一種液壓阻尼式高樓逃生裝置的設(shè)計(jì)

蘭杰，許穎

（湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 宜昌 443003）

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，住進(jìn)高樓大廈的人越來(lái)越多。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電梯停運(yùn)、樓宇通道充滿(mǎn)煙霧和有毒氣體，處在高樓之中的受困人員，只有通過(guò)自救才能得以生存［1］。出于對(duì)自身安全的考慮，人們對(duì)高樓逃生裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)也越來(lái)越關(guān)注。近幾年國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)及個(gè)人對(duì)高樓逃生裝置進(jìn)行了研究改進(jìn)，有機(jī)械控制［2-3］的，也有磁阻尼控制的［4］，種類(lèi)繁多。但這些逃生裝置有些逃生距離短，無(wú)法用于高樓逃生；有些是一次性逃生使用，遇到多人逃生時(shí)，則需重新纏繩，操作不便。

為此本文設(shè)計(jì)了一種采用液體阻尼［5］的緩降器，使用時(shí)將其架在欄桿上即可向外逃生，操作十分方便。緩降器帶有兩個(gè)繞繩輪，鋼絲繩在繞繩輪上卷繞的方向相反，使用時(shí)自動(dòng)纏繩，可供多人反復(fù)逃生使用，適合于個(gè)人、家庭以及消防隊(duì)等救援人員的安全撤離。

2 液壓阻尼式高樓逃生器的結(jié)構(gòu)、原理及關(guān)鍵件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)組成

逃生器由減速的液壓阻尼缸、雙繞繩輪、連桿、支架、滑輪、壓線板、鋼絲繩等零件組成。雙繞繩輪固定在兩支架的中間，液壓缸固定在支架的兩側(cè)，利用Pro/E［6］軟件建立逃生裝置的三維幾何模型，如圖1 所示。

2.2 工作原理

如圖2 所示，使用時(shí)，纏繞在繞繩輪1 上的鋼絲繩兩端分別連接于逃生人員所穿的救生衣和繞繩輪上，在逃生人員自身體重的驅(qū)動(dòng)下，做垂直向下的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使繞繩輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)轉(zhuǎn)軸2、連桿3 帶動(dòng)活塞桿4在液壓缸5內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以此使液壓缸內(nèi)的油在小孔6中流動(dòng)從而產(chǎn)生阻力，降低了逃生人員的下降速度。

圖1 逃生裝置基本結(jié)構(gòu)

圖2 液壓阻尼減速機(jī)構(gòu)分析圖

逃生裝置上備有兩個(gè)繞繩輪分別卷繞兩組鋼絲繩，卷繞方向相反，以此可以滿(mǎn)足多人多次往復(fù)逃生的目的。

2.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

液體阻尼逃生緩降器的工作原理，是將逃生人員在高樓上的勢(shì)能，逐步轉(zhuǎn)化成流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，讓其在液壓缸活塞桿小孔兩側(cè)來(lái)回高速運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化成熱能損失掉。

剛開(kāi)始下降時(shí)，下降速度小，液壓缸產(chǎn)生阻尼也小，勢(shì)能主要轉(zhuǎn)化為下降的動(dòng)能，并有一部分能量在液壓缸內(nèi)損失掉。根據(jù)能量守恒定律：

式中：EP-處于一定樓層高度的人體勢(shì)能；EK-人體下降過(guò)程的動(dòng)能；EH-液壓缸內(nèi)阻尼液高速流動(dòng)能量損失；m-人體質(zhì)量；V1-逃生下降速度。

當(dāng)下降速度達(dá)到平衡時(shí)，下降運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能基本不變，則EP=EH，人體下降由勢(shì)能轉(zhuǎn)化出的能量，需要在液壓缸內(nèi)全部消耗掉，以達(dá)到平衡下降速度的目的。

2.3.1 單液壓缸阻尼液流動(dòng)能量損失分析

如圖2 所示，逃生人員以V1速度下降，帶動(dòng)繞繩輪旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)轉(zhuǎn)軸、連桿帶動(dòng)活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)推導(dǎo)，得活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的瞬間速度V4：

式中，L1-轉(zhuǎn)軸2 長(zhǎng)度；L2-連桿3 長(zhǎng)度；D-鋼絲繩在卷筒上纏繞的直徑；α-轉(zhuǎn)軸2 與水平軸間的夾角。

活塞桿的運(yùn)動(dòng)，致使液壓缸一側(cè)阻尼液被迫經(jīng)小孔向另一側(cè)流動(dòng)。經(jīng)推導(dǎo)，小孔內(nèi)阻尼液流速V5：

式中：Dg-液壓缸內(nèi)徑；d0-活塞桿上小孔直徑。

流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量損失主要包括流體在小孔內(nèi)流動(dòng)的沿程阻力損失，以及阻尼液從小孔流出后，流道直徑突然擴(kuò)大產(chǎn)生的水頭損失。在小孔前流道直徑突然縮小，流體在順壓強(qiáng)梯度下流動(dòng)，在收縮部分不發(fā)生明顯的阻力損失，可忽略不計(jì)。經(jīng)推導(dǎo)，單缸總能量損失hZ：

式中：s-活塞桿小孔處的厚度，即阻尼液在小孔中流的長(zhǎng)度；v-液壓缸阻尼液運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，取v=0.355cm2/s；

逃生裝置各參數(shù)取值如表1 所示。

表1 逃生器各零件尺寸參數(shù) /mm

由式（4）可知，單缸提供阻尼總能量hZ與活塞桿小孔直徑d0、逃生下降速度V1、以及轉(zhuǎn)軸與水平軸的夾角α 有關(guān)。阻尼總能量hZ隨夾角α的轉(zhuǎn)動(dòng)不停地改變。當(dāng)逃生下降速度V1取某一定值時(shí)，小孔d0越小，液壓缸內(nèi)阻尼液流動(dòng)產(chǎn)生的能量損失振幅越大。本設(shè)計(jì)通過(guò)活塞上小孔直徑來(lái)調(diào)節(jié)活塞運(yùn)動(dòng)阻力大小。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，小孔開(kāi)設(shè)的直徑定為5.3mm。當(dāng)體重較大的人下降逃生時(shí)，由勢(shì)能轉(zhuǎn)化出的能量增加，下降速度V1加快。通過(guò)Mathcad 繪制曲線分析，V1增大，阻尼液流動(dòng)產(chǎn)生的能量損失圖形振幅加大，阻尼增強(qiáng)，最終平衡由勢(shì)能轉(zhuǎn)化出的能量，使下降速度保持穩(wěn)定。

2.3.2 緩降器液壓缸數(shù)量的確定

從Mathcad 繪制的單缸阻尼總能量與夾角α 曲線圖可以看出，緩降器如使用單缸進(jìn)行阻尼減速，液壓缸內(nèi)能量損失總處于一個(gè)變化狀態(tài)，致使逃生人員的下降速度時(shí)快時(shí)慢從而無(wú)法均速下降。如采用多缸交替提供減速阻力，可使減速阻力趨于平穩(wěn)。

圖3 四液壓缸阻尼液流動(dòng)能量損失疊加分析圖

根據(jù)緩降器的結(jié)構(gòu)及安裝液壓缸的位置，較適合于安裝兩缸或四缸聯(lián)合工作。四缸聯(lián)合工作，各缸起始夾角分別為0、π/2、π、3π/2，其能量損失曲線及疊加后的總能量損失曲線如圖3 所示。由圖3 可知，四缸總能量損失大，約為單缸能量損失最大值的2倍，且上下波動(dòng)不大，能夠?yàn)榫徑灯魈峁┹^平穩(wěn)的緩降阻力。相比之下，兩缸聯(lián)合工作疊加后的總能量損失曲線起伏較大，穩(wěn)定下降速度的效果較差。經(jīng)對(duì)比分析，緩降器采用四缸聯(lián)合工作。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)研究

我們將試制的逃生器放置在教學(xué)樓的4 樓（11m），分別用40kg、50kg、60kg、70kg、80kg 重物做實(shí)驗(yàn)。根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，重物質(zhì)量越大，下降速度越快。40kg 小孩逃生時(shí)，下降速度相對(duì)較低，為0.74m/s。80kg 體重的成年人逃生，下降速度為1.49m/s，基本合理。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，逃生器已完成了樣機(jī)的加工制造及重物和真人逃生試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，該逃生裝置能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的基本要求。同時(shí)，該逃生器具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些不足，需要在后續(xù)的工作中逐步完善。

［1］張昊，等.建筑火災(zāi)逃生新方法-室外應(yīng)急疏散［J］.建筑科學(xué)，2008，24（1）：50-52.

［2］顏兵兵，等.一種機(jī)械式高樓逃生裝置設(shè)計(jì)方法研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011/12.

［3］王智明，等.MSC.SimDesigner的救生絞車(chē)仿真研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（1）：97-100.

［4］張蕊華，等.一種高樓救生器的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（12）：24-25.

［5］曹紅奎.基于高阻尼液體的高樓逃生器的設(shè)計(jì)［J］.商品與質(zhì)量，2010（6）：174.