離心摩擦式高樓逃生緩降器的研發(fā)

WEI Jian-jun

0 引言

城市高樓火災(zāi)是一種發(fā)生頻率高、涉及面廣、蔓延速度快、破壞性大、救援和逃生困難的突發(fā)性災(zāi)害。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的高層建筑逃生裝置有三種類型。一種是機(jī)械電動(dòng)式逃生裝置，需要電源提供動(dòng)力，同時(shí)還需要機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行變速緩降；很顯然災(zāi)害發(fā)生時(shí)電源能否可靠使用是個(gè)大問(wèn)題，其次該裝置復(fù)雜龐大、成本高、不易推廣。一種是斜索緩降逃生裝置，需要先將繩索的一端固定在地面上，然后逃生者依靠夾持繩索裝置夾持繩索緩降逃生；該裝置需要?jiǎng)e人幫忙固定繩索來(lái)完成逃生，及時(shí)性和容易性是個(gè)問(wèn)題。還有一種是采用液體流動(dòng)阻尼的方法進(jìn)行緩降逃生，這類裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用的液壓系統(tǒng)如果出現(xiàn)密封性問(wèn)題就會(huì)給逃生者帶來(lái)安全隱患，且使用繁瑣費(fèi)時(shí)、成本高。

因此簡(jiǎn)單、安全、快速的機(jī)械自助逃生裝置是高層建筑逃生裝置今后發(fā)展的重要趨勢(shì)。本文研究的逃生裝置是純機(jī)械裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要外在動(dòng)力，可多人次循環(huán)使用；利用繩索滾筒旋轉(zhuǎn)快慢產(chǎn)生的離心力不同改變摩擦力矩的大小，可使不同體重的逃生者都能以安全的下降速度進(jìn)行緩降逃生。

1 結(jié)構(gòu)與原理

擦阻力，同時(shí)還要使不同體重的人都能以1.2m/s左右的安全速度降落到地面。

如圖1所示，當(dāng)逃生者握住繩索向下逃生時(shí)，繩索滾輪將被繩索帶動(dòng)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此運(yùn)動(dòng)通過(guò)與滾輪固定聯(lián)接的軸Ⅰ、增速齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)軸Ⅱ做高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以鍵與軸Ⅱ聯(lián)接的離心盤也被迫高速旋轉(zhuǎn)，其上的杠桿式離心塊在離心力的作用下將繞鉸鏈向外旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)與軸Ⅱ同步旋轉(zhuǎn)的右摩擦盤向左移動(dòng)，緊緊地壓住固定不動(dòng)的左摩擦盤，產(chǎn)生了摩擦力矩。

摩擦力矩的大小取決于逃生者下降的速度，下降的速度越快，則離心盤的轉(zhuǎn)速越高，杠桿式離心塊施加給右摩擦盤的壓力也就越大，產(chǎn)生的

圖1 緩降器結(jié)構(gòu)圖

純機(jī)械逃生裝置的關(guān)鍵技術(shù)在于如何利用機(jī)械結(jié)構(gòu)和力學(xué)原理，使逃生者利用繩索下降時(shí)的自重轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的摩摩擦力矩也越大。反之，產(chǎn)生的摩擦力矩越小。而摩擦力矩的大小反過(guò)來(lái)又控制逃生者的下降速度，使逃生者無(wú)論體重的大小都能以穩(wěn)定安全的速度下降到地面，實(shí)現(xiàn)安全逃生。

圖1中的調(diào)整螺栓、調(diào)整彈簧主要用于摩擦力矩大小的調(diào)整，以適應(yīng)逃生者在安全速度范圍內(nèi)調(diào)整不同的下降速度。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算與分析

設(shè)計(jì)的主要目的是要保證逃生者下降的速度在安全范圍之內(nèi)，利用平衡原理可知，要達(dá)到勻速下降應(yīng)使逃生者下降由于自重產(chǎn)生的力矩與摩擦阻力矩達(dá)到平衡。

利用力矩平衡原理，對(duì)軸Ⅰ、軸Ⅱ進(jìn)行受力分析得：

式中：M摩為摩擦力矩（N ? m）；

D為繩索滾筒的直徑（m）；

G為逃生者的體重（N）；

Z1為齒輪齒數(shù)（齒）；

Z2為齒輪齒數(shù)（齒）。

即：當(dāng)產(chǎn)生的摩擦力矩為式（1）時(shí)，逃生者的下降為勻速下降。

當(dāng)逃生者以安全速度V下降時(shí)，繩索滾筒的轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)齒輪傳動(dòng)原理可知，離心盤的轉(zhuǎn)速為：

當(dāng)離心盤以n離的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心塊受到的離心力為：

式中：m為離心塊的質(zhì)量（kg）；

R為離心塊的回轉(zhuǎn)半徑（m）。圖2是摩擦盤的受力情況，根據(jù)力矩平衡原理，可得：

摩擦力為：

圖2 磨擦盤的受力分析

摩擦阻力矩為：

聯(lián)立式（1）、（2）得：

整理后得：

式中：k為彈簧的彈性系數(shù)；

x為被壓縮的彈簧長(zhǎng)度（m）；

μ為兩摩擦盤間的摩擦系數(shù)，其值取決

于摩擦盤上摩擦帶所采用的材料；

d為摩擦盤上摩擦帶的平均直徑（m）；

L為杠桿式離心塊長(zhǎng)力臂（m）；

l為杠桿式離心塊短力臂（m）。

式（3）是我們?cè)O(shè)計(jì)的主要依據(jù)，從式（3）可以看出：減小繩索滾筒直徑D，齒輪齒數(shù)比，離心塊力臂比、力臂夾角α可以降低下降速度V；增大摩擦系數(shù)μ、摩擦盤直徑d、離心塊質(zhì)量m及其回轉(zhuǎn)半徑R可以降低下降速度V。當(dāng)緩降器的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，逃生者下降的速度與其重量的開平方成正比，故只要選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以確保逃生者能以安全的速度下降到地面。

3 緩降性能試驗(yàn)

為了使設(shè)計(jì)的緩降器結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇如下：繩索滾筒直徑D=120mm，主動(dòng)齒輪齒數(shù)Z2=18，從動(dòng)齒輪齒數(shù)Z1=54，離心杠桿力臂1l=20mm，摩擦系數(shù)μ=0.25，摩擦盤平均直徑d=120mm，離心塊質(zhì)量m=0.6kg，離心塊旋轉(zhuǎn)半徑R=150mm，離心杠桿力臂2L=80mm，杠桿式離心塊夾角α=10°。

如圖1所示，在離心盤上均布安裝6個(gè)杠桿式離心塊，材料采用45鋼，每個(gè)重量0.1kg，可以保證緩降器的工作平穩(wěn)；摩擦盤摩擦面使用石棉摩擦帶以提高摩擦系數(shù)，μ取0.25；逃生繩索使用專業(yè)登山用繩；利用調(diào)整彈簧還可以調(diào)整摩擦力矩的大小，從而可以調(diào)整下降速度的快慢，取調(diào)整彈簧的彈性系數(shù)k為30N/mm；利用兩段逃生繩索反向纏繞在繩索滾筒上可以使一根繩索拉到地面，另一繩索剛好全部收回，保證了緩降器的迅速使用。圖4給出了試制實(shí)物的圖片。

圖3 下降速度V與重量G的關(guān)系

圖4 緩降器的實(shí)物圖片

緩降器制作完成后，采用不同重量的重物在16m高的樓層進(jìn)行試驗(yàn)，得出重物重量與下降速度之間的關(guān)系如圖3所示。

由圖3看出，按以上參數(shù)設(shè)計(jì)緩降器可以保證逃生者能夠以安全的速度下降到地面。試驗(yàn)表明：緩降器可以正反轉(zhuǎn)動(dòng)，利用重物自身的重量能在安全速度范圍內(nèi)以勻速下降，下降速度的大小取決于重物重量和調(diào)整彈簧的彈力。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)著手開發(fā)類似的產(chǎn)品，并正在推廣到實(shí)際中使用。但是，本文研制的逃生緩降器原型比國(guó)內(nèi)外報(bào)導(dǎo)的類似產(chǎn)品輕了9kg，實(shí)踐證明，采用齒輪傳動(dòng)裝置自動(dòng)調(diào)整摩擦阻力矩的大小，達(dá)到了緩降的目的，特別是采用調(diào)整彈簧調(diào)整摩擦阻力矩的大小，可以使逃生者在安全范圍內(nèi)調(diào)整下降速度是其他類似產(chǎn)品不可比擬的。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，實(shí)用性強(qiáng)，期望可以獲得較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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