(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院機(jī)械制造及其自動(dòng)化，四川 成都 6 10065)

高空救生緩降器是一種新型的安全逃生裝置，在高樓發(fā)生火災(zāi)、地震等險(xiǎn)情時(shí)，可以讓人們沿著繩索從樓層外面直接安全地下降逃生，避開(kāi)通過(guò)樓道、電梯逃生的種種安全隱患，讓人們最大限度的保護(hù)自己并減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)的損失。同時(shí)，它也可以協(xié)助消防部隊(duì)撲滅火災(zāi)，減少消防官兵在救援現(xiàn)場(chǎng)的傷亡。

目前，國(guó)內(nèi)外緩降器已有多種類型，主要基于電磁阻尼、液體阻尼、摩擦阻尼和手控等工作原理。多數(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大并存在不能快速、簡(jiǎn)單、自由調(diào)節(jié)下降速度的缺陷，使得人們?cè)谔由^(guò)程中無(wú)法采取調(diào)速等有效措施應(yīng)對(duì)下降過(guò)程中的各種突發(fā)情況。手控式緩降器雖能實(shí)現(xiàn)下降速度可調(diào)，但操作復(fù)雜，不適宜老人、小孩等特殊群體使用，同時(shí)大大影響了緩降器的快速往復(fù)使用。

通過(guò)詳細(xì)科學(xué)的調(diào)查分析，針對(duì)目前緩降器產(chǎn)品存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作了一款基于摩擦塊剎車(chē)原理的智能遙控新型高空救生緩降器。

1 總體結(jié)構(gòu)和原理概述

緩降器的基本組成模塊如下圖1所示。在初始狀態(tài)下，逃生者的自重作用在鋼絲繩7上。鋼絲繩防滑機(jī)構(gòu)8將重力的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為主軸9的轉(zhuǎn)動(dòng)并防止主軸和鋼絲繩7的相對(duì)滑動(dòng)。電機(jī)2預(yù)設(shè)夾緊力，在沒(méi)有遙控輸入信號(hào)，即電機(jī)2不工作的狀態(tài)下，可以保證主軸9能夠在重力作用下不轉(zhuǎn)動(dòng)。在逃生者開(kāi)始下降時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸9將離心塊10向外甩出，轉(zhuǎn)速越大離心力越大。剎車(chē)片11將離心塊向外的離心力轉(zhuǎn)化為剎車(chē)片與外殼6在圓周方向的摩擦力。當(dāng)速度達(dá)到一定值時(shí)，摩擦力與重力達(dá)到平衡，此時(shí)主軸9就能保持該速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)逃生者勻速下降。當(dāng)需要調(diào)速時(shí)，逃生者使用遙控器4向單片機(jī)控制系統(tǒng)3發(fā)送無(wú)線遙控指令，包括開(kāi)始、加速、減速和停止信號(hào)。單片機(jī)控制系統(tǒng)3接收到調(diào)速指令，調(diào)節(jié)輸出到電機(jī)2的信號(hào)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。螺旋推進(jìn)塊1把電機(jī)2的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸向移動(dòng)，并利用杠桿機(jī)構(gòu)放大螺旋推進(jìn)塊對(duì)摩擦塊5的壓力。在電機(jī)2的調(diào)節(jié)下，摩擦塊5對(duì)剎車(chē)片11和離心塊10的側(cè)面產(chǎn)生一個(gè)附加的摩擦力，從而調(diào)節(jié)主軸9的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)加速、減速和空中懸停。

圖1 基本組成模塊

2 摩擦力減速機(jī)構(gòu)

如圖2所示，機(jī)構(gòu)主要由鋼絲繩夾緊機(jī)構(gòu)、主軸、離心塊、剎車(chē)片和外殼組成。它的主要功能是受負(fù)載的鋼絲繩通過(guò)鋼絲繩夾緊機(jī)構(gòu)將人體重力按一定比例轉(zhuǎn)化為主軸的驅(qū)動(dòng)力，主軸旋轉(zhuǎn)后將離心塊和剎車(chē)片一起甩出，并與外殼產(chǎn)生摩擦力，從而產(chǎn)生與重力驅(qū)動(dòng)相反的力矩使主軸減速。

圖2 摩擦力減速機(jī)構(gòu)

（1）逃生者下降速度分析

離心塊為四個(gè)相同的1/4環(huán)形柱組成的空心圓柱。

其中，R2=0.04 mm、R1=0.08 mm，分別為離心塊的內(nèi)外半徑；h=0.0 4 mm，為離心塊的厚度。離心塊的材料為45#鋼，密度為ρ=7.85 g/cm3，所以m=ρν=4.74 kg，則

式中，

N為離心塊在剎車(chē)片上產(chǎn)生的摩擦阻力；

μ=0.35為剎車(chē)片與離心塊的摩擦系數(shù)；

ω1為離心塊的角速度。

（2）當(dāng)緩降器勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)

由（1）、（2）、（3）式得

其中，ν為逃生者下降速度。分別取小孩質(zhì)量=30 kg，成人質(zhì)量=100 kg，代入（5）得：

通過(guò)以上計(jì)算可得，人體質(zhì)量取最大100 kg時(shí)，下降速度為1.213 m/s，在國(guó)家規(guī)定的緩降器逃生速度安全范圍1.5 m/s內(nèi)，故該設(shè)計(jì)滿足要求。

3 輔助摩擦減速機(jī)構(gòu)

輔助摩擦機(jī)構(gòu)的主要功能是在電機(jī)接受到控制器傳來(lái)的信號(hào)開(kāi)始工作后，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力矩通過(guò)螺紋旋轉(zhuǎn)化為軸向的推進(jìn)力，再通過(guò)一個(gè)杠桿將軸向力放大后作用于剎車(chē)片上，提供一個(gè)輔助摩擦力。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電機(jī)控制減速機(jī)構(gòu)

選用直流減速電機(jī)，額定電壓U=6 V，額定轉(zhuǎn)矩T=1.2 N·m。螺旋推進(jìn)塊通過(guò)螺紋旋轉(zhuǎn)將電機(jī)的扭矩T轉(zhuǎn)化為水平方向的推力F。

其中，k=0.2，為扭轉(zhuǎn)系數(shù)；D=6 mm，為螺栓公稱直徑。

輔助摩擦塊對(duì)剎車(chē)片產(chǎn)生的壓力：

其中，n=8.5，為杠桿給軸向力的放大倍數(shù)。

輔助摩擦力產(chǎn)生的阻力矩為:

其中，μ=0.2，為摩擦系數(shù)，R=70 mm，為摩擦力矩。

由式（6）、（7）、（8）可得，M=119 N·m。

而100 kg的人對(duì)主軸產(chǎn)生的力矩為：

其中r=25 mm為鋼絲繩處主軸的半徑。因?yàn)镸>M1，所以輔助摩擦減速機(jī)構(gòu)能使人在半空中停下，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 控制器設(shè)計(jì)

4.1 控制器主要功能

遙控器發(fā)送命令，控制中心進(jìn)行接收和處理，通過(guò)控制輸出電流的方向來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的正傳和反轉(zhuǎn)，從而控制輔助摩擦塊對(duì)剎車(chē)片和離心塊的摩擦力大小，實(shí)現(xiàn)加速、減速和空中懸停。

4.2 控制器工作原理

圖4為整個(gè)控制系統(tǒng)的流程圖。在下降過(guò)程中，通過(guò)人體本身的重力驅(qū)動(dòng)緩降器主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)后將主軸上的離心塊向外甩出并對(duì)外殼產(chǎn)生摩擦力，當(dāng)下降速度達(dá)到0~1.5 m/s中的某個(gè)值時(shí),摩擦力產(chǎn)生的阻力矩剛好與人體重力產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到平衡，這時(shí)逃生者就能按照該速度勻速下降。逃生人員感覺(jué)下降速度太快或者太慢時(shí)，可以按遙控調(diào)速器的按鍵發(fā)送加速、減速和停止命令給控制中心，控制中心接收到命令后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正傳或者反轉(zhuǎn)，再通過(guò)杠桿將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力放大后推動(dòng)輔助摩擦塊給剎車(chē)片施加壓力，當(dāng)電機(jī)正傳時(shí)，輔助摩擦力增大，下降速度減小；當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)輔助摩擦力減小，下降速度增大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)下降速度的智能控制。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

5 第一代產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況

為了驗(yàn)證產(chǎn)品性能，進(jìn)行了第一代產(chǎn)品的樣機(jī)制作和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所列。

表1 第一代產(chǎn)品性能測(cè)試

分析表1結(jié)果可知，使用該樣機(jī)可將沙袋的下降速度控制在0.6~1.5 m/s的安全范圍內(nèi)，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)遙控器可實(shí)現(xiàn)沙袋下降過(guò)程中的加速、減速和空中懸停。樣機(jī)滿足指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

此款緩降器采用傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和單片機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)逃生者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的需要自由調(diào)節(jié)下降速度的功能。它結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，安全可靠，可反復(fù)使用，可廣泛用于公眾場(chǎng)所，如：高層寫(xiě)字樓、機(jī)關(guān)辦公樓、學(xué)校的集體宿舍、高層大型商場(chǎng)、醫(yī)院病房、三樓以上的賓館等。當(dāng)高層建筑災(zāi)難發(fā)生時(shí)，它能為人們快速逃離災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間，挽救更多寶貴的生命，減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)的損失。這些優(yōu)點(diǎn)都決定它將會(huì)有非常好的市場(chǎng)前景，目前該產(chǎn)品已獲得四川省科技創(chuàng)新苗子工程的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助。

[1]葉 強(qiáng).液體流動(dòng)阻尼式高樓逃生器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2005，03（4）：210-212.

[2]陳品志，等.基于直流發(fā)電機(jī)和電磁制動(dòng)器的新型高樓逃生緩降器[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2010，10（下）：173-175.

[3]符 煒.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)構(gòu)思方法[M].湖南:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[4]李丙倫，等.簡(jiǎn)易火災(zāi)逃生緩降器的設(shè)計(jì)與研究[J].科技資訊，2010，8:122.

[5]鄒 平（譯）.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)與裝置圖冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[6]王 杰.機(jī)械制造工程學(xué)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004.

[7]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)聯(lián)接與緊固[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[8]王志明，等.救生緩降器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制作，2009，4:7-9.