机械设计创新方案

消麟设蕃研巍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．ｎ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［［Ｉ］。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１２１，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叫，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

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１４，． 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上有许多阻尼小孔。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。

图１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。

基金项目：福州大学本科生科研训练计划项目基金资助２１０Ｆｉｒｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｍａｒｃｈ　２００５，Ｖｏｌ　２４，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２０

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１４０ 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人处的外缘，使得钢丝绳左侧

消防科学与技术２００５年３月第２４卷第ｚ期

进人处与回转轴４间的压力增大，摩擦力矩也因此增大。重物的质量越大，则钢丝绳左侧进人处与回转轴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，孔口小的流量变化比孔口大的来得小，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，可大大减小外壳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．　５　ｍ／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

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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、中间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：Ｃ１」白阳光高楼逃生安全控制器「Ｐ］．中国专利：８９１０３５５５．　９，１９９。一 ２一１９．

Ｈｏｒｉｚｏｎ火警控制盘 ＭＯＲＬＥＹ　ＩＡＳ公司设计的新型系列通用火灾报警控制盘，用于学校、汽车库、旅店、零售商店及其它商用建筑物。 此系统适合采用２，４，８区控制，有两个声响报警区域，两个可配置的数字化输入端及备用的电源输出端，控制盘装配在耐燃的ＡＢＳ机壳内。 根据设计，Ｈｏｒｉｚｏｎ通过采用复合探测方式，即相邻两区内两个探测器必须在声响报警信号输出之前同时启动的方式，使误报降到最低。可编程的延时，使现场人员在采取任何行动之前，有时间进行事故的验证。

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叶海燕．曾景霖．２４．赵英斌．１２．

缓降救生器［Ｐ］．中国专利：０２２７７３４０．１，　２００３－０９－０３．高楼救生缓降器「Ｐ］．中国专利：９３２３９８８７．　１，１９９４－０８－