離心式阻尼逃生裝置設計與分析

呼春洋 羅徽 劉建東 符寶鼎

摘要：本文詳細介紹了阻尼式勻降高樓逃生裝置。該裝置利用人體下落時同步牽引逃生索，帶動逃生裝置中動力輸入部分轉動，實現離心部分離心滑塊的的離心漲緊運動，產生摩擦力，摩擦阻力阻礙動力輸入主軸轉動，進而實現通過下落速度反饋控制人體下降。本作品采用人力為動力，節約了能源，操作簡單，使用方便，實用性較強，可以進行大面積推廣。

關鍵詞：勻降逃生；阻尼式；離心漲緊；速度反饋

隨著人們對工作和環境安全要求越來越高，消防安全器材需要更加簡便的設計，為了解決好這一問題，設計了阻尼式勻降逃生裝置。下面介紹作品的創作背景、功能、方案設計等。

高樓逃生裝置用于解決高樓火災和一些突發性的災難對身處高樓的人進行逃生的問題。一種安全、可靠、安裝方便、使用簡單的高樓逃生裝置的研究意義重大。本裝置主要是為了當高樓建筑發生災難時，人員能從窗戶等樓梯外部快速逃離現場，安全到達地面，確保人身安全。

裝置包括安裝框架、逃生器殼體、阻尼部分、離心増力部分、主軸動力輸入部分、壓繩預緊部分、逃生索導向部分。

1 工作原理和方案設計

1.1 裝置工作原理

逃生裝置的設計原理是利用人體下落速度的變化產生的阻力，在達到安全下落速度前與人體的重力相等，即可實現以安全速度進行勻速下降的過程。此過程中人體下落的運動過程為加速度逐漸降低至零的加速運動。如圖1。

對逃生裝置的方案設計上，如圖2，下落時將逃生人員縛于逃生索上，將逃生索纏繞在主軸輸入端，將重力轉化為旋轉主軸的扭矩，利用人體下落時在重力作用下加速下落，牽引逃生索同步帶動逃生裝置中動力輸入主軸1轉動，伴隨著離心裝置的漲緊運動，生成離心力，運動至至阻尼殼體，離心力隨人體下落速度不斷增大而產生增大的正壓力，進而使離心塊與阻尼殼體間產生的摩擦阻力矩不斷增大，阻礙動力輸入主軸轉動，逐漸達到與人體重力矩相等，即實現人體勻速下落，完成通過下落速度反饋控制人體下降。

1.2 設計計算

設計的主要內容是要確定保證人在安全范圍內勻速度下降時的阻力矩的實現，即離心部分離心塊質量即離心半徑的確定以及主軸的結構設計。

（1）動力輸入主軸設計。所選取人體重范圍15kg—100kg，取重力加速度為g= 9.8N/kg，則依人體下落時的重力公式G=mg得出人體重力范圍。選取直徑為20mm的軸徑作為支撐。通過設計計算及有限元分析，對軸進行校核，如圖3。

（2）離心滑塊設計計算。通過查閱相關資料確定人體所能承受的勻速沖擊速度范圍，根據普通人體重進行設計計算，當人體重達到100kg時，所能承受的勻速沖擊速度為1.5m/s，以此作為范圍邊界上限。人體體重下限取6歲以上兒童標準體重28.3kg。

利用運動學原理可知，要達到勻速下滑應有：

其中，T阻和T重重分別是阻力矩和重力矩。

在選取阻尼材料時選擇橡膠，查閱相關資料，摩擦系數u在鑄鐵和橡膠之間為0.5至0.8，取最小值0.5進行計算。

為便于安裝和在運行時不發生干涉，設計離心塊形狀為弓型，取離心塊質量m= 2kg

T重=G·r

G：人體重力；

r：主軸繞繩處回轉半徑；

T阻=f·R=4·mv2Rcμ·R

m：重力塊質量；

Rc：重力塊質心半徑；

μ：摩擦系數，取0.5；

R：重力塊摩擦力作用點回轉半徑；

初步選定R/r=5，人落地時的速度為1.5m/s，則

v=1.5×5=7.5m/s

g=9.8m/s2

由T阻=T重計算整理得：

Rc=44.44mm

由質心計算公式

Rc=2R·（1-cos3α）/3（1-cos2α）

α：弓形圓心角；

計算得α=84°

離心塊是離心力的來源，原則上越重越好，重心到旋轉中心的距離越大越好，在其上需要安裝摩擦片和滑動銷軸。在該逃生器中，設計四個滑動塊，每個滑動塊的圓弧角度為84度。為了滿足滑塊的滑動行程，滑塊的厚度有了限制，再根據滑塊的重量，計算出底面面積。

2 裝置結構設計

2.1 動力輸入主軸結構設計

轉軸是逃生器重要零件之一，它需要承載人的重量和承受人重量產生的扭矩、彎矩。確定軸直徑20mm。轉軸的扭矩是由重力產生的，大小初定為100N.m。

于主軸上安裝線性軸承，逃生繩固定在主軸上。如圖5。

設計說明：

（1）815的孔用于安裝直線軸承。為保證重力塊在徑向方向運動狀態，相交孔保證垂直度要求，平行孔保證平行度要求。

（2）220的軸用于安裝軸承，保證同軸度要求及表面粗糙度Ra=3.2。

（3）65的孔用于放入小釘，保證尼龍繩可帶動軸轉。

（4）該轉軸的材料是45號鋼。

2.2 重力滑塊結構設計

離心力來源于重力滑塊，重力滑塊質量越大，則產生的離心力越大，且離心力大小與重力滑塊重心到旋轉中心的距離成正比，需要在上面安裝滑動軸和摩擦片。如圖6。

設計說明：

（1）在該逃生器中，設計四個滑動塊，每個滑動塊的圓弧角度為84度。滑動塊之間存在間隙，方便裝配。

（2）滑動塊上的4-M6螺孔用于固定摩擦片，每對周向上的螺孔之間夾角為40度。

（3）滑動塊上的2-M8螺孔用于安裝滑動銷軸，為保證重力塊在徑向方向運動狀態，螺孔有垂直度要求。

2.3 壓繩裝置設計

壓繩部分的功能主要是給逃生繩施加預緊力，使逃生繩與動力輸入主軸之間的靜摩擦力大于人的重力，保證逃生繩在主軸上不發生打滑的現象，確保主軸旋轉的線速度等于人體下落的線速度，即保證速度同步性。結構如圖7。

需要調節壓繩力時，首先擰松鎖緊螺母，然后通過擰動調整螺母，可以使螺桿高度升高或者降低，使壓繩板根動力輸入主軸的之間的間隙增大或者減小，以減小或增大壓繩力。

3 結論

逃生裝置純機械的離心式反饋控制結構易于實現，增強了在斷電等問題上的可靠性；可實現雙向連續逃生，可循環使用減少逃生纏繩時間；其簡單的結構加工制作易于實現。但也存在個別不足，逃生索的纏繞、繞壓問題仍有發生，壓緊裝置對繩索磨損較大，未來可通過實用化設計提高其使用性能。

參考文獻：

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指導教師：符寶鼎。