液体流动阻尼式高楼逃生器的创新设计

戮麟糕瓣j藏瓣；麟瓣 液体流动阻尼式高楼逃生器的创新设计 叶 强，杨谊昌，张国欣，叶仲和，蓝兆辉，刘开昌 (福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350002) 摘要：从总体结构、原理分析、作品创新及使用方法等方 面，论述了获得第一届全国大学生机械创新设计大赛决赛一等 奖的作品“液体流动阻尼式高楼逃生器”的设计。该作品结构紧 凑、安全可靠、使用方便、平稳快速、价格低廉，不同重量的人均 能以基本相同的速度匀速下降。 关键词：高楼逃生器；液体阻尼；创新设计 中图分类号：TU89 文献标识码：B 文章编号：1009—0029(2005)02—0210—03 1概述 随着建筑高度的增加和日趋密集，建筑的安全隐 患也越来越多。即使在发达国家的高楼遇有火灾、爆炸 等事件时，虽上有救援直升飞机，下有救援云梯车，但 因时间、空间等诸多因素的限制，仍难发挥理想的作 用，屡屡造成伤亡，其中震惊世界的美国“9．11事件” 正是如此。美国“9．11”事件中几百名消防员丧生的原 因之一也是不能及时有效地脱离现场。为了提高逃生 时的成活率，人们发明了各种各样的逃生器，目前国内 外的高楼逃生器主要有以下几种形式： (1)包角加手控式口]。此类专利设法增加钢丝绳 与轮之间的包角，使得钢丝绳与钢丝轮之间的摩擦力 增加。另外，再利用手控装置，进一步调节下降速度的 快慢。此类 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 虽然结构简单，但是受摩擦系数影响较 大。若包角太大，有可能卡住；若包角太小，则控制有困 难且不易操作。 利用轮系来增速，增大离心块的离心力来增加摩 擦力矩心]，从而降低下落的速度。由于其摩擦力的大小 由离心块的离心力的大小和摩擦状况决定。所以很难 保持匀速下降，且受摩擦热及摩擦磨损的影响很难保 证恒定的摩擦系数。 (2)间歇冲击式。间歇冲击式是通过间歇撞击能 来消耗能量[3]，如利用钟表中的擒纵叉和擒纵轮原理 来消耗能量。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。 (3)液体流动阻尼式。液体流动阻尼式是利用液 体流动阻尼把人体势能转化成液体热能，以达降低速 度的目的。其主要特点是由于液体阻尼的大小取决于 基金项目：福州大学本科生科研训练 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目基金资助 210 外负载，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‘4；。’ 综合分析各种逃生器的优缺点，笔者设计并制作 了一套结构独特的液体流动阻尼式的逃生器，其主要 特点是安全可靠、结构紧凑、使用方便、平稳快速、价格 低廉，特别适宜家庭使用。该作品参加2004年9月13 日举行的第一届全国大学生机械创新设计大赛决赛， 经现场实物表演、专家答辩考核，荣获一等奖。下面从 总体结构、原理分析、作品创新点及使用方法等方面加 以论述。 2结构及原理分析 该逃生器结构见图1。有一根固定不转的心轴1，心 轴上两侧各加工出花键。圆柱凸轮4内部有多层隔板 7，隔板7上有许多阻尼小孑L。圆柱凸轮4套在固定心轴 1上，与固定心轴1形成花键移动副。因此，圆柱凸轮4 只能往复移动，不能转动。外壳3采用两头大、中间小 哑铃形的结构，钢丝绳5缠绕在外壳外部直径较小的 中段楔形线轮6上。外壳3两端与固定心轴1用滚动轴 承连接，外壳3的内壁装有滚动轴承2，滚动轴承2镶嵌 在圆柱凸轮4外表面的曲线槽内，外壳3的内腔装有阻 尼液体。 l 2 3 4 5 6 7赧0猕霸≮≠～碥 I锚一l鄂斟嶙椎J嘤拶L刊I 年酢鱿∑㈣丝㈣螬岍 |Ⅲ． “m|目=懈。剞 剪 删 L ㈦司婵躺 措 )J JJ母薯替争¨ JJ．期 图l逃生器结构图 缠绕在外壳3的外部中段楔形线轮6上的钢丝绳5 在人体重量的拉动下，带动外壳3转动。通过外壳3内 壁的滚动轴承2推动圆柱凸轮4左右移动，将外壳3的 旋转运动转变成圆柱凸轮4的往复直线运动。 FireScienceandTechnology，March2005，Vol24，No．2 万方数据 圆柱凸轮4内有多层隔板7，隔板7上钻有许多轴 向阻尼小孔。圆柱凸轮4的往复直线运动使外壳3腔内 的液体产生液体流动阻尼，以此来阻止圆柱凸轮4的 快速移动。这样，可使外壳3以较缓慢的均匀速度转 动，人体就可以较慢的速度匀速下降。 3特色及创新 3．1钢丝绳防滑结构 采用独特设计的钢丝绳防滑结构，有效地增加了 钢丝绳在线轮的摩擦力，从而避免了钢丝绳在线轮上 打滑，见图2。 1 图2钢丝绳防滑结构 钢丝绳防滑结构虽然简单，但设计巧妙，有很好的 防滑效果，其特点有： (1)采用楔角较小的槽轮4，能增加钢丝绳15对槽 轮4的压力。 (2)正确地设计槽尺寸，使得钢丝绳15的最外圈 高于槽轮4的外圆，便于4个小轴承9～12能压紧钢丝 绳15。 (3)钢丝绳15缠绕在回转轴4上的楔形槽内。有两 个摆架2和3，可分别绕上端固定轴1摆动，每个摆架上 均转有一个V形滚压轮架7或8，V形滚压轮架可相对 于摆架绕小轴5或6摆动，每个V形滚压轮架上均装有 两个滚压轮，共四个滚压轮9至12，滚压轮压在钢丝绳 15的外缘。每个摆架下端还有一个槽滚轮13或14。 钢丝绳15缠绕方式如图2所示。钢丝绳15从左侧 槽滚轮的左边向上穿，向右拐，沿逆时针方向缠绕在回 转轴4上，然后从右侧槽滚轮的右边向下穿。 假设重物挂在钢丝绳15的左端。缠绕在回转轴4 上的钢丝绳在重物的拉动下，对左侧槽滚轮产生一向 右的压力，该压力使左侧摆架3绕上端固定轴1作逆时 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进入处的外缘，使得钢丝绳左侧 消防科学与技术2005年3月第24卷第2期 进入处与回转轴4间的压力增大，摩擦力矩也因此增 大。重物的质量越大，则钢丝绳左侧进入处与回转轴4 间的压力也越大，摩擦力矩也越大，从而避免了钢丝绳 15与回转轴4之间的打滑。 当重物挂在钢丝绳右端时，受力情况与上述对称。 3．2反凸轮机构 利用了反凸轮圆柱凸轮机构，将外壳3的旋转运 动转变为圆柱凸轮4的往复直线运动。首先，利用钢丝 绳5和楔形槽轮6将逃生者的下降直线运动转变成外 壳的旋转运动。外壳3的内壁装有滚动轴承2，该滚动 轴承2镶嵌在圆柱凸轮4外表面的曲线槽内。由于圆柱 凸轮4套在固定心轴1上，与固定心轴1形成花键移动 副，圆柱凸轮只能往复移动，不能转动。这样，当外壳3 转动时，就通过滚动轴承2推动圆柱凸轮4做往复直线 运动。 3．3多层带有阻尼小孔的薄隔板 圆柱凸轮4内部有多层带有阻尼孔的薄隔板7。采 用这种结构可以使圆柱凸轮4水平运动的匀速基本上 不受人体质量的影响。 薄隔板7上加工有许多阻尼小孔。当液体流经多 层薄隔板7上的阻尼小孔时，产生了平衡人体重力所 需要的液体阻尼。根据流体力学知识可知，采用多层有 孔薄隔板比采用单层有孔厚隔板更有利于达到匀速的 目的。采用此结构，当人体质量变化时，凸轮往复运动 的速度基本保持不变，从而使得钢丝绳下降的速度基 本保持的匀速。 由流体力学可知，节流阀的孔口越小则其调速刚 度越好，流量就越稳定。即在压力波动较大的情况下， 孔口小的流量变化I：l：：fL口大的来得小，这样圆柱凸轮 的轴向运动速度变化就不大。这就是为什么当人体质 量变化较大时，凸轮往复运动的速度仍能基本保持不 变，从而使得钢丝绳下降的速度基本保持不变的匀速。 3．4 哑铃结构 外壳3采用两头大、中间小的哑铃结构。中间小。 即楔形槽轮6的外径小，那么，人体重力通过缠绕在外 壳中段楔形槽轮6上的钢丝绳5作用在外壳3上的驱 动力矩就小，可大大减d,夕l-壳3内壁的滚动轴承2对圆 柱凸轮4的推力，从而更好地起到匀速下降的目的。中 间小，则钢丝绳5下降的速度就小，容易获得逃生器所 需的安全速度(1．5m／s)。两头大，则圆柱凸轮4的横 截面大，产生的液体流动阻尼也大，使圆柱凸轮4的往 复直线运动更容易达到平衡人体下降重力的效果。 3．5左右两套独立的反凸轮机构 采用左右两套独立的反凸轮机构，大大地增加了 211 万方数据 逃生器的安全可靠性和平稳性。圆柱凸轮4曲线槽的 压力角不可避免要变化，在往复移动时圆柱凸轮4所 受的力不可避免也将变化。若只采用单个圆柱凸轮，则 外壳3的转动速度将有较大的变化，从而引起人体下 降速度较大的变化。如果左右两套圆柱凸轮4的安装 相位角相同，情况也是一样，外壳3的转动速度也有较 大的变化。为了解决这个问题，左右两个圆柱凸轮4在 设计时，应相互错开90。，这样两个圆柱凸轮就不会同 时到达轴向极限位置，可以大大减少速度波动，达到较 为理想的匀速效果。 3．6 良好的加工工艺性 一个良好的设计应该考虑加工工艺性。本设计在 许多方面注意到加工工艺性。 例如，左右两个外壳3和楔形线槽6通过内六角螺 钉连接成一个外壳整体。两头大、中间小的外壳结构虽 然可以做成一个整体，但笔者却采用了三段式结构，这 是考虑到它的加工工艺性：一是左右两个外壳3用铝 合金铸造，不仅使得逃生器的质量大大减小，而且加工 余量少，效率高，也可以避免加工实心钢材因内部掏空 的材料浪费严重的问题；二是两头大、中问小的整体结 构与实际加工工艺不相符合，不便于加工制作，而三片 式结构的加工就方便多了，而且提高了加工精度。 另外，圆柱凸轮4采用两端盖加圆柱凸轮套的结 构，而不采用一端盖加活塞套的活塞结构，是考虑到前 者的良好加工工艺性和经济性。圆柱凸轮套可用钢管 作坯料，不必做木模，加工方便、经济合算。 4使用方法 利用逃生器横梁上的孔将逃生器挂在悬梁上的挂 钩上。逃生时，逃生者系好腰间的安全带，将钢丝绳5 一端的钩子钩住安全带，就可安全地匀速下降。预先调 整好钢丝绳的长度，使得钢丝绳的一端到达地面时，另 一端的钩子正好升到所需楼层。这样，当第一个人下降 到达地面时，钢丝绳自由端的钩子正好上升到逃生器 位置。于是，第二个逃生者就可马上将钢丝绳这一端的 钩子钩住自己腰间的安全带，然后下降。当第二个人下 降到地面时，钢丝绳的另一自由端的钩子正好上升到 逃生器位置，第三个人就可准备下降。依此类推。 该作品参加2004年第一届全国大学生机械创新 设计大赛决赛，经现场实物表演、专家答辩考核，荣获 一等奖。 参考文献： [1]白阳光．高楼逃生安全控制器EP]．中国专利：89103555．9，1990-- 2—19． 2]2 E2]叶海燕．缓降救生器EP]．中国专利：02277340．1，2003—09—03． [3]曾景霖．高楼救生缓降器I-P]．中国专利：93239887．1，1994—08～ 24． E4J赵英斌．高层建筑逃生索EP]．中国专利：01205767．3，2001—12— 12． Creativedesignoftowerescapeapparatus withtheprincipleofhydraulicdamp YEQiang，YANGYi—chang，ZHANGGuo—xin， YEZhong—he，LANZhao—hui，LIUKai—chang 作者简介：叶 强(1984一)，男，浙江人，福州大学 机械工程及自动化学院，福建省福州市，350002。 收稿日期：2004—10一28 FireScienceandTechnology，March2005，Vol24，No．2 咄=麓罴一蛳 一一 ～一一～～一一～一㈨一～～～一一一一～～一一一一一一一一一～一一一一一～．一一一一一一～一一一一一～一～～ 万方数据 液体流动阻尼式高楼逃生器的创新设计 作者： 叶强， 杨谊昌， 张国欣， 叶仲和， 蓝兆辉， 刘开昌， YE Qiang， YANG Yi-chang， Zhang Guo-xin， YE Zhong-he， LAN Zhao-hui， LIU Kai-chang 作者单位： 福州大学,机械工程及自动化学院,福建,福州,350002 刊名： 消防科学与技术 英文刊名： FIRE SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2005，24(2) 被引用次数： 0次 参考文献(4条) 1.白阳光 高楼逃生安全控制器 1990 2.叶海燕 缓降救生器 2003 3.曾景霖 高楼救生缓降器 1994 4.赵英斌 高层建筑逃生索 2001 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xfkxyjs200502020.aspx 授权使用：河南理工大学(hnlg)，授权号：833db82f-0fa9-4412-833e-9df100d48b8d 下载时间：2010年9月14日