一种消防高层救援装备的设计构想

■ 裴锴 王净 邯郸市公安消防支队

随着城市化建设的发展，建筑集成化程度加剧以及工程技术和建筑施工水平的快速提高，现代城市中的高层建筑不断增多，并且建筑高度持续增加。这在一定程度上节省了大量用地、改善了人们的生活居住条件，但同时也给高层救援带来了更大的难度。为此，笔者组织研发人员依据滑轮组原理设计研发了一套连续快速升降高层建筑救援机构，将其安装在现有的高空救援平台或建筑外墙上，可以实现连续升降快速高空救援。

一、装备结构设计

该装备快速升降高层救援机构由电机、驱动滑轮、定滑轮组、动滑轮组、落地动滑轮、小卷筒、钢丝绳及绳卡子组成。其中，绳卡子用于把救援对象固定在钢丝绳上。绳卡子由内套、外套、销轴、锁等零件组成，如图1所示。工作时，将锁打开，使内套“抱住”钢丝绳，然后将内套、外套合拢并“上锁”。由于内套的外表面呈一定的锥度，上端比较细、下端比较粗；当绳卡子在救援对象的重力作用下欲沿钢丝绳下滑时，内套与钢丝绳之间产生摩擦力，将相对外套向上移动；此时，外套将迫使内套更紧地“抱住”钢丝绳，从而不使绳卡子在钢丝绳上掉落。于是，救援对象会随钢丝绳一起提升或下降。

图2 机构组成及其工作原理

在如图2所示的机构中，分别有多个定滑轮和多个动滑轮，所以可实现比较大的滑轮组倍率。在工作时，定滑轮组安装在伸缩臂顶端的平台上，落地滑轮固定在地面上，动滑轮组被钢丝绳吊挂在空中，动滑轮组的下部用一根细钢丝绳与落地滑轮上的小卷筒相连。当卷筒的细钢丝绳放开时，定滑轮组与动滑轮组相距最近，其救援平台达到最高；当卷筒的细钢丝绳收起时，定滑轮组与动滑轮组相距最远（动滑轮组离地面最近），其救援平台达到最低。从而可实现不同高度的空中救援。

二、设计计算

1.载荷的计算

设机构工作时，允许钢丝绳与竖直方向的倾斜为α=15°，则：

落地滑轮与施救点的最大水平距离为米，

落地滑轮与施救点的最小水平距

离为：米

由得

由得:

将代入（2）式，并整理得：

考虑到电机突然制动、断电等极端情况，系统的动载荷系数取2.0或1.5。

在上式中，由于，所以故：

（1）当机构以100Kg载荷下降、动载荷系数为2时，钢丝绳两端的拉力分别为：

而

钢丝绳在驱动滑轮上缠绕5圈后，非工作侧钢丝绳所受的拉力S将变为：

其中：T——钢丝绳工作侧的拉力，S——钢丝绳非工作侧的拉力；

μ——钢丝绳与滑轮表面之间的摩擦系数，μ=0.16，

α——钢丝绳在滑轮上的包角。当钢丝绳缠绕5圈时，α=9π，

е——自然对数，е=2.718

则：

对于非工作侧钢丝绳而言，如果每根钢丝绳按2.5×2=5kg计算，救援平台受到10根钢丝绳的拉力为50kg。则救援平台的总载荷为：231+50+100（1人重）+88（机构自重）=469kg（超重）

（2）当机构以100Kg载荷下降、动载荷系数为1.5时，钢丝绳两端的拉力分别为：

而

钢丝绳在驱动滑轮上缠绕5圈后，非工作侧钢丝绳所受的拉力S将变为：

对于非工作侧钢丝绳而言，如果每根钢丝绳按1.88×1.5=2.82kg计算，救援平台受到10根钢丝绳的拉力为28.2kg。

此时，救援平台的总载荷为：173.2+28.2+100（1人重）+88（机构自重）=390kg（不超重）。

因此，在实际工作时，机构的额定提升载荷为100kg，极限下降载荷应在160kg。

2.电机功率的计算

查表：当滑轮组倍率为m=10时，滑轮组效率为η=0.92，取驱动滑轮的直径D=300mm，则机构的实际起升速度为：

电机的静功率为：

式中：—机构的额定起升载荷，

V——机构的起升速度，

η——滑轮组效率，

（1）当机构提升时，电机所需静功率为：

（2）当机构下降时，电机所需静功率为：

选择三相异步电动机型号：GH22-400-10S系列。电机转速：1400rpm；电机功率：0.4KW；额定电压：380V；极数：4极；减速器速比：1：90。

3.驱动滑轮轴的计算与强度校核

设驱动滑轮轴的直径为d=30mm，长度L=120mm，轴的中部作用一集中载荷T=173.2kg，则：Ra=Rb=0.5×T=86.6kg。

滑轮轴的最大弯矩为：

滑轮轴的抗弯模量:

滑轮轴的弯曲应力为：

滑轮轴的横截面面积为：

滑轮轴的剪切应力为：

其等效应力为：

选择滑轮轴的材料为45#钢，其强度极限为:屈服极限为：。如取安全系数为n=2，则:，故安全。

4.钢丝绳偏斜角的计算

（1）钢丝绳进出滑轮绳槽时的最大偏斜角:

式 中：β—— 绳 槽 开 角，β=22.5°，

——滑轮直径，mm，

C——绳槽深度，mm。

则：所以

设动滑轮与定滑轮的最小轴距为500mm，滑轮间距为24mm，则机构实际的偏斜角：

所以

由于，故满足要求。

（2）钢丝绳向卷筒空槽方向偏斜时的最大偏斜角：

式中：——钢丝绳相对于绳槽中心线之最大偏角，

——卷筒绳槽的螺旋角，

式中：——钢丝绳绳槽的槽形半径，

h——卷筒上绳槽槽深，h=0.3×d=0.3×6，

R——卷筒上绳槽槽形换算半径

a——钢丝绳缠绕半径，a=125mm.

则：

所以

而

所以

从而，

钢丝绳的实际偏斜角为：，所以

即：，满足要求。

尹铁林.中国消防手册第十二卷消防装备·消防产品[S].上海：上海科学技术出版社，2007.

朱力平.消防工程师手册[S].江苏：南京大学出版社，2005.

颜达材.消防设备全书[S].陕西：陕西科学技术出版社，1990.