新型高空救援逃生裝置的研制

王占輝

（天津中德應用技術大學，天津 300350）

Research and Exploration | 研究與探索·探討與創新

新型高空救援逃生裝置的研制

王占輝

（天津中德應用技術大學，天津 300350）

為實現緊急情況下的高空逃生，研制出一種新型高空救援逃生裝置，該裝置采用純機械結構，使用簡單易懂的操作方式，通過杠桿原理為不同體重的人提供相應大小的摩擦阻力，裝置不需要進行預先的設置，同時，該裝置具有單向自鎖功能，不僅能夠滿足緊急現場逃生還能夠滿足從地面到高空的現場救援。

高空救援；高空逃生；杠桿

目前，國內應對高空逃生主要還是依靠消防官兵救援，對于自救式的逃生設備應用缺乏，因此設計一種可靠高效且操作簡便的逃生設備是非常有必要的。現有資料顯示，高空救援類的設備主要是通過離心、液壓、彈簧等產生阻尼進行緩降，設計的原理各有差異，但往往需要進行一定的調節來適應不同體重的人，產生相應的摩擦阻力。本文所述的新型高空救援逃生裝置，區別于現有逃生機構，采用杠桿原理，具有自適應性，可以為不同體重的逃生者提供相應大小的摩擦阻力，保證逃生者安全到達地面。在逃生過程中不需要進行繁瑣的調節，實現了簡單快速的目標，與同類產品相比，結構簡單，安全可靠，小巧便攜，且具有單向自鎖特征。

1 工作原理

裝置的結構如圖1所示，主要通過調節杠桿的支點產生不同的壓緊力來控制鋼絲繩與摩擦瓦的摩擦力大小從而保證安全下落。利用杠桿原理，將人自身的重力作用于杠桿一端，在另一端給鋼絲繩產生相應的壓緊力，這個壓緊力使摩擦片與鋼絲繩產生一定的摩擦力從而平衡人的自重，基本實現勻速下降。再調節摩擦力，使之大于重力，就可減速下將。

2 主要功能及應用場合

（1）主要功能。本裝置的主要功能有下降功能和上升功能。①下降功能：在逃生時，人通過安全帶與該裝置固定，由鋼絲繩固定端經鋼絲繩傳力到杠桿上，支點右端為動力臂，左端為阻力臂，在摩擦阻力的作用下進行逃生。②上升功能：當拉動鋼絲繩自由端時，杠桿動力臂與阻力臂互換，壓緊輪對鋼絲繩沒有壓緊力，具有單向自鎖功能，可實現間歇安全提升。

圖1 新型高空救援逃生裝置原理圖

（2）應用場合。本裝置的主要應用場合有火災等災難場所的高空逃生、井下救援、高空作業等。針對不同的救援需求，本裝置可采用差異安裝來實現不同的功能。①自救。本裝置在自救逃生時，一般情況下采用直接掛鉤式安裝，若體重過大，可采用加裝定滑輪的方式來減少裝置內零件的受力保證安全。②救援。當被困人員無法進行自我逃生時，該裝置可將地面人員抬升至救援現場進行救援。此時，繩子的自由端繞過定滑輪連接地面電動機，裝置處于地面位置和救援人員固定，電動機將救援人員進行抬升。③多人逃生。對于高層建筑，人數較多時，可通過兩個定滑輪和兩個固定點，將兩套救援裝置進行組裝，可以實現多人連續逃生。

3 理論計算

（1）運動計算。裝置主要通過摩擦實現緩降逃生目的，裝置中鋼絲繩與摩擦瓦產生的摩擦力f=μ，當摩擦阻力與人的重力相等時，即f=mg時，加速度為零，即可實現勻速下降。轉化在機構上即為：重力作用在杠桿右端合力與左端的支撐力與的關系滿足以下條件：

（其中 F2=FN）。

圖2 杠桿原理

（2）目標函數F2的變化曲線分析。

圖3 杠桿受力圖

圖4 目標函數F2變化曲線分析

由圖4可知F2與X成反比例關系。為使F2在調節過程中平緩變化選取適當的杠桿長度：L=120mm（絲杠導程為1mm）。F2由F1增加到2 F2，絲桿的調節范圍不小于一個螺距，從而保證了調節過程不至于過于靈敏。

（3）繩輪設計。繩輪是整個裝置中的關鍵結構，繩輪直徑的大小決定了鋼絲繩的彎折程度，進而影響繩輪在使用過程中的安全性。繩輪的設計參考了機械設計手冊，鋼絲繩直徑為Φ4，選取安全系數s=4，推薦的繩輪直徑為Φ60。

（4）軸承選取。在絲桿的支撐部位采用軸承連接，已知絲桿前端階梯軸直徑為Φ8，選取深溝球軸承619/8。安裝尺寸：外徑Φ19，B=6mm。機構中其余零件均經過強度校核，均在許用范圍之內。

4 主要創新點

（1）原理的創新應用。通過調節杠桿動力臂和阻力臂的長短，從而調節杠桿對壓緊輪的正壓力，產生不同的摩擦力，實現調速的目的。因為其中摩擦因素基本是個定值（由材料本身性質而定），不論體重為多少的人，帶上的緩降器都可以保持初始速度勻速下降。之所以說可調速下降，是指在保證勻速的基礎上通過調節絲桿，就可以實現減速下降；或者預先調至減速檔，下降時通過腳蹬墻壁，獲得一定初速度，下降一定高度，實現間歇減速下降。

（2）機械結構的組合創新。本裝置通過巧妙的組合設計成滿足功能的產品，本設計應用的機構有：杠桿機構，螺旋傳動機構，雙滑塊機構，摩擦制動機構。

5 加工制作及試驗驗證

新型高空救援逃生裝置采用傳統工藝方法，進行加工制作，新型高空救援逃生裝置實物圖如圖5所示。針對不同重量（30～50kg）的物體進行實驗，其下降速度均在1m/s左右。在今后還可對裝置進行優化，設計改進更加穩定的摩擦系統，將裝置設計成背包式，使救援更加方便。

圖5 新型高空救援逃生裝置實物圖

6 結論

高空救援是當今社會存在的難題，保證逃生者安全逃生是研究的目的，本裝置結構簡單、機械強度高、安全可靠，可以使人方便快捷的沿墻下滑，從而迅速逃離危險，同時還可廣泛應用于高空作業、井下救援、火災等災難場所的高空逃生。

[1] 邱宣懷.機械設計.四版.北京:高等教育出版社，1997.

[2] 孟憲源，姜琪.機構構型與應用.北京：機械工業出版社，2005.

[3] 孫京平，魏偉.互換性與測量技術基礎.北京:中國電力出版社，2009.

[4] 吳宗澤.機械設計實用手冊（第二版）.化學工業出版社：北京，2003.

X924.4

A

1671-0711（2016）11（上）-0152-02