离心式阻尼逃生装置设计与分析

呼春洋 罗徽 刘建东 符宝鼎

摘要：本文详细介绍了阻尼式匀降高楼逃生装置。该装置利用人体下落时同步牵引逃生索，带动逃生装置中动力输入部分转动，实现离心部分离心滑块的的离心涨紧运动，产生摩擦力，摩擦阻力阻碍动力输入主轴转动，进而实现通过下落速度反馈控制人体下降。本作品采用人力为动力，节约了能源，操作简单，使用方便，实用性较强，可以进行大面积推广。

关键词：匀降逃生；阻尼式；离心涨紧；速度反馈

随着人们对工作和环境安全要求越来越高，消防安全器材需要更加简便的设计，为了解决好这一问题，设计了阻尼式匀降逃生装置。下面介绍作品的创作背景、功能、方案设计等。

高楼逃生装置用于解决高楼火灾和一些突发性的灾难对身处高楼的人进行逃生的问题。一种安全、可靠、安装方便、使用简单的高楼逃生装置的研究意义重大。本装置主要是为了当高楼建筑发生灾难时，人员能从窗户等楼梯外部快速逃离现场，安全到达地面，确保人身安全。

装置包括安装框架、逃生器壳体、阻尼部分、离心増力部分、主轴动力输入部分、压绳预紧部分、逃生索导向部分。

1 工作原理和方案设计

1.1 装置工作原理

逃生装置的设计原理是利用人体下落速度的变化产生的阻力，在达到安全下落速度前与人体的重力相等，即可实现以安全速度进行匀速下降的过程。此过程中人体下落的运动过程为加速度逐渐降低至零的加速运动。如图1。

对逃生装置的方案设计上，如图2，下落时将逃生人员缚于逃生索上，将逃生索缠绕在主轴输入端，将重力转化为旋转主轴的扭矩，利用人体下落时在重力作用下加速下落，牵引逃生索同步带动逃生装置中动力输入主轴1转动，伴随着离心装置的涨紧运动，生成离心力，运动至至阻尼壳体，离心力随人体下落速度不断增大而产生增大的正压力，进而使离心块与阻尼壳体间产生的摩擦阻力矩不断增大，阻碍动力输入主轴转动，逐渐达到与人体重力矩相等，即实现人体匀速下落，完成通过下落速度反馈控制人体下降。

1.2 设计计算

设计的主要内容是要确定保证人在安全范围内匀速度下降时的阻力矩的实现，即离心部分离心块质量即离心半径的确定以及主轴的结构设计。

（1）动力输入主轴设计。所选取人体重范围15kg—100kg，取重力加速度为g= 9.8N/kg，则依人体下落时的重力公式G=mg得出人体重力范围。选取直径为20mm的轴径作为支撑。通过设计计算及有限元分析，对轴进行校核，如图3。

（2）离心滑块设计计算。通过查阅相关资料确定人体所能承受的匀速冲击速度范围，根据普通人体重进行设计计算，当人体重达到100kg时，所能承受的匀速冲击速度为1.5m/s，以此作为范围边界上限。人体体重下限取6岁以上儿童标准体重28.3kg。

利用运动学原理可知，要达到匀速下滑应有：

其中，T阻和T重重分别是阻力矩和重力矩。

在选取阻尼材料时选择橡胶，查阅相关资料，摩擦系数u在铸铁和橡胶之间为0.5至0.8，取最小值0.5进行计算。

为便于安装和在运行时不发生干涉，设计离心块形状为弓型，取离心块质量m= 2kg

T重=G·r

G：人体重力；

r：主轴绕绳处回转半径；

T阻=f·R=4·mv2Rcμ·R

m：重力块质量；

Rc：重力块质心半径；

μ：摩擦系数，取0.5；

R：重力块摩擦力作用点回转半径；

初步选定R/r=5，人落地时的速度为1.5m/s，则

v=1.5×5=7.5m/s

g=9.8m/s2

由T阻=T重计算整理得：

Rc=44.44mm

由质心计算公式

Rc=2R·（1-cos3α）/3（1-cos2α）

α：弓形圆心角；

计算得α=84°

离心块是离心力的来源，原则上越重越好，重心到旋转中心的距离越大越好，在其上需要安装摩擦片和滑动销轴。在该逃生器中，设计四个滑动块，每个滑动块的圆弧角度为84度。为了满足滑块的滑动行程，滑块的厚度有了限制，再根据滑块的重量，计算出底面面积。

2 装置结构设计

2.1 动力输入主轴结构设计

转轴是逃生器重要零件之一，它需要承载人的重量和承受人重量产生的扭矩、弯矩。确定轴直径20mm。转轴的扭矩是由重力产生的，大小初定为100N.m。

于主轴上安装线性轴承，逃生绳固定在主轴上。如图5。

设计说明：

（1）815的孔用于安装直线轴承。为保证重力块在径向方向运动状态，相交孔保证垂直度要求，平行孔保证平行度要求。

（2）220的轴用于安装轴承，保证同轴度要求及表面粗糙度Ra=3.2。

（3）65的孔用于放入小钉，保证尼龙绳可带动轴转。

（4）该转轴的材料是45号钢。

2.2 重力滑块结构设计

离心力来源于重力滑块，重力滑块质量越大，则产生的离心力越大，且离心力大小与重力滑块重心到旋转中心的距离成正比，需要在上面安装滑动轴和摩擦片。如图6。

设计说明：

（1）在该逃生器中，设计四个滑动块，每个滑动块的圆弧角度为84度。滑动块之间存在间隙，方便装配。

（2）滑动块上的4-M6螺孔用于固定摩擦片，每对周向上的螺孔之间夹角为40度。

（3）滑动块上的2-M8螺孔用于安装滑动销轴，为保证重力块在径向方向运动状态，螺孔有垂直度要求。

2.3 压绳装置设计

压绳部分的功能主要是给逃生绳施加预紧力，使逃生绳与动力输入主轴之间的静摩擦力大于人的重力，保证逃生绳在主轴上不发生打滑的现象，确保主轴旋转的线速度等于人体下落的线速度，即保证速度同步性。结构如图7。

需要调节压绳力时，首先拧松锁紧螺母，然后通过拧动调整螺母，可以使螺杆高度升高或者降低，使压绳板根动力输入主轴的之间的间隙增大或者减小，以減小或增大压绳力。

3 结论

逃生装置纯机械的离心式反馈控制结构易于实现，增强了在断电等问题上的可靠性；可实现双向连续逃生，可循环使用减少逃生缠绳时间；其简单的结构加工制作易于实现。但也存在个别不足，逃生索的缠绕、绕压问题仍有发生，压紧装置对绳索磨损较大，未来可通过实用化设计提高其使用性能。

参考文献：

[1]刘华森，赵春霞.基于反馈的高楼逃生器[J].科技与生活.

[2]孙志礼，冷兴聚，魏延刚，曾海泉.机械设计.东北大学出版社.

[3]熊良山，严晓光，张福润.机械制造技术基础.华中科技大学出版设.

[4]辛瑜，袁林，张汇泉.新型高楼逃生机构设计与分析[J].河南水利与南水北调.

[5]王智明，郑午，代树林.救生缓降器优化设计[I].机械设计与制造.

指导教师：符宝鼎。