一种便携式多功能高层火灾逃生器设计*

谭春旺，张今朝，徐祝青，郑 静，苑大龙，黄珊珊

（嘉兴学院 机电工程学院，浙江 嘉兴314001）

随着人们生活水平的提高以及高层建筑的发展，高层火灾成为人类生活中发生率较高并能造成巨大损失的灾难。随着社会的发展、城市人口的增加和土地资源的紧缺，建筑物的层数越来越高，高度也随之增加，高层建筑的消防安全隐患也越来越多[1]。据统计，全世界每天平均发生各类火灾9800余起，死亡2000多人，每年因火灾造成的直接财产损失达几十亿元，目前中国最高的消防云梯车高度为101m，难以满足日益增长的高层建筑火灾逃生需求。因此开发一种简单方便，迅速启动，同时能帮助人们快速逃离高层建筑突发火灾事故现场的装置非常必要。

面对高层火灾的逃生，最有效快捷的方式无疑是逃生器，而现有逃生器大多基于类似设计原理，普遍存在操作复杂繁琐的问题。为了更好地解决逃生难题，需要设计一款更加便携的逃生器。为适应需求，作者设计了一款机电一体化的逃生设备，该装置由摩擦齿轮组和电磁阻尼器辅助齿轮减速。

1 逃生器技术功能优势对比

1.1 机械结构

此类逃生装置有别于以往常见的机电一体化逃生装置，采用单一的纯机械结构，其工作过程不依借其他任何动力能源，仅靠自身的机械结构调节势能与动能的转换，从而控制下降速度，使其带着逃生者安全下滑。

1.2 双重保险结构

此类逃生装置为典型的机电一体化逃生装置，主要采用摩擦片制动辅以同步电机反馈制动形成二次减速，从而达到双保险的目的，并实现下降速度在安全范围内可控和随时停止的功能。

1.3 独立模块结构

此类逃生装置采用模块独立的思路，各模块间相互配合，这种设计让装置整体更加灵巧和可靠，操作简单，通用性强，便于普及。

1.4 包角加手控式

此类逃生装置利用手控装置改变钢丝绳与包角轮的接触面和受力面调整绳与轮的位置关系，即包角大小，从而增加钢丝绳与钢丝轮之间的摩擦力，达到手动调节逃生速度的目的。

1.5 间歇冲击式

间歇冲击式逃生器是一种内销耗装置，通过内置的擒纵叉和擒纵轮不断地间歇冲击来消耗能量，因此该装置无法自锁，由于依靠干摩擦来减速，磨损严重，故使用寿命短。

1.6 液体流动阻尼式

以流体阻尼材料为媒介，将逃生过程的势能转化为热能，从而达到吸能缓冲降低速度的效果[2-5]。

综合上面几种逃生装置结构进行分析，逃生装置主要的技术问题在于提供一种结构简单、易于夹装、稳定快速、安全可靠的易调速高楼装置。根据以上研究，作者设计出一种高楼缓降逃生器，此装置符合高楼逃生装备的基本要求，通过改变摩擦力的大小，利用下降时的能量转换设计了电磁阻尼装置辅助调速，具有速度调节功能，非常适合于高层应急逃生[6]。

2 逃生器结构组成与工作原理

2.1 创新分析

（1）采用机电结合的结构和双保险制动结构，齿轮和摩擦片制动电磁阻尼辅助调速相配合的双保险，采用模块化设计，实现了多重优势的有机结合。

（2）简便省力调速和制动：采用足够的刹车弹簧拉力使制动滑块竖立压迫逃生绳索与“V”形轮包合，逃生器处于持续减速状态。在缓降状态时，以拉绳带动刹车线，利用杠杆刹车原理放大拉力来控制齿轮的运动，并依借被动式电磁阻尼辅助调速实现下降缓降。通过调节齿轮慢速、自由行进或停止，从而调节和控制缓降过程的慢、快，或使其停止，以把柄、弹簧等结构部件解决初速度过快或费力控制下降等问题。

2.2 结构组成

该装置机械部分由上下两主体组成（如图1），上部壳体为封装结构，主要由螺母、弹簧、摩擦片组成，下部主体主要由齿轮组包括制动齿轮、控制齿轮和杠杆控制套件组成（注：图1中位于轴线L2上的为“V”形轮，齿轮组左侧为手动控制部分）。

图1 逃生器主体

该装置电气部分由“V”形轮和两个铜线缠绕的铝框组成。另配有电磁阻尼器，阻尼部分是由两个磁极交错的永磁金属制成，见图2。

图2 电磁阻尼器纵截面和横截面磁感线

2.3 工作原理

该装置机械部分的运行原理：当逃生者将装置安装在给定轨道上逃生时拉动拉绳181，然后松开，逃生者沿绳索下滑，由于重力作用制动齿轮7转动带动装置在绳索上运动，当与前方逃生人员距离太小时人为拉下拉绳171通过杠杆14作用使羊角卡针10被顶起与齿轮的卡槽咬合，齿轮停止转动，制动齿轮7边缘锯齿与封装顶盖中的摩擦片1联合作用迫使装置停止于绳索上，保证与前方逃生人员的安全距离，当距离合适时拉下拉绳171，这时停止的齿轮由于杠杆15与圆盘上圆柱凸起作用从而迫使齿轮受力反向转动并与羊角卡针失去咬合，羊角卡针失去咬合之后受重力作用回到杠杆17的初始位置，逃生人员在逃生时重复上述操作就可以自行控制与前方逃生人员的间距。

电磁阻尼器的优势及工作原理：电磁阻尼器具有结构简单，能够提供稳定的摩擦力以及制动力，减震效果优异，产业完善，产品成熟等特点，目前在工业中的应用非常广泛[7]。按照电磁阻尼产生原因的差异，可分为被动式和主动式。

被动式电磁阻尼器顾名思义，其阻尼是被动产生的，阻尼的大小由电机的励磁电压大小控制，根据实际需求调节电压大小，其调节过程具有实时性的特点。本文阐述的设计即采用了一种新型的被动式电磁阻尼器，其具备了被动式阻尼器的基本特性，采用的是类似于电磁轴承的结构，但没有闭环控制，出于安全考虑，采用了直流供电。与被动式电磁阻尼器不同，主动式电磁阻尼器的阻尼是主动产生的，且增加了有传感器的闭环反馈，利用位移传感器测量转轴的振动并转化为电信号，再将该电信号传输到控制器进行分析处理，得到相应的数字信号输出并产生相应的反馈信号（磁阻尼）使转子回到轴线中心位置，最终形成完整的闭环反馈控制系统。主动式电磁阻尼器用来产生阻尼力主要是沿速度方向电磁力的分力，且与速度呈线性相关，电磁阻尼器通过改变转子系统的刚度，从而抑制振动[8]。

根据电磁感应现象及楞次定律可知：当导体在磁场中做切割磁感线运动时，会产生感应电动势，外电路闭合时会在闭合回路中产生感应电流，同时磁场将对感应电流安培力形成与原来转动方向相反的力偶矩，对磁场中做切割磁感线运动的导体起阻尼作用。逃生时，在重力作用下，逃生者会做加速度不断变化的加速运动，因此绕组受到的安培力也会增大，理想状况下，当重力和安培力达到平衡时，逃生者则可以实现匀速缓降。

电磁作用力即安培力产生的原理：安培力的实质是定向移动的电荷所受洛伦兹力的合力，如图3所示。图中：N-S为固定的磁场，闭合线圈以垂直于纸面的速度v向里运动，R为线圈的电阻。闭合导体与磁极发生相对运动时，由于闭合导体穿透磁通量的变化，闭合导体会产生感生电动势，通过右手定则可以确定电动势的方向。再通过左手定则可以判定出电磁力的方向是否阻碍线圈与磁场的相对运动，其中安培力始终作负功，因此两者之间会产生电磁阻尼，从而对导体进行制动[9]。

图3 安培力产生原理

该装置电气部分的运行原理：该设备采用被动式电磁阻尼器，当“V”形齿轮在阻尼器下转动时，两磁极交错构成的阻尼器就会产生穿过金属盘的磁感线，“V”形轮切割磁场产生电流，金属制的“V”形轮产生的电流使其受到反向的安培力，当距离磁场越近，产生的磁感应强度越强，安培力越大，反向的安培力再加上轴承的滚动摩擦力由F合=f动+F安=ma可知合力越大，加速度越大，速度减小得越快；金属盘的转速越快，切割金属盘的磁感线数量就越多，磁通的变化越大，产生的安培力就越大，制动力也越大[10]。“V”形轮如图4所示。

图4 “V”形轮示意图

3 逃生系统模型分析及仿真

3.1 “V”形轮力学方程

“V”形轮受力如图5所示，功率Pc=KAP，额定功率P=Fv，于该系统F＝G－fm-Fz，其中Fz为制动力，可得“V”形轮轴向受力：

图5 绳在槽中受力

式中m为钢丝绳的线质量，v为下降速度，由于“V”形轮角度小于180°，包角修正系数Ka取1。

上式中，r为“V”形轮半径，“V”形轮的V形角为 θ，fv为当量摩擦系数包角 α 为180°、μ1为绳与“V”形轮的摩擦系数。

可得施加在逃生器上输入的力为：

其中，重力加速度g为9.8m/s2，上包裹摩擦片和绳的摩擦系数为 μ2，摩擦力为f=μ2F离心力[11]。

3.2 “V”形轮MATLAB仿真

在逃生器运行过程中，“V”形槽与绳的摩擦和咬合程度直接影响逃生过程的安全性和稳定性，当“V”形槽夹角θ过小时，过小的夹角容易卡牢钢丝绳；当“V”形槽夹角θ过大时，钢丝绳与“V”形轮接触面积过小易造成脱轨。

使用MATLAB软件对“V”形槽的夹角θ选取进行优化分析，仿真结果如图6所示。为保证安全进行保守设计，取钢丝绳与钢的摩擦系数u为最小值0.1，由于摩擦力与人体重力成正比例关系，设比例系数为K。

图6 K与θ关系图

在MATLAB命令窗口中输入：

syms x;

f=9.8*（1-0.2*sin（x/2））;

fplo（tf，[pi/12，pi]）;

xlabe（l′θ′）;

ylabe（l′K′）;

title（′Kθplot′）;

从图6可以看出，夹角θ对K值是一个递减函数曲线，在实际的设计中，为了保证较高的摩擦力、满足线性化的要求，同时确保钢丝绳顺利通过，夹角取中间值，经过试验分析夹角取1.4。优化后可以得到力学方程：

f=9.8*G人*x*（1-0.2*sin（0.7））。

在MATLAB命令窗口中输入：

syms x;

f=9.8*x*（1-0.2*sin（0.7））;

fplo（tf，[10，100]）;

xlabe（l′f′）;

ylabe（l′G′）;

得到摩擦力与重量变化的曲线如图7所示。

图7 摩擦力与重力变化曲线

4 结论

通过对目前高楼火灾逃生器现状的分析，作者设计了一种便携式降落逃生器，并概括了该逃生器的结构组成及工作原理，基于电磁感应现象及楞次定律，以机电一体化逃生器为研究对象，采用摩擦减速制动和被动式电磁阻尼辅助缓速的方法，从而达到匀速缓降的效果，并对“V”形轮及绳进行了力学分析，建立了“V”形轮的运动学和力学方程。该逃生器具有较强的逃生功能，可以很好地解决速度慢、自适应差的问题，使用十分简便，存放十分便携，对高楼逃生具有很好的效果。