張占國

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林 132021)

基于擒縱原理的高樓循環(huán)逃生器設(shè)計(jì)

張占國

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林 132021)

利用擒縱原理設(shè)計(jì)間歇沖擊式高樓逃生器。該逃生器的傳動(dòng)系統(tǒng)采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的鋼絲繩防滑機(jī)構(gòu)和三星輪換向機(jī)構(gòu):鋼絲繩防滑機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了逃生器的循環(huán)利用，提高了救援效率。控制系統(tǒng)完成了擒縱輪的鎖定、開啟、轉(zhuǎn)動(dòng)的周期性運(yùn)動(dòng)節(jié)拍，從而實(shí)現(xiàn)了主運(yùn)動(dòng)鏈的間歇運(yùn)動(dòng)，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(dāng)火災(zāi)、爆炸、地震等突發(fā)性災(zāi)難發(fā)生時(shí)，如何使受困于高樓的人員安全、快速地逃離險(xiǎn)境已成為社會(huì)普遍關(guān)注的一個(gè)問題。受時(shí)間、空間等諸多因素的限制，機(jī)動(dòng)性差的救援云梯車、救援直升飛機(jī)等大型救援設(shè)備很難發(fā)揮其理想的作用。為了實(shí)現(xiàn)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(shù)的研究和應(yīng)用，發(fā)明了各種各樣的逃生器。目前國內(nèi)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。

(2)離心摩擦式［2－3］。重力帶動(dòng)卷筒軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得卷筒軸上的活動(dòng)塊由于離心力作用產(chǎn)生正壓力，摩擦片與外殼產(chǎn)生摩擦力。在下降速度達(dá)到一定值時(shí)，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(shù)。

(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(jī)構(gòu)工作原理來消耗人體下落時(shí)所產(chǎn)生的能量。它要求主動(dòng)件與從動(dòng)件之間壓力角和摩擦力盡量大，但不能自鎖。

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

1 逃生器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

作者在調(diào)查、研究國內(nèi)外常見逃生器的基礎(chǔ)上，提出了一種老少皆宜的高樓逃生器的總體設(shè)計(jì)方案。該裝置采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械系統(tǒng)由傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

如圖1所示，當(dāng)逃生人員利用左側(cè)鋼絲繩1下降時(shí)，以人體重力G為驅(qū)動(dòng)力，帶動(dòng)卷筒2順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在左側(cè)鋼絲繩防滑機(jī)構(gòu) (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(dòng)。齒輪11和卷筒用普通平鍵連接在Ⅰ軸上，卷筒帶動(dòng)齒輪11順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案簡圖

齒輪11、齒輪架12(安裝在軸Ⅰ上并可繞其相對轉(zhuǎn)動(dòng))和安裝在齒輪架上的齒輪13、14組成三星輪換向機(jī)構(gòu)。當(dāng)重物掛在鋼絲繩左端時(shí)，換向機(jī)構(gòu)應(yīng)調(diào)整為圖1所示的位置。主動(dòng)輪11順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪15與輪11的轉(zhuǎn)向相同，也沿著順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。重物掛在鋼絲繩右端時(shí)，順時(shí)針扳動(dòng)齒輪架12的操作手柄。此時(shí)，主動(dòng)輪11逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，因齒輪14參與傳動(dòng)，這時(shí)從動(dòng)輪15與輪11的轉(zhuǎn)向相反，即沿著順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng) (圖2)由內(nèi)棘輪機(jī)構(gòu) (星輪16、彈簧17、棘爪18、內(nèi)棘輪19)、齒輪機(jī)構(gòu) (齒輪19、6)、連桿機(jī)構(gòu) (主動(dòng)搖桿21、連桿22、擒縱叉23)和擒縱機(jī)構(gòu) (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(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，星輪亦順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。通過棘爪推動(dòng)內(nèi)棘輪順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過齒輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擒縱機(jī)構(gòu)。

擒縱機(jī)構(gòu)是一種機(jī)械能量傳遞的開關(guān)裝置，在工業(yè)上常被用于計(jì)時(shí)、調(diào)速或改變運(yùn)動(dòng)方向。文中，擒縱機(jī)構(gòu)以一定的頻率開關(guān)逃生器的主傳動(dòng)鏈，使卷筒停、動(dòng)，其間以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使鋼絲繩間歇下降。在這里，擒縱機(jī)構(gòu)的功能可以從兩方面理解:擒:將主傳動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)鎖定(擒住);縱:就是用振蕩系統(tǒng)的一部分勢能，開啟 (放開)主傳動(dòng)鏈，同時(shí)從主傳動(dòng)鏈中“取回”一定的能量以維持振蕩系統(tǒng)的工作。

圖2 控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案簡圖

設(shè)計(jì)中所用的擒縱機(jī)構(gòu)為叉瓦式擒縱機(jī)構(gòu)，它是應(yīng)用最廣泛的一種擒縱機(jī)構(gòu)，其工作特性和工藝性均較好。如圖2所示，擒縱輪受到傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞過來的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用，具有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，但因受到擒縱叉左卡瓦的阻擋而停止。擒縱叉順時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，左卡瓦抬起，釋放擒縱輪使之順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);右卡瓦落下并與擒縱輪另一輪齒接觸時(shí)，擒縱輪又被擋住而停止。擒縱叉逆時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，右卡瓦抬起，擒縱輪被釋放并轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，直到某一個(gè)輪齒再次被左卡瓦擋住為止。這樣就完成了一個(gè)工作周期。

擒縱機(jī)構(gòu)屬于間歇性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在其運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)，歸納其運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象可分為接觸、分離、碰撞等3個(gè)運(yùn)動(dòng)相。由于運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)造成機(jī)構(gòu)的振動(dòng)與噪聲，尤其在高速運(yùn)動(dòng)下常造成擒縱輪輪齒的折斷。為降低擒縱輪的轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)系統(tǒng)采用降速傳動(dòng)。

2 逃生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鋼絲繩防滑機(jī)構(gòu)［6］

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

圖3 鋼絲繩防滑機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)重物掛在鋼絲繩左端時(shí)，纏繞在卷筒上的鋼絲繩在重物的拉動(dòng)下，對左側(cè)帶槽滾輪產(chǎn)生一向右的壓力，該壓力使左側(cè)擺架繞上端固定軸逆時(shí)針擺動(dòng)，從而使左側(cè)V形滾壓輪架上的兩個(gè)滾壓輪緊緊地壓在鋼絲繩左側(cè)的外緣，使得鋼絲繩左側(cè)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(cè)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(nèi)棘輪機(jī)構(gòu)

圖4 內(nèi)棘輪機(jī)構(gòu)及飛輪裝配圖

擒縱叉擒住擒縱輪時(shí)，棘輪機(jī)構(gòu)中的星輪亦停止轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。擒縱輪短停后靠飛輪20的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性保證擒縱輪的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。飛輪實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)能量儲(chǔ)存器，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪為載體，將能量以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時(shí)，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(nèi)棘輪上，另一端用滾動(dòng)軸承空套在軸Ⅱ上。當(dāng)內(nèi)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)飛輪把能量吸收并儲(chǔ)存起來;當(dāng)內(nèi)棘輪停止時(shí)飛輪又把儲(chǔ)存的能量釋放出來帶動(dòng)內(nèi)棘輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。再通過齒輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞，使得擒縱叉繼續(xù)往復(fù)擺動(dòng)。

3 緩降性能試驗(yàn)及結(jié)果

首先測試逃生器負(fù)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(yù)制試驗(yàn)鐵塊掛在鋼絲繩一端的鉤子上。根據(jù)重物下落過程中每層樓間的放繩量和所用時(shí)間計(jì)算各樓層重物下降的平均速度。測試的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示，下落過程中速度與時(shí)間關(guān)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(shí)間關(guān)系圖

其次測試逃生器分別負(fù)載250、400、500、750、1 000 N的工況下，重物落地時(shí)的瞬時(shí)速度。測試的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示，重物落地速度與負(fù)載變化曲線如圖6所示。

表2 不同負(fù)載下重物的落地速度

圖6 速度重量關(guān)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(dāng)于人從半米的高度跳下，用此逃生器逃生時(shí)的下落速度是安全的。而且下落時(shí)間也只要不到10 s，為其他逃生人員逃生爭取了時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了快速、安全逃生的目的。因此可知該設(shè)計(jì)完全符合設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)高樓逃生。

4 結(jié)論

該逃生器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用安全、性能可靠，不會(huì)出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。該機(jī)械裝置不需要外在動(dòng)力，可多人次循環(huán)使用。并可制成內(nèi)貯鋼絲繩不同長度的系列產(chǎn)品，以適應(yīng)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(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，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(jī)構(gòu):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“l(fā)ocked 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(jī)械設(shè)計(jì)及理論方面的研究。E－mail:zzg302104@126.com。