譚春旺，張今朝，徐祝青，鄭 靜，苑大龍，黃珊珊

（嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興314001）

隨著人們生活水平的提高以及高層建筑的發(fā)展，高層火災(zāi)成為人類(lèi)生活中發(fā)生率較高并能造成巨大損失的災(zāi)難。隨著社會(huì)的發(fā)展、城市人口的增加和土地資源的緊缺，建筑物的層數(shù)越來(lái)越高，高度也隨之增加，高層建筑的消防安全隱患也越來(lái)越多[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每天平均發(fā)生各類(lèi)火災(zāi)9800余起，死亡2000多人，每年因火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)幾十億元，目前中國(guó)最高的消防云梯車(chē)高度為101m，難以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的高層建筑火災(zāi)逃生需求。因此開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單方便，迅速啟動(dòng)，同時(shí)能幫助人們快速逃離高層建筑突發(fā)火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)的裝置非常必要。

面對(duì)高層火災(zāi)的逃生，最有效快捷的方式無(wú)疑是逃生器，而現(xiàn)有逃生器大多基于類(lèi)似設(shè)計(jì)原理，普遍存在操作復(fù)雜繁瑣的問(wèn)題。為了更好地解決逃生難題，需要設(shè)計(jì)一款更加便攜的逃生器。為適應(yīng)需求，作者設(shè)計(jì)了一款機(jī)電一體化的逃生設(shè)備，該裝置由摩擦齒輪組和電磁阻尼器輔助齒輪減速。

1 逃生器技術(shù)功能優(yōu)勢(shì)對(duì)比

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

此類(lèi)逃生裝置有別于以往常見(jiàn)的機(jī)電一體化逃生裝置，采用單一的純機(jī)械結(jié)構(gòu)，其工作過(guò)程不依借其他任何動(dòng)力能源，僅靠自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，從而控制下降速度，使其帶著逃生者安全下滑。

1.2 雙重保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)

此類(lèi)逃生裝置為典型的機(jī)電一體化逃生裝置，主要采用摩擦片制動(dòng)輔以同步電機(jī)反饋制動(dòng)形成二次減速，從而達(dá)到雙保險(xiǎn)的目的，并實(shí)現(xiàn)下降速度在安全范圍內(nèi)可控和隨時(shí)停止的功能。

1.3 獨(dú)立模塊結(jié)構(gòu)

此類(lèi)逃生裝置采用模塊獨(dú)立的思路，各模塊間相互配合，這種設(shè)計(jì)讓裝置整體更加靈巧和可靠，操作簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，便于普及。

1.4 包角加手控式

此類(lèi)逃生裝置利用手控裝置改變鋼絲繩與包角輪的接觸面和受力面調(diào)整繩與輪的位置關(guān)系，即包角大小，從而增加鋼絲繩與鋼絲輪之間的摩擦力，達(dá)到手動(dòng)調(diào)節(jié)逃生速度的目的。

1.5 間歇沖擊式

間歇沖擊式逃生器是一種內(nèi)銷(xiāo)耗裝置，通過(guò)內(nèi)置的擒縱叉和擒縱輪不斷地間歇沖擊來(lái)消耗能量，因此該裝置無(wú)法自鎖，由于依靠干摩擦來(lái)減速，磨損嚴(yán)重，故使用壽命短。

1.6 液體流動(dòng)阻尼式

以流體阻尼材料為媒介，將逃生過(guò)程的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到吸能緩沖降低速度的效果[2-5]。

綜合上面幾種逃生裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，逃生裝置主要的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于夾裝、穩(wěn)定快速、安全可靠的易調(diào)速高樓裝置。根據(jù)以上研究，作者設(shè)計(jì)出一種高樓緩降逃生器，此裝置符合高樓逃生裝備的基本要求，通過(guò)改變摩擦力的大小，利用下降時(shí)的能量轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)了電磁阻尼裝置輔助調(diào)速，具有速度調(diào)節(jié)功能，非常適合于高層應(yīng)急逃生[6]。

2 逃生器結(jié)構(gòu)組成與工作原理

2.1 創(chuàng)新分析

（1）采用機(jī)電結(jié)合的結(jié)構(gòu)和雙保險(xiǎn)制動(dòng)結(jié)構(gòu)，齒輪和摩擦片制動(dòng)電磁阻尼輔助調(diào)速相配合的雙保險(xiǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多重優(yōu)勢(shì)的有機(jī)結(jié)合。

（2）簡(jiǎn)便省力調(diào)速和制動(dòng)：采用足夠的剎車(chē)彈簧拉力使制動(dòng)滑塊豎立壓迫逃生繩索與“V”形輪包合，逃生器處于持續(xù)減速狀態(tài)。在緩降狀態(tài)時(shí)，以拉繩帶動(dòng)剎車(chē)線(xiàn)，利用杠桿剎車(chē)原理放大拉力來(lái)控制齒輪的運(yùn)動(dòng)，并依借被動(dòng)式電磁阻尼輔助調(diào)速實(shí)現(xiàn)下降緩降。通過(guò)調(diào)節(jié)齒輪慢速、自由行進(jìn)或停止，從而調(diào)節(jié)和控制緩降過(guò)程的慢、快，或使其停止，以把柄、彈簧等結(jié)構(gòu)部件解決初速度過(guò)快或費(fèi)力控制下降等問(wèn)題。

2.2 結(jié)構(gòu)組成

該裝置機(jī)械部分由上下兩主體組成（如圖1），上部殼體為封裝結(jié)構(gòu)，主要由螺母、彈簧、摩擦片組成，下部主體主要由齒輪組包括制動(dòng)齒輪、控制齒輪和杠桿控制套件組成（注：圖1中位于軸線(xiàn)L2上的為“V”形輪，齒輪組左側(cè)為手動(dòng)控制部分）。

圖1 逃生器主體

該裝置電氣部分由“V”形輪和兩個(gè)銅線(xiàn)纏繞的鋁框組成。另配有電磁阻尼器，阻尼部分是由兩個(gè)磁極交錯(cuò)的永磁金屬制成，見(jiàn)圖2。

圖2 電磁阻尼器縱截面和橫截面磁感線(xiàn)

2.3 工作原理

該裝置機(jī)械部分的運(yùn)行原理：當(dāng)逃生者將裝置安裝在給定軌道上逃生時(shí)拉動(dòng)拉繩181，然后松開(kāi)，逃生者沿繩索下滑，由于重力作用制動(dòng)齒輪7轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)裝置在繩索上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)與前方逃生人員距離太小時(shí)人為拉下拉繩171通過(guò)杠桿14作用使羊角卡針10被頂起與齒輪的卡槽咬合，齒輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)齒輪7邊緣鋸齒與封裝頂蓋中的摩擦片1聯(lián)合作用迫使裝置停止于繩索上，保證與前方逃生人員的安全距離，當(dāng)距離合適時(shí)拉下拉繩171，這時(shí)停止的齒輪由于杠桿15與圓盤(pán)上圓柱凸起作用從而迫使齒輪受力反向轉(zhuǎn)動(dòng)并與羊角卡針失去咬合，羊角卡針失去咬合之后受重力作用回到杠桿17的初始位置，逃生人員在逃生時(shí)重復(fù)上述操作就可以自行控制與前方逃生人員的間距。

電磁阻尼器的優(yōu)勢(shì)及工作原理：電磁阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠提供穩(wěn)定的摩擦力以及制動(dòng)力，減震效果優(yōu)異，產(chǎn)業(yè)完善，產(chǎn)品成熟等特點(diǎn)，目前在工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛[7]。按照電磁阻尼產(chǎn)生原因的差異，可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。

被動(dòng)式電磁阻尼器顧名思義，其阻尼是被動(dòng)產(chǎn)生的，阻尼的大小由電機(jī)的勵(lì)磁電壓大小控制，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)電壓大小，其調(diào)節(jié)過(guò)程具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。本文闡述的設(shè)計(jì)即采用了一種新型的被動(dòng)式電磁阻尼器，其具備了被動(dòng)式阻尼器的基本特性，采用的是類(lèi)似于電磁軸承的結(jié)構(gòu)，但沒(méi)有閉環(huán)控制，出于安全考慮，采用了直流供電。與被動(dòng)式電磁阻尼器不同，主動(dòng)式電磁阻尼器的阻尼是主動(dòng)產(chǎn)生的，且增加了有傳感器的閉環(huán)反饋，利用位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再將該電信號(hào)傳輸?shù)娇刂破鬟M(jìn)行分析處理，得到相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出并產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信號(hào)（磁阻尼）使轉(zhuǎn)子回到軸線(xiàn)中心位置，最終形成完整的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。主動(dòng)式電磁阻尼器用來(lái)產(chǎn)生阻尼力主要是沿速度方向電磁力的分力，且與速度呈線(xiàn)性相關(guān)，電磁阻尼器通過(guò)改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度，從而抑制振動(dòng)[8]。

根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象及楞次定律可知：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，外電路閉合時(shí)會(huì)在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時(shí)磁場(chǎng)將對(duì)感應(yīng)電流安培力形成與原來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力偶矩，對(duì)磁場(chǎng)中做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體起阻尼作用。逃生時(shí)，在重力作用下，逃生者會(huì)做加速度不斷變化的加速運(yùn)動(dòng)，因此繞組受到的安培力也會(huì)增大，理想狀況下，當(dāng)重力和安培力達(dá)到平衡時(shí)，逃生者則可以實(shí)現(xiàn)勻速緩降。

電磁作用力即安培力產(chǎn)生的原理：安培力的實(shí)質(zhì)是定向移動(dòng)的電荷所受洛倫茲力的合力，如圖3所示。圖中：N-S為固定的磁場(chǎng)，閉合線(xiàn)圈以垂直于紙面的速度v向里運(yùn)動(dòng)，R為線(xiàn)圈的電阻。閉合導(dǎo)體與磁極發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于閉合導(dǎo)體穿透磁通量的變化，閉合導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)右手定則可以確定電動(dòng)勢(shì)的方向。再通過(guò)左手定則可以判定出電磁力的方向是否阻礙線(xiàn)圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中安培力始終作負(fù)功，因此兩者之間會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼，從而對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行制動(dòng)[9]。

圖3 安培力產(chǎn)生原理

該裝置電氣部分的運(yùn)行原理：該設(shè)備采用被動(dòng)式電磁阻尼器，當(dāng)“V”形齒輪在阻尼器下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩磁極交錯(cuò)構(gòu)成的阻尼器就會(huì)產(chǎn)生穿過(guò)金屬盤(pán)的磁感線(xiàn)，“V”形輪切割磁場(chǎng)產(chǎn)生電流，金屬制的“V”形輪產(chǎn)生的電流使其受到反向的安培力，當(dāng)距離磁場(chǎng)越近，產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，安培力越大，反向的安培力再加上軸承的滾動(dòng)摩擦力由F合=f動(dòng)+F安=ma可知合力越大，加速度越大，速度減小得越快；金屬盤(pán)的轉(zhuǎn)速越快，切割金屬盤(pán)的磁感線(xiàn)數(shù)量就越多，磁通的變化越大，產(chǎn)生的安培力就越大，制動(dòng)力也越大[10]?！癡”形輪如圖4所示。

圖4 “V”形輪示意圖

3 逃生系統(tǒng)模型分析及仿真

3.1 “V”形輪力學(xué)方程

“V”形輪受力如圖5所示，功率Pc=KAP，額定功率P=Fv，于該系統(tǒng)F＝G－fm-Fz，其中Fz為制動(dòng)力，可得“V”形輪軸向受力：

圖5 繩在槽中受力

式中m為鋼絲繩的線(xiàn)質(zhì)量，v為下降速度，由于“V”形輪角度小于180°，包角修正系數(shù)Ka取1。

上式中，r為“V”形輪半徑，“V”形輪的V形角為 θ，fv為當(dāng)量摩擦系數(shù)包角 α 為180°、μ1為繩與“V”形輪的摩擦系數(shù)。

可得施加在逃生器上輸入的力為：

其中，重力加速度g為9.8m/s2，上包裹摩擦片和繩的摩擦系數(shù)為 μ2，摩擦力為f=μ2F離心力[11]。

3.2 “V”形輪MATLAB仿真

在逃生器運(yùn)行過(guò)程中，“V”形槽與繩的摩擦和咬合程度直接影響逃生過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性，當(dāng)“V”形槽夾角θ過(guò)小時(shí)，過(guò)小的夾角容易卡牢鋼絲繩；當(dāng)“V”形槽夾角θ過(guò)大時(shí)，鋼絲繩與“V”形輪接觸面積過(guò)小易造成脫軌。

使用MATLAB軟件對(duì)“V”形槽的夾角θ選取進(jìn)行優(yōu)化分析，仿真結(jié)果如圖6所示。為保證安全進(jìn)行保守設(shè)計(jì)，取鋼絲繩與鋼的摩擦系數(shù)u為最小值0.1，由于摩擦力與人體重力成正比例關(guān)系，設(shè)比例系數(shù)為K。

圖6 K與θ關(guān)系圖

在MATLAB命令窗口中輸入：

syms x;

f=9.8*（1-0.2*sin（x/2））;

fplo（tf，[pi/12，pi]）;

xlabe（l′θ′）;

ylabe（l′K′）;

title（′Kθplot′）;

從圖6可以看出，夾角θ對(duì)K值是一個(gè)遞減函數(shù)曲線(xiàn)，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，為了保證較高的摩擦力、滿(mǎn)足線(xiàn)性化的要求，同時(shí)確保鋼絲繩順利通過(guò)，夾角取中間值，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析夾角取1.4。優(yōu)化后可以得到力學(xué)方程：

f=9.8*G人*x*（1-0.2*sin（0.7））。

在MATLAB命令窗口中輸入：

syms x;

f=9.8*x*（1-0.2*sin（0.7））;

fplo（tf，[10，100]）;

xlabe（l′f′）;

ylabe（l′G′）;

得到摩擦力與重量變化的曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 摩擦力與重力變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)目前高樓火災(zāi)逃生器現(xiàn)狀的分析，作者設(shè)計(jì)了一種便攜式降落逃生器，并概括了該逃生器的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象及楞次定律，以機(jī)電一體化逃生器為研究對(duì)象，采用摩擦減速制動(dòng)和被動(dòng)式電磁阻尼輔助緩速的方法，從而達(dá)到勻速緩降的效果，并對(duì)“V”形輪及繩進(jìn)行了力學(xué)分析，建立了“V”形輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)方程。該逃生器具有較強(qiáng)的逃生功能，可以很好地解決速度慢、自適應(yīng)差的問(wèn)題，使用十分簡(jiǎn)便，存放十分便攜，對(duì)高樓逃生具有很好的效果。