基于摩擦原理的高樓自助逃生裝置的設計

周長海，葉福民，周黔貴，薛偉

(江蘇科技大學 機械工程學院， 江蘇 鎮江 212003)

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基于摩擦原理的高樓自助逃生裝置的設計

周長海，葉福民，周黔貴，薛偉

(江蘇科技大學 機械工程學院， 江蘇 鎮江 212003)

摘要：利用自行車摩擦片剎車原理，提出了一種基于控制摩擦力大小來減速的高樓自助緩降逃生裝置的設計思路。在經過理論計算的基礎上設計了樣機。該逃生裝置通過配重以及利用杠桿原理等方法來放大摩擦力，以此達到控制下降速度的目的，無需外力操控，可作為被困于高樓火災、爆炸等困境的人們的自救逃生工具。

關鍵詞：高樓；緩降逃生器；摩擦力；設計

0引言

在城市的不斷擴張中，樓房也在不斷地向著高空延伸，而其帶來的危險隱患也越來越大，尤其是在人群密集的大城市，在眾多的安全隱患中高樓失火已成為人們不得不考慮的問題[1]。目前國內外現有的高層建筑逃生裝置主要有三種類型[2]。1) 機械電動式，這種逃生裝置需要電源提供動力，而在災害發生時電源能否使用是一個未知數，不宜推廣使用。2) 斜索滑降逃生裝置，該裝置需要別人先將繩索的一端固定在地面上，然后逃生者依靠斜索滑降逃生，但是當只有一個人時無法獨立逃生。3) 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，密封性不能完全保證，且價格比較昂貴。因此，設計一種簡單，方便，快捷，適用于大多數人群的緊急逃生裝置對于人們的生命財產能夠起到一定程度的保護作用，也是現代社會應對高樓危險的有效措施。

1機構組成及其工作原理

1.1機構組成

1—箱體；2—腳踏板；3—動力繩；4—摩擦盤；5—摩擦片；6—連桿；7—滑塊；8—繩索；9—主軸；10—平衡板圖1　高樓逃生裝置結構示意圖

高樓逃生裝置分為兩部分，如圖1所示。1) 在逃生者身上系上安全繩索以及在逃生裝置上安裝扶手以保持逃生者重心平衡，防止其在下降過程中與逃生裝置脫離；2) 機構主體的組成部分，包括腳踏板、連桿、主軸、摩擦片、摩擦盤、動力繩、滑塊、繩索、平衡板、箱體等部件，即通過動力繩3將逃生者產生的重力經過腳踏板2的杠桿原理進行放大之后轉化為摩擦片5之間的摩擦力，進而與重力抵消，達到勻速下降的目的。

1.2工作原理

逃生裝置的設計通過對摩擦片施加壓力來增加摩擦片之間的摩擦力，以此來達到抵消下降時的重力，如圖2所示。在圖2中，機構工作時，逃生者雙腳站立在兩端的腳踏板上面，通過杠桿原理使腳踏板下面的連桿往下滑動，且往右運動而使連桿右端的摩擦A片與摩擦輪相接觸，在逃生者下降的時候使其兩端壓力增大，進而產生較大的摩擦力，兩端的接觸面上因劇烈摩擦產生熱量，由能量守恒可知，逃生者和機構的重力勢能轉換成動能，再由動能轉換成摩擦熱，在下降的時候繩索的不斷拉長使主軸旋轉而產生摩擦力矩，這就是使重力矩轉化成摩擦力矩達到減速降落的效果。

1—支點；2—腳踏板；3—逃生者；4—配重；5—摩擦A片；6—摩擦B片圖2　高樓逃生裝置原理示意圖

該設計的主要目的，是要確保逃生者下降的速度在安全范圍之內，而要達到勻速安全，其核心原理就是使逃生者下降時自身及裝置產生的重力與摩擦阻力達到平衡。通過分析計算可知，由摩擦片產生的摩擦阻力在不經過放大的情況下與逃生者和逃生裝置產生的動力是不可能達到平衡的。為此，在逃生裝置的上方特別增設了杠桿和一定質量的配重，以此來達到放大摩擦阻力的目的。

在這過程之中通過配重4的杠桿原理增大兩處摩擦片與摩擦輪的接觸壓力，也就增大了摩擦力。配重產生的摩擦力矩一部分消耗配重和機械裝置的自身重力勢能，而剩余的摩擦力矩與人的重力矩相平衡。這樣機構就能根據逃生者的自重平衡合理的減小下降的速度安全降落。

逃生者站在腳踏板上面，通過杠桿將逃生者的重力轉換成摩擦力，由于滑塊的上升，帶動連桿的旋轉，帶動摩擦A片的水平移動，直至與摩擦B片接觸產生一定的摩擦力矩，而逃生者由于自身重力在下降時也會對主軸產生一定力矩，且與前者力矩方向相反，所以當兩者產生的力矩大小相等時逃生者就可以勻速下降。在踏板上加上適當的配重以抵消該裝置產生的重力，這樣人的自重與產生的摩擦力就會滿足一定的比例關系，通過適當的調節這個關系就可以使重力與摩擦力達到平衡從而達到減速安全降落的目的方法，該方法有效的利用逃生者的自身重力，最大限度的使逃生者逃離困境。

2設計計算和分析

2.1理論計算

摩擦片產生的壓力FN為：

(1)

式中：M1為逃生者自身的質量；M3為配重的質量；n1為腳踏板上逃生者到支點的距離與腳踏板端點到支點的距離之比；n2為腳踏板上配重到支點的距離與腳踏板端點到支點的距離之比；α為連桿與主軸之間的夾角；g為重力加速度。

摩擦A片與摩擦B片產生的摩擦力矩Mf為：

(2)

式中：R為摩擦A片半徑；μ為摩擦片的摩擦系數。

機構下降時產生的動力矩M為：

(3)

式中：M2為逃生裝置的質量；r為裝置下降時繩索旋轉的半徑。

2.2代入參數計算

現令α=45°，n1=6,n2=9,M3=M2。則由式(2)可得：

(4)

由式(3)可得：

(5)

r=2μR

(6)

由以上計算表明，只要式(6)成立，逃生者站在裝置上就可以勻速下降，滿足設計要求。而在式(6)中摩擦片半徑R及其摩擦系數μ均由摩擦片本身決定，故只需確定下降繩索旋轉產生的半徑r，即可滿足下降產生的動力矩與摩擦片產生的摩擦力矩相平衡，即滿足勻速下降。

然而在上述推算中也有一些前提條件，預先設定一些參數，即連桿與主軸必須成45°，腳踏板上逃生者到支點的距離與腳踏板端點到支點的距離之比必須為6，腳踏板上配重到支點的距離與腳踏板端點到支點的距離之比必須為9，配重的質量必須與裝置自身的質量相同。只有滿足這些條件，式(6)才能成立，否則，需要重新調整各個參數,并根據不同的調整參數來重新配備配重的質量。

3結語

1) 根據設置固定的參數可以幫助不同體重的人們逃離火災現場，體現了它的廣泛應用性。

2) 以合理的機械與力學相結合構建的高樓逃生裝置，通過計算和分析，可知它是適合大眾在高樓危險情況下的一種逃出困境得以保全人身安全的一種逃生裝置。

3) 機構的思路明確，有足夠的安全可靠性。基于這樣簡單方便易于安放使用的裝置，在較好的為高樓險境做出應對逃生方法的同時，希望有較好的設計評價與相應的經濟效益；在挽救危難的逃生者時，能構建一個安全保障的和諧環境。

參考文獻:

[1] 岳明輝. 高層建筑逃生裝置[J]. 現代職業安全，2010，(03):115-117.

[2] 袁忠均. 離心摩擦式高樓逃生器的設計[J]. 機械設計,2004，(10): 208-209.

[3] 陸寧. 機械原理[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008.

[4] 王寧俠. 機械設計[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社,2008.

[5] 吳慎山，等. 智能建筑防火滅火及逃生系統的研究與實現[J]. 河南師范大學學院(自然科學版)，2010，(04):68-71.

Design of Self-help High-rise Escape System on Basis of Principle of Friction

ZHOU Chang-hai, YE Fu-min,ZHOU Qian-gui,XUE Wei

(Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003,China)

Abstract:This paper proposes that the principle of bicycle friction brake is used to design a self-help slow-descending escape system, which is controlled by the frictional force. In this system, additional weight (added friction) and lever principle ect. are used to control its speed without any help. This apparatus can be used to help people escape from high-rise fires, explosions ect. and it is perfectly chosen for the residents living in high-rise building.

Keywords:high-rise; slow-descending escape apparatus; friction; design

收稿日期：2014-12-10

中圖分類號：TH117.1

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0083-02

作者簡介：周長海(1990-)，男，江蘇沛縣人，研究方向為機械設計制造及自動化。