周長(zhǎng)海，葉福民，周黔貴，薛偉

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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基于摩擦原理的高樓自助逃生裝置的設(shè)計(jì)

周長(zhǎng)海，葉福民，周黔貴，薛偉

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：利用自行車(chē)摩擦片剎車(chē)原理，提出了一種基于控制摩擦力大小來(lái)減速的高樓自助緩降逃生裝置的設(shè)計(jì)思路。在經(jīng)過(guò)理論計(jì)算的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了樣機(jī)。該逃生裝置通過(guò)配重以及利用杠桿原理等方法來(lái)放大摩擦力，以此達(dá)到控制下降速度的目的，無(wú)需外力操控，可作為被困于高樓火災(zāi)、爆炸等困境的人們的自救逃生工具。

關(guān)鍵詞：高樓；緩降逃生器；摩擦力；設(shè)計(jì)

0引言

在城市的不斷擴(kuò)張中，樓房也在不斷地向著高空延伸，而其帶來(lái)的危險(xiǎn)隱患也越來(lái)越大，尤其是在人群密集的大城市，在眾多的安全隱患中高樓失火已成為人們不得不考慮的問(wèn)題[1]。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的高層建筑逃生裝置主要有三種類(lèi)型[2]。1) 機(jī)械電動(dòng)式，這種逃生裝置需要電源提供動(dòng)力，而在災(zāi)害發(fā)生時(shí)電源能否使用是一個(gè)未知數(shù)，不宜推廣使用。2) 斜索滑降逃生裝置，該裝置需要?jiǎng)e人先將繩索的一端固定在地面上，然后逃生者依靠斜索滑降逃生，但是當(dāng)只有一個(gè)人時(shí)無(wú)法獨(dú)立逃生。3) 采用液體流動(dòng)阻尼的方法進(jìn)行緩降逃生，這類(lèi)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封性不能完全保證，且價(jià)格比較昂貴。因此，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單，方便，快捷，適用于大多數(shù)人群的緊急逃生裝置對(duì)于人們的生命財(cái)產(chǎn)能夠起到一定程度的保護(hù)作用，也是現(xiàn)代社會(huì)應(yīng)對(duì)高樓危險(xiǎn)的有效措施。

1機(jī)構(gòu)組成及其工作原理

1.1機(jī)構(gòu)組成

1—箱體；2—腳踏板；3—?jiǎng)恿K；4—摩擦盤(pán)；5—摩擦片；6—連桿；7—滑塊；8—繩索；9—主軸；10—平衡板圖1　高樓逃生裝置結(jié)構(gòu)示意圖

高樓逃生裝置分為兩部分，如圖1所示。1) 在逃生者身上系上安全繩索以及在逃生裝置上安裝扶手以保持逃生者重心平衡，防止其在下降過(guò)程中與逃生裝置脫離；2) 機(jī)構(gòu)主體的組成部分，包括腳踏板、連桿、主軸、摩擦片、摩擦盤(pán)、動(dòng)力繩、滑塊、繩索、平衡板、箱體等部件，即通過(guò)動(dòng)力繩3將逃生者產(chǎn)生的重力經(jīng)過(guò)腳踏板2的杠桿原理進(jìn)行放大之后轉(zhuǎn)化為摩擦片5之間的摩擦力，進(jìn)而與重力抵消，達(dá)到勻速下降的目的。

1.2工作原理

逃生裝置的設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)摩擦片施加壓力來(lái)增加摩擦片之間的摩擦力，以此來(lái)達(dá)到抵消下降時(shí)的重力，如圖2所示。在圖2中，機(jī)構(gòu)工作時(shí)，逃生者雙腳站立在兩端的腳踏板上面，通過(guò)杠桿原理使腳踏板下面的連桿往下滑動(dòng)，且往右運(yùn)動(dòng)而使連桿右端的摩擦A片與摩擦輪相接觸，在逃生者下降的時(shí)候使其兩端壓力增大，進(jìn)而產(chǎn)生較大的摩擦力，兩端的接觸面上因劇烈摩擦產(chǎn)生熱量，由能量守恒可知，逃生者和機(jī)構(gòu)的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，再由動(dòng)能轉(zhuǎn)換成摩擦熱，在下降的時(shí)候繩索的不斷拉長(zhǎng)使主軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生摩擦力矩，這就是使重力矩轉(zhuǎn)化成摩擦力矩達(dá)到減速降落的效果。

1—支點(diǎn)；2—腳踏板；3—逃生者；4—配重；5—摩擦A片；6—摩擦B片圖2　高樓逃生裝置原理示意圖

該設(shè)計(jì)的主要目的，是要確保逃生者下降的速度在安全范圍之內(nèi)，而要達(dá)到勻速安全，其核心原理就是使逃生者下降時(shí)自身及裝置產(chǎn)生的重力與摩擦阻力達(dá)到平衡。通過(guò)分析計(jì)算可知，由摩擦片產(chǎn)生的摩擦阻力在不經(jīng)過(guò)放大的情況下與逃生者和逃生裝置產(chǎn)生的動(dòng)力是不可能達(dá)到平衡的。為此，在逃生裝置的上方特別增設(shè)了杠桿和一定質(zhì)量的配重，以此來(lái)達(dá)到放大摩擦阻力的目的。

在這過(guò)程之中通過(guò)配重4的杠桿原理增大兩處摩擦片與摩擦輪的接觸壓力，也就增大了摩擦力。配重產(chǎn)生的摩擦力矩一部分消耗配重和機(jī)械裝置的自身重力勢(shì)能，而剩余的摩擦力矩與人的重力矩相平衡。這樣機(jī)構(gòu)就能根據(jù)逃生者的自重平衡合理的減小下降的速度安全降落。

逃生者站在腳踏板上面，通過(guò)杠桿將逃生者的重力轉(zhuǎn)換成摩擦力，由于滑塊的上升，帶動(dòng)連桿的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)摩擦A片的水平移動(dòng)，直至與摩擦B片接觸產(chǎn)生一定的摩擦力矩，而逃生者由于自身重力在下降時(shí)也會(huì)對(duì)主軸產(chǎn)生一定力矩，且與前者力矩方向相反，所以當(dāng)兩者產(chǎn)生的力矩大小相等時(shí)逃生者就可以勻速下降。在踏板上加上適當(dāng)?shù)呐渲匾缘窒撗b置產(chǎn)生的重力，這樣人的自重與產(chǎn)生的摩擦力就會(huì)滿(mǎn)足一定的比例關(guān)系，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)這個(gè)關(guān)系就可以使重力與摩擦力達(dá)到平衡從而達(dá)到減速安全降落的目的方法，該方法有效的利用逃生者的自身重力，最大限度的使逃生者逃離困境。

2設(shè)計(jì)計(jì)算和分析

2.1理論計(jì)算

摩擦片產(chǎn)生的壓力FN為：

(1)

式中：M1為逃生者自身的質(zhì)量；M3為配重的質(zhì)量；n1為腳踏板上逃生者到支點(diǎn)的距離與腳踏板端點(diǎn)到支點(diǎn)的距離之比；n2為腳踏板上配重到支點(diǎn)的距離與腳踏板端點(diǎn)到支點(diǎn)的距離之比；α為連桿與主軸之間的夾角；g為重力加速度。

摩擦A片與摩擦B片產(chǎn)生的摩擦力矩Mf為：

(2)

式中：R為摩擦A片半徑；μ為摩擦片的摩擦系數(shù)。

機(jī)構(gòu)下降時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力矩M為：

(3)

式中：M2為逃生裝置的質(zhì)量；r為裝置下降時(shí)繩索旋轉(zhuǎn)的半徑。

2.2代入?yún)?shù)計(jì)算

現(xiàn)令α=45°，n1=6,n2=9,M3=M2。則由式(2)可得：

(4)

由式(3)可得：

(5)

r=2μR

(6)

由以上計(jì)算表明，只要式(6)成立，逃生者站在裝置上就可以勻速下降，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。而在式(6)中摩擦片半徑R及其摩擦系數(shù)μ均由摩擦片本身決定，故只需確定下降繩索旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的半徑r，即可滿(mǎn)足下降產(chǎn)生的動(dòng)力矩與摩擦片產(chǎn)生的摩擦力矩相平衡，即滿(mǎn)足勻速下降。

然而在上述推算中也有一些前提條件，預(yù)先設(shè)定一些參數(shù)，即連桿與主軸必須成45°，腳踏板上逃生者到支點(diǎn)的距離與腳踏板端點(diǎn)到支點(diǎn)的距離之比必須為6，腳踏板上配重到支點(diǎn)的距離與腳踏板端點(diǎn)到支點(diǎn)的距離之比必須為9，配重的質(zhì)量必須與裝置自身的質(zhì)量相同。只有滿(mǎn)足這些條件，式(6)才能成立，否則，需要重新調(diào)整各個(gè)參數(shù),并根據(jù)不同的調(diào)整參數(shù)來(lái)重新配備配重的質(zhì)量。

3結(jié)語(yǔ)

1) 根據(jù)設(shè)置固定的參數(shù)可以幫助不同體重的人們逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，體現(xiàn)了它的廣泛應(yīng)用性。

2) 以合理的機(jī)械與力學(xué)相結(jié)合構(gòu)建的高樓逃生裝置，通過(guò)計(jì)算和分析，可知它是適合大眾在高樓危險(xiǎn)情況下的一種逃出困境得以保全人身安全的一種逃生裝置。

3) 機(jī)構(gòu)的思路明確，有足夠的安全可靠性。基于這樣簡(jiǎn)單方便易于安放使用的裝置，在較好的為高樓險(xiǎn)境做出應(yīng)對(duì)逃生方法的同時(shí)，希望有較好的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益；在挽救危難的逃生者時(shí)，能構(gòu)建一個(gè)安全保障的和諧環(huán)境。

參考文獻(xiàn):

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Design of Self-help High-rise Escape System on Basis of Principle of Friction

ZHOU Chang-hai, YE Fu-min,ZHOU Qian-gui,XUE Wei

(Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003,China)

Abstract:This paper proposes that the principle of bicycle friction brake is used to design a self-help slow-descending escape system, which is controlled by the frictional force. In this system, additional weight (added friction) and lever principle ect. are used to control its speed without any help. This apparatus can be used to help people escape from high-rise fires, explosions ect. and it is perfectly chosen for the residents living in high-rise building.

Keywords:high-rise; slow-descending escape apparatus; friction; design

收稿日期：2014-12-10

中圖分類(lèi)號(hào)：TH117.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0083-02

作者簡(jiǎn)介：周長(zhǎng)海(1990-)，男，江蘇沛縣人，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。