宋繼祥，張曉光

1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，淮南，232001；2.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，徐州，221116

包角加行星輪式高樓逃生器的研發(fā)

宋繼祥1,2，張曉光2

1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，淮南，232001；2.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，徐州，221116

為了更好地在高層建筑火災(zāi)中逃生，研發(fā)了一種包角加行星輪式高樓自適應(yīng)逃生器，主要采用包角輪纏繞鋼絲繩的方法，把直線下降運(yùn)動轉(zhuǎn)化為包角輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)離心力通過行星輪系減速轉(zhuǎn)換成摩擦輪的離心力，摩擦輪外帶有自適應(yīng)離心塊，自適應(yīng)離心塊在離心力的作用下旋轉(zhuǎn)和金屬外殼摩擦，到達(dá)逃生的目的。建立了該逃生器的運(yùn)動學(xué)和力學(xué)方程，采用Matlab軟件對其進(jìn)行優(yōu)化分析，得出了運(yùn)動曲線圖。該逃生器經(jīng)測試適用于各種高層建筑，采用全金屬制作很好地保證幾十年的存放期，具有高效、快捷、耐火、小巧方便的特點(diǎn)，能夠取得良好的使用效果。

高樓逃生；包角加行星輪式；二次減速

隨著建筑物的日趨密集、高度的增加,建筑物的安全隱患也越來越多[1]，高樓火災(zāi)發(fā)生的頻率也相對增加，遭遇火災(zāi)時，受時間、空間限制，被困人員自救逃生就變成了一個亟待解決的問題[2]?；馂?zāi)高樓逃生器是一種適用于高樓火災(zāi)逃生的設(shè)備。由于高樓火災(zāi)的發(fā)生具有不可預(yù)測性，所以逃生設(shè)備要具有長時間的存放和使用快捷方便以及耐火的功能，同時逃生用的鋼絲繩也要堅固、防火、耐用，目前采用的航空鋼絲繩的耐久性和抗力性俱佳[3]。高樓發(fā)生火災(zāi)時，人員如何安全快速地逃離成為一大難題，其中高樓逃生裝置有舉足輕重的作用[4]，所以擁有一套快速逃生設(shè)備是必不可少的[5]。現(xiàn)有的逃生器主要有包角加手控式[6]、間歇沖擊式[7]、液體流動阻尼式[8]等，這些設(shè)備存放年限和使用場合有限，且很多人員不敢使用，無法作為一種高效、快速、自適應(yīng)的逃生裝備。為了克服高層恐懼，解決高層建筑人員疏散困難的問題，研制出了一款高效、快捷、耐火且可長時間存放的逃生器。

1 基本工作原理

本文研發(fā)了一種高樓火災(zāi)小尺寸型逃生器，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)采用全機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以長時間存放，以防火災(zāi)發(fā)生的突然性和不確定性。該結(jié)構(gòu)采用包角輪纏繞鋼絲繩的方法，包角輪為一個V形槽輪，把下降的重力轉(zhuǎn)化為包角輪旋轉(zhuǎn)的離心力，離心力通過行星輪系減速轉(zhuǎn)換成摩擦輪的離心力，摩擦輪外帶有自適應(yīng)離心銅塊(或高碳剛塊)，自適應(yīng)離心銅塊在離心力的作用下旋轉(zhuǎn)飛出和金屬外殼摩擦，離心力越大，摩擦力就越大。該高樓逃生器采用一種自適應(yīng)柔性輔助制動閘速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用二次減速加制動技術(shù)。

實(shí)物如圖1所示，金屬外殼外懸掛逃生人員，靠重力進(jìn)行固定，金屬外殼外設(shè)置有手柄和制動閘，和摩擦輪相連的部分安裝有制動輪，可以對下降速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，起到雙重調(diào)節(jié)作用。

圖1 逃生器機(jī)構(gòu)設(shè)計圖與實(shí)物圖

2 逃生器力學(xué)方程和運(yùn)動方程

2.1 輸入力計算

人體重量為G人kg，重力加速度系數(shù)為9.8 m/s2，在下降時產(chǎn)生的重力為9.8G人千牛頓，繩輪摩擦系數(shù)為μ1，V形輪V形角為θ(如圖2所示)，那么施加在逃生器上的力為：

圖2 V形槽示意圖及繩在槽中受力圖

2.2 行星輪系傳動比的計算

計算時，把行星輪系轉(zhuǎn)化為定軸輪系計算：

圖3 逃生器行星輪系示意圖

2.3 力學(xué)方程的建立

3 基于Matlab的優(yōu)化分析

使用Matlab軟件對V形槽的夾角θ選取分析(圖5)，查表可知鋼絲繩與鋼的摩擦系數(shù)μ1在0.1～0.2之間，為了安全取值0.1，摩擦力與人體重力成一個正比例關(guān)系。假設(shè)比例系數(shù)為k，可知：

在Matlab命令窗口中輸入：

f=′9.8*(1-0.2*sin(x/2))′;

fplot(f,[pi/12,pi])。

從圖4可以看出，夾角θ對k值是一個遞減函數(shù)曲線。在實(shí)際設(shè)計中，為了保證有較大的摩擦力而又可以不纏死鋼絲繩，夾角取中間值為線性化，這里夾角取1.4 rad。優(yōu)化后可以得到力學(xué)方程：

f=9.8G人(1-0.2sin0.7)。

圖4 V形槽夾角θ對k變化圖

在Matlab命令窗口中輸入：

f=′9.8*x*(1-0.2×sin(0.7))′;

fplot(f,[10,100])

得到摩擦力與重量變化曲線，如圖5所示。

圖5 摩擦力與重量變化圖

4 結(jié) 語

通過對現(xiàn)有的逃生器的分析和研究，指出了研制本款逃生器的目的和必要性，給出了逃生器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，采用PRO/E軟件進(jìn)行三維建模設(shè)計，通過分析建立了逃生器的運(yùn)動學(xué)和力學(xué)方程，并且用Matlab軟件進(jìn)行了分析、優(yōu)化，得出了逃生器的力學(xué)方程和運(yùn)動學(xué)方程，經(jīng)測試，該逃生器可以很好地起到逃生的作用，可以很好地解決速度慢、自適應(yīng)差的問題。該逃生器適應(yīng)各類人群，不需要專門培訓(xùn)就可操作，且使用十分簡便，能有效地幫助人們高樓逃生。

[1]王春彥，岳大鑫.基于彈簧的新型高樓逃生器[J].機(jī)械，2007(6)：35-37

[2]尹凌鵬，周明安，巫少龍.摩擦片式高樓緩降逃生器[J].機(jī)械，2012(6)：58-60

[3]袁忠均，陳東，黃平.離心摩擦式高樓安全逃生器的設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計，2004(S1)：208-209

[4]喬印虎，蘇國用，楊杰.高樓逃生裝置的減速原理分析[J].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2015(S2)：15-16

[5]程琴，史書林.摩擦式高樓逃生器的設(shè)計[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013(S4)：73-74

[6]白陽光.高樓逃生安全控制器[P].中國專利，89103555.9,1990/02/19

[7]曾景霖.高樓救生高樓逃生器[P].中國專利，93239887.1,1994/08/24

[8]葉強(qiáng).液體流動阻尼式高樓逃生器的創(chuàng)新與設(shè)計[J].消防設(shè)備研究，2005(2)：210-212

(責(zé)任編輯：汪材印)

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：A

：1673-2006(2017)07-0109-03

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.07.028

2017-03-30

安徽省高校優(yōu)秀中青年骨干人才國內(nèi)外訪學(xué)研修重點(diǎn)項(xiàng)目“高樓自適應(yīng)火災(zāi)逃生系統(tǒng)研制”(gxfxZD2016352)。

宋繼祥(1977-)，山西臨汾人，碩士，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計。