离心摩擦式高楼逃生缓降器的研发

WEI Jian-jun

0 引言

城市高楼火灾是一种发生频率高、涉及面广、蔓延速度快、破坏性大、救援和逃生困难的突发性灾害。目前国内外现有的高层建筑逃生装置有三种类型。一种是机械电动式逃生装置，需要电源提供动力，同时还需要机械传动机构进行变速缓降；很显然灾害发生时电源能否可靠使用是个大问题，其次该装置复杂庞大、成本高、不易推广。一种是斜索缓降逃生装置，需要先将绳索的一端固定在地面上，然后逃生者依靠夹持绳索装置夹持绳索缓降逃生；该装置需要别人帮忙固定绳索来完成逃生，及时性和容易性是个问题。还有一种是采用液体流动阻尼的方法进行缓降逃生，这类装置结构复杂，使用的液压系统如果出现密封性问题就会给逃生者带来安全隐患，且使用繁琐费时、成本高。

因此简单、安全、快速的机械自助逃生装置是高层建筑逃生装置今后发展的重要趋势。本文研究的逃生装置是纯机械装置，结构简单，不需要外在动力，可多人次循环使用；利用绳索滚筒旋转快慢产生的离心力不同改变摩擦力矩的大小，可使不同体重的逃生者都能以安全的下降速度进行缓降逃生。

1 结构与原理

擦阻力，同时还要使不同体重的人都能以1.2m/s左右的安全速度降落到地面。

如图1所示，当逃生者握住绳索向下逃生时，绳索滚轮将被绳索带动做旋转运动，此运动通过与滚轮固定联接的轴Ⅰ、增速齿轮传动机构带动轴Ⅱ做高速的旋转运动，以键与轴Ⅱ联接的离心盘也被迫高速旋转，其上的杠杆式离心块在离心力的作用下将绕铰链向外旋转，从而推动与轴Ⅱ同步旋转的右摩擦盘向左移动，紧紧地压住固定不动的左摩擦盘，产生了摩擦力矩。

摩擦力矩的大小取决于逃生者下降的速度，下降的速度越快，则离心盘的转速越高，杠杆式离心块施加给右摩擦盘的压力也就越大，产生的

图1 缓降器结构图

纯机械逃生装置的关键技术在于如何利用机械结构和力学原理，使逃生者利用绳索下降时的自重转化为相应的摩摩擦力矩也越大。反之，产生的摩擦力矩越小。而摩擦力矩的大小反过来又控制逃生者的下降速度，使逃生者无论体重的大小都能以稳定安全的速度下降到地面，实现安全逃生。

图1中的调整螺栓、调整弹簧主要用于摩擦力矩大小的调整，以适应逃生者在安全速度范围内调整不同的下降速度。

2 设计计算与分析

设计的主要目的是要保证逃生者下降的速度在安全范围之内，利用平衡原理可知，要达到匀速下降应使逃生者下降由于自重产生的力矩与摩擦阻力矩达到平衡。

利用力矩平衡原理，对轴Ⅰ、轴Ⅱ进行受力分析得：

式中：M摩为摩擦力矩（N • m）；

D为绳索滚筒的直径（m）；

G为逃生者的体重（N）；

Z1为齿轮齿数（齿）；

Z2为齿轮齿数（齿）。

即：当产生的摩擦力矩为式（1）时，逃生者的下降为匀速下降。

当逃生者以安全速度V下降时，绳索滚筒的转速为：

根据齿轮传动原理可知，离心盘的转速为：

当离心盘以n离的转速旋转时，离心块受到的离心力为：

式中：m为离心块的质量（kg）；

R为离心块的回转半径（m）。图2是摩擦盘的受力情况，根据力矩平衡原理，可得：

摩擦力为：

图2 磨擦盘的受力分析

摩擦阻力矩为：

联立式（1）、（2）得：

整理后得：

式中：k为弹簧的弹性系数；

x为被压缩的弹簧长度（m）；

µ为两摩擦盘间的摩擦系数，其值取决

于摩擦盘上摩擦带所采用的材料；

d为摩擦盘上摩擦带的平均直径（m）；

L为杠杆式离心块长力臂（m）；

l为杠杆式离心块短力臂（m）。

式（3）是我们设计的主要依据，从式（3）可以看出：减小绳索滚筒直径D，齿轮齿数比，离心块力臂比、力臂夹角α可以降低下降速度V；增大摩擦系数µ、摩擦盘直径d、离心块质量m及其回转半径R可以降低下降速度V。当缓降器的结构参数确定后，逃生者下降的速度与其重量的开平方成正比，故只要选择合理的结构参数，可以确保逃生者能以安全的速度下降到地面。

3 缓降性能试验

为了使设计的缓降器结构紧凑、质量轻，对其结构参数选择如下：绳索滚筒直径D=120mm，主动齿轮齿数Z2=18，从动齿轮齿数Z1=54，离心杠杆力臂1l=20mm，摩擦系数µ=0.25，摩擦盘平均直径d=120mm，离心块质量m=0.6kg，离心块旋转半径R=150mm，离心杠杆力臂2L=80mm，杠杆式离心块夹角α=10°。

如图1所示，在离心盘上均布安装6个杠杆式离心块，材料采用45钢，每个重量0.1kg，可以保证缓降器的工作平稳；摩擦盘摩擦面使用石棉摩擦带以提高摩擦系数，µ取0.25；逃生绳索使用专业登山用绳；利用调整弹簧还可以调整摩擦力矩的大小，从而可以调整下降速度的快慢，取调整弹簧的弹性系数k为30N/mm；利用两段逃生绳索反向缠绕在绳索滚筒上可以使一根绳索拉到地面，另一绳索刚好全部收回，保证了缓降器的迅速使用。图4给出了试制实物的图片。

图3 下降速度V与重量G的关系

图4 缓降器的实物图片

缓降器制作完成后，采用不同重量的重物在16m高的楼层进行试验，得出重物重量与下降速度之间的关系如图3所示。

由图3看出，按以上参数设计缓降器可以保证逃生者能够以安全的速度下降到地面。试验表明：缓降器可以正反转动，利用重物自身的重量能在安全速度范围内以匀速下降，下降速度的大小取决于重物重量和调整弹簧的弹力。

4 结束语

虽然国内外已经着手开发类似的产品，并正在推广到实际中使用。但是，本文研制的逃生缓降器原型比国内外报导的类似产品轻了9kg，实践证明，采用齿轮传动装置自动调整摩擦阻力矩的大小，达到了缓降的目的，特别是采用调整弹簧调整摩擦阻力矩的大小，可以使逃生者在安全范围内调整下降速度是其他类似产品不可比拟的。该装置结构简单，制造成本低，实用性强，期望可以获得较好的社会和经济效益。

[1] 袁忠均. 离心摩擦式高楼逃生器的设计[J]. 机械设计,2004(10): 208-209.

[2] 任海东. 钟摆阻尼式高楼逃生高楼逃生装置[J]. 机械,2010(9): 71-72.

[3] 王智明. 救生缓降器优化设计[J]. 机械设计与制造,2009(4): 7-9.

[4] 刘斌. 液压碟刹式缓降器的研制[J]. 液压与气动,2011(1): 15-16.

[5] 陈品志. 基于直流发电机和电磁制动器的新型高楼逃生缓降机[J]. 制造业自动化, 2010(10): 173-175.

[6] 陆宁. 机械原理[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008.

[7] 王宁侠. 机械设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社,2008.

[8] 刘鸿文. 材料力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.