蘭杰，許穎

（湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 宜昌 443003）

1 引言

隨著社會的發(fā)展，住進高樓大廈的人越來越多。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，電梯停運、樓宇通道充滿煙霧和有毒氣體，處在高樓之中的受困人員，只有通過自救才能得以生存［1］。出于對自身安全的考慮，人們對高樓逃生裝置的設(shè)計研發(fā)也越來越關(guān)注。近幾年國內(nèi)外許多企業(yè)及個人對高樓逃生裝置進行了研究改進，有機械控制［2-3］的，也有磁阻尼控制的［4］，種類繁多。但這些逃生裝置有些逃生距離短，無法用于高樓逃生；有些是一次性逃生使用，遇到多人逃生時，則需重新纏繩，操作不便。

為此本文設(shè)計了一種采用液體阻尼［5］的緩降器，使用時將其架在欄桿上即可向外逃生，操作十分方便。緩降器帶有兩個繞繩輪，鋼絲繩在繞繩輪上卷繞的方向相反，使用時自動纏繩，可供多人反復(fù)逃生使用，適合于個人、家庭以及消防隊等救援人員的安全撤離。

2 液壓阻尼式高樓逃生器的結(jié)構(gòu)、原理及關(guān)鍵件設(shè)計

2.1 機構(gòu)組成

逃生器由減速的液壓阻尼缸、雙繞繩輪、連桿、支架、滑輪、壓線板、鋼絲繩等零件組成。雙繞繩輪固定在兩支架的中間，液壓缸固定在支架的兩側(cè)，利用Pro/E［6］軟件建立逃生裝置的三維幾何模型，如圖1 所示。

2.2 工作原理

如圖2 所示，使用時，纏繞在繞繩輪1 上的鋼絲繩兩端分別連接于逃生人員所穿的救生衣和繞繩輪上，在逃生人員自身體重的驅(qū)動下，做垂直向下的運動，同時使繞繩輪旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)軸2、連桿3 帶動活塞桿4在液壓缸5內(nèi)做往復(fù)運動，以此使液壓缸內(nèi)的油在小孔6中流動從而產(chǎn)生阻力，降低了逃生人員的下降速度。

圖1 逃生裝置基本結(jié)構(gòu)

圖2 液壓阻尼減速機構(gòu)分析圖

逃生裝置上備有兩個繞繩輪分別卷繞兩組鋼絲繩，卷繞方向相反，以此可以滿足多人多次往復(fù)逃生的目的。

2.3 關(guān)鍵部件設(shè)計

液體阻尼逃生緩降器的工作原理，是將逃生人員在高樓上的勢能，逐步轉(zhuǎn)化成流體運動的動能，讓其在液壓缸活塞桿小孔兩側(cè)來回高速運動，轉(zhuǎn)化成熱能損失掉。

剛開始下降時，下降速度小，液壓缸產(chǎn)生阻尼也小，勢能主要轉(zhuǎn)化為下降的動能，并有一部分能量在液壓缸內(nèi)損失掉。根據(jù)能量守恒定律：

式中：EP-處于一定樓層高度的人體勢能；EK-人體下降過程的動能；EH-液壓缸內(nèi)阻尼液高速流動能量損失；m-人體質(zhì)量；V1-逃生下降速度。

當(dāng)下降速度達到平衡時，下降運動的動能基本不變，則EP=EH，人體下降由勢能轉(zhuǎn)化出的能量，需要在液壓缸內(nèi)全部消耗掉，以達到平衡下降速度的目的。

2.3.1 單液壓缸阻尼液流動能量損失分析

如圖2 所示，逃生人員以V1速度下降，帶動繞繩輪旋轉(zhuǎn)，并通過轉(zhuǎn)軸、連桿帶動活塞桿往復(fù)運動。通過推導(dǎo)，得活塞桿往復(fù)運動的瞬間速度V4：

式中，L1-轉(zhuǎn)軸2 長度；L2-連桿3 長度；D-鋼絲繩在卷筒上纏繞的直徑；α-轉(zhuǎn)軸2 與水平軸間的夾角。

活塞桿的運動，致使液壓缸一側(cè)阻尼液被迫經(jīng)小孔向另一側(cè)流動。經(jīng)推導(dǎo)，小孔內(nèi)阻尼液流速V5：

式中：Dg-液壓缸內(nèi)徑；d0-活塞桿上小孔直徑。

流動過程中產(chǎn)生的能量損失主要包括流體在小孔內(nèi)流動的沿程阻力損失，以及阻尼液從小孔流出后，流道直徑突然擴大產(chǎn)生的水頭損失。在小孔前流道直徑突然縮小，流體在順壓強梯度下流動，在收縮部分不發(fā)生明顯的阻力損失，可忽略不計。經(jīng)推導(dǎo)，單缸總能量損失hZ：

式中：s-活塞桿小孔處的厚度，即阻尼液在小孔中流的長度；v-液壓缸阻尼液運動粘性系數(shù)，取v=0.355cm2/s；

逃生裝置各參數(shù)取值如表1 所示。

表1 逃生器各零件尺寸參數(shù) /mm

由式（4）可知，單缸提供阻尼總能量hZ與活塞桿小孔直徑d0、逃生下降速度V1、以及轉(zhuǎn)軸與水平軸的夾角α 有關(guān)。阻尼總能量hZ隨夾角α的轉(zhuǎn)動不停地改變。當(dāng)逃生下降速度V1取某一定值時，小孔d0越小，液壓缸內(nèi)阻尼液流動產(chǎn)生的能量損失振幅越大。本設(shè)計通過活塞上小孔直徑來調(diào)節(jié)活塞運動阻力大小。經(jīng)過實驗，小孔開設(shè)的直徑定為5.3mm。當(dāng)體重較大的人下降逃生時，由勢能轉(zhuǎn)化出的能量增加，下降速度V1加快。通過Mathcad 繪制曲線分析，V1增大，阻尼液流動產(chǎn)生的能量損失圖形振幅加大，阻尼增強，最終平衡由勢能轉(zhuǎn)化出的能量，使下降速度保持穩(wěn)定。

2.3.2 緩降器液壓缸數(shù)量的確定

從Mathcad 繪制的單缸阻尼總能量與夾角α 曲線圖可以看出，緩降器如使用單缸進行阻尼減速，液壓缸內(nèi)能量損失總處于一個變化狀態(tài)，致使逃生人員的下降速度時快時慢從而無法均速下降。如采用多缸交替提供減速阻力，可使減速阻力趨于平穩(wěn)。

圖3 四液壓缸阻尼液流動能量損失疊加分析圖

根據(jù)緩降器的結(jié)構(gòu)及安裝液壓缸的位置，較適合于安裝兩缸或四缸聯(lián)合工作。四缸聯(lián)合工作，各缸起始夾角分別為0、π/2、π、3π/2，其能量損失曲線及疊加后的總能量損失曲線如圖3 所示。由圖3 可知，四缸總能量損失大，約為單缸能量損失最大值的2倍，且上下波動不大，能夠為緩降器提供較平穩(wěn)的緩降阻力。相比之下，兩缸聯(lián)合工作疊加后的總能量損失曲線起伏較大，穩(wěn)定下降速度的效果較差。經(jīng)對比分析，緩降器采用四缸聯(lián)合工作。

表2 實驗結(jié)果

3 試驗研究

我們將試制的逃生器放置在教學(xué)樓的4 樓（11m），分別用40kg、50kg、60kg、70kg、80kg 重物做實驗。根據(jù)表2實驗結(jié)果可以看出，重物質(zhì)量越大，下降速度越快。40kg 小孩逃生時，下降速度相對較低，為0.74m/s。80kg 體重的成年人逃生，下降速度為1.49m/s，基本合理。

4 結(jié)語

目前，逃生器已完成了樣機的加工制造及重物和真人逃生試驗測試。結(jié)果表明，該逃生裝置能夠滿足設(shè)計的基本要求。同時，該逃生器具有操作簡單、維護方便的優(yōu)點，但仍存在一些不足，需要在后續(xù)的工作中逐步完善。

［1］張昊，等.建筑火災(zāi)逃生新方法-室外應(yīng)急疏散［J］.建筑科學(xué)，2008，24（1）：50-52.

［2］顏兵兵，等.一種機械式高樓逃生裝置設(shè)計方法研究［J］.機械設(shè)計與制造，2011/12.

［3］王智明，等.MSC.SimDesigner的救生絞車仿真研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（1）：97-100.

［4］張蕊華，等.一種高樓救生器的設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2011（12）：24-25.

［5］曹紅奎.基于高阻尼液體的高樓逃生器的設(shè)計［J］.商品與質(zhì)量，2010（6）：174.