陶俊龍，倪嘉偉，方昕宇，肖紅升

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一種多層卷繞式緩降器設(shè)計(jì)＊

陶俊龍，倪嘉偉，方昕宇，肖紅升

（南通職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226007）

針對(duì)現(xiàn)有緩降器的一些缺陷，設(shè)計(jì)了一款多層卷繞式的摩擦阻尼型緩降器，通過(guò)卷繞機(jī)構(gòu)、離心制動(dòng)機(jī)構(gòu)等適時(shí)調(diào)整重物下降速度的大小，達(dá)到變速緩降的目的。對(duì)緩降過(guò)程進(jìn)行了分析和計(jì)算，以保證設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)切實(shí)可行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，逃生效率高，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

摩擦阻尼；多層卷繞；變速緩降；高樓逃生

1 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，高層建筑已成為城市建設(shè)的主流，其內(nèi)部各種豎向管道就像一座座高聳的煙囪，一旦發(fā)生火災(zāi)，蔓延速度快，破壞性極大，因此高樓遇險(xiǎn)時(shí)被困人員的救護(hù)問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視[1]。高層逃生緩降器作為一種輔助自救器材，與其他同類器材相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、疏散速度快，為高樓逃生提供了新的途徑，成為了學(xué)校、醫(yī)院、商場(chǎng)等高層公共場(chǎng)所必備的自救和逃生器材。目前，國(guó)內(nèi)外研究的緩降器類型主要包括機(jī)械電動(dòng)式、摩擦阻尼式、液壓阻尼式、擒縱式、螺桿式以及滾筒式等。各種類型的緩降器各具特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，但由于其自身結(jié)構(gòu)的原因，存在電源無(wú)法保證、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用不便、成本高等問(wèn)題[2-3]?，F(xiàn)有緩降器大多采用勻速緩降的方式，其緩降速度的大小由被困人員的重量決定[4]。當(dāng)緩降速度較慢時(shí)，起不到快速脫離險(xiǎn)情的效果。且由于設(shè)計(jì)、制造等方面的原因，多頻次使用時(shí)易出現(xiàn)鋼絲繩與繩輪之間的打滑現(xiàn)象[5]，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。本文研究的純機(jī)械式摩擦阻尼型緩降器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，依靠逃生者自重驅(qū)動(dòng)，采用多層卷繞的纏繞方式，克服了緩降高度的限制，且無(wú)需人為控制，在保證安全的前提下，提高了逃生的效率。

2 工作原理分析

眾所周知，設(shè)計(jì)高樓逃生器的主要目的是確保逃生者能在較短的時(shí)間內(nèi)，以較小的速度到達(dá)地面，因此設(shè)計(jì)純機(jī)械式緩降器的關(guān)鍵在于如何利用合適的力學(xué)原理以及機(jī)械結(jié)構(gòu)，將逃生者下降時(shí)的自身重量轉(zhuǎn)化為足夠的運(yùn)動(dòng)阻力，使其在安全速度范圍內(nèi)下降到地面[6]。

本設(shè)計(jì)以逃生者的自身重量為動(dòng)力，使用時(shí)將主體部分與墻體或室內(nèi)固定物相連接，鋼絲繩自由端的安全扣與安全背帶或救生衣相連，逃生者穿上救生衣翻越窗戶，握住繩索緩降逃生。逃生者自重驅(qū)動(dòng)纏繞軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的纏繞軸帶動(dòng)離心制動(dòng)機(jī)構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)。離心制動(dòng)塊在離心力作用下壓緊固定不動(dòng)環(huán)形剎車擋圈，產(chǎn)生摩擦阻力，從而使逃生者不做無(wú)阻力的自由落體運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用如圖1所示的同軸式結(jié)構(gòu)方案，未采用復(fù)雜的增速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便，零件較少，易于保證零件的機(jī)械性能。

1—左裝置體；2—連接螺釘；3—連接桿；4—安全繩卷；5—右裝置體；6—卷繞軸；7—離心制動(dòng)塊；8—限位塊；9—限位鋼片；10—環(huán)形剎車擋圈；11—安全扣。

3 緩降器設(shè)計(jì)思路

3.1 安全繩的選擇與計(jì)算

該緩降器的安全繩采用直徑為3 mm的純裸航空鋼絲繩。多層卷繞時(shí)鋼絲繩應(yīng)在纏繞軸上排列整齊，避免嵌索與亂繩，并能順利引導(dǎo)下一層鋼絲繩整齊地排列在前一層的鋼絲繩形成的繩槽之間。因此，本設(shè)計(jì)中纏繞軸采用組合式結(jié)構(gòu)，纏繞軸表面設(shè)置有帶Lebus槽的塑料殼體以及相應(yīng)的凸緣，滿足上述要求的同時(shí)，能有效減少鋼絲繩的磨損，延長(zhǎng)鋼絲繩的使用壽命。

我國(guó)住宅樓大部分都不超過(guò)33層，高度大概為100 m，因此設(shè)定緩降器最大緩降高度為100 m。纏繞軸左右凸緣之間的距離為158 mm，每層可纏繞50圈，則第層纏繞鋼絲繩的長(zhǎng)度為：

i=2π［0+（2－1）·1］×50. （1）

式（1）中：0為纏繞軸半徑；1為鋼絲繩半徑。

假設(shè)鋼絲繩纏繞總層數(shù)為，則總長(zhǎng)度為：

當(dāng)n=100 m時(shí)，解得纏繞總層數(shù)為12層，繩卷最大半徑為47.5 mm，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)緩降器的結(jié)構(gòu)尺寸。

3.2 離心制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

離心制動(dòng)系統(tǒng)是緩降器的核心部分，緩降器能否滿足工作要求關(guān)鍵在于離心制動(dòng)系統(tǒng)在能否提供足夠的摩擦阻力矩與逃生者自重對(duì)卷軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相抵消，且降落到地面時(shí)速度在安全范圍內(nèi)。本裝置采用閘塊式離心制動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖2所示。同組構(gòu)件中的離心制動(dòng)塊采用對(duì)稱的扇形結(jié)構(gòu)，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生對(duì)稱的摩擦阻力，從而構(gòu)成摩擦阻力矩。左右兩側(cè)的離心制動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)完全相同，共同阻礙人和重物下降運(yùn)動(dòng)。為提高摩擦系數(shù)，本設(shè)計(jì)中制動(dòng)塊與環(huán)形剎車擋圈之間摩擦部分設(shè)計(jì)為“石棉-鋼”摩擦副，制動(dòng)塊外圓面設(shè)置石棉摩擦片，擋圈材料為45鋼，兩者之間的摩擦系數(shù)約為0.35.

1—離心制動(dòng)塊；2—螺釘；3—限位鋼片； 4—限位塊；5—環(huán)形剎車擋圈。

4 緩降速度分析

該緩降器的繩索采用多層卷繞的纏繞方式，隨著降落體下降高度增加，繩索直徑逐步減小。而逃生者自重不變，因此負(fù)載對(duì)卷軸的轉(zhuǎn)矩隨著繩索卷徑的減小而減小。繩索變層后系統(tǒng)再次平衡時(shí)，摩擦阻力矩隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的減小而減小，纏繞軸轉(zhuǎn)速降低，逃生者下降速度減小。即繩索層數(shù)減少時(shí)，逃生者下降速度會(huì)隨之減小。因此，逃生者下降全過(guò)程是：開(kāi)始時(shí)先做一段加速運(yùn)動(dòng)，然后做逐級(jí)遞減的變速緩降運(yùn)動(dòng)，最終以安全速度降落到地面。系統(tǒng)受力分析如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)受力分析簡(jiǎn)圖

基于以上分析，參考緩降器結(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)的受力分析簡(jiǎn)圖。繩索每次變層后，系統(tǒng)很快再次平衡，平衡方程為：

T=f+f. （2）

式（2）中：T為人、重物對(duì)卷軸的轉(zhuǎn)矩；f、f為兩側(cè)離心制動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)卷軸的摩擦阻力矩。

代入相關(guān)參數(shù)后得：

式（3）中：1為人、重物的質(zhì)量；為繩索半徑；2為制動(dòng)塊的質(zhì)量；2為制動(dòng)組件半徑。

由式（3）可以看出，緩降時(shí)的速度除了與緩降器的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與人或重物的質(zhì)量有關(guān)。因此，根據(jù)實(shí)際情況選取重物、成人、兒童的質(zhì)量分別為150 kg、70 kg、30 kg進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示，其中50為下降50 m時(shí)的速度。到達(dá)地面的速度均在安全范圍內(nèi)，現(xiàn)有緩降器以0.8～1 m/s的恒速下降，與現(xiàn)有緩降器相比，節(jié)省了逃生所用的時(shí)間。

表1 不同質(zhì)量的人、重物緩降計(jì)算結(jié)果

緩降物150 kg的重物70 kg的成人30 kg的兒童 v50/（m/s）3.242.221.45 著地速度/（m/s）0.880.600.40 緩降用時(shí)/s37.3354.5683.07

當(dāng)緩降器結(jié)構(gòu)確定后，重物最終降落到地面的速度還與著地時(shí)繩卷的半徑有關(guān)。采用同一長(zhǎng)度的鋼絲繩從不同高度緩降，最終著地的速度存在差異。由表1可知，繩長(zhǎng)100 m時(shí)，人和重物下降50 m時(shí)的速度50均在人體可承受的范圍內(nèi)，相當(dāng)于在0.5 m以內(nèi)的高度自由降落到地面的速度。因此50～100 m高度可采用100 m長(zhǎng)鋼絲繩逃生，50 m以下的高度可使用50 m長(zhǎng)繩。選取150 kg的重物作為緩降對(duì)象，經(jīng)計(jì)算從50 m高度下降到地面時(shí)的速度是0.88 m/s，從4 m高度下降到地面時(shí)的速度是3.24 m/s，均在可承受的范圍內(nèi)。如果緩降對(duì)象是重量相對(duì)較輕的成人和兒童，則著地時(shí)速度更小，因此4～50 m高度可使用50 m長(zhǎng)鋼絲繩。

綜上所述，本設(shè)計(jì)采用兩種繩長(zhǎng)方案，如果樓層高度視作3 m，則樓層為17～33層時(shí)采用長(zhǎng)為100 m的繩，樓層為3～16層時(shí)采用長(zhǎng)為50 m的繩，3層以下不可使用，1～2層逃生方法很多，無(wú)需使用緩降裝置。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用純機(jī)械式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款多層卷繞式的摩擦阻尼型緩降器，依靠重物自重驅(qū)動(dòng)，適時(shí)調(diào)整重物下降速度，達(dá)到快速、安全緩降的效果。針對(duì)不同的樓層給出了不同的繩長(zhǎng)方案，確保使用時(shí)安全可靠。分析及計(jì)算表明，該設(shè)計(jì)切實(shí)可行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，逃生效率高，具有較好的實(shí)際推廣價(jià)值。本設(shè)計(jì)已授權(quán)實(shí)用新型專利ZL201820449395.7。

［1］姚燕生，朱達(dá)榮，吳振坤.高層建筑火災(zāi)緩降逃生設(shè)備綜述［J］.安徽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，21（4）：41-45.

［2］張文斌.擒縱式緩降器的設(shè)計(jì)及仿真［D］.銀川：寧夏大學(xué)，2017.

［3］韋建軍.離心摩擦式高樓逃生緩降器的研發(fā)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（4）：90-92.

［4］韓玉勇，劉云輝，李自國(guó).基于動(dòng)力學(xué)理論分析與仿真的救生緩降器設(shè)計(jì)［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2015，34（10）：1380-1386.

［5］張蕊華，陳海初，劉述亮.一種高樓救生器的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（12）：24-25.

［6］王燦，許本勝.高樓逃生緩降器的設(shè)計(jì)分析［J］.科技信息，2011（18）：526-527.繩的使用壽命。

2095－6835（2018）24－0115－02

TH12

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.115

陶俊龍（1988—），男，江蘇南通人，碩士，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。

肖紅升（1969—），男，江蘇南通人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造和太陽(yáng)能熱利用。

2017年江蘇省高等教育教改研究課題（編號(hào)：2017JSJG296）；2018年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（編號(hào)：1601026071）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕