一種多層卷繞式緩降器設(shè)計＊

陶俊龍，倪嘉偉，方昕宇，肖紅升

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一種多層卷繞式緩降器設(shè)計＊

陶俊龍，倪嘉偉，方昕宇，肖紅升

（南通職業(yè)大學 機械工程學院，江蘇 南通 226007）

針對現(xiàn)有緩降器的一些缺陷，設(shè)計了一款多層卷繞式的摩擦阻尼型緩降器，通過卷繞機構(gòu)、離心制動機構(gòu)等適時調(diào)整重物下降速度的大小，達到變速緩降的目的。對緩降過程進行了分析和計算，以保證設(shè)計的可靠性和安全性。結(jié)果表明，該設(shè)計切實可行，結(jié)構(gòu)簡單，逃生效率高，具有較好的應用價值。

摩擦阻尼；多層卷繞；變速緩降；高樓逃生

1 引言

隨著城市化進程不斷加快，高層建筑已成為城市建設(shè)的主流，其內(nèi)部各種豎向管道就像一座座高聳的煙囪，一旦發(fā)生火災，蔓延速度快，破壞性極大，因此高樓遇險時被困人員的救護問題越來越受到人們的重視[1]。高層逃生緩降器作為一種輔助自救器材，與其他同類器材相比，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、疏散速度快，為高樓逃生提供了新的途徑，成為了學校、醫(yī)院、商場等高層公共場所必備的自救和逃生器材。目前，國內(nèi)外研究的緩降器類型主要包括機械電動式、摩擦阻尼式、液壓阻尼式、擒縱式、螺桿式以及滾筒式等。各種類型的緩降器各具特點，得到了廣泛的應用，但由于其自身結(jié)構(gòu)的原因，存在電源無法保證、結(jié)構(gòu)復雜、使用不便、成本高等問題[2-3]?，F(xiàn)有緩降器大多采用勻速緩降的方式，其緩降速度的大小由被困人員的重量決定[4]。當緩降速度較慢時，起不到快速脫離險情的效果。且由于設(shè)計、制造等方面的原因，多頻次使用時易出現(xiàn)鋼絲繩與繩輪之間的打滑現(xiàn)象[5]，存在安全風險。本文研究的純機械式摩擦阻尼型緩降器結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠，依靠逃生者自重驅(qū)動，采用多層卷繞的纏繞方式，克服了緩降高度的限制，且無需人為控制，在保證安全的前提下，提高了逃生的效率。

2 工作原理分析

眾所周知，設(shè)計高樓逃生器的主要目的是確保逃生者能在較短的時間內(nèi)，以較小的速度到達地面，因此設(shè)計純機械式緩降器的關(guān)鍵在于如何利用合適的力學原理以及機械結(jié)構(gòu)，將逃生者下降時的自身重量轉(zhuǎn)化為足夠的運動阻力，使其在安全速度范圍內(nèi)下降到地面[6]。

本設(shè)計以逃生者的自身重量為動力，使用時將主體部分與墻體或室內(nèi)固定物相連接，鋼絲繩自由端的安全扣與安全背帶或救生衣相連，逃生者穿上救生衣翻越窗戶，握住繩索緩降逃生。逃生者自重驅(qū)動纏繞軸做旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)動的纏繞軸帶動離心制動機構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)。離心制動塊在離心力作用下壓緊固定不動環(huán)形剎車擋圈，產(chǎn)生摩擦阻力，從而使逃生者不做無阻力的自由落體運動。本設(shè)計采用如圖1所示的同軸式結(jié)構(gòu)方案，未采用復雜的增速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便，零件較少，易于保證零件的機械性能。

1—左裝置體；2—連接螺釘；3—連接桿；4—安全繩卷；5—右裝置體；6—卷繞軸；7—離心制動塊；8—限位塊；9—限位鋼片；10—環(huán)形剎車擋圈；11—安全扣。

3 緩降器設(shè)計思路

3.1 安全繩的選擇與計算

該緩降器的安全繩采用直徑為3 mm的純裸航空鋼絲繩。多層卷繞時鋼絲繩應在纏繞軸上排列整齊，避免嵌索與亂繩，并能順利引導下一層鋼絲繩整齊地排列在前一層的鋼絲繩形成的繩槽之間。因此，本設(shè)計中纏繞軸采用組合式結(jié)構(gòu)，纏繞軸表面設(shè)置有帶Lebus槽的塑料殼體以及相應的凸緣，滿足上述要求的同時，能有效減少鋼絲繩的磨損，延長鋼絲繩的使用壽命。

我國住宅樓大部分都不超過33層，高度大概為100 m，因此設(shè)定緩降器最大緩降高度為100 m。纏繞軸左右凸緣之間的距離為158 mm，每層可纏繞50圈，則第層纏繞鋼絲繩的長度為：

i=2π［0+（2－1）·1］×50. （1）

式（1）中：0為纏繞軸半徑；1為鋼絲繩半徑。

假設(shè)鋼絲繩纏繞總層數(shù)為，則總長度為：

當n=100 m時，解得纏繞總層數(shù)為12層，繩卷最大半徑為47.5 mm，以此為依據(jù)設(shè)計緩降器的結(jié)構(gòu)尺寸。

3.2 離心制動系統(tǒng)設(shè)計

離心制動系統(tǒng)是緩降器的核心部分，緩降器能否滿足工作要求關(guān)鍵在于離心制動系統(tǒng)在能否提供足夠的摩擦阻力矩與逃生者自重對卷軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相抵消，且降落到地面時速度在安全范圍內(nèi)。本裝置采用閘塊式離心制動機構(gòu)，如圖2所示。同組構(gòu)件中的離心制動塊采用對稱的扇形結(jié)構(gòu)，高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生對稱的摩擦阻力，從而構(gòu)成摩擦阻力矩。左右兩側(cè)的離心制動機構(gòu)結(jié)構(gòu)完全相同，共同阻礙人和重物下降運動。為提高摩擦系數(shù)，本設(shè)計中制動塊與環(huán)形剎車擋圈之間摩擦部分設(shè)計為“石棉-鋼”摩擦副，制動塊外圓面設(shè)置石棉摩擦片，擋圈材料為45鋼，兩者之間的摩擦系數(shù)約為0.35.

1—離心制動塊；2—螺釘；3—限位鋼片； 4—限位塊；5—環(huán)形剎車擋圈。

4 緩降速度分析

該緩降器的繩索采用多層卷繞的纏繞方式，隨著降落體下降高度增加，繩索直徑逐步減小。而逃生者自重不變，因此負載對卷軸的轉(zhuǎn)矩隨著繩索卷徑的減小而減小。繩索變層后系統(tǒng)再次平衡時，摩擦阻力矩隨著負載轉(zhuǎn)矩的減小而減小，纏繞軸轉(zhuǎn)速降低，逃生者下降速度減小。即繩索層數(shù)減少時，逃生者下降速度會隨之減小。因此，逃生者下降全過程是：開始時先做一段加速運動，然后做逐級遞減的變速緩降運動，最終以安全速度降落到地面。系統(tǒng)受力分析如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)受力分析簡圖

基于以上分析，參考緩降器結(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)的受力分析簡圖。繩索每次變層后，系統(tǒng)很快再次平衡，平衡方程為：

T=f+f. （2）

式（2）中：T為人、重物對卷軸的轉(zhuǎn)矩；f、f為兩側(cè)離心制動機構(gòu)對卷軸的摩擦阻力矩。

代入相關(guān)參數(shù)后得：

式（3）中：1為人、重物的質(zhì)量；為繩索半徑；2為制動塊的質(zhì)量；2為制動組件半徑。

由式（3）可以看出，緩降時的速度除了與緩降器的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與人或重物的質(zhì)量有關(guān)。因此，根據(jù)實際情況選取重物、成人、兒童的質(zhì)量分別為150 kg、70 kg、30 kg進行計算，計算結(jié)果如表1所示，其中50為下降50 m時的速度。到達地面的速度均在安全范圍內(nèi)，現(xiàn)有緩降器以0.8～1 m/s的恒速下降，與現(xiàn)有緩降器相比，節(jié)省了逃生所用的時間。

表1 不同質(zhì)量的人、重物緩降計算結(jié)果

緩降物150 kg的重物70 kg的成人30 kg的兒童 v50/（m/s）3.242.221.45 著地速度/（m/s）0.880.600.40 緩降用時/s37.3354.5683.07

當緩降器結(jié)構(gòu)確定后，重物最終降落到地面的速度還與著地時繩卷的半徑有關(guān)。采用同一長度的鋼絲繩從不同高度緩降，最終著地的速度存在差異。由表1可知，繩長100 m時，人和重物下降50 m時的速度50均在人體可承受的范圍內(nèi)，相當于在0.5 m以內(nèi)的高度自由降落到地面的速度。因此50～100 m高度可采用100 m長鋼絲繩逃生，50 m以下的高度可使用50 m長繩。選取150 kg的重物作為緩降對象，經(jīng)計算從50 m高度下降到地面時的速度是0.88 m/s，從4 m高度下降到地面時的速度是3.24 m/s，均在可承受的范圍內(nèi)。如果緩降對象是重量相對較輕的成人和兒童，則著地時速度更小，因此4～50 m高度可使用50 m長鋼絲繩。

綜上所述，本設(shè)計采用兩種繩長方案，如果樓層高度視作3 m，則樓層為17～33層時采用長為100 m的繩，樓層為3～16層時采用長為50 m的繩，3層以下不可使用，1～2層逃生方法很多，無需使用緩降裝置。

5 結(jié)束語

采用純機械式結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款多層卷繞式的摩擦阻尼型緩降器，依靠重物自重驅(qū)動，適時調(diào)整重物下降速度，達到快速、安全緩降的效果。針對不同的樓層給出了不同的繩長方案，確保使用時安全可靠。分析及計算表明，該設(shè)計切實可行，結(jié)構(gòu)簡單，逃生效率高，具有較好的實際推廣價值。本設(shè)計已授權(quán)實用新型專利ZL201820449395.7。

［1］姚燕生，朱達榮，吳振坤.高層建筑火災緩降逃生設(shè)備綜述［J］.安徽建筑大學學報（自然科學版），2013，21（4）：41-45.

［2］張文斌.擒縱式緩降器的設(shè)計及仿真［D］.銀川：寧夏大學，2017.

［3］韋建軍.離心摩擦式高樓逃生緩降器的研發(fā)［J］.制造業(yè)自動化，2012，34（4）：90-92.

［4］韓玉勇，劉云輝，李自國.基于動力學理論分析與仿真的救生緩降器設(shè)計［J］.消防科學與技術(shù)，2015，34（10）：1380-1386.

［5］張蕊華，陳海初，劉述亮.一種高樓救生器的設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2011（12）：24-25.

［6］王燦，許本勝.高樓逃生緩降器的設(shè)計分析［J］.科技信息，2011（18）：526-527.繩的使用壽命。

2095－6835（2018）24－0115－02

TH12

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.115

陶俊龍（1988—），男，江蘇南通人，碩士，工程師，研究方向為機械設(shè)計。

肖紅升（1969—），男，江蘇南通人，研究員級高級工程師，研究方向為機構(gòu)學、機械制造和太陽能熱利用。

2017年江蘇省高等教育教改研究課題（編號：2017JSJG296）；2018年江蘇省大學生創(chuàng)新訓練項目（編號：1601026071）

〔編輯：嚴麗琴〕