一種高層建筑應(yīng)急逃生裝置研究
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摘要：基于摩擦緩降和電磁阻尼原理，研究并設(shè)計(jì)制作了一款純機(jī)械式高層建筑應(yīng)急逃生裝置。該裝置采用單行程滑道式摩擦緩降原理，通過二級(jí)加速齒輪箱提高離心式摩擦減速器的轉(zhuǎn)速，同時(shí)利用減速電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電磁阻尼力矩進(jìn)行減速制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了摩擦力和電磁阻尼力雙保險(xiǎn)制動(dòng)的功能，應(yīng)急逃生緩降速度可控并能實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。最后對樣機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明該產(chǎn)品逃生策略新穎，安全性大大提高，純機(jī)械式模塊化結(jié)構(gòu)，體積小，操作簡便，安全可靠。
關(guān)鍵詞：高層建筑；應(yīng)急；逃生裝置；結(jié)構(gòu)；實(shí)用性
1高層建筑應(yīng)急逃生裝置研發(fā)的意義
隨著城市的發(fā)展，高層建筑越來越多，從高層建筑火災(zāi)案例可以看出，高層建筑的災(zāi)害應(yīng)急疏散逃生是其中亟待解決的關(guān)鍵問題。目前在普通居民高層建筑領(lǐng)域，缺乏能夠在緊急狀態(tài)下適合普通百姓逃生的救生產(chǎn)品。首先，普通消防救援車在高層建筑中有高度限制。據(jù)資料顯示，世界最先進(jìn)的消防救援車的救援高度僅為60m，而現(xiàn)在上百米的高層建筑在各大城市已是鱗次櫛比，司空見慣。高度超過60m以上建筑的應(yīng)急救援問題亟待解決。其次，現(xiàn)有的專業(yè)救援設(shè)備的操作使用較為繁瑣復(fù)雜，不適于普通的居民家庭?，F(xiàn)在市場上常見的各種專業(yè)野外救援和高層救援設(shè)備，體積龐大，操作較為復(fù)雜，很難在普通居民家庭普及。因此研究設(shè)計(jì)一種操作簡單、功能安全可靠，適用于普通百姓家庭使用的高層建筑應(yīng)急逃生裝置具有重要的意義。
2高層建筑應(yīng)急逃生裝置研發(fā)的流程
（1）基本思路。高層建筑應(yīng)急逃生裝置是一種體積小、功能安全可靠、方便操作的大眾化民用應(yīng)急自救裝置，用于高層建筑發(fā)生緊急情況時(shí)，將其套在手臂上，另一端固定在窗戶、陽臺(tái)等穩(wěn)固處，手握逃生器操作手柄即可安全滑下，在逃生的過程中可實(shí)現(xiàn)下滑速度可控和緊急制動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)緊急逃生。（2）創(chuàng)新點(diǎn)。①純機(jī)械式結(jié)構(gòu)：逃生裝置摒棄傳統(tǒng)的機(jī)電結(jié)合的思路，采用純機(jī)械式結(jié)構(gòu)，在工作過程中不需要借助外界任何能源，僅靠自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)控制下降速度，使其帶著人體安全下滑。②雙重保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)；逃生裝置采用摩擦片制動(dòng)和減速電機(jī)反饋制動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙保險(xiǎn)制動(dòng)，且能實(shí)現(xiàn)下降速度在安全范圍內(nèi)可控，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)停止。③模塊化結(jié)構(gòu)：裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)，體積小，操作簡單，男女老幼均可單獨(dú)使用，便于普及到普通百姓家庭。（3）技術(shù)指標(biāo)。①逃生裝置的下滑速度約為1m/s，是根據(jù)人體重量不同略有差異，最大負(fù)重250kg。②逃生裝置零件數(shù)量約為零部件數(shù)225個(gè)。③最終產(chǎn)品尺寸為211.5mm×150mm×373.5mm，總質(zhì)量約為2.0kg。
3高層建筑應(yīng)急逃生裝置的結(jié)構(gòu)
高層建筑應(yīng)急逃生裝置主要由鋼絲繩輪、傳動(dòng)部分和操作部分構(gòu)成。與以前已有的技術(shù)相比，該發(fā)明設(shè)計(jì)具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，主要表現(xiàn)在以下幾方面。（1）純機(jī)械式結(jié)構(gòu)。該裝置全部由純機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，不需要任何外部能源，可靠性大大提高。產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)電結(jié)合的思路，采用了純機(jī)械式結(jié)構(gòu)。使用時(shí)不需要借助外界任何能源，僅靠自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)即可控制逃生的下降速度，使其帶著逃生者安全下滑。裝置采用特殊結(jié)構(gòu)的減速電機(jī)進(jìn)行反饋制動(dòng)和摩擦片制動(dòng)雙保險(xiǎn)，使用者可根據(jù)外界環(huán)境的變化，通過運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)使本裝置隨時(shí)停止在任意高度位置，最大限度的保障安全。（2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙保險(xiǎn)。該裝置采用摩擦片制動(dòng)和減速電機(jī)反饋制動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙保險(xiǎn)，且能實(shí)現(xiàn)下降速度在安全范圍內(nèi)可控，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)起停。產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)了一種特殊的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和一個(gè)新型結(jié)構(gòu)的摩擦片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。逃生器的傳動(dòng)部分是純機(jī)械式結(jié)構(gòu)，鋼絲繩輪經(jīng)過聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)第一個(gè)齒輪部分，經(jīng)中間齒輪（中間齒輪和減速電機(jī)相連，為第二個(gè)齒輪部分）傳遞到第三個(gè)齒輪部分，中軸穿過第三個(gè)齒輪，中軸中間為一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，連桿另一端為一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的摩擦塊，這樣將鋼絲輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為摩擦塊的直線運(yùn)動(dòng)以便于控制。逃生器在下降過程中由電機(jī)部分和離心式摩擦緩降器自動(dòng)控制其下落速度。電機(jī)部分由兩個(gè)相同的電機(jī)反向連接構(gòu)成反饋制動(dòng)，中間連接一個(gè)控制電阻。逃生器在工作時(shí)其中一個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的電流通過控制電阻后反向傳給另一個(gè)電機(jī)，使其反向轉(zhuǎn)動(dòng)從而增加反饋制動(dòng)力。通過改變反饋電阻的阻值可以改變反饋電機(jī)產(chǎn)生的反饋力的大小，從而改變逃生器的下降速度。新型的離心式摩擦緩降器是在一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤上鑲?cè)肴齻€(gè)活動(dòng)摩擦塊，圓盤通過齒輪與傳動(dòng)部分直接相連，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí)，由于離心力的作用，摩擦塊會(huì)與外壁接觸從而產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力來控制逃生器的下降速度。逃生器通過雙電機(jī)反饋制動(dòng)和離心式摩擦緩降器兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行下降速度的控制，為本裝置的可靠性提供了雙保險(xiǎn)。在逃生下降過程中如遇外界環(huán)境發(fā)生變化，制動(dòng)機(jī)構(gòu)可起作用進(jìn)行減速并停止下滑。制動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)對稱的摩擦塊和一個(gè)曲柄摩擦塊組成，摩擦塊與曲柄之間有一定的間隙。右上方與控制電阻相連。手指向下拉動(dòng)操作桿時(shí)，電位器的阻值會(huì)變小，通過電機(jī)的反饋制動(dòng)電流就會(huì)增大，電機(jī)制動(dòng)力矩增加，下降速度就會(huì)進(jìn)一步減小，此時(shí)摩擦塊剛好與曲柄接摩擦塊觸，但未產(chǎn)生摩擦力的作用，繼續(xù)向下拉動(dòng)操作桿，兩個(gè)摩擦塊就會(huì)將曲柄摩擦塊壓緊，制止其運(yùn)動(dòng)，從而讓整個(gè)逃生裝置緊急停下來。（3）逃生器采用模塊化結(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)。該裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)，體積小，操作簡單，男女老幼均可單獨(dú)使用，便于普及到每個(gè)普通家庭。該產(chǎn)品是一個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶所居住的樓層高度不同，便于拆卸和更換鋼絲繩輪。更換鋼絲輪的目的在于多次使用，并根據(jù)不同的樓層高度更換不同長度的鋼絲繩輪。更換時(shí)只需將鋼絲輪兩端的兩個(gè)卡扣打開，把兩個(gè)擋片取下，推開兩端的聯(lián)軸器（聯(lián)軸器后面是彈簧），便可將鋼絲輪取下，按相反的步驟即可將更換的鋼絲輪裝上。此外，應(yīng)急逃生裝置外觀小巧美觀，平時(shí)可放在室內(nèi)做為裝飾，應(yīng)急時(shí)用來逃生。
4高層建筑應(yīng)急逃生裝置的實(shí)用性
該發(fā)明投入使用可以解決現(xiàn)有高層建筑逃生領(lǐng)域的兩大關(guān)鍵問題。（1）解決了高層建筑逃生裝置在普通民用家庭中的普及問題。產(chǎn)品做到了體積小、操作簡單、易取易用，不論男女老幼均可獨(dú)立使用。尺寸大小與一個(gè)小型滅火器尺寸相仿。體積小，機(jī)構(gòu)緊湊，便于操作，造型美觀，重量輕，適合家庭擺放。（2）解決了逃生裝置運(yùn)行的安全性和可操作性問題。設(shè)備采用了純機(jī)械式結(jié)構(gòu)，摒棄傳統(tǒng)的機(jī)電結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，在使用時(shí)不需要借助外界任何能源，僅靠自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)控制逃生的下降速度，使其帶著人體安全下滑。裝置采用特殊結(jié)構(gòu)的減速電機(jī)進(jìn)行反饋制動(dòng)和摩擦片制動(dòng)雙保險(xiǎn)，運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)可使本裝置隨時(shí)停在任意高度位置，最大限度的保障安全。高層建筑應(yīng)急逃生裝置現(xiàn)已被開發(fā)生產(chǎn)和銷售，該發(fā)明專利產(chǎn)品及其新技術(shù)實(shí)施后，逃生器的安全性大大提高。逃生者能及時(shí)根據(jù)周圍環(huán)境的變化調(diào)整下降速度，具有特殊機(jī)構(gòu)的減速電機(jī)制動(dòng)和摩擦緩降器雙重保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)，方便操作，隨時(shí)進(jìn)行緊急制動(dòng)并能停止。該產(chǎn)品是一種新型、安全、高效的高層建筑逃生裝置，可保障安全。
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作者：譚輝 殷允東 張義壯 張少嵩 李輝 單位:濱州學(xué)院