離心摩擦式高樓逃生緩降器的研發

WEI Jian-jun

0 引言

城市高樓火災是一種發生頻率高、涉及面廣、蔓延速度快、破壞性大、救援和逃生困難的突發性災害。目前國內外現有的高層建筑逃生裝置有三種類型。一種是機械電動式逃生裝置，需要電源提供動力，同時還需要機械傳動機構進行變速緩降；很顯然災害發生時電源能否可靠使用是個大問題，其次該裝置復雜龐大、成本高、不易推廣。一種是斜索緩降逃生裝置，需要先將繩索的一端固定在地面上，然后逃生者依靠夾持繩索裝置夾持繩索緩降逃生；該裝置需要別人幫忙固定繩索來完成逃生，及時性和容易性是個問題。還有一種是采用液體流動阻尼的方法進行緩降逃生，這類裝置結構復雜，使用的液壓系統如果出現密封性問題就會給逃生者帶來安全隱患，且使用繁瑣費時、成本高。

因此簡單、安全、快速的機械自助逃生裝置是高層建筑逃生裝置今后發展的重要趨勢。本文研究的逃生裝置是純機械裝置，結構簡單，不需要外在動力，可多人次循環使用；利用繩索滾筒旋轉快慢產生的離心力不同改變摩擦力矩的大小，可使不同體重的逃生者都能以安全的下降速度進行緩降逃生。

1 結構與原理

擦阻力，同時還要使不同體重的人都能以1.2m/s左右的安全速度降落到地面。

如圖1所示，當逃生者握住繩索向下逃生時，繩索滾輪將被繩索帶動做旋轉運動，此運動通過與滾輪固定聯接的軸Ⅰ、增速齒輪傳動機構帶動軸Ⅱ做高速的旋轉運動，以鍵與軸Ⅱ聯接的離心盤也被迫高速旋轉，其上的杠桿式離心塊在離心力的作用下將繞鉸鏈向外旋轉，從而推動與軸Ⅱ同步旋轉的右摩擦盤向左移動，緊緊地壓住固定不動的左摩擦盤，產生了摩擦力矩。

摩擦力矩的大小取決于逃生者下降的速度，下降的速度越快，則離心盤的轉速越高，杠桿式離心塊施加給右摩擦盤的壓力也就越大，產生的

圖1 緩降器結構圖

純機械逃生裝置的關鍵技術在于如何利用機械結構和力學原理，使逃生者利用繩索下降時的自重轉化為相應的摩摩擦力矩也越大。反之，產生的摩擦力矩越小。而摩擦力矩的大小反過來又控制逃生者的下降速度，使逃生者無論體重的大小都能以穩定安全的速度下降到地面，實現安全逃生。

圖1中的調整螺栓、調整彈簧主要用于摩擦力矩大小的調整，以適應逃生者在安全速度范圍內調整不同的下降速度。

2 設計計算與分析

設計的主要目的是要保證逃生者下降的速度在安全范圍之內，利用平衡原理可知，要達到勻速下降應使逃生者下降由于自重產生的力矩與摩擦阻力矩達到平衡。

利用力矩平衡原理，對軸Ⅰ、軸Ⅱ進行受力分析得：

式中：M摩為摩擦力矩（N ? m）；

D為繩索滾筒的直徑（m）；

G為逃生者的體重（N）；

Z1為齒輪齒數（齒）；

Z2為齒輪齒數（齒）。

即：當產生的摩擦力矩為式（1）時，逃生者的下降為勻速下降。

當逃生者以安全速度V下降時，繩索滾筒的轉速為：

根據齒輪傳動原理可知，離心盤的轉速為：

當離心盤以n離的轉速旋轉時，離心塊受到的離心力為：

式中：m為離心塊的質量（kg）；

R為離心塊的回轉半徑（m）。圖2是摩擦盤的受力情況，根據力矩平衡原理，可得：

摩擦力為：

圖2 磨擦盤的受力分析

摩擦阻力矩為：

聯立式（1）、（2）得：

整理后得：

式中：k為彈簧的彈性系數；

x為被壓縮的彈簧長度（m）；

μ為兩摩擦盤間的摩擦系數，其值取決

于摩擦盤上摩擦帶所采用的材料；

d為摩擦盤上摩擦帶的平均直徑（m）；

L為杠桿式離心塊長力臂（m）；

l為杠桿式離心塊短力臂（m）。

式（3）是我們設計的主要依據，從式（3）可以看出：減小繩索滾筒直徑D，齒輪齒數比，離心塊力臂比、力臂夾角α可以降低下降速度V；增大摩擦系數μ、摩擦盤直徑d、離心塊質量m及其回轉半徑R可以降低下降速度V。當緩降器的結構參數確定后，逃生者下降的速度與其重量的開平方成正比，故只要選擇合理的結構參數，可以確保逃生者能以安全的速度下降到地面。

3 緩降性能試驗

為了使設計的緩降器結構緊湊、質量輕，對其結構參數選擇如下：繩索滾筒直徑D=120mm，主動齒輪齒數Z2=18，從動齒輪齒數Z1=54，離心杠桿力臂1l=20mm，摩擦系數μ=0.25，摩擦盤平均直徑d=120mm，離心塊質量m=0.6kg，離心塊旋轉半徑R=150mm，離心杠桿力臂2L=80mm，杠桿式離心塊夾角α=10°。

如圖1所示，在離心盤上均布安裝6個杠桿式離心塊，材料采用45鋼，每個重量0.1kg，可以保證緩降器的工作平穩；摩擦盤摩擦面使用石棉摩擦帶以提高摩擦系數，μ取0.25；逃生繩索使用專業登山用繩；利用調整彈簧還可以調整摩擦力矩的大小，從而可以調整下降速度的快慢，取調整彈簧的彈性系數k為30N/mm；利用兩段逃生繩索反向纏繞在繩索滾筒上可以使一根繩索拉到地面，另一繩索剛好全部收回，保證了緩降器的迅速使用。圖4給出了試制實物的圖片。

圖3 下降速度V與重量G的關系

圖4 緩降器的實物圖片

緩降器制作完成后，采用不同重量的重物在16m高的樓層進行試驗，得出重物重量與下降速度之間的關系如圖3所示。

由圖3看出，按以上參數設計緩降器可以保證逃生者能夠以安全的速度下降到地面。試驗表明：緩降器可以正反轉動，利用重物自身的重量能在安全速度范圍內以勻速下降，下降速度的大小取決于重物重量和調整彈簧的彈力。

4 結束語

雖然國內外已經著手開發類似的產品，并正在推廣到實際中使用。但是，本文研制的逃生緩降器原型比國內外報導的類似產品輕了9kg，實踐證明，采用齒輪傳動裝置自動調整摩擦阻力矩的大小，達到了緩降的目的，特別是采用調整彈簧調整摩擦阻力矩的大小，可以使逃生者在安全范圍內調整下降速度是其他類似產品不可比擬的。該裝置結構簡單，制造成本低，實用性強，期望可以獲得較好的社會和經濟效益。

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