新型高空救援逃生裝置的研制

王占輝

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350）

Research and Exploration | 研究與探索·探討與創(chuàng)新

新型高空救援逃生裝置的研制

王占輝

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350）

為實(shí)現(xiàn)緊急情況下的高空逃生，研制出一種新型高空救援逃生裝置，該裝置采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用簡(jiǎn)單易懂的操作方式，通過(guò)杠桿原理為不同體重的人提供相應(yīng)大小的摩擦阻力，裝置不需要進(jìn)行預(yù)先的設(shè)置，同時(shí)，該裝置具有單向自鎖功能，不僅能夠滿足緊急現(xiàn)場(chǎng)逃生還能夠滿足從地面到高空的現(xiàn)場(chǎng)救援。

高空救援；高空逃生；杠桿

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)對(duì)高空逃生主要還是依靠消防官兵救援，對(duì)于自救式的逃生設(shè)備應(yīng)用缺乏，因此設(shè)計(jì)一種可靠高效且操作簡(jiǎn)便的逃生設(shè)備是非常有必要的。現(xiàn)有資料顯示，高空救援類的設(shè)備主要是通過(guò)離心、液壓、彈簧等產(chǎn)生阻尼進(jìn)行緩降，設(shè)計(jì)的原理各有差異，但往往需要進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)不同體重的人，產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦阻力。本文所述的新型高空救援逃生裝置，區(qū)別于現(xiàn)有逃生機(jī)構(gòu)，采用杠桿原理，具有自適應(yīng)性，可以為不同體重的逃生者提供相應(yīng)大小的摩擦阻力，保證逃生者安全到達(dá)地面。在逃生過(guò)程中不需要進(jìn)行繁瑣的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單快速的目標(biāo)，與同類產(chǎn)品相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，小巧便攜，且具有單向自鎖特征。

1 工作原理

裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要通過(guò)調(diào)節(jié)杠桿的支點(diǎn)產(chǎn)生不同的壓緊力來(lái)控制鋼絲繩與摩擦瓦的摩擦力大小從而保證安全下落。利用杠桿原理，將人自身的重力作用于杠桿一端，在另一端給鋼絲繩產(chǎn)生相應(yīng)的壓緊力，這個(gè)壓緊力使摩擦片與鋼絲繩產(chǎn)生一定的摩擦力從而平衡人的自重，基本實(shí)現(xiàn)勻速下降。再調(diào)節(jié)摩擦力，使之大于重力，就可減速下將。

2 主要功能及應(yīng)用場(chǎng)合

（1）主要功能。本裝置的主要功能有下降功能和上升功能。①下降功能：在逃生時(shí)，人通過(guò)安全帶與該裝置固定，由鋼絲繩固定端經(jīng)鋼絲繩傳力到杠桿上，支點(diǎn)右端為動(dòng)力臂，左端為阻力臂，在摩擦阻力的作用下進(jìn)行逃生。②上升功能：當(dāng)拉動(dòng)鋼絲繩自由端時(shí)，杠桿動(dòng)力臂與阻力臂互換，壓緊輪對(duì)鋼絲繩沒(méi)有壓緊力，具有單向自鎖功能，可實(shí)現(xiàn)間歇安全提升。

圖1 新型高空救援逃生裝置原理圖

（2）應(yīng)用場(chǎng)合。本裝置的主要應(yīng)用場(chǎng)合有火災(zāi)等災(zāi)難場(chǎng)所的高空逃生、井下救援、高空作業(yè)等。針對(duì)不同的救援需求，本裝置可采用差異安裝來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。①自救。本裝置在自救逃生時(shí)，一般情況下采用直接掛鉤式安裝，若體重過(guò)大，可采用加裝定滑輪的方式來(lái)減少裝置內(nèi)零件的受力保證安全。②救援。當(dāng)被困人員無(wú)法進(jìn)行自我逃生時(shí)，該裝置可將地面人員抬升至救援現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行救援。此時(shí)，繩子的自由端繞過(guò)定滑輪連接地面電動(dòng)機(jī)，裝置處于地面位置和救援人員固定，電動(dòng)機(jī)將救援人員進(jìn)行抬升。③多人逃生。對(duì)于高層建筑，人數(shù)較多時(shí)，可通過(guò)兩個(gè)定滑輪和兩個(gè)固定點(diǎn)，將兩套救援裝置進(jìn)行組裝，可以實(shí)現(xiàn)多人連續(xù)逃生。

3 理論計(jì)算

（1）運(yùn)動(dòng)計(jì)算。裝置主要通過(guò)摩擦實(shí)現(xiàn)緩降逃生目的，裝置中鋼絲繩與摩擦瓦產(chǎn)生的摩擦力f=μ，當(dāng)摩擦阻力與人的重力相等時(shí)，即f=mg時(shí)，加速度為零，即可實(shí)現(xiàn)勻速下降。轉(zhuǎn)化在機(jī)構(gòu)上即為：重力作用在杠桿右端合力與左端的支撐力與的關(guān)系滿足以下條件：

（其中 F2=FN）。

圖2 杠桿原理

（2）目標(biāo)函數(shù)F2的變化曲線分析。

圖3 杠桿受力圖

圖4 目標(biāo)函數(shù)F2變化曲線分析

由圖4可知F2與X成反比例關(guān)系。為使F2在調(diào)節(jié)過(guò)程中平緩變化選取適當(dāng)?shù)母軛U長(zhǎng)度：L=120mm（絲杠導(dǎo)程為1mm）。F2由F1增加到2 F2，絲桿的調(diào)節(jié)范圍不小于一個(gè)螺距，從而保證了調(diào)節(jié)過(guò)程不至于過(guò)于靈敏。

（3）繩輪設(shè)計(jì)。繩輪是整個(gè)裝置中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，繩輪直徑的大小決定了鋼絲繩的彎折程度，進(jìn)而影響繩輪在使用過(guò)程中的安全性。繩輪的設(shè)計(jì)參考了機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，鋼絲繩直徑為Φ4，選取安全系數(shù)s=4，推薦的繩輪直徑為Φ60。

（4）軸承選取。在絲桿的支撐部位采用軸承連接，已知絲桿前端階梯軸直徑為Φ8，選取深溝球軸承619/8。安裝尺寸：外徑Φ19，B=6mm。機(jī)構(gòu)中其余零件均經(jīng)過(guò)強(qiáng)度校核，均在許用范圍之內(nèi)。

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）原理的創(chuàng)新應(yīng)用。通過(guò)調(diào)節(jié)杠桿動(dòng)力臂和阻力臂的長(zhǎng)短，從而調(diào)節(jié)杠桿對(duì)壓緊輪的正壓力，產(chǎn)生不同的摩擦力，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。因?yàn)槠渲心Σ烈蛩鼗臼莻€(gè)定值（由材料本身性質(zhì)而定），不論體重為多少的人，帶上的緩降器都可以保持初始速度勻速下降。之所以說(shuō)可調(diào)速下降，是指在保證勻速的基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)節(jié)絲桿，就可以實(shí)現(xiàn)減速下降；或者預(yù)先調(diào)至減速檔，下降時(shí)通過(guò)腳蹬墻壁，獲得一定初速度，下降一定高度，實(shí)現(xiàn)間歇減速下降。

（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合創(chuàng)新。本裝置通過(guò)巧妙的組合設(shè)計(jì)成滿足功能的產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)應(yīng)用的機(jī)構(gòu)有：杠桿機(jī)構(gòu)，螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，雙滑塊機(jī)構(gòu)，摩擦制動(dòng)機(jī)構(gòu)。

5 加工制作及試驗(yàn)驗(yàn)證

新型高空救援逃生裝置采用傳統(tǒng)工藝方法，進(jìn)行加工制作，新型高空救援逃生裝置實(shí)物圖如圖5所示。針對(duì)不同重量（30～50kg）的物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其下降速度均在1m/s左右。在今后還可對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)改進(jìn)更加穩(wěn)定的摩擦系統(tǒng)，將裝置設(shè)計(jì)成背包式，使救援更加方便。

圖5 新型高空救援逃生裝置實(shí)物圖

6 結(jié)論

高空救援是當(dāng)今社會(huì)存在的難題，保證逃生者安全逃生是研究的目的，本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高、安全可靠，可以使人方便快捷的沿墻下滑，從而迅速逃離危險(xiǎn)，同時(shí)還可廣泛應(yīng)用于高空作業(yè)、井下救援、火災(zāi)等災(zāi)難場(chǎng)所的高空逃生。

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