離心式阻尼逃生裝置設(shè)計與分析

呼春洋 羅徽 劉建東 符寶鼎

摘要：本文詳細(xì)介紹了阻尼式勻降高樓逃生裝置。該裝置利用人體下落時同步牽引逃生索，帶動逃生裝置中動力輸入部分轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)離心部分離心滑塊的的離心漲緊運(yùn)動，產(chǎn)生摩擦力，摩擦阻力阻礙動力輸入主軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)通過下落速度反饋控制人體下降。本作品采用人力為動力，節(jié)約了能源，操作簡單，使用方便，實用性較強(qiáng)，可以進(jìn)行大面積推廣。

關(guān)鍵詞：勻降逃生；阻尼式；離心漲緊；速度反饋

隨著人們對工作和環(huán)境安全要求越來越高，消防安全器材需要更加簡便的設(shè)計，為了解決好這一問題，設(shè)計了阻尼式勻降逃生裝置。下面介紹作品的創(chuàng)作背景、功能、方案設(shè)計等。

高樓逃生裝置用于解決高樓火災(zāi)和一些突發(fā)性的災(zāi)難對身處高樓的人進(jìn)行逃生的問題。一種安全、可靠、安裝方便、使用簡單的高樓逃生裝置的研究意義重大。本裝置主要是為了當(dāng)高樓建筑發(fā)生災(zāi)難時，人員能從窗戶等樓梯外部快速逃離現(xiàn)場，安全到達(dá)地面，確保人身安全。

裝置包括安裝框架、逃生器殼體、阻尼部分、離心増力部分、主軸動力輸入部分、壓繩預(yù)緊部分、逃生索導(dǎo)向部分。

1 工作原理和方案設(shè)計

1.1 裝置工作原理

逃生裝置的設(shè)計原理是利用人體下落速度的變化產(chǎn)生的阻力，在達(dá)到安全下落速度前與人體的重力相等，即可實現(xiàn)以安全速度進(jìn)行勻速下降的過程。此過程中人體下落的運(yùn)動過程為加速度逐漸降低至零的加速運(yùn)動。如圖1。

對逃生裝置的方案設(shè)計上，如圖2，下落時將逃生人員縛于逃生索上，將逃生索纏繞在主軸輸入端，將重力轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)主軸的扭矩，利用人體下落時在重力作用下加速下落，牽引逃生索同步帶動逃生裝置中動力輸入主軸1轉(zhuǎn)動，伴隨著離心裝置的漲緊運(yùn)動，生成離心力，運(yùn)動至至阻尼殼體，離心力隨人體下落速度不斷增大而產(chǎn)生增大的正壓力，進(jìn)而使離心塊與阻尼殼體間產(chǎn)生的摩擦阻力矩不斷增大，阻礙動力輸入主軸轉(zhuǎn)動，逐漸達(dá)到與人體重力矩相等，即實現(xiàn)人體勻速下落，完成通過下落速度反饋控制人體下降。

1.2 設(shè)計計算

設(shè)計的主要內(nèi)容是要確定保證人在安全范圍內(nèi)勻速度下降時的阻力矩的實現(xiàn)，即離心部分離心塊質(zhì)量即離心半徑的確定以及主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（1）動力輸入主軸設(shè)計。所選取人體重范圍15kg—100kg，取重力加速度為g= 9.8N/kg，則依人體下落時的重力公式G=mg得出人體重力范圍。選取直徑為20mm的軸徑作為支撐。通過設(shè)計計算及有限元分析，對軸進(jìn)行校核，如圖3。

（2）離心滑塊設(shè)計計算。通過查閱相關(guān)資料確定人體所能承受的勻速沖擊速度范圍，根據(jù)普通人體重進(jìn)行設(shè)計計算，當(dāng)人體重達(dá)到100kg時，所能承受的勻速沖擊速度為1.5m/s，以此作為范圍邊界上限。人體體重下限取6歲以上兒童標(biāo)準(zhǔn)體重28.3kg。

利用運(yùn)動學(xué)原理可知，要達(dá)到勻速下滑應(yīng)有：

其中，T阻和T重重分別是阻力矩和重力矩。

在選取阻尼材料時選擇橡膠，查閱相關(guān)資料，摩擦系數(shù)u在鑄鐵和橡膠之間為0.5至0.8，取最小值0.5進(jìn)行計算。

為便于安裝和在運(yùn)行時不發(fā)生干涉，設(shè)計離心塊形狀為弓型，取離心塊質(zhì)量m= 2kg

T重=G·r

G：人體重力；

r：主軸繞繩處回轉(zhuǎn)半徑；

T阻=f·R=4·mv2Rcμ·R

m：重力塊質(zhì)量；

Rc：重力塊質(zhì)心半徑；

μ：摩擦系數(shù)，取0.5；

R：重力塊摩擦力作用點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑；

初步選定R/r=5，人落地時的速度為1.5m/s，則

v=1.5×5=7.5m/s

g=9.8m/s2

由T阻=T重計算整理得：

Rc=44.44mm

由質(zhì)心計算公式

Rc=2R·（1-cos3α）/3（1-cos2α）

α：弓形圓心角；

計算得α=84°

離心塊是離心力的來源，原則上越重越好，重心到旋轉(zhuǎn)中心的距離越大越好，在其上需要安裝摩擦片和滑動銷軸。在該逃生器中，設(shè)計四個滑動塊，每個滑動塊的圓弧角度為84度。為了滿足滑塊的滑動行程，滑塊的厚度有了限制，再根據(jù)滑塊的重量，計算出底面面積。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 動力輸入主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)軸是逃生器重要零件之一，它需要承載人的重量和承受人重量產(chǎn)生的扭矩、彎矩。確定軸直徑20mm。轉(zhuǎn)軸的扭矩是由重力產(chǎn)生的，大小初定為100N.m。

于主軸上安裝線性軸承，逃生繩固定在主軸上。如圖5。

設(shè)計說明：

（1）815的孔用于安裝直線軸承。為保證重力塊在徑向方向運(yùn)動狀態(tài)，相交孔保證垂直度要求，平行孔保證平行度要求。

（2）220的軸用于安裝軸承，保證同軸度要求及表面粗糙度Ra=3.2。

（3）65的孔用于放入小釘，保證尼龍繩可帶動軸轉(zhuǎn)。

（4）該轉(zhuǎn)軸的材料是45號鋼。

2.2 重力滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

離心力來源于重力滑塊，重力滑塊質(zhì)量越大，則產(chǎn)生的離心力越大，且離心力大小與重力滑塊重心到旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比，需要在上面安裝滑動軸和摩擦片。如圖6。

設(shè)計說明：

（1）在該逃生器中，設(shè)計四個滑動塊，每個滑動塊的圓弧角度為84度?；瑒訅K之間存在間隙，方便裝配。

（2）滑動塊上的4-M6螺孔用于固定摩擦片，每對周向上的螺孔之間夾角為40度。

（3）滑動塊上的2-M8螺孔用于安裝滑動銷軸，為保證重力塊在徑向方向運(yùn)動狀態(tài)，螺孔有垂直度要求。

2.3 壓繩裝置設(shè)計

壓繩部分的功能主要是給逃生繩施加預(yù)緊力，使逃生繩與動力輸入主軸之間的靜摩擦力大于人的重力，保證逃生繩在主軸上不發(fā)生打滑的現(xiàn)象，確保主軸旋轉(zhuǎn)的線速度等于人體下落的線速度，即保證速度同步性。結(jié)構(gòu)如圖7。

需要調(diào)節(jié)壓繩力時，首先擰松鎖緊螺母，然后通過擰動調(diào)整螺母，可以使螺桿高度升高或者降低，使壓繩板根動力輸入主軸的之間的間隙增大或者減小，以減小或增大壓繩力。

3 結(jié)論

逃生裝置純機(jī)械的離心式反饋控制結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)，增強(qiáng)了在斷電等問題上的可靠性；可實現(xiàn)雙向連續(xù)逃生，可循環(huán)使用減少逃生纏繩時間；其簡單的結(jié)構(gòu)加工制作易于實現(xiàn)。但也存在個別不足，逃生索的纏繞、繞壓問題仍有發(fā)生，壓緊裝置對繩索磨損較大，未來可通過實用化設(shè)計提高其使用性能。

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指導(dǎo)教師：符寶鼎。