離心式高樓逃生機構的設計分析*

張麗萍，楚焱芳

(南通職業(yè)大學 機械工程學院，江蘇 南通 226007)

0 引 言

隨著城市高層建筑的日益增多，高層建筑火災的發(fā)生頻率也隨之增多，高層建筑火災已成為影響城市安全的一大隱患，所以高樓逃生裝置逐漸成為城市高層住戶必需的設備。

高樓逃生設備目前主要有以下三種形式：①液體阻尼式救生緩降器，它是利用液體流動時的阻尼將負載勢能轉化為熱能以達到緩降，缺點是需要提供液壓壓力源[1]；②摩擦制動式救生緩降器，是一種利用機械摩擦力產(chǎn)生阻力來制動的緩沖裝置，缺點是很難控制摩擦阻力的大小[2]；③電磁阻尼式救生緩降器，是利用電磁感應和磁場對電流產(chǎn)生作用力的方式，利用電子技術實現(xiàn)救生器的自動控制，缺點是人體剛開始時不能使發(fā)電機產(chǎn)生電源供控制系統(tǒng)工作[3]。

因此一種結構小巧、既安全可靠又制造成本低的純機械式逃生裝置正成為高層住戶的首選。文獻[4]介紹的擒縱式高樓逃生機構是一種機械式結構。此文研究的是另一種純機械式結構——離心式高樓逃生裝置，它利用離心調(diào)速機構施加給摩擦盤上的軸向壓力，使摩擦盤產(chǎn)生摩擦阻力矩，使人體以一定的平均速度安全著地。

1 離心式逃生機構的方案設計

圖1所示為離心式逃生機構，卷筒及齒輪1安裝在支架上。鋼絲繩纏繞在卷筒上，人體通過鋼絲繩作下降逃生。

圖1 離心式逃生機構

如圖2所示，卷筒的一端通過棘輪機構與軸1聯(lián)接，卷筒的另一端與齒輪1固聯(lián)，軸1上還安裝有離心調(diào)速機構和齒輪2。軸2上安裝有摩擦盤機構，定摩擦盤通過平鍵與軸2聯(lián)接，可沿軸2作軸向滑動；動摩擦盤與齒輪4固聯(lián)，并通過滾動軸承安裝在軸2上，齒輪4與齒輪2嚙合。軸3上安裝有齒輪2和搖把，齒輪2與卷筒上的齒輪1嚙合。

圖2 離心式逃生裝置展開圖

上述離心式逃生機構的工作順序是：在逃生人員的重力作用下，通過鋼絲繩的牽引，使卷筒和棘輪一起順鐘向轉動，棘輪通過棘爪和棘爪座帶動軸1轉動[5]，軸1上的離心機構作順鐘向轉動。

在重力加速度作用下，人體下降的速度逐漸增大，軸1的轉速也隨著升高，離心機構的飛球因離心力增大而飛向外側，驅(qū)動軸環(huán)向前移動，通過杠桿壓緊彈簧來驅(qū)動兩摩擦盤接合。彈簧將杠桿機構產(chǎn)生的軸向壓力全部傳遞給定摩擦盤，同時還能調(diào)節(jié)杠桿機構產(chǎn)生的軸向位移。定摩擦盤不能轉動，只能作軸向移動。動摩擦盤隨著齒輪3一起轉動。

定摩擦盤和動摩擦盤之間產(chǎn)生摩擦阻力矩，阻止人體下降速度的進一步增大。當摩擦阻力矩通過齒輪4傳遞給齒輪3，在齒輪3上產(chǎn)生趨近于或等于人體重力在卷筒上產(chǎn)生的轉矩時，人體作等速下降。反之，人體下降速度降低，軸1的轉速下降，在彈簧力的反作用下使軸1上的軸環(huán)向放松端方向移動，飛球向內(nèi)側回縮，摩擦盤間的壓力減小，摩擦盤的摩擦阻力矩隨之減小，人體下降的速度隨之又逐漸增大，飛球產(chǎn)生的離心力又重新增大，直至達到新的平衡。

當逃生人員落地后，樓上人員順時針搖動手把，此時棘爪在棘輪上打滑，不能跟隨棘輪一起轉動(如圖3所示)，軸1也不轉動[7-8]。軸3上的齒輪2通過齒輪1驅(qū)動卷筒逆鐘向轉動將鋼繩收回，以供后續(xù)人員逃生。

圖3 棘輪機構圖

2 運動學和動力學分析計算

人體在自身重力作用下，安全落地的速度v為4 m/s，以此速度落地人體不會摔傷。若圈筒的直徑D=0.3 m，圈筒轉速為:

目前許多企業(yè)的會計機構的人員配置和機構設置并不合理，會計人員不足，許多崗位由一名會計兼職，缺乏專業(yè)性。由于企業(yè)的會計機構設置不合理，使得企業(yè)的財務職能發(fā)揮不出其應用的作用，很多企業(yè)停留在企業(yè)的經(jīng)營者對生產(chǎn)情況、財務狀況直接干涉的狀況，會計人員的設置形同虛設。企業(yè)在招聘會計人員的時候要求低，不根據(jù)會計崗位人員規(guī)定招聘的情況屢見不鮮，由企業(yè)經(jīng)營者的親屬、朋友兼任財務和會計的情況很多，降低了企業(yè)會計核算的準確性，不利于企業(yè)的健康發(fā)展。

ω=2πn=26.67 rad/s

離心機構中均布有3個飛球，單個飛球的質(zhì)量m，回轉半徑為(a+lsinα)(如圖4所示)，則3個飛球產(chǎn)生離心力的總和F離為:

圖4 離心機構簡圖

F離=3m(a+lsinα)ω2

(1)

如圖4所示，軸環(huán)可沿軸向滑移，AC桿的桿長為l，B為AC的中點，即BC長為1/2，同理，BD桿長也為1/2。

若在如圖4所示的系統(tǒng)中，若忽略各鉸鏈中摩擦力和桿的質(zhì)量，根據(jù)達朗伯-拉格朗日方程[9]，得:

F離δscosα+F軸環(huán)δz=0

(2)

飛球A的虛位移可由AC桿在相對平衡位置轉過一微小角度δs得到，即:

δs=lδα

(3)

δs的方向垂直于AC。

如圖4所示，CD的長度z=lcosα，則有:

δz=-lsinαδα

(4)

將式(3)和式(4)代入式(2)，得:

3m(a+lsinα)ω2lcosαδα-F軸環(huán)lsinαδα=0

化簡后得:

(5)

如圖4所示，軸環(huán)鉸鏈距固定鉸鏈的桿為l1，摩擦盤鉸鏈距固定鉸鏈的桿為l2，且l1/l2=3，故作用在摩擦盤上的壓力F壓為：

T1=fF壓RF=0.051F軸環(huán)

(6)

齒輪4在嚙合點處的圓周力Ft4為：

(7)

在軸1上，圈筒的纏繞直徑為D，人體重力為W，則人體重力產(chǎn)生的轉矩T2為：

齒輪3在嚙合點處的圓周力Ft3為：

(8)

齒輪3與齒輪4是相互嚙合的一對齒輪，其傳遞的圓周力相等，故Ft3=Ft4，得：

(9)

由式(5)、式(9)整理，得：

(10)

在該機構參數(shù)設計中，若R3/R4=2，D=0.3 m，α=45°，a=0.11 m，l=0.3 m，m=2 kg，逃生人員的質(zhì)量可達92 kg。若人體質(zhì)量大于92 kg，會導致ω、α和F軸環(huán)的進一步增大，從而使摩擦盤的摩擦阻力矩增大，直至在齒輪3上的阻力矩與人體重力在卷筒上產(chǎn)生的轉矩達到平衡，從而使人體作等速下降。

3 結 語

離心式逃生機構是一種結構小巧、既安全可靠又制造成本低的機械裝置。該裝置創(chuàng)新地引用了離心調(diào)速機構和摩擦盤。利用離心調(diào)速機構產(chǎn)生對摩擦盤的軸向驅(qū)動力，通過杠桿機構放大軸向驅(qū)動力，運用壓縮彈簧調(diào)節(jié)位移并傳遞軸向驅(qū)動力給定摩擦盤，促使兩摩擦盤間產(chǎn)生摩擦阻力矩，阻止人體的快速下落。對該機構進行了運動學和動力學分析計算，完成了離心式高樓逃生裝置的參數(shù)設計和結構設計，使人體以某一平均速度下降，保證人體安全著地。