一種便攜式多功能高層火災逃生器設計*

譚春旺，張今朝，徐祝青，鄭 靜，苑大龍，黃珊珊

（嘉興學院 機電工程學院，浙江 嘉興314001）

隨著人們生活水平的提高以及高層建筑的發展，高層火災成為人類生活中發生率較高并能造成巨大損失的災難。隨著社會的發展、城市人口的增加和土地資源的緊缺，建筑物的層數越來越高，高度也隨之增加，高層建筑的消防安全隱患也越來越多[1]。據統計，全世界每天平均發生各類火災9800余起，死亡2000多人，每年因火災造成的直接財產損失達幾十億元，目前中國最高的消防云梯車高度為101m，難以滿足日益增長的高層建筑火災逃生需求。因此開發一種簡單方便，迅速啟動，同時能幫助人們快速逃離高層建筑突發火災事故現場的裝置非常必要。

面對高層火災的逃生，最有效快捷的方式無疑是逃生器，而現有逃生器大多基于類似設計原理，普遍存在操作復雜繁瑣的問題。為了更好地解決逃生難題，需要設計一款更加便攜的逃生器。為適應需求，作者設計了一款機電一體化的逃生設備，該裝置由摩擦齒輪組和電磁阻尼器輔助齒輪減速。

1 逃生器技術功能優勢對比

1.1 機械結構

此類逃生裝置有別于以往常見的機電一體化逃生裝置，采用單一的純機械結構，其工作過程不依借其他任何動力能源，僅靠自身的機械結構調節勢能與動能的轉換，從而控制下降速度，使其帶著逃生者安全下滑。

1.2 雙重保險結構

此類逃生裝置為典型的機電一體化逃生裝置，主要采用摩擦片制動輔以同步電機反饋制動形成二次減速，從而達到雙保險的目的，并實現下降速度在安全范圍內可控和隨時停止的功能。

1.3 獨立模塊結構

此類逃生裝置采用模塊獨立的思路，各模塊間相互配合，這種設計讓裝置整體更加靈巧和可靠，操作簡單，通用性強，便于普及。

1.4 包角加手控式

此類逃生裝置利用手控裝置改變鋼絲繩與包角輪的接觸面和受力面調整繩與輪的位置關系，即包角大小，從而增加鋼絲繩與鋼絲輪之間的摩擦力，達到手動調節逃生速度的目的。

1.5 間歇沖擊式

間歇沖擊式逃生器是一種內銷耗裝置，通過內置的擒縱叉和擒縱輪不斷地間歇沖擊來消耗能量，因此該裝置無法自鎖，由于依靠干摩擦來減速，磨損嚴重，故使用壽命短。

1.6 液體流動阻尼式

以流體阻尼材料為媒介，將逃生過程的勢能轉化為熱能，從而達到吸能緩沖降低速度的效果[2-5]。

綜合上面幾種逃生裝置結構進行分析，逃生裝置主要的技術問題在于提供一種結構簡單、易于夾裝、穩定快速、安全可靠的易調速高樓裝置。根據以上研究，作者設計出一種高樓緩降逃生器，此裝置符合高樓逃生裝備的基本要求，通過改變摩擦力的大小，利用下降時的能量轉換設計了電磁阻尼裝置輔助調速，具有速度調節功能，非常適合于高層應急逃生[6]。

2 逃生器結構組成與工作原理

2.1 創新分析

（1）采用機電結合的結構和雙保險制動結構，齒輪和摩擦片制動電磁阻尼輔助調速相配合的雙保險，采用模塊化設計，實現了多重優勢的有機結合。

（2）簡便省力調速和制動：采用足夠的剎車彈簧拉力使制動滑塊豎立壓迫逃生繩索與“V”形輪包合，逃生器處于持續減速狀態。在緩降狀態時，以拉繩帶動剎車線，利用杠桿剎車原理放大拉力來控制齒輪的運動，并依借被動式電磁阻尼輔助調速實現下降緩降。通過調節齒輪慢速、自由行進或停止，從而調節和控制緩降過程的慢、快，或使其停止，以把柄、彈簧等結構部件解決初速度過快或費力控制下降等問題。

2.2 結構組成

該裝置機械部分由上下兩主體組成（如圖1），上部殼體為封裝結構，主要由螺母、彈簧、摩擦片組成，下部主體主要由齒輪組包括制動齒輪、控制齒輪和杠桿控制套件組成（注：圖1中位于軸線L2上的為“V”形輪，齒輪組左側為手動控制部分）。

圖1 逃生器主體

該裝置電氣部分由“V”形輪和兩個銅線纏繞的鋁框組成。另配有電磁阻尼器，阻尼部分是由兩個磁極交錯的永磁金屬制成，見圖2。

圖2 電磁阻尼器縱截面和橫截面磁感線

2.3 工作原理

該裝置機械部分的運行原理：當逃生者將裝置安裝在給定軌道上逃生時拉動拉繩181，然后松開，逃生者沿繩索下滑，由于重力作用制動齒輪7轉動帶動裝置在繩索上運動，當與前方逃生人員距離太小時人為拉下拉繩171通過杠桿14作用使羊角卡針10被頂起與齒輪的卡槽咬合，齒輪停止轉動，制動齒輪7邊緣鋸齒與封裝頂蓋中的摩擦片1聯合作用迫使裝置停止于繩索上，保證與前方逃生人員的安全距離，當距離合適時拉下拉繩171，這時停止的齒輪由于杠桿15與圓盤上圓柱凸起作用從而迫使齒輪受力反向轉動并與羊角卡針失去咬合，羊角卡針失去咬合之后受重力作用回到杠桿17的初始位置，逃生人員在逃生時重復上述操作就可以自行控制與前方逃生人員的間距。

電磁阻尼器的優勢及工作原理：電磁阻尼器具有結構簡單，能夠提供穩定的摩擦力以及制動力，減震效果優異，產業完善，產品成熟等特點，目前在工業中的應用非常廣泛[7]。按照電磁阻尼產生原因的差異，可分為被動式和主動式。

被動式電磁阻尼器顧名思義，其阻尼是被動產生的，阻尼的大小由電機的勵磁電壓大小控制，根據實際需求調節電壓大小，其調節過程具有實時性的特點。本文闡述的設計即采用了一種新型的被動式電磁阻尼器，其具備了被動式阻尼器的基本特性，采用的是類似于電磁軸承的結構，但沒有閉環控制，出于安全考慮，采用了直流供電。與被動式電磁阻尼器不同，主動式電磁阻尼器的阻尼是主動產生的，且增加了有傳感器的閉環反饋，利用位移傳感器測量轉軸的振動并轉化為電信號，再將該電信號傳輸到控制器進行分析處理，得到相應的數字信號輸出并產生相應的反饋信號（磁阻尼）使轉子回到軸線中心位置，最終形成完整的閉環反饋控制系統。主動式電磁阻尼器用來產生阻尼力主要是沿速度方向電磁力的分力，且與速度呈線性相關，電磁阻尼器通過改變轉子系統的剛度，從而抑制振動[8]。

根據電磁感應現象及楞次定律可知：當導體在磁場中做切割磁感線運動時，會產生感應電動勢，外電路閉合時會在閉合回路中產生感應電流，同時磁場將對感應電流安培力形成與原來轉動方向相反的力偶矩，對磁場中做切割磁感線運動的導體起阻尼作用。逃生時，在重力作用下，逃生者會做加速度不斷變化的加速運動，因此繞組受到的安培力也會增大，理想狀況下，當重力和安培力達到平衡時，逃生者則可以實現勻速緩降。

電磁作用力即安培力產生的原理：安培力的實質是定向移動的電荷所受洛倫茲力的合力，如圖3所示。圖中：N-S為固定的磁場，閉合線圈以垂直于紙面的速度v向里運動，R為線圈的電阻。閉合導體與磁極發生相對運動時，由于閉合導體穿透磁通量的變化，閉合導體會產生感生電動勢，通過右手定則可以確定電動勢的方向。再通過左手定則可以判定出電磁力的方向是否阻礙線圈與磁場的相對運動，其中安培力始終作負功，因此兩者之間會產生電磁阻尼，從而對導體進行制動[9]。

圖3 安培力產生原理

該裝置電氣部分的運行原理：該設備采用被動式電磁阻尼器，當“V”形齒輪在阻尼器下轉動時，兩磁極交錯構成的阻尼器就會產生穿過金屬盤的磁感線，“V”形輪切割磁場產生電流，金屬制的“V”形輪產生的電流使其受到反向的安培力，當距離磁場越近，產生的磁感應強度越強，安培力越大，反向的安培力再加上軸承的滾動摩擦力由F合=f動+F安=ma可知合力越大，加速度越大，速度減小得越快；金屬盤的轉速越快，切割金屬盤的磁感線數量就越多，磁通的變化越大，產生的安培力就越大，制動力也越大[10]。“V”形輪如圖4所示。

圖4 “V”形輪示意圖

3 逃生系統模型分析及仿真

3.1 “V”形輪力學方程

“V”形輪受力如圖5所示，功率Pc=KAP，額定功率P=Fv，于該系統F＝G－fm-Fz，其中Fz為制動力，可得“V”形輪軸向受力：

圖5 繩在槽中受力

式中m為鋼絲繩的線質量，v為下降速度，由于“V”形輪角度小于180°，包角修正系數Ka取1。

上式中，r為“V”形輪半徑，“V”形輪的V形角為 θ，fv為當量摩擦系數包角 α 為180°、μ1為繩與“V”形輪的摩擦系數。

可得施加在逃生器上輸入的力為：

其中，重力加速度g為9.8m/s2，上包裹摩擦片和繩的摩擦系數為 μ2，摩擦力為f=μ2F離心力[11]。

3.2 “V”形輪MATLAB仿真

在逃生器運行過程中，“V”形槽與繩的摩擦和咬合程度直接影響逃生過程的安全性和穩定性，當“V”形槽夾角θ過小時，過小的夾角容易卡牢鋼絲繩；當“V”形槽夾角θ過大時，鋼絲繩與“V”形輪接觸面積過小易造成脫軌。

使用MATLAB軟件對“V”形槽的夾角θ選取進行優化分析，仿真結果如圖6所示。為保證安全進行保守設計，取鋼絲繩與鋼的摩擦系數u為最小值0.1，由于摩擦力與人體重力成正比例關系，設比例系數為K。

圖6 K與θ關系圖

在MATLAB命令窗口中輸入：

syms x;

f=9.8*（1-0.2*sin（x/2））;

fplo（tf，[pi/12，pi]）;

xlabe（l′θ′）;

ylabe（l′K′）;

title（′Kθplot′）;

從圖6可以看出，夾角θ對K值是一個遞減函數曲線，在實際的設計中，為了保證較高的摩擦力、滿足線性化的要求，同時確保鋼絲繩順利通過，夾角取中間值，經過試驗分析夾角取1.4。優化后可以得到力學方程：

f=9.8*G人*x*（1-0.2*sin（0.7））。

在MATLAB命令窗口中輸入：

syms x;

f=9.8*x*（1-0.2*sin（0.7））;

fplo（tf，[10，100]）;

xlabe（l′f′）;

ylabe（l′G′）;

得到摩擦力與重量變化的曲線如圖7所示。

圖7 摩擦力與重力變化曲線

4 結論

通過對目前高樓火災逃生器現狀的分析，作者設計了一種便攜式降落逃生器，并概括了該逃生器的結構組成及工作原理，基于電磁感應現象及楞次定律，以機電一體化逃生器為研究對象，采用摩擦減速制動和被動式電磁阻尼輔助緩速的方法，從而達到勻速緩降的效果，并對“V”形輪及繩進行了力學分析，建立了“V”形輪的運動學和力學方程。該逃生器具有較強的逃生功能，可以很好地解決速度慢、自適應差的問題，使用十分簡便，存放十分便攜，對高樓逃生具有很好的效果。