WEI Jian-jun

0 引言

城市高樓火災是一種發(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)性災害。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的高層建筑逃生裝置有三種類型。一種是機械電動式逃生裝置，需要電源提供動力，同時還需要機械傳動機構進行變速緩降；很顯然災害發(fā)生時電源能否可靠使用是個大問題，其次該裝置復雜龐大、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；該裝置需要別人幫忙固定繩索來完成逃生，及時性和容易性是個問題。還有一種是采用液體流動阻尼的方法進行緩降逃生，這類裝置結構復雜，使用的液壓系統(tǒng)如果出現(xiàn)密封性問題就會給逃生者帶來安全隱患，且使用繁瑣費時、成本高。

因此簡單、安全、快速的機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。本文研究的逃生裝置是純機械裝置，結構簡單，不需要外在動力，可多人次循環(huán)使用；利用繩索滾筒旋轉快慢產(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行緩降逃生。

1 結構與原理

擦阻力，同時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，當逃生者握住繩索向下逃生時，繩索滾輪將被繩索帶動做旋轉運動，此運動通過與滾輪固定聯(lián)接的軸Ⅰ、增速齒輪傳動機構帶動軸Ⅱ做高速的旋轉運動，以鍵與軸Ⅱ聯(lián)接的離心盤也被迫高速旋轉，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，從而推動與軸Ⅱ同步旋轉的右摩擦盤向左移動，緊緊地壓住固定不動的左摩擦盤，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 緩降器結構圖

純機械逃生裝置的關鍵技術在于如何利用機械結構和力學原理，使逃生者利用繩索下降時的自重轉化為相應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來又控制逃生者的下降速度，使逃生者無論體重的大小都能以穩(wěn)定安全的速度下降到地面，實現(xiàn)安全逃生。

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

2 設計計算與分析

設計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，要達到勻速下降應使逃生者下降由于自重產(chǎn)生的力矩與摩擦阻力矩達到平衡。

利用力矩平衡原理，對軸Ⅰ、軸Ⅱ進行受力分析得：

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：當產(chǎn)生的摩擦力矩為式（1）時，逃生者的下降為勻速下降。

當逃生者以安全速度V下降時，繩索滾筒的轉速為：

根據(jù)齒輪傳動原理可知，離心盤的轉速為：

當離心盤以n離的轉速旋轉時，離心塊受到的離心力為：

式中：m為離心塊的質量（kg）；

R為離心塊的回轉半徑（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為杠桿式離心塊長力臂（m）；

l為杠桿式離心塊短力臂（m）。

式（3）是我們設計的主要依據(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、離心塊質量m及其回轉半徑R可以降低下降速度V。當緩降器的結構參數(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構參數(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

為了使設計的緩降器結構緊湊、質量輕，對其結構參數(shù)選擇如下：繩索滾筒直徑D=120mm，主動齒輪齒數(shù)Z2=18，從動齒輪齒數(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，離心塊質量m=0.6kg，離心塊旋轉半徑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個杠桿式離心塊，材料采用45鋼，每個重量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；利用調整彈簧還可以調整摩擦力矩的大小，從而可以調整下降速度的快慢，取調整彈簧的彈性系數(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給出了試制實物的圖片。

圖3 下降速度V與重量G的關系

圖4 緩降器的實物圖片

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

由圖3看出，按以上參數(shù)設計緩降器可以保證逃生者能夠以安全的速度下降到地面。試驗表明：緩降器可以正反轉動，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整彈簧的彈力。

4 結束語

雖然國內(nèi)外已經(jīng)著手開發(fā)類似的產(chǎn)品，并正在推廣到實際中使用。但是，本文研制的逃生緩降器原型比國內(nèi)外報導的類似產(chǎn)品輕了9kg，實踐證明，采用齒輪傳動裝置自動調整摩擦阻力矩的大小，達到了緩降的目的，特別是采用調整彈簧調整摩擦阻力矩的大小，可以使逃生者在安全范圍內(nèi)調整下降速度是其他類似產(chǎn)品不可比擬的。該裝置結構簡單，制造成本低，實用性強，期望可以獲得較好的社會和經(jīng)濟效益。

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