基于擒縱原理的高樓循環逃生器設計

張占國

(北華大學機械工程學院，吉林吉林 132021)

基于擒縱原理的高樓循環逃生器設計

張占國

(北華大學機械工程學院，吉林吉林 132021)

利用擒縱原理設計間歇沖擊式高樓逃生器。該逃生器的傳動系統采用獨特設計的鋼絲繩防滑機構和三星輪換向機構:鋼絲繩防滑機構有效增加了鋼絲繩與卷筒間的摩擦力，避免了鋼絲繩在卷筒上打滑;三星輪換向機構實現了逃生器的循環利用，提高了救援效率。控制系統完成了擒縱輪的鎖定、開啟、轉動的周期性運動節拍，從而實現了主運動鏈的間歇運動，使得逃生人員在逃生器中間歇下降。

高樓逃生器;間歇沖擊式;擒縱原理

高層建筑滿足了人們居住、辦公的需要，解決了土地資源緊缺的矛盾。隨著建筑高度的增加和樓群的日趨密集，建筑的安全隱患也越來越多。當火災、爆炸、地震等突發性災難發生時，如何使受困于高樓的人員安全、快速地逃離險境已成為社會普遍關注的一個問題。受時間、空間等諸多因素的限制，機動性差的救援云梯車、救援直升飛機等大型救援設備很難發揮其理想的作用。為了實現安全自救、最大限度地降低傷亡，人們積極開展多元化的救援逃生技術的研究和應用，發明了各種各樣的逃生器。目前國內外已有的高樓逃生器主要有4種類型:

(1)包角加手控式［1］。該類逃生器通過增加鋼絲繩與卷筒之間包角，以增大摩擦力的方式限制下降速度。它存在設計中因包角過大而自鎖、包角過小而快速下滑等不安全的問題，并且在控制上也不易實現。

(2)離心摩擦式［2－3］。重力帶動卷筒軸轉動，使得卷筒軸上的活動塊由于離心力作用產生正壓力，摩擦片與外殼產生摩擦力。在下降速度達到一定值時，摩擦力矩與人體重力矩平衡，鋼絲繩勻速下降。由于其摩擦力的大小由離心塊的離心力大小和摩擦狀況決定，所以很難維持勻速下降，且受摩擦熱及摩擦磨損的影響很難保持恒定的摩擦因數。

(3)間歇沖擊式。通過間歇撞擊能來消耗能量［4］，如利用鐘表中的擒縱機構工作原理來消耗人體下落時所產生的能量。它要求主動件與從動件之間壓力角和摩擦力盡量大，但不能自鎖。

(4)液體流動阻尼式。利用液體流動阻尼把人體勢能轉化成液體熱能，以達到降低速度的目的。其主要特點是由于液體阻尼的大小取決于外載，所以不論人體質量的大小均能以比較恒定的速度下降。但現有的此類高樓逃生器結構龐大、使用不方便［5］。

1 逃生器系統方案設計

作者在調查、研究國內外常見逃生器的基礎上，提出了一種老少皆宜的高樓逃生器的總體設計方案。該裝置采用純機械結構，機械系統由傳動系統和控制系統組成。

1.1 傳動系統

如圖1所示，當逃生人員利用左側鋼絲繩1下降時，以人體重力G為驅動力，帶動卷筒2順時針轉動。在左側鋼絲繩防滑機構 (左擺架3、V形滾壓輪架4、滾壓輪5和帶槽滾輪6)作用下，使得鋼絲繩在卷筒上無相對滑動。齒輪11和卷筒用普通平鍵連接在Ⅰ軸上，卷筒帶動齒輪11順時針旋轉。

圖1 傳動系統運動方案簡圖

齒輪11、齒輪架12(安裝在軸Ⅰ上并可繞其相對轉動)和安裝在齒輪架上的齒輪13、14組成三星輪換向機構。當重物掛在鋼絲繩左端時，換向機構應調整為圖1所示的位置。主動輪11順時針方向轉動，從動輪15與輪11的轉向相同，也沿著順時針方向旋轉。重物掛在鋼絲繩右端時，順時針扳動齒輪架12的操作手柄。此時，主動輪11逆時針方向轉動，因齒輪14參與傳動，這時從動輪15與輪11的轉向相反，即沿著順時針方向旋轉。

1.2 控制系統

控制系統 (圖2)由內棘輪機構 (星輪16、彈簧17、棘爪18、內棘輪19)、齒輪機構 (齒輪19、6)、連桿機構 (主動搖桿21、連桿22、擒縱叉23)和擒縱機構 (擒拿叉23和擒縱輪24)組成。齒輪15、星輪16及擒縱輪24均通過普通平鍵連接于軸Ⅱ上，軸Ⅱ順時針方向轉動時，星輪亦順時針方向旋轉。通過棘爪推動內棘輪順時針方向轉動，再通過齒輪機構和連桿機構帶動擒縱機構。

擒縱機構是一種機械能量傳遞的開關裝置，在工業上常被用于計時、調速或改變運動方向。文中，擒縱機構以一定的頻率開關逃生器的主傳動鏈，使卷筒停、動，其間以一定的速度轉動，從而使鋼絲繩間歇下降。在這里，擒縱機構的功能可以從兩方面理解:擒:將主傳動鏈的運動鎖定(擒住);縱:就是用振蕩系統的一部分勢能，開啟 (放開)主傳動鏈，同時從主傳動鏈中“取回”一定的能量以維持振蕩系統的工作。

圖2 控制系統運動方案簡圖

設計中所用的擒縱機構為叉瓦式擒縱機構，它是應用最廣泛的一種擒縱機構，其工作特性和工藝性均較好。如圖2所示，擒縱輪受到傳動系統傳遞過來的轉動力矩的作用，具有順時針轉動的趨勢，但因受到擒縱叉左卡瓦的阻擋而停止。擒縱叉順時針擺動時，左卡瓦抬起，釋放擒縱輪使之順時針轉動;右卡瓦落下并與擒縱輪另一輪齒接觸時，擒縱輪又被擋住而停止。擒縱叉逆時針擺動時，右卡瓦抬起，擒縱輪被釋放并轉過一個角度，直到某一個輪齒再次被左卡瓦擋住為止。這樣就完成了一個工作周期。

擒縱機構屬于間歇性運動機構，在其運動中會產生不連續的運動，歸納其運動現象可分為接觸、分離、碰撞等3個運動相。由于運動的不連續造成機構的振動與噪聲，尤其在高速運動下常造成擒縱輪輪齒的折斷。為降低擒縱輪的轉速，傳動系統采用降速傳動。

2 逃生器結構設計

2.1 鋼絲繩防滑機構［6］

如圖3所示，鋼絲繩纏繞在卷筒上的楔形槽內。左、右擺架可分別繞上端固定軸小幅擺動，每個擺架上均裝有一個V形滾壓輪架，V形滾壓輪架可相對于擺架繞銷軸擺動，每個V形滾壓輪架上均裝有兩個滾壓輪，滾壓輪壓在鋼絲繩的外緣。每個擺架下端還有一個帶槽滾輪。

圖3 鋼絲繩防滑機構結構示意圖

當重物掛在鋼絲繩左端時，纏繞在卷筒上的鋼絲繩在重物的拉動下，對左側帶槽滾輪產生一向右的壓力，該壓力使左側擺架繞上端固定軸逆時針擺動，從而使左側V形滾壓輪架上的兩個滾壓輪緊緊地壓在鋼絲繩左側的外緣，使得鋼絲繩左側與卷筒間的壓力增大，摩擦力矩也因此增大。重物的重力越大，則鋼絲繩左側與卷筒間的壓力也越大，摩擦力矩也越大，從而避免了鋼絲繩與卷筒之間的打滑。

2.2 內棘輪機構

圖4 內棘輪機構及飛輪裝配圖

擒縱叉擒住擒縱輪時，棘輪機構中的星輪亦停止轉動，整個機械系統處于靜止狀態。擒縱輪短停后靠飛輪20的轉動慣性保證擒縱輪的繼續運動。飛輪實質上相當于一個能量儲存器，飛輪儲能技術是以高速旋轉的飛輪為載體，將能量以動能的形式儲存起來，當能量緊急缺乏或需要時，再將能量釋放出來。如圖4所示，飛輪的一端用螺栓連接于內棘輪上，另一端用滾動軸承空套在軸Ⅱ上。當內棘輪轉動時飛輪把能量吸收并儲存起來;當內棘輪停止時飛輪又把儲存的能量釋放出來帶動內棘輪順時針轉動。再通過齒輪機構和連桿機構的運動傳遞，使得擒縱叉繼續往復擺動。

3 緩降性能試驗及結果

首先測試逃生器負載500 N的工況下，各樓層重物下降的平均速度。將逃生器安裝于8層樓 (樓高28 m)的樓頂，將500 N的預制試驗鐵塊掛在鋼絲繩一端的鉤子上。根據重物下落過程中每層樓間的放繩量和所用時間計算各樓層重物下降的平均速度。測試的統計數據如表1所示，下落過程中速度與時間關系曲線如圖5所示。

表1 各樓層下降的平均速度

圖5 速度時間關系圖

其次測試逃生器分別負載250、400、500、750、1 000 N的工況下，重物落地時的瞬時速度。測試的統計數據如表2所示，重物落地速度與負載變化曲線如圖6所示。

表2 不同負載下重物的落地速度

圖6 速度重量關系圖

可以看出:人的落地速度為2～3 m/s，小于一般要求的5 m/s，相當于人從半米的高度跳下，用此逃生器逃生時的下落速度是安全的。而且下落時間也只要不到10 s，為其他逃生人員逃生爭取了時間，實現了快速、安全逃生的目的。因此可知該設計完全符合設計要求，能夠實現高樓逃生。

4 結論

該逃生器結構簡單、操作方便、使用安全、性能可靠，不會出現卡死的現象。該機械裝置不需要外在動力，可多人次循環使用。并可制成內貯鋼絲繩不同長度的系列產品，以適應不同高度樓房的需要。

【1】白陽光.高樓逃生安全控制器:中國，89103555.9［P］.1990－02－15.

【2】袁忠均，陳東，黃平.離心摩擦式高樓安全逃生器的設計［J］.機械設計，2004，21(1):208－209.

【3】葉海燕.緩降救生器:中國，02277340.1［P］.2003－09－03.

【4】曾景霖.高樓救生緩降器:中國，93239887.1［P］.1998－08－24.

【5】趙英斌.高層建筑逃生索:中國，01205767.3［P］.2001－12－12.

【6】葉仲和.鋼絲繩防滑機構:中國，200420111050.9［P］.2004－10－21.

Design of Cycle Escape Device Used in High-rise Buildings Based on Escapement Principle

ZHANG Zhanguo
(College of Mechanical Engineering，Beihua University，Jilin Jilin 132021，China)

An intermittent impact type escape device used in high-rise buildings was designed based on escapement principle.The transmission system was composed of a unique designed wirerope antislip mechanism and a reversing gear train.Using the wirerope antislip mechanism，friction between the wirerope and the winding drum was increased effectively to prevent the wirerope relative sliding along the winding drum.The reversing gear train was used to improve rescue efficiency by continually using the device.The control system was used to complete escape wheel periodically“locked to released to rotated to locked”movement，so intermittent movement of main drive chain was realized and personnel could fall intermittently.

Escape device;Intermittent impact type;Escapement principle

TH122

B

1001－3881(2014)8－020－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.007

2013－02－06

張占國 (1972—)，男，碩士，副教授，主要從事機械設計及理論方面的研究。E－mail:zzg302104@126.com。