一種液壓阻尼式高樓逃生裝置的設計

蘭杰，許穎

（湖北三峽職業技術學院，湖北 宜昌 443003）

1 引言

隨著社會的發展，住進高樓大廈的人越來越多。當火災發生時，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計研發也越來越關注。近幾年國內外許多企業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構、原理及關鍵件設計

2.1 機構組成

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，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動下，做垂直向下的運動，同時使繞繩輪旋轉，通過轉軸2、連桿3 帶動活塞桿4在液壓缸5內做往復運動，以此使液壓缸內的油在小孔6中流動從而產生阻力，降低了逃生人員的下降速度。

圖1 逃生裝置基本結構

圖2 液壓阻尼減速機構分析圖

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逃生的目的。

2.3 關鍵部件設計

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，逐步轉化成流體運動的動能，讓其在液壓缸活塞桿小孔兩側來回高速運動，轉化成熱能損失掉。

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

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-液壓缸內阻尼液高速流動能量損失；m-人體質量；V1-逃生下降速度。

當下降速度達到平衡時，下降運動的動能基本不變，則EP=EH，人體下降由勢能轉化出的能量，需要在液壓缸內全部消耗掉，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，并通過轉軸、連桿帶動活塞桿往復運動。通過推導，得活塞桿往復運動的瞬間速度V4：

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

活塞桿的運動，致使液壓缸一側阻尼液被迫經小孔向另一側流動。經推導，小孔內阻尼液流速V5：

式中：Dg-液壓缸內徑；d0-活塞桿上小孔直徑。

流動過程中產生的能量損失主要包括流體在小孔內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，在收縮部分不發生明顯的阻力損失，可忽略不計。經推導，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，取v=0.355cm2/s；

逃生裝置各參數取值如表1 所示。

表1 逃生器各零件尺寸參數 /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、以及轉軸與水平軸的夾角α 有關。阻尼總能量hZ隨夾角α的轉動不停地改變。當逃生下降速度V1取某一定值時，小孔d0越小，液壓缸內阻尼液流動產生的能量損失振幅越大。本設計通過活塞上小孔直徑來調節活塞運動阻力大小。經過實驗，小孔開設的直徑定為5.3mm。當體重較大的人下降逃生時，由勢能轉化出的能量增加，下降速度V1加快。通過Mathcad 繪制曲線分析，V1增大，阻尼液流動產生的能量損失圖形振幅加大，阻尼增強，最終平衡由勢能轉化出的能量，使下降速度保持穩定。

2.3.2 緩降器液壓缸數量的確定

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，液壓缸內能量損失總處于一個變化狀態，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。

圖3 四液壓缸阻尼液流動能量損失疊加分析圖

根據緩降器的結構及安裝液壓缸的位置，較適合于安裝兩缸或四缸聯合工作。四缸聯合工作，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的緩降阻力。相比之下，兩缸聯合工作疊加后的總能量損失曲線起伏較大，穩定下降速度的效果較差。經對比分析，緩降器采用四缸聯合工作。

表2 實驗結果

3 試驗研究

我們將試制的逃生器放置在教學樓的4 樓（11m），分別用40kg、50kg、60kg、70kg、80kg 重物做實驗。根據表2實驗結果可以看出，重物質量越大，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。結果表明，該逃生裝置能夠滿足設計的基本要求。同時，該逃生器具有操作簡單、維護方便的優點，但仍存在一些不足，需要在后續的工作中逐步完善。

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

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

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

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

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