一種消防高層救援裝備的設(shè)計構(gòu)想

■ 裴鍇 王凈 邯鄲市公安消防支隊

隨著城市化建設(shè)的發(fā)展，建筑集成化程度加劇以及工程技術(shù)和建筑施工水平的快速提高，現(xiàn)代城市中的高層建筑不斷增多，并且建筑高度持續(xù)增加。這在一定程度上節(jié)省了大量用地、改善了人們的生活居住條件，但同時也給高層救援帶來了更大的難度。為此，筆者組織研發(fā)人員依據(jù)滑輪組原理設(shè)計研發(fā)了一套連續(xù)快速升降高層建筑救援機構(gòu)，將其安裝在現(xiàn)有的高空救援平臺或建筑外墻上，可以實現(xiàn)連續(xù)升降快速高空救援。

一、裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計

該裝備快速升降高層救援機構(gòu)由電機、驅(qū)動滑輪、定滑輪組、動滑輪組、落地動滑輪、小卷筒、鋼絲繩及繩卡子組成。其中，繩卡子用于把救援對象固定在鋼絲繩上。繩卡子由內(nèi)套、外套、銷軸、鎖等零件組成，如圖1所示。工作時，將鎖打開，使內(nèi)套“抱住”鋼絲繩，然后將內(nèi)套、外套合攏并“上鎖”。由于內(nèi)套的外表面呈一定的錐度，上端比較細、下端比較粗；當(dāng)繩卡子在救援對象的重力作用下欲沿鋼絲繩下滑時，內(nèi)套與鋼絲繩之間產(chǎn)生摩擦力，將相對外套向上移動；此時，外套將迫使內(nèi)套更緊地“抱住”鋼絲繩，從而不使繩卡子在鋼絲繩上掉落。于是，救援對象會隨鋼絲繩一起提升或下降。

圖2 機構(gòu)組成及其工作原理

在如圖2所示的機構(gòu)中，分別有多個定滑輪和多個動滑輪，所以可實現(xiàn)比較大的滑輪組倍率。在工作時，定滑輪組安裝在伸縮臂頂端的平臺上，落地滑輪固定在地面上，動滑輪組被鋼絲繩吊掛在空中，動滑輪組的下部用一根細鋼絲繩與落地滑輪上的小卷筒相連。當(dāng)卷筒的細鋼絲繩放開時，定滑輪組與動滑輪組相距最近，其救援平臺達到最高；當(dāng)卷筒的細鋼絲繩收起時，定滑輪組與動滑輪組相距最遠（動滑輪組離地面最近），其救援平臺達到最低。從而可實現(xiàn)不同高度的空中救援。

二、設(shè)計計算

1.載荷的計算

設(shè)機構(gòu)工作時，允許鋼絲繩與豎直方向的傾斜為α=15°，則：

落地滑輪與施救點的最大水平距離為米，

落地滑輪與施救點的最小水平距

離為：米

由得

由得:

將代入（2）式，并整理得：

考慮到電機突然制動、斷電等極端情況，系統(tǒng)的動載荷系數(shù)取2.0或1.5。

在上式中，由于，所以故：

（1）當(dāng)機構(gòu)以100Kg載荷下降、動載荷系數(shù)為2時，鋼絲繩兩端的拉力分別為：

而

鋼絲繩在驅(qū)動滑輪上纏繞5圈后，非工作側(cè)鋼絲繩所受的拉力S將變?yōu)椋?/p>

其中：T——鋼絲繩工作側(cè)的拉力，S——鋼絲繩非工作側(cè)的拉力；

μ——鋼絲繩與滑輪表面之間的摩擦系數(shù)，μ=0.16，

α——鋼絲繩在滑輪上的包角。當(dāng)鋼絲繩纏繞5圈時，α=9π，

е——自然對數(shù)，е=2.718

則：

對于非工作側(cè)鋼絲繩而言，如果每根鋼絲繩按2.5×2=5kg計算，救援平臺受到10根鋼絲繩的拉力為50kg。則救援平臺的總載荷為：231+50+100（1人重）+88（機構(gòu)自重）=469kg（超重）

（2）當(dāng)機構(gòu)以100Kg載荷下降、動載荷系數(shù)為1.5時，鋼絲繩兩端的拉力分別為：

而

鋼絲繩在驅(qū)動滑輪上纏繞5圈后，非工作側(cè)鋼絲繩所受的拉力S將變?yōu)椋?/p>

對于非工作側(cè)鋼絲繩而言，如果每根鋼絲繩按1.88×1.5=2.82kg計算，救援平臺受到10根鋼絲繩的拉力為28.2kg。

此時，救援平臺的總載荷為：173.2+28.2+100（1人重）+88（機構(gòu)自重）=390kg（不超重）。

因此，在實際工作時，機構(gòu)的額定提升載荷為100kg，極限下降載荷應(yīng)在160kg。

2.電機功率的計算

查表：當(dāng)滑輪組倍率為m=10時，滑輪組效率為η=0.92，取驅(qū)動滑輪的直徑D=300mm，則機構(gòu)的實際起升速度為：

電機的靜功率為：

式中：—機構(gòu)的額定起升載荷，

V——機構(gòu)的起升速度，

η——滑輪組效率，

（1）當(dāng)機構(gòu)提升時，電機所需靜功率為：

（2）當(dāng)機構(gòu)下降時，電機所需靜功率為：

選擇三相異步電動機型號：GH22-400-10S系列。電機轉(zhuǎn)速：1400rpm；電機功率：0.4KW；額定電壓：380V；極數(shù)：4極；減速器速比：1：90。

3.驅(qū)動滑輪軸的計算與強度校核

設(shè)驅(qū)動滑輪軸的直徑為d=30mm，長度L=120mm，軸的中部作用一集中載荷T=173.2kg，則：Ra=Rb=0.5×T=86.6kg。

滑輪軸的最大彎矩為：

滑輪軸的抗彎模量:

滑輪軸的彎曲應(yīng)力為：

滑輪軸的橫截面面積為：

滑輪軸的剪切應(yīng)力為：

其等效應(yīng)力為：

選擇滑輪軸的材料為45#鋼，其強度極限為:屈服極限為：。如取安全系數(shù)為n=2，則:，故安全。

4.鋼絲繩偏斜角的計算

（1）鋼絲繩進出滑輪繩槽時的最大偏斜角:

式 中：β—— 繩 槽 開 角，β=22.5°，

——滑輪直徑，mm，

C——繩槽深度，mm。

則：所以

設(shè)動滑輪與定滑輪的最小軸距為500mm，滑輪間距為24mm，則機構(gòu)實際的偏斜角：

所以

由于，故滿足要求。

（2）鋼絲繩向卷筒空槽方向偏斜時的最大偏斜角：

式中：——鋼絲繩相對于繩槽中心線之最大偏角，

——卷筒繩槽的螺旋角，

式中：——鋼絲繩繩槽的槽形半徑，

h——卷筒上繩槽槽深，h=0.3×d=0.3×6，

R——卷筒上繩槽槽形換算半徑

a——鋼絲繩纏繞半徑，a=125mm.

則：

所以

而

所以

從而，

鋼絲繩的實際偏斜角為：，所以

即：，滿足要求。

尹鐵林.中國消防手冊第十二卷消防裝備·消防產(chǎn)品[S].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2007.

朱力平.消防工程師手冊[S].江蘇：南京大學(xué)出版社，2005.

顏達材.消防設(shè)備全書[S].陜西：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1990.