新型高樓逃生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

□辛 瑜 □袁 林 □張匯泉

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院）

設(shè)計(jì)背景

隨著城市的發(fā)展，各類安全隱患也在逐漸增多，各種事故的頻發(fā)對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了極大的威脅；特別是火災(zāi)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能否在第一時(shí)間從火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)逃離，就顯得尤為重要了。因此，設(shè)計(jì)一款可以在火災(zāi)中用于逃生的裝置，讓人們?cè)诓恍依в诨鸷r(shí)有逃生的途徑是非常必要的。據(jù)調(diào)查，目前我國(guó)市場(chǎng)上還沒(méi)有專供一般居民使用的火災(zāi)高樓逃生裝置；投入使用的火災(zāi)救援裝置有八字環(huán)、云梯等，都是消防部門專用的；因此，這次設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

一、結(jié)構(gòu)形式與工作原理

（一）結(jié)構(gòu)形式

由于本設(shè)計(jì)是用于火災(zāi)高樓逃生，最好不要用電氣控制，而采用純機(jī)械的機(jī)構(gòu)以提高可靠性。另外，該裝置需使人勻速下降，且要保證下降的速度和重力無(wú)關(guān)。

汽車的剎車機(jī)構(gòu)由兩個(gè)剎車片組成，當(dāng)剎車時(shí)，兩個(gè)剎車片將轉(zhuǎn)輪抱死，在摩擦力的作用下，輪子就不再轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而達(dá)到剎車的目的。因此可以利用剎車裝置作為下降的速度控制裝置，將兩個(gè)剎車片用一根繩子通過(guò)兩組導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與一個(gè)動(dòng)滑輪相連，動(dòng)滑輪中心為重力的施力點(diǎn)。這樣可以通過(guò)設(shè)定摩擦片的摩擦系數(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)使重力與摩擦力，重力相對(duì)于軸心的力矩與摩擦力相對(duì)于軸心的力矩相等，從而達(dá)到勻速下降的目的。但是在進(jìn)行分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這樣的機(jī)構(gòu)受力情況很復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性變差，于是對(duì)相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

（二）工作原理

在進(jìn)行多次改進(jìn)之后，工作原理如圖所示。

工作原理示意圖

此裝置包含下列結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)軸、彈簧、摩擦片、滑輪、繩索、連板、導(dǎo)槽、減速裝置、搖桿。

人的重力通過(guò)兩個(gè)動(dòng)滑輪作用在軸和導(dǎo)桿上，作用在軸上的分力會(huì)帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)軸的旋轉(zhuǎn)使和動(dòng)滑輪相連的繩子變長(zhǎng)，從而使動(dòng)滑輪和人下降，動(dòng)力大小為G/2，對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的力矩為GR/2。繩子另外一端的力作用在軸上面的導(dǎo)桿上，導(dǎo)桿下面通過(guò)一個(gè)彈簧及與彈簧相連的半圓形剎車片與軸相連，當(dāng)重力作用在動(dòng)滑輪上時(shí)，會(huì)有1/2的重力作用在導(dǎo)桿上，導(dǎo)桿會(huì)對(duì)彈簧及剎車片產(chǎn)生相應(yīng)大小的壓力，摩擦片與轉(zhuǎn)軸會(huì)產(chǎn)生摩擦力，作為阻力，它產(chǎn)生的阻力矩為GfR/2。可以通過(guò)選擇有合適的摩擦系數(shù)的摩擦片，使動(dòng)力矩和阻力矩大小相等，從而使轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn)，人可以勻速下降，安全著陸。

下降過(guò)程中，如果覺得下降速度偏慢，可以拉動(dòng)左手邊的繩子，該繩纏繞在軸上，拉動(dòng)該繩，可以起到加速的作用，只要人停止施力，繩子就可以繼續(xù)保持勻速運(yùn)動(dòng)。如果覺得下降速度過(guò)快，可以拉動(dòng)右手邊的繩子，該繩通過(guò)桿件與另一摩擦片相連；當(dāng)繩子上施加有力時(shí)，摩擦片將與轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生摩擦，增大阻力，從而達(dá)到減速的目的；當(dāng)人停止施加外力后，轉(zhuǎn)軸又能勻速旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)人安全逃生后，樓上的人可以通過(guò)盒子外面的搖柄將裝置搖回，進(jìn)而可以被下一名受困人員使用。

二、實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)火災(zāi)突發(fā)時(shí)，如果人無(wú)法通過(guò)樓梯等緊急通道逃生，可以利用此裝置從窗戶或者陽(yáng)臺(tái)等地方勻速降落到地面上從火災(zāi)中逃離。初步設(shè)想可以將該裝置事先固定在幾個(gè)便于逃生的地方，火災(zāi)時(shí)人們可以直接使用。

使用時(shí)，人們應(yīng)首先將盒底打開，將里面的繩索及固定裝置固定在肩部和腰部，然后盡量面部朝上，勻速下降，并且可以通過(guò)繩子控制下降速度，人們可以選擇自己所能接受的速度逃生。

對(duì)于本裝置的可行性，我們?cè)?jīng)去消防部門調(diào)查過(guò)。首先了解了人們?cè)谠庥龌馂?zāi)并且無(wú)法通過(guò)樓梯逃生時(shí)都會(huì)采取哪些措施來(lái)自救。一般來(lái)說(shuō)都有將床單撕開打結(jié)從樓上滑下，我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)裝置可以節(jié)省人們制造逃生繩索的時(shí)間，從而增加生還的幾率。我們的裝置僅僅適用于火災(zāi)前期，因?yàn)槿绻交馂?zāi)后期火勢(shì)太大，無(wú)法通過(guò)這種方式逃生，而且據(jù)消防隊(duì)人員講述，一般救援也是在火災(zāi)前期，火災(zāi)后期人的生還幾率很小。我們也了解到，現(xiàn)在并沒(méi)有老百姓使用的火災(zāi)逃生裝置，如果我們的逃生機(jī)構(gòu)可以做出來(lái)并經(jīng)過(guò)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，最終生產(chǎn)出來(lái)，能讓老百姓用上，一定可以減少很多不必要的傷亡，阻止那一幕幕慘劇的發(fā)生。而且本裝置的材料比較便宜，如果投入使用，成本較低，一般家庭都可以配備。

三、創(chuàng)新點(diǎn)

一是創(chuàng)造性的將剎車機(jī)構(gòu)的原理應(yīng)用到了所設(shè)計(jì)的高空逃生機(jī)構(gòu)之中，讓重力既做動(dòng)力也做阻力，從而達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)勻速逃生的目的。二是通過(guò)增加繩索，實(shí)現(xiàn)加速減速運(yùn)動(dòng)，將此裝置變得更合理。

四、結(jié)束語(yǔ)

該裝置在汽車摩擦片原理的基礎(chǔ)上，利用摩擦片的摩擦阻力，與人的重力平衡，使人能夠勻速下降。通過(guò)模型試驗(yàn)，該裝置能夠可靠的將人緩慢勻速地從高處降到地面，靈活性與穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)的要求。

[1]龐振基,黃其圣.精密機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.