包角加行星轮式高楼逃生器的研发

宋继祥，张晓光

1.淮南职业技术学院机电系，淮南，232001；2.中国矿业大学机电学院，徐州，221116

包角加行星轮式高楼逃生器的研发

宋继祥1,2，张晓光2

1.淮南职业技术学院机电系，淮南，232001；2.中国矿业大学机电学院，徐州，221116

为了更好地在高层建筑火灾中逃生，研发了一种包角加行星轮式高楼自适应逃生器，主要采用包角轮缠绕钢丝绳的方法，把直线下降运动转化为包角轮的旋转运动，旋转离心力通过行星轮系减速转换成摩擦轮的离心力，摩擦轮外带有自适应离心块，自适应离心块在离心力的作用下旋转和金属外壳摩擦，到达逃生的目的。建立了该逃生器的运动学和力学方程，采用Matlab软件对其进行优化分析，得出了运动曲线图。该逃生器经测试适用于各种高层建筑，采用全金属制作很好地保证几十年的存放期，具有高效、快捷、耐火、小巧方便的特点，能够取得良好的使用效果。

高楼逃生；包角加行星轮式；二次减速

随着建筑物的日趋密集、高度的增加,建筑物的安全隐患也越来越多[1]，高楼火灾发生的频率也相对增加，遭遇火灾时，受时间、空间限制，被困人员自救逃生就变成了一个亟待解决的问题[2]。火灾高楼逃生器是一种适用于高楼火灾逃生的设备。由于高楼火灾的发生具有不可预测性，所以逃生设备要具有长时间的存放和使用快捷方便以及耐火的功能，同时逃生用的钢丝绳也要坚固、防火、耐用，目前采用的航空钢丝绳的耐久性和抗力性俱佳[3]。高楼发生火灾时，人员如何安全快速地逃离成为一大难题，其中高楼逃生装置有举足轻重的作用[4]，所以拥有一套快速逃生设备是必不可少的[5]。现有的逃生器主要有包角加手控式[6]、间歇冲击式[7]、液体流动阻尼式[8]等，这些设备存放年限和使用场合有限，且很多人员不敢使用，无法作为一种高效、快速、自适应的逃生装备。为了克服高层恐惧，解决高层建筑人员疏散困难的问题，研制出了一款高效、快捷、耐火且可长时间存放的逃生器。

1 基本工作原理

本文研发了一种高楼火灾小尺寸型逃生器，如图1所示。该结构采用全机械结构，可以长时间存放，以防火灾发生的突然性和不确定性。该结构采用包角轮缠绕钢丝绳的方法，包角轮为一个V形槽轮，把下降的重力转化为包角轮旋转的离心力，离心力通过行星轮系减速转换成摩擦轮的离心力，摩擦轮外带有自适应离心铜块(或高碳刚块)，自适应离心铜块在离心力的作用下旋转飞出和金属外壳摩擦，离心力越大，摩擦力就越大。该高楼逃生器采用一种自适应柔性辅助制动闸速度调节系统，采用二次减速加制动技术。

实物如图1所示，金属外壳外悬挂逃生人员，靠重力进行固定，金属外壳外设置有手柄和制动闸，和摩擦轮相连的部分安装有制动轮，可以对下降速度进行调节，起到双重调节作用。

图1 逃生器机构设计图与实物图

2 逃生器力学方程和运动方程

2.1 输入力计算

人体重量为G人kg，重力加速度系数为9.8 m/s2，在下降时产生的重力为9.8G人千牛顿，绳轮摩擦系数为μ1，V形轮V形角为θ(如图2所示)，那么施加在逃生器上的力为：

图2 V形槽示意图及绳在槽中受力图

2.2 行星轮系传动比的计算

计算时，把行星轮系转化为定轴轮系计算：

图3 逃生器行星轮系示意图

2.3 力学方程的建立

3 基于Matlab的优化分析

使用Matlab软件对V形槽的夹角θ选取分析(图5)，查表可知钢丝绳与钢的摩擦系数μ1在0.1～0.2之间，为了安全取值0.1，摩擦力与人体重力成一个正比例关系。假设比例系数为k，可知：

在Matlab命令窗口中输入：

f=′9.8*(1-0.2*sin(x/2))′;

fplot(f,[pi/12,pi])。

从图4可以看出，夹角θ对k值是一个递减函数曲线。在实际设计中，为了保证有较大的摩擦力而又可以不缠死钢丝绳，夹角取中间值为线性化，这里夹角取1.4 rad。优化后可以得到力学方程：

f=9.8G人(1-0.2sin0.7)。

图4 V形槽夹角θ对k变化图

在Matlab命令窗口中输入：

f=′9.8*x*(1-0.2×sin(0.7))′;

fplot(f,[10,100])

得到摩擦力与重量变化曲线，如图5所示。

图5 摩擦力与重量变化图

4 结 语

通过对现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，给出了逃生器的结构组成和工作原理，采用PRO/E软件进行三维建模设计，通过分析建立了逃生器的运动学和力学方程，并且用Matlab软件进行了分析、优化，得出了逃生器的力学方程和运动学方程，经测试，该逃生器可以很好地起到逃生的作用，可以很好地解决速度慢、自适应差的问题。该逃生器适应各类人群，不需要专门培训就可操作，且使用十分简便，能有效地帮助人们高楼逃生。

[1]王春彦，岳大鑫.基于弹簧的新型高楼逃生器[J].机械，2007(6)：35-37

[2]尹凌鹏，周明安，巫少龙.摩擦片式高楼缓降逃生器[J].机械，2012(6)：58-60

[3]袁忠均，陈东，黄平.离心摩擦式高楼安全逃生器的设计[J].机械设计，2004(S1)：208-209

[4]乔印虎，苏国用，杨杰.高楼逃生装置的减速原理分析[J].佛山科学技术学院学报：自然科学版，2015(S2)：15-16

[5]程琴，史书林.摩擦式高楼逃生器的设计[J].机电产品开发与创新，2013(S4)：73-74

[6]白阳光.高楼逃生安全控制器[P].中国专利，89103555.9,1990/02/19

[7]曾景霖.高楼救生高楼逃生器[P].中国专利，93239887.1,1994/08/24

[8]叶强.液体流动阻尼式高楼逃生器的创新与设计[J].消防设备研究，2005(2)：210-212

(责任编辑：汪材印)

TH122

：A

：1673-2006(2017)07-0109-03

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.07.028

2017-03-30

安徽省高校优秀中青年骨干人才国内外访学研修重点项目“高楼自适应火灾逃生系统研制”(gxfxZD2016352)。

宋继祥(1977-)，山西临汾人，硕士，副教授，研究方向：机械设计。