离心式高楼逃生机构的设计分析*

张丽萍，楚焱芳

(南通职业大学 机械工程学院，江苏 南通 226007)

0 引 言

随着城市高层建筑的日益增多，高层建筑火灾的发生频率也随之增多，高层建筑火灾已成为影响城市安全的一大隐患，所以高楼逃生装置逐渐成为城市高层住户必需的设备。

高楼逃生设备目前主要有以下三种形式：①液体阻尼式救生缓降器，它是利用液体流动时的阻尼将负载势能转化为热能以达到缓降，缺点是需要提供液压压力源[1]；②摩擦制动式救生缓降器，是一种利用机械摩擦力产生阻力来制动的缓冲装置，缺点是很难控制摩擦阻力的大小[2]；③电磁阻尼式救生缓降器，是利用电磁感应和磁场对电流产生作用力的方式，利用电子技术实现救生器的自动控制，缺点是人体刚开始时不能使发电机产生电源供控制系统工作[3]。

因此一种结构小巧、既安全可靠又制造成本低的纯机械式逃生装置正成为高层住户的首选。文献[4]介绍的擒纵式高楼逃生机构是一种机械式结构。此文研究的是另一种纯机械式结构——离心式高楼逃生装置，它利用离心调速机构施加给摩擦盘上的轴向压力，使摩擦盘产生摩擦阻力矩，使人体以一定的平均速度安全着地。

1 离心式逃生机构的方案设计

图1所示为离心式逃生机构，卷筒及齿轮1安装在支架上。钢丝绳缠绕在卷筒上，人体通过钢丝绳作下降逃生。

图1 离心式逃生机构

如图2所示，卷筒的一端通过棘轮机构与轴1联接，卷筒的另一端与齿轮1固联，轴1上还安装有离心调速机构和齿轮2。轴2上安装有摩擦盘机构，定摩擦盘通过平键与轴2联接，可沿轴2作轴向滑动；动摩擦盘与齿轮4固联，并通过滚动轴承安装在轴2上，齿轮4与齿轮2啮合。轴3上安装有齿轮2和摇把，齿轮2与卷筒上的齿轮1啮合。

图2 离心式逃生装置展开图

上述离心式逃生机构的工作顺序是：在逃生人员的重力作用下，通过钢丝绳的牵引，使卷筒和棘轮一起顺钟向转动，棘轮通过棘爪和棘爪座带动轴1转动[5]，轴1上的离心机构作顺钟向转动。

在重力加速度作用下，人体下降的速度逐渐增大，轴1的转速也随着升高，离心机构的飞球因离心力增大而飞向外侧，驱动轴环向前移动，通过杠杆压紧弹簧来驱动两摩擦盘接合。弹簧将杠杆机构产生的轴向压力全部传递给定摩擦盘，同时还能调节杠杆机构产生的轴向位移。定摩擦盘不能转动，只能作轴向移动。动摩擦盘随着齿轮3一起转动。

定摩擦盘和动摩擦盘之间产生摩擦阻力矩，阻止人体下降速度的进一步增大。当摩擦阻力矩通过齿轮4传递给齿轮3，在齿轮3上产生趋近于或等于人体重力在卷筒上产生的转矩时，人体作等速下降。反之，人体下降速度降低，轴1的转速下降，在弹簧力的反作用下使轴1上的轴环向放松端方向移动，飞球向内侧回缩，摩擦盘间的压力减小，摩擦盘的摩擦阻力矩随之减小，人体下降的速度随之又逐渐增大，飞球产生的离心力又重新增大，直至达到新的平衡。

当逃生人员落地后，楼上人员顺时针摇动手把，此时棘爪在棘轮上打滑，不能跟随棘轮一起转动(如图3所示)，轴1也不转动[7-8]。轴3上的齿轮2通过齿轮1驱动卷筒逆钟向转动将钢绳收回，以供后续人员逃生。

图3 棘轮机构图

2 运动学和动力学分析计算

人体在自身重力作用下，安全落地的速度v为4 m/s，以此速度落地人体不会摔伤。若圈筒的直径D=0.3 m，圈筒转速为:

目前许多企业的会计机构的人员配置和机构设置并不合理，会计人员不足，许多岗位由一名会计兼职，缺乏专业性。由于企业的会计机构设置不合理，使得企业的财务职能发挥不出其应用的作用，很多企业停留在企业的经营者对生产情况、财务状况直接干涉的状况，会计人员的设置形同虚设。企业在招聘会计人员的时候要求低，不根据会计岗位人员规定招聘的情况屡见不鲜，由企业经营者的亲属、朋友兼任财务和会计的情况很多，降低了企业会计核算的准确性，不利于企业的健康发展。

ω=2πn=26.67 rad/s

离心机构中均布有3个飞球，单个飞球的质量m，回转半径为(a+lsinα)(如图4所示)，则3个飞球产生离心力的总和F离为:

图4 离心机构简图

F离=3m(a+lsinα)ω2

(1)

如图4所示，轴环可沿轴向滑移，AC杆的杆长为l，B为AC的中点，即BC长为1/2，同理，BD杆长也为1/2。

若在如图4所示的系统中，若忽略各铰链中摩擦力和杆的质量，根据达朗伯-拉格朗日方程[9]，得:

F离δscosα+F轴环δz=0

(2)

飞球A的虚位移可由AC杆在相对平衡位置转过一微小角度δs得到，即:

δs=lδα

(3)

δs的方向垂直于AC。

如图4所示，CD的长度z=lcosα，则有:

δz=-lsinαδα

(4)

将式(3)和式(4)代入式(2)，得:

3m(a+lsinα)ω2lcosαδα-F轴环lsinαδα=0

化简后得:

(5)

如图4所示，轴环铰链距固定铰链的杆为l1，摩擦盘铰链距固定铰链的杆为l2，且l1/l2=3，故作用在摩擦盘上的压力F压为：

T1=fF压RF=0.051F轴环

(6)

齿轮4在啮合点处的圆周力Ft4为：

(7)

在轴1上，圈筒的缠绕直径为D，人体重力为W，则人体重力产生的转矩T2为：

齿轮3在啮合点处的圆周力Ft3为：

(8)

齿轮3与齿轮4是相互啮合的一对齿轮，其传递的圆周力相等，故Ft3=Ft4，得：

(9)

由式(5)、式(9)整理，得：

(10)

在该机构参数设计中，若R3/R4=2，D=0.3 m，α=45°，a=0.11 m，l=0.3 m，m=2 kg，逃生人员的质量可达92 kg。若人体质量大于92 kg，会导致ω、α和F轴环的进一步增大，从而使摩擦盘的摩擦阻力矩增大，直至在齿轮3上的阻力矩与人体重力在卷筒上产生的转矩达到平衡，从而使人体作等速下降。

3 结 语

离心式逃生机构是一种结构小巧、既安全可靠又制造成本低的机械装置。该装置创新地引用了离心调速机构和摩擦盘。利用离心调速机构产生对摩擦盘的轴向驱动力，通过杠杆机构放大轴向驱动力，运用压缩弹簧调节位移并传递轴向驱动力给定摩擦盘，促使两摩擦盘间产生摩擦阻力矩，阻止人体的快速下落。对该机构进行了运动学和动力学分析计算，完成了离心式高楼逃生装置的参数设计和结构设计，使人体以某一平均速度下降，保证人体安全着地。