呼春洋 羅徽 劉建東 符寶鼎

摘要：本文詳細(xì)介紹了阻尼式勻降高樓逃生裝置。該裝置利用人體下落時(shí)同步牽引逃生索，帶動(dòng)逃生裝置中動(dòng)力輸入部分轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)離心部分離心滑塊的的離心漲緊運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦力，摩擦阻力阻礙動(dòng)力輸入主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過(guò)下落速度反饋控制人體下降。本作品采用人力為動(dòng)力，節(jié)約了能源，操作簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)用性較強(qiáng)，可以進(jìn)行大面積推廣。

關(guān)鍵詞：勻降逃生；阻尼式；離心漲緊；速度反饋

隨著人們對(duì)工作和環(huán)境安全要求越來(lái)越高，消防安全器材需要更加簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)，為了解決好這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了阻尼式勻降逃生裝置。下面介紹作品的創(chuàng)作背景、功能、方案設(shè)計(jì)等。

高樓逃生裝置用于解決高樓火災(zāi)和一些突發(fā)性的災(zāi)難對(duì)身處高樓的人進(jìn)行逃生的問(wèn)題。一種安全、可靠、安裝方便、使用簡(jiǎn)單的高樓逃生裝置的研究意義重大。本裝置主要是為了當(dāng)高樓建筑發(fā)生災(zāi)難時(shí)，人員能從窗戶等樓梯外部快速逃離現(xiàn)場(chǎng)，安全到達(dá)地面，確保人身安全。

裝置包括安裝框架、逃生器殼體、阻尼部分、離心増力部分、主軸動(dòng)力輸入部分、壓繩預(yù)緊部分、逃生索導(dǎo)向部分。

1 工作原理和方案設(shè)計(jì)

1.1 裝置工作原理

逃生裝置的設(shè)計(jì)原理是利用人體下落速度的變化產(chǎn)生的阻力，在達(dá)到安全下落速度前與人體的重力相等，即可實(shí)現(xiàn)以安全速度進(jìn)行勻速下降的過(guò)程。此過(guò)程中人體下落的運(yùn)動(dòng)過(guò)程為加速度逐漸降低至零的加速運(yùn)動(dòng)。如圖1。

對(duì)逃生裝置的方案設(shè)計(jì)上，如圖2，下落時(shí)將逃生人員縛于逃生索上，將逃生索纏繞在主軸輸入端，將重力轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)主軸的扭矩，利用人體下落時(shí)在重力作用下加速下落，牽引逃生索同步帶動(dòng)逃生裝置中動(dòng)力輸入主軸1轉(zhuǎn)動(dòng)，伴隨著離心裝置的漲緊運(yùn)動(dòng)，生成離心力，運(yùn)動(dòng)至至阻尼殼體，離心力隨人體下落速度不斷增大而產(chǎn)生增大的正壓力，進(jìn)而使離心塊與阻尼殼體間產(chǎn)生的摩擦阻力矩不斷增大，阻礙動(dòng)力輸入主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸達(dá)到與人體重力矩相等，即實(shí)現(xiàn)人體勻速下落，完成通過(guò)下落速度反饋控制人體下降。

1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是要確定保證人在安全范圍內(nèi)勻速度下降時(shí)的阻力矩的實(shí)現(xiàn)，即離心部分離心塊質(zhì)量即離心半徑的確定以及主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（1）動(dòng)力輸入主軸設(shè)計(jì)。所選取人體重范圍15kg—100kg，取重力加速度為g= 9.8N/kg，則依人體下落時(shí)的重力公式G=mg得出人體重力范圍。選取直徑為20mm的軸徑作為支撐。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算及有限元分析，對(duì)軸進(jìn)行校核，如圖3。

（2）離心滑塊設(shè)計(jì)計(jì)算。通過(guò)查閱相關(guān)資料確定人體所能承受的勻速?zèng)_擊速度范圍，根據(jù)普通人體重進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，當(dāng)人體重達(dá)到100kg時(shí)，所能承受的勻速?zèng)_擊速度為1.5m/s，以此作為范圍邊界上限。人體體重下限取6歲以上兒童標(biāo)準(zhǔn)體重28.3kg。

利用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理可知，要達(dá)到勻速下滑應(yīng)有：

其中，T阻和T重重分別是阻力矩和重力矩。

在選取阻尼材料時(shí)選擇橡膠，查閱相關(guān)資料，摩擦系數(shù)u在鑄鐵和橡膠之間為0.5至0.8，取最小值0.5進(jìn)行計(jì)算。

為便于安裝和在運(yùn)行時(shí)不發(fā)生干涉，設(shè)計(jì)離心塊形狀為弓型，取離心塊質(zhì)量m= 2kg

T重=G·r

G：人體重力；

r：主軸繞繩處回轉(zhuǎn)半徑；

T阻=f·R=4·mv2Rcμ·R

m：重力塊質(zhì)量；

Rc：重力塊質(zhì)心半徑；

μ：摩擦系數(shù)，取0.5；

R：重力塊摩擦力作用點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑；

初步選定R/r=5，人落地時(shí)的速度為1.5m/s，則

v=1.5×5=7.5m/s

g=9.8m/s2

由T阻=T重計(jì)算整理得：

Rc=44.44mm

由質(zhì)心計(jì)算公式

Rc=2R·（1-cos3α）/3（1-cos2α）

α：弓形圓心角；

計(jì)算得α=84°

離心塊是離心力的來(lái)源，原則上越重越好，重心到旋轉(zhuǎn)中心的距離越大越好，在其上需要安裝摩擦片和滑動(dòng)銷軸。在該逃生器中，設(shè)計(jì)四個(gè)滑動(dòng)塊，每個(gè)滑動(dòng)塊的圓弧角度為84度。為了滿足滑塊的滑動(dòng)行程，滑塊的厚度有了限制，再根據(jù)滑塊的重量，計(jì)算出底面面積。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力輸入主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)軸是逃生器重要零件之一，它需要承載人的重量和承受人重量產(chǎn)生的扭矩、彎矩。確定軸直徑20mm。轉(zhuǎn)軸的扭矩是由重力產(chǎn)生的，大小初定為100N.m。

于主軸上安裝線性軸承，逃生繩固定在主軸上。如圖5。

設(shè)計(jì)說(shuō)明：

（1）815的孔用于安裝直線軸承。為保證重力塊在徑向方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，相交孔保證垂直度要求，平行孔保證平行度要求。

（2）220的軸用于安裝軸承，保證同軸度要求及表面粗糙度Ra=3.2。

（3）65的孔用于放入小釘，保證尼龍繩可帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)。

（4）該轉(zhuǎn)軸的材料是45號(hào)鋼。

2.2 重力滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

離心力來(lái)源于重力滑塊，重力滑塊質(zhì)量越大，則產(chǎn)生的離心力越大，且離心力大小與重力滑塊重心到旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比，需要在上面安裝滑動(dòng)軸和摩擦片。如圖6。

設(shè)計(jì)說(shuō)明：

（1）在該逃生器中，設(shè)計(jì)四個(gè)滑動(dòng)塊，每個(gè)滑動(dòng)塊的圓弧角度為84度?；瑒?dòng)塊之間存在間隙，方便裝配。

（2）滑動(dòng)塊上的4-M6螺孔用于固定摩擦片，每對(duì)周向上的螺孔之間夾角為40度。

（3）滑動(dòng)塊上的2-M8螺孔用于安裝滑動(dòng)銷軸，為保證重力塊在徑向方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，螺孔有垂直度要求。

2.3 壓繩裝置設(shè)計(jì)

壓繩部分的功能主要是給逃生繩施加預(yù)緊力，使逃生繩與動(dòng)力輸入主軸之間的靜摩擦力大于人的重力，保證逃生繩在主軸上不發(fā)生打滑的現(xiàn)象，確保主軸旋轉(zhuǎn)的線速度等于人體下落的線速度，即保證速度同步性。結(jié)構(gòu)如圖7。

需要調(diào)節(jié)壓繩力時(shí)，首先擰松鎖緊螺母，然后通過(guò)擰動(dòng)調(diào)整螺母，可以使螺桿高度升高或者降低，使壓繩板根動(dòng)力輸入主軸的之間的間隙增大或者減小，以減小或增大壓繩力。

3 結(jié)論

逃生裝置純機(jī)械的離心式反饋控制結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了在斷電等問(wèn)題上的可靠性；可實(shí)現(xiàn)雙向連續(xù)逃生，可循環(huán)使用減少逃生纏繩時(shí)間；其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)加工制作易于實(shí)現(xiàn)。但也存在個(gè)別不足，逃生索的纏繞、繞壓?jiǎn)栴}仍有發(fā)生，壓緊裝置對(duì)繩索磨損較大，未來(lái)可通過(guò)實(shí)用化設(shè)計(jì)提高其使用性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉華森，趙春霞.基于反饋的高樓逃生器[J].科技與生活.

[2]孫志禮，冷興聚，魏延剛，曾海泉.機(jī)械設(shè)計(jì).東北大學(xué)出版社.

[3]熊良山，嚴(yán)曉光，張福潤(rùn).機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ).華中科技大學(xué)出版設(shè).

[4]辛瑜，袁林，張匯泉.新型高樓逃生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].河南水利與南水北調(diào).

[5]王智明，鄭午，代樹林.救生緩降器優(yōu)化設(shè)計(jì)[I].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.

指導(dǎo)教師：符寶鼎。