張麗萍，楚焱芳

(南通職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226007)

0 引 言

隨著城市高層建筑的日益增多，高層建筑火災(zāi)的發(fā)生頻率也隨之增多，高層建筑火災(zāi)已成為影響城市安全的一大隱患，所以高樓逃生裝置逐漸成為城市高層住戶必需的設(shè)備。

高樓逃生設(shè)備目前主要有以下三種形式：①液體阻尼式救生緩降器，它是利用液體流動(dòng)時(shí)的阻尼將負(fù)載勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能以達(dá)到緩降，缺點(diǎn)是需要提供液壓壓力源[1]；②摩擦制動(dòng)式救生緩降器，是一種利用機(jī)械摩擦力產(chǎn)生阻力來(lái)制動(dòng)的緩沖裝置，缺點(diǎn)是很難控制摩擦阻力的大小[2]；③電磁阻尼式救生緩降器，是利用電磁感應(yīng)和磁場(chǎng)對(duì)電流產(chǎn)生作用力的方式，利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)救生器的自動(dòng)控制，缺點(diǎn)是人體剛開(kāi)始時(shí)不能使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電源供控制系統(tǒng)工作[3]。

因此一種結(jié)構(gòu)小巧、既安全可靠又制造成本低的純機(jī)械式逃生裝置正成為高層住戶的首選。文獻(xiàn)[4]介紹的擒縱式高樓逃生機(jī)構(gòu)是一種機(jī)械式結(jié)構(gòu)。此文研究的是另一種純機(jī)械式結(jié)構(gòu)——離心式高樓逃生裝置，它利用離心調(diào)速機(jī)構(gòu)施加給摩擦盤上的軸向壓力，使摩擦盤產(chǎn)生摩擦阻力矩，使人體以一定的平均速度安全著地。

1 離心式逃生機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)

圖1所示為離心式逃生機(jī)構(gòu)，卷筒及齒輪1安裝在支架上。鋼絲繩纏繞在卷筒上，人體通過(guò)鋼絲繩作下降逃生。

圖1 離心式逃生機(jī)構(gòu)

如圖2所示，卷筒的一端通過(guò)棘輪機(jī)構(gòu)與軸1聯(lián)接，卷筒的另一端與齒輪1固聯(lián)，軸1上還安裝有離心調(diào)速機(jī)構(gòu)和齒輪2。軸2上安裝有摩擦盤機(jī)構(gòu)，定摩擦盤通過(guò)平鍵與軸2聯(lián)接，可沿軸2作軸向滑動(dòng)；動(dòng)摩擦盤與齒輪4固聯(lián)，并通過(guò)滾動(dòng)軸承安裝在軸2上，齒輪4與齒輪2嚙合。軸3上安裝有齒輪2和搖把，齒輪2與卷筒上的齒輪1嚙合。

圖2 離心式逃生裝置展開(kāi)圖

上述離心式逃生機(jī)構(gòu)的工作順序是：在逃生人員的重力作用下，通過(guò)鋼絲繩的牽引，使卷筒和棘輪一起順鐘向轉(zhuǎn)動(dòng)，棘輪通過(guò)棘爪和棘爪座帶動(dòng)軸1轉(zhuǎn)動(dòng)[5]，軸1上的離心機(jī)構(gòu)作順鐘向轉(zhuǎn)動(dòng)。

在重力加速度作用下，人體下降的速度逐漸增大，軸1的轉(zhuǎn)速也隨著升高，離心機(jī)構(gòu)的飛球因離心力增大而飛向外側(cè)，驅(qū)動(dòng)軸環(huán)向前移動(dòng)，通過(guò)杠桿壓緊彈簧來(lái)驅(qū)動(dòng)兩摩擦盤接合。彈簧將杠桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的軸向壓力全部傳遞給定摩擦盤，同時(shí)還能調(diào)節(jié)杠桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的軸向位移。定摩擦盤不能轉(zhuǎn)動(dòng)，只能作軸向移動(dòng)。動(dòng)摩擦盤隨著齒輪3一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

定摩擦盤和動(dòng)摩擦盤之間產(chǎn)生摩擦阻力矩，阻止人體下降速度的進(jìn)一步增大。當(dāng)摩擦阻力矩通過(guò)齒輪4傳遞給齒輪3，在齒輪3上產(chǎn)生趨近于或等于人體重力在卷筒上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩時(shí)，人體作等速下降。反之，人體下降速度降低，軸1的轉(zhuǎn)速下降，在彈簧力的反作用下使軸1上的軸環(huán)向放松端方向移動(dòng)，飛球向內(nèi)側(cè)回縮，摩擦盤間的壓力減小，摩擦盤的摩擦阻力矩隨之減小，人體下降的速度隨之又逐漸增大，飛球產(chǎn)生的離心力又重新增大，直至達(dá)到新的平衡。

當(dāng)逃生人員落地后，樓上人員順時(shí)針搖動(dòng)手把，此時(shí)棘爪在棘輪上打滑，不能跟隨棘輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)(如圖3所示)，軸1也不轉(zhuǎn)動(dòng)[7-8]。軸3上的齒輪2通過(guò)齒輪1驅(qū)動(dòng)卷筒逆鐘向轉(zhuǎn)動(dòng)將鋼繩收回，以供后續(xù)人員逃生。

圖3 棘輪機(jī)構(gòu)圖

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算

人體在自身重力作用下，安全落地的速度v為4 m/s，以此速度落地人體不會(huì)摔傷。若圈筒的直徑D=0.3 m，圈筒轉(zhuǎn)速為:

目前許多企業(yè)的會(huì)計(jì)機(jī)構(gòu)的人員配置和機(jī)構(gòu)設(shè)置并不合理，會(huì)計(jì)人員不足，許多崗位由一名會(huì)計(jì)兼職，缺乏專業(yè)性。由于企業(yè)的會(huì)計(jì)機(jī)構(gòu)設(shè)置不合理，使得企業(yè)的財(cái)務(wù)職能發(fā)揮不出其應(yīng)用的作用，很多企業(yè)停留在企業(yè)的經(jīng)營(yíng)者對(duì)生產(chǎn)情況、財(cái)務(wù)狀況直接干涉的狀況，會(huì)計(jì)人員的設(shè)置形同虛設(shè)。企業(yè)在招聘會(huì)計(jì)人員的時(shí)候要求低，不根據(jù)會(huì)計(jì)崗位人員規(guī)定招聘的情況屢見(jiàn)不鮮，由企業(yè)經(jīng)營(yíng)者的親屬、朋友兼任財(cái)務(wù)和會(huì)計(jì)的情況很多，降低了企業(yè)會(huì)計(jì)核算的準(zhǔn)確性，不利于企業(yè)的健康發(fā)展。

ω=2πn=26.67 rad/s

離心機(jī)構(gòu)中均布有3個(gè)飛球，單個(gè)飛球的質(zhì)量m，回轉(zhuǎn)半徑為(a+lsinα)(如圖4所示)，則3個(gè)飛球產(chǎn)生離心力的總和F離為:

圖4 離心機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

F離=3m(a+lsinα)ω2

(1)

如圖4所示，軸環(huán)可沿軸向滑移，AC桿的桿長(zhǎng)為l，B為AC的中點(diǎn)，即BC長(zhǎng)為1/2，同理，BD桿長(zhǎng)也為1/2。

若在如圖4所示的系統(tǒng)中，若忽略各鉸鏈中摩擦力和桿的質(zhì)量，根據(jù)達(dá)朗伯-拉格朗日方程[9]，得:

F離δscosα+F軸環(huán)δz=0

(2)

飛球A的虛位移可由AC桿在相對(duì)平衡位置轉(zhuǎn)過(guò)一微小角度δs得到，即:

δs=lδα

(3)

δs的方向垂直于AC。

如圖4所示，CD的長(zhǎng)度z=lcosα，則有:

δz=-lsinαδα

(4)

將式(3)和式(4)代入式(2)，得:

3m(a+lsinα)ω2lcosαδα-F軸環(huán)lsinαδα=0

化簡(jiǎn)后得:

(5)

如圖4所示，軸環(huán)鉸鏈距固定鉸鏈的桿為l1，摩擦盤鉸鏈距固定鉸鏈的桿為l2，且l1/l2=3，故作用在摩擦盤上的壓力F壓為：

T1=fF壓RF=0.051F軸環(huán)

(6)

齒輪4在嚙合點(diǎn)處的圓周力Ft4為：

(7)

在軸1上，圈筒的纏繞直徑為D，人體重力為W，則人體重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T2為：

齒輪3在嚙合點(diǎn)處的圓周力Ft3為：

(8)

齒輪3與齒輪4是相互嚙合的一對(duì)齒輪，其傳遞的圓周力相等，故Ft3=Ft4，得：

(9)

由式(5)、式(9)整理，得：

(10)

在該機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)中，若R3/R4=2，D=0.3 m，α=45°，a=0.11 m，l=0.3 m，m=2 kg，逃生人員的質(zhì)量可達(dá)92 kg。若人體質(zhì)量大于92 kg，會(huì)導(dǎo)致ω、α和F軸環(huán)的進(jìn)一步增大，從而使摩擦盤的摩擦阻力矩增大，直至在齒輪3上的阻力矩與人體重力在卷筒上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，從而使人體作等速下降。

3 結(jié) 語(yǔ)

離心式逃生機(jī)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)小巧、既安全可靠又制造成本低的機(jī)械裝置。該裝置創(chuàng)新地引用了離心調(diào)速機(jī)構(gòu)和摩擦盤。利用離心調(diào)速機(jī)構(gòu)產(chǎn)生對(duì)摩擦盤的軸向驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)放大軸向驅(qū)動(dòng)力，運(yùn)用壓縮彈簧調(diào)節(jié)位移并傳遞軸向驅(qū)動(dòng)力給定摩擦盤，促使兩摩擦盤間產(chǎn)生摩擦阻力矩，阻止人體的快速下落。對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，完成了離心式高樓逃生裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使人體以某一平均速度下降，保證人體安全著地。