見，采用圖4-8中右圖所示形式，采取過盈配合與螺釘加固的方法進(jìn)行粘結(jié)，雖然將工藝復(fù)雜化，但產(chǎn)品可靠性卻大大提高。此種方案中，側(cè)板的寬度大幅增加，加工成本較普通碳鋼有一定提高，整個踏板的重量也與先前的鋼板方案中差不多，但由于側(cè)板寬度的增加，加強(qiáng)了坡梯的左右平衡性，保證了其使用功能。4.4 關(guān)節(jié)點軸結(jié)構(gòu)的確定圖4-9關(guān)節(jié)軸的結(jié)構(gòu)形式一在踏板側(cè)板之間、踏板

49、側(cè)板與支撐板之間進(jìn)行連接時，為了增加坡梯在寬度方向的平穩(wěn)性，應(yīng)盡量采用臺階軸進(jìn)行定位。如圖4-9所示，左圖中，踏板側(cè)板與支撐板在軸向必須有一個定位，其定位方式有多種，可以分別采用如下圖所示的多種結(jié)構(gòu)。在圖4-10結(jié)構(gòu)中，踏板軸必須較原來多鉆一個孔，增加了材料消耗，但結(jié)構(gòu)性能并不能提高多少。對于踏板軸，無論將螺釘放在外側(cè)還是內(nèi)側(cè)，都不會對其使用性能產(chǎn)生影響，但從外觀的角度出發(fā)，將螺釘放在內(nèi)側(cè)，其外形結(jié)構(gòu)將根為流利。為防止踏板軸在加裝螺釘時跟轉(zhuǎn)，可在踏板軸大圓面上沿軸向打兩個直徑23mm的小孔，在加裝螺釘時，可用一個尖嘴鉗固定住兩小孔，而后另一端再進(jìn)行螺釘?shù)募友b。另外，在對圖4-9和圖4-10中各

50、個軸進(jìn)行固定時，須考慮坡梯的下方與回收過程中會不會發(fā)生軸端蓋等零件之間的干涉。因此我們要注意坡梯在寬度方向的布置。圖4-10關(guān)節(jié)軸的結(jié)構(gòu)形式二第五章 應(yīng)力的計算與分析5.1 節(jié)點力計算由于坡梯一共分三節(jié)且每節(jié)的長度相差不大，整個坡梯要求能承受89人的體重，故可認(rèn)為平均每節(jié)坡梯要求的承重量為三人，按每人60Kg計算，故每節(jié)坡梯需承受重量180Kg。利用solidworks為坡梯的各主要零部件建立三維圖。通過軟件中材料的選擇，在生產(chǎn)之前就預(yù)算出零件的重量，為產(chǎn)品的加工和運(yùn)輸做好先一步的準(zhǔn)備。由于坡梯的自重與承受的人的重量相比相差較大。因此只需校核坡梯站人時的受力情況即可。當(dāng)坡梯站人時，各級踏板都處

51、于平衡狀態(tài)，因此，在進(jìn)行受力分析時，可把與各級踏板相連的支點看作是固定的，以此來進(jìn)行分別求解。以三級踏板為研究對象：根據(jù)三維圖得出三級踏板的總重量為：框架（7.0×2=14Kg）+蜂窩+兩蓋板（8Kg）=22Kg令沿X軸正向為正，沿Y軸正向為正，零件的各受力狀況如圖所示：圖5-1三級踏板受力示意圖根據(jù)圖示受力狀況，可得方程組如下：以支撐板3為研究對象，根據(jù)三維圖已知其質(zhì)量為3.0×2=6Kg=60N。圖5-2支撐板3受力示意圖根據(jù)圖示受力狀況，可得方程組如下：由以上兩方程組可解得：以二級踏板為研究對象：根據(jù)三維圖得出二級踏板的總重量為：框架（6.6×2=13.2K

52、g）+蜂窩+兩蓋板（8Kg）21Kg零件的各受力狀況如圖所示：圖5-3二級踏板受力示意圖根據(jù)圖示受力狀況，可得方程組如下：方程組可簡化為：以支撐板2為研究對象，根據(jù)三維圖已知其質(zhì)量為5.5×2=11Kg=110N。零件的各受力狀況如圖所示：圖5-4支撐板2受力示意圖根據(jù)圖示受力狀況，可得方程組如下：方程組可簡化為：以一級踏板為研究對象：根據(jù)三維圖得出一級踏板的總重量為：框架（7.5×2=15Kg）+蜂窩+兩蓋板（8Kg）=23Kg零件的各受力狀況如圖所示：圖5-5一級踏板受力示意圖根據(jù)圖示受力狀況，可得方程組如下：方程組可簡化為：以支撐板3為研究對象，根據(jù)三維圖已知其質(zhì)量為

53、4.25×2=8.5Kg=85N。零件的各受力狀況如圖所示：圖5-6支撐板3受力示意圖根據(jù)圖示受力狀況，可得方程組如下：方程組可簡化為：以三級總踏板為研究對象：圖5-7踏板總體受力示意圖根據(jù)三維圖得出三級總踏板的總重量為：G=三級踏板（2020N）+二級踏板（2010N）+一級踏板（2030N）+一級支撐板（85N）+二級支撐板（110N）+三級支撐板（60N）=6315N。零件的各受力狀況如圖5-7所示。根據(jù)圖5-7所示受力狀況，可得方程組如下：方程組可簡化為：解方程組、有：由-、-、-有：由-、可解得：故可得結(jié)果如下所示，負(fù)號表示實際方向與假設(shè)方向相反。 5.2 solidwor

54、ks和COSMOSWorks簡介Solidworks 是一種三維設(shè)計軟件，在構(gòu)建簡單的3D模型特征的時候，必須先將特征的輪廓以2D草圖繪出，再以繪制完成的草圖，利用拉伸、旋轉(zhuǎn)等特征成型方式加以建構(gòu)完成。大部分3D模型特征的建立都必須通過草圖來完成。在建模之初，Solidworks為每一個模型分配了三個基準(zhǔn)平面，即前視基準(zhǔn)面、上視基準(zhǔn)面和右視基準(zhǔn)面。我們所有的草圖都必須建立在那三個基準(zhǔn)面或以其中的幾個基準(zhǔn)面為參考的其他面上。通過對草圖中各線條形狀和自由度的約束，以構(gòu)建出合適的草圖，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除、掃描等特征操作來進(jìn)一步生成具有參數(shù)化的三維圖形。Solidworks不但具有強(qiáng)大的三維繪圖能力

55、，而且還可以通過它來自動生成工程圖，省去了三維實體向二維CAD轉(zhuǎn)化的繁瑣，同時可以建立關(guān)聯(lián)性，即當(dāng)三維圖形發(fā)生改變后，其中對應(yīng)它的工程圖也會跟隨著自動更新；同樣的，當(dāng)對其中的二維圖進(jìn)行改變后，對應(yīng)著的三維實體也會發(fā)生變化。Solidworks的這一特性使我們在設(shè)計產(chǎn)品時更加靈活和自由。在Solidworks中，工程圖還可以反過來應(yīng)用，即通過二維CAD進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q來生成三維零件圖。Solidworks支持自上而下的設(shè)計方法，它可以直接在裝配體文件里對零件進(jìn)行新設(shè)計，從而保證了各個零件間的相互關(guān)系，避免了單個零件在獨立設(shè)計后無法相互配合的情況的發(fā)生。采用自上而下的設(shè)計方法時，一旦其中的某個零件尺

56、寸位置發(fā)生改變時，其余與之有相互依存關(guān)系的零件也會發(fā)生改變，減少了因設(shè)計變更而增加的修改量，增強(qiáng)了設(shè)計的靈活性。同時，Solidworks里面自帶的標(biāo)準(zhǔn)件庫也使設(shè)計變得更加方便和實用。利用Solidworks中的COMOSWork插件，我們可以方便地在Solidworks中對零件和裝配體進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析等一系列操作，省去了在專業(yè)有限元軟件中建模的繁瑣，避免了軟件間相互轉(zhuǎn)化而造成的特征丟失，為數(shù)據(jù)的分析贏得了時間。5.3 有限元分析利用solidworks2006中的COSMOS/Works插件對裝配體進(jìn)行有限元分析。由于坡梯受力最惡劣的情況就是當(dāng)坡梯上站滿人的時候，此時，坡梯所受總的壓力為6315N，故可將整個模型簡化為固定結(jié)構(gòu)以進(jìn)行靜力分析。如圖5-8所示，建模完成后，對各個零部件進(jìn)行材料的編輯，對零部件進(jìn)行施加約束和力，然后再進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。受力面圖5-8簡化模型圖根據(jù)COMOSWorks分析結(jié)果，各零部件的性能均滿足