基于擒纵原理的高楼循环逃生器设计

张占国

(北华大学机械工程学院，吉林吉林 132021)

基于擒纵原理的高楼循环逃生器设计

张占国

(北华大学机械工程学院，吉林吉林 132021)

利用擒纵原理设计间歇冲击式高楼逃生器。该逃生器的传动系统采用独特设计的钢丝绳防滑机构和三星轮换向机构:钢丝绳防滑机构有效增加了钢丝绳与卷筒间的摩擦力，避免了钢丝绳在卷筒上打滑;三星轮换向机构实现了逃生器的循环利用，提高了救援效率。控制系统完成了擒纵轮的锁定、开启、转动的周期性运动节拍，从而实现了主运动链的间歇运动，使得逃生人员在逃生器中间歇下降。

高楼逃生器;间歇冲击式;擒纵原理

高层建筑满足了人们居住、办公的需要，解决了土地资源紧缺的矛盾。随着建筑高度的增加和楼群的日趋密集，建筑的安全隐患也越来越多。当火灾、爆炸、地震等突发性灾难发生时，如何使受困于高楼的人员安全、快速地逃离险境已成为社会普遍关注的一个问题。受时间、空间等诸多因素的限制，机动性差的救援云梯车、救援直升飞机等大型救援设备很难发挥其理想的作用。为了实现安全自救、最大限度地降低伤亡，人们积极开展多元化的救援逃生技术的研究和应用，发明了各种各样的逃生器。目前国内外已有的高楼逃生器主要有4种类型:

(1)包角加手控式［1］。该类逃生器通过增加钢丝绳与卷筒之间包角，以增大摩擦力的方式限制下降速度。它存在设计中因包角过大而自锁、包角过小而快速下滑等不安全的问题，并且在控制上也不易实现。

(2)离心摩擦式［2－3］。重力带动卷筒轴转动，使得卷筒轴上的活动块由于离心力作用产生正压力，摩擦片与外壳产生摩擦力。在下降速度达到一定值时，摩擦力矩与人体重力矩平衡，钢丝绳匀速下降。由于其摩擦力的大小由离心块的离心力大小和摩擦状况决定，所以很难维持匀速下降，且受摩擦热及摩擦磨损的影响很难保持恒定的摩擦因数。

(3)间歇冲击式。通过间歇撞击能来消耗能量［4］，如利用钟表中的擒纵机构工作原理来消耗人体下落时所产生的能量。它要求主动件与从动件之间压力角和摩擦力尽量大，但不能自锁。

(4)液体流动阻尼式。利用液体流动阻尼把人体势能转化成液体热能，以达到降低速度的目的。其主要特点是由于液体阻尼的大小取决于外载，所以不论人体质量的大小均能以比较恒定的速度下降。但现有的此类高楼逃生器结构庞大、使用不方便［5］。

1 逃生器系统方案设计

作者在调查、研究国内外常见逃生器的基础上，提出了一种老少皆宜的高楼逃生器的总体设计方案。该装置采用纯机械结构，机械系统由传动系统和控制系统组成。

1.1 传动系统

如图1所示，当逃生人员利用左侧钢丝绳1下降时，以人体重力G为驱动力，带动卷筒2顺时针转动。在左侧钢丝绳防滑机构 (左摆架3、V形滚压轮架4、滚压轮5和带槽滚轮6)作用下，使得钢丝绳在卷筒上无相对滑动。齿轮11和卷筒用普通平键连接在Ⅰ轴上，卷筒带动齿轮11顺时针旋转。

图1 传动系统运动方案简图

齿轮11、齿轮架12(安装在轴Ⅰ上并可绕其相对转动)和安装在齿轮架上的齿轮13、14组成三星轮换向机构。当重物挂在钢丝绳左端时，换向机构应调整为图1所示的位置。主动轮11顺时针方向转动，从动轮15与轮11的转向相同，也沿着顺时针方向旋转。重物挂在钢丝绳右端时，顺时针扳动齿轮架12的操作手柄。此时，主动轮11逆时针方向转动，因齿轮14参与传动，这时从动轮15与轮11的转向相反，即沿着顺时针方向旋转。

1.2 控制系统

控制系统 (图2)由内棘轮机构 (星轮16、弹簧17、棘爪18、内棘轮19)、齿轮机构 (齿轮19、6)、连杆机构 (主动摇杆21、连杆22、擒纵叉23)和擒纵机构 (擒拿叉23和擒纵轮24)组成。齿轮15、星轮16及擒纵轮24均通过普通平键连接于轴Ⅱ上，轴Ⅱ顺时针方向转动时，星轮亦顺时针方向旋转。通过棘爪推动内棘轮顺时针方向转动，再通过齿轮机构和连杆机构带动擒纵机构。

擒纵机构是一种机械能量传递的开关装置，在工业上常被用于计时、调速或改变运动方向。文中，擒纵机构以一定的频率开关逃生器的主传动链，使卷筒停、动，其间以一定的速度转动，从而使钢丝绳间歇下降。在这里，擒纵机构的功能可以从两方面理解:擒:将主传动链的运动锁定(擒住);纵:就是用振荡系统的一部分势能，开启 (放开)主传动链，同时从主传动链中“取回”一定的能量以维持振荡系统的工作。

图2 控制系统运动方案简图

设计中所用的擒纵机构为叉瓦式擒纵机构，它是应用最广泛的一种擒纵机构，其工作特性和工艺性均较好。如图2所示，擒纵轮受到传动系统传递过来的转动力矩的作用，具有顺时针转动的趋势，但因受到擒纵叉左卡瓦的阻挡而停止。擒纵叉顺时针摆动时，左卡瓦抬起，释放擒纵轮使之顺时针转动;右卡瓦落下并与擒纵轮另一轮齿接触时，擒纵轮又被挡住而停止。擒纵叉逆时针摆动时，右卡瓦抬起，擒纵轮被释放并转过一个角度，直到某一个轮齿再次被左卡瓦挡住为止。这样就完成了一个工作周期。

擒纵机构属于间歇性运动机构，在其运动中会产生不连续的运动，归纳其运动现象可分为接触、分离、碰撞等3个运动相。由于运动的不连续造成机构的振动与噪声，尤其在高速运动下常造成擒纵轮轮齿的折断。为降低擒纵轮的转速，传动系统采用降速传动。

2 逃生器结构设计

2.1 钢丝绳防滑机构［6］

如图3所示，钢丝绳缠绕在卷筒上的楔形槽内。左、右摆架可分别绕上端固定轴小幅摆动，每个摆架上均装有一个V形滚压轮架，V形滚压轮架可相对于摆架绕销轴摆动，每个V形滚压轮架上均装有两个滚压轮，滚压轮压在钢丝绳的外缘。每个摆架下端还有一个带槽滚轮。

图3 钢丝绳防滑机构结构示意图

当重物挂在钢丝绳左端时，缠绕在卷筒上的钢丝绳在重物的拉动下，对左侧带槽滚轮产生一向右的压力，该压力使左侧摆架绕上端固定轴逆时针摆动，从而使左侧V形滚压轮架上的两个滚压轮紧紧地压在钢丝绳左侧的外缘，使得钢丝绳左侧与卷筒间的压力增大，摩擦力矩也因此增大。重物的重力越大，则钢丝绳左侧与卷筒间的压力也越大，摩擦力矩也越大，从而避免了钢丝绳与卷筒之间的打滑。

2.2 内棘轮机构

图4 内棘轮机构及飞轮装配图

擒纵叉擒住擒纵轮时，棘轮机构中的星轮亦停止转动，整个机械系统处于静止状态。擒纵轮短停后靠飞轮20的转动惯性保证擒纵轮的继续运动。飞轮实质上相当于一个能量储存器，飞轮储能技术是以高速旋转的飞轮为载体，将能量以动能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将能量释放出来。如图4所示，飞轮的一端用螺栓连接于内棘轮上，另一端用滚动轴承空套在轴Ⅱ上。当内棘轮转动时飞轮把能量吸收并储存起来;当内棘轮停止时飞轮又把储存的能量释放出来带动内棘轮顺时针转动。再通过齿轮机构和连杆机构的运动传递，使得擒纵叉继续往复摆动。

3 缓降性能试验及结果

首先测试逃生器负载500 N的工况下，各楼层重物下降的平均速度。将逃生器安装于8层楼 (楼高28 m)的楼顶，将500 N的预制试验铁块挂在钢丝绳一端的钩子上。根据重物下落过程中每层楼间的放绳量和所用时间计算各楼层重物下降的平均速度。测试的统计数据如表1所示，下落过程中速度与时间关系曲线如图5所示。

表1 各楼层下降的平均速度

图5 速度时间关系图

其次测试逃生器分别负载250、400、500、750、1 000 N的工况下，重物落地时的瞬时速度。测试的统计数据如表2所示，重物落地速度与负载变化曲线如图6所示。

表2 不同负载下重物的落地速度

图6 速度重量关系图

可以看出:人的落地速度为2～3 m/s，小于一般要求的5 m/s，相当于人从半米的高度跳下，用此逃生器逃生时的下落速度是安全的。而且下落时间也只要不到10 s，为其他逃生人员逃生争取了时间，实现了快速、安全逃生的目的。因此可知该设计完全符合设计要求，能够实现高楼逃生。

4 结论

该逃生器结构简单、操作方便、使用安全、性能可靠，不会出现卡死的现象。该机械装置不需要外在动力，可多人次循环使用。并可制成内贮钢丝绳不同长度的系列产品，以适应不同高度楼房的需要。

【1】白阳光.高楼逃生安全控制器:中国，89103555.9［P］.1990－02－15.

【2】袁忠均，陈东，黄平.离心摩擦式高楼安全逃生器的设计［J］.机械设计，2004，21(1):208－209.

【3】叶海燕.缓降救生器:中国，02277340.1［P］.2003－09－03.

【4】曾景霖.高楼救生缓降器:中国，93239887.1［P］.1998－08－24.

【5】赵英斌.高层建筑逃生索:中国，01205767.3［P］.2001－12－12.

【6】叶仲和.钢丝绳防滑机构:中国，200420111050.9［P］.2004－10－21.

Design of Cycle Escape Device Used in High-rise Buildings Based on Escapement Principle

ZHANG Zhanguo
(College of Mechanical Engineering，Beihua University，Jilin Jilin 132021，China)

An intermittent impact type escape device used in high-rise buildings was designed based on escapement principle.The transmission system was composed of a unique designed wirerope antislip mechanism and a reversing gear train.Using the wirerope antislip mechanism，friction between the wirerope and the winding drum was increased effectively to prevent the wirerope relative sliding along the winding drum.The reversing gear train was used to improve rescue efficiency by continually using the device.The control system was used to complete escape wheel periodically“locked to released to rotated to locked”movement，so intermittent movement of main drive chain was realized and personnel could fall intermittently.

Escape device;Intermittent impact type;Escapement principle

TH122

B

1001－3881(2014)8－020－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.007

2013－02－06

张占国 (1972—)，男，硕士，副教授，主要从事机械设计及理论方面的研究。E－mail:zzg302104@126.com。