研究高楼逃生装置设计方案

研究高楼逃生装置设计方案1 绪言1.1 课题的背景及研究意义随着世界经济的发展，各个城市高楼林立。

而高楼火灾、爆炸、地震等事故时有发生，高楼逃生自救就成为了迫切需要解决的问题。

一般多功能的高层建筑，部通道错综复杂，一旦发生火灾，楼通风口会迅速扩大火势和烟雾，很快就会扩散到各个角落，一旦浓烟覆盖就会寸步难行。

进而困在楼上无法脱身。

当突如其来的灾难来临时，电梯会因为电力中断而不能用，楼梯又被人群堵死，一般的地面救援装备在高度上可能不够，而且还会因为装备的笨重而不能迅速快捷的实施救援[1]。

从而延误抢救时机，有很多人都因此而丢掉了宝贵的生命或则留下终身残疾。

因此如何快速而有效的逃离起火大楼成了一个生死攸关的问题。

高楼逃生装置就在这样的环境应运而生。

本设计要求在高层建筑发生火灾等其他突发情况时，设计一种可以帮助人们方便，快捷的逃生工具。

要求设计的逃生装置在各种结构的建筑物都可以适用，操作简单自动化，可以在一个人可以操作的尺寸和重量的围使用和运送,多次重复往返高楼大厦进行施救。

因此，它可以最大限度地减少火灾伤亡。

通过分析现有的一些高楼逃生装置，虽然大部分设备可以实现高楼逃生此功能，但其复杂的结构原理和操作系统，昂贵的价格和偏低的安全性对高楼逃生自救还是很有限的。

一些设备还需要电源控制，但当地震或火灾很可能无电力供应。

复杂的操作使得有些人可能有自救装置因为不会使用而葬生。

因此，本次设计高楼逃生装置是基于负反馈回路系统设计的一种结构简单、操作方便，并且不需要电力或其他能源驱动的纯机械结构的逃生装置。

其原理是当逃脱人员因为重力下落时通过机构转换，产生阻碍逃生人员快速下落的阻力，随着逃生人员下降，阻力能够随之增大，使逃生人员在下降过程中依次经历加速、匀速、减速三个阶段，最终以一个安全的速度到达地面，实现成功自救。

该装置仰角人工可调，不用的仰角合适不同的高度围。

当从动轴和绳索之间的摩擦系数以及绳索的直径发生变化时，还可以通过改变该装置的仰角来恢复该装置的正常使用，适应于各种环境。

1.2 国外研究现状在我们国家，主要的救生设备是缓降逃生器和空气救生垫。

缓降逃生器[2]主要用于普通家庭和个人，它是由调速器，安全带，安全钩，绳索等组成。

可携带100公斤左右个人自由单向滑动，以每秒1.5米左右的速度下降。

从建筑物的30楼逃生，需要花费超过60秒的时间，根据体重的不同，稍微有所差异。

虽然平时60秒看似不起眼，但在分秒必争的灾难逃生的现场下或稍显较长。

现在使用这种逃生缓降器的情况并不理想，除了家庭消防意识弱，经济因素的原因。

还因为这种逃生缓降器适用围不高，老年儿童及病残都不能有效操作使用，可能还会出现多家庭同时使用产生交织安装问题，而且需要定期维护。

以上种种因素导致它难以进入普通人们的家庭。

空气救生垫是利用充气膨胀而产生缓冲效果的高空救生设备。

大部分都是由高强度纤维材料缝纫、粘合制成。

使用时用高压气瓶充气即可，但救生气垫的安全性随着楼层的高度增加而降低。

在3-4层建筑物使用效果还是非常可观的，但是随着高度的增加，其缓冲效果和逃生人员落地的准确性都得不到保障。

因此空气救生垫应用围非常有限，对于楼层过高的高楼下跳是非常危险的。

本来可能还有生路，这样纵身一跃把唯一的生路都无意间放弃了，如果跳下来没有落在救生垫上，结果肯定会很惨。

目前，国外高楼逃生装置有以下几种形式：间歇冲击：间歇性冲击式逃生装置是由间歇性的撞击消耗能源[3]。

就和一个时钟的擒纵叉和擒纵轮的道理一样，达到消耗能量的目的。

液体流动阻尼：液体流阻尼逃生装置[4]是根据液体流经小孔时会产生稳定阻尼来降低速度的原理。

其主要特点是由于液体阻尼器的尺寸依赖于外部负载，所以不管体重大小都能使用，而且效果良好。

此外，据《新科学家》杂志报道，美国国防部高级研究计划局正在研究弹射飞人。

该研究的现实用途非常特殊，可以在紧急情况下可以把将警方或消防人员发送到高楼，从而迅速完成各项任务的。

一种斜轨是以一个与地面斜坡成80的姿态靠近目标位置，执行任务的人员坐在椅子上——类似于飞行员驾驶舱的弹射座椅。

压缩气瓶中的空气从中迅速排出，则沿滑轨弹射座椅，到达滑轨顶部的时停止，身体由于惯性飞到屋顶，安全到达指定位置。

正确计算抛物线轨迹是此方案成功与否的关键。

因此如果有一台能够精准控制发射角度和速度的电脑，此方案必定可行。

据报道，确实有这样一台电脑能够两秒把人安全送到5楼。

1.3 高楼逃生装置的类型确保安全可靠的机械运动是必要的，而限制机械运动的速度是确保安全可靠的首要任务。

目前，国有不少自动限速装置的类型，主要包括包括间歇性、离心调速器和液体阻尼。

1.3.1 凸轮式高楼逃生装置凸轮自动限速器，如图1.1,它包括一个外径为200mm的固定凸轮，其中，把凸轮支架设置在凸轮型腔，中央导轨支架的横向的设置是有滑动阀芯的，多个依序连续并沿着同一圆周的弧形凸轮面均匀分布在凸轮型腔，就组成了凸轮型腔的周壁，两个相邻的弧形凸轮面的结合处到凸轮中心连线的延长线与延长方向所对的弧形凸轮面的顶点相交，通过径向凸轮的中心的腔的凸轮的芯的滑动阀的长度等于设置有油室的导轨托架主体，滑动芯是固定连接与位于阻尼器的油室的上部和下部侧的阀。

图1.1 凸轮式模型当该凸轮滑动型芯在气门驱动用作往复横向移动，从而使从油腔从一侧通过间隙流动阻尼片的油室的另一侧，然后用缓冲室的另一侧回油油侧的初级侧，此过程中产生极大的阻尼，是为了限制凸轮的速度。

凸轮构件与任何需要限速的回转件联接，可以实现自动限制旋转部件转动的速度。

优点：体积小，无噪音，成本低，易于安装和维护的制作，坚固耐用，实用性高。

缺点：复杂的，多部件，生产耗费时间和劳动力，下降速度不稳定，安全系数比较低。

1.3.2 涡轮蜗杆式高楼逃生装置原理：利用自锁式蜗轮蜗杆可以驱动蜗轮，但该蜗轮不能驱动蜗杆，使人们在逃生疏散过程中，掌握自己的命运。

优点：结构简单，具有自锁，安全性，制造成本低廉。

缺点：摩擦磨损大，物料需求比较高，操作程序复杂，一般人是不容易操作。

1.3.3 心摩擦式高楼逃生装置原理：人的重力驱动着卷轴的转动，当卷轴的活动很快时，会因为离心力而产生正压力，这样摩擦片与外壳产生的摩擦力就成为了逃生人员下降的阻力[5] ，并在下落速度达到一定值时，各项指标达到平衡，人逃生人员就匀速下降。

优点：逃亡下降过程中不需要人员控制。

缺点：局限性大，对最大和最小的重力都有限制，重力越大掉在地上的速度越大，若不能以安全速度降落，则达不到最初的目的。

而且最小使用重力为200N。

2 设计方案的确定机械系统是一个由原动机，传动系统，执行系统，控制系统以及其他辅助系统协调运作的系统。

所以在机械系统设计的过程中应该着重注意上述几部分之间的协调运作。

所以原动机的选择，传动系统、执行系统、控制系统以及其他辅助系统的设计都需要全面考虑。

整体机械系统设计的特点：协调性：整个系统由各个子系统构成，而子系统有着不同的属性，但各个子系统结合时，他们必须遵循的总体功能需求。

相关性：系统的各要素之间是相互关联的，有的相互作用，有的相互制约。

改变任意一个要素就会牵动其他要素的变动，从而影响整个系统的性能。

部和外部结合：外部环境的变化将导致部系统输入的改变，从而将使得系统在输出时也会相应的改变，所以外相互影响着。

2.1 方案设计原理高楼逃生起结构，如图2.1。

图2.1 逃生装置结构图[6]1.窗口或阳台的墙壁2.仰角调节旋钮3.主动轴4.从动轴5.齿轮二6.齿轮一7.手柄8.板件9.挂钩 10.上下连杆本次设计中无需原动机，仅由逃生人员的重力使其下落。

传动系统则选择齿轮传动，因为其特点是传动稳定、结构紧凑且双向传动。

控制系统有齿轮外侧手柄和仰角调节旋钮。

在火宅、地震等灾难发生的时候，将该装置挂在窗口或则阳台，保证该装置的稳定。

该装置绳索的一端固定在主动轴上，并且顺时针缠绕，另一端在从动轴的上方通过后用于逃生。

在逃生人员与绳索固定后，然后自由下降。

因为绳索顺时针缠绕在主动轴上，所以在下落的同时会带动主动轴顺时针转动，主动轴的顺时针转动会产生一个顺时针的转矩，然后再传递到主动轴侧边的齿轮上。

又因为绳索在从动轴上方通过，在下降过程中，绳索对从动轴会因为压力而产生摩擦力。

摩擦力则会对从动轴产生一个顺时针转矩，再传递从动轴侧边的齿轮上。

经过外啮合齿轮的传递，齿轮的啮合处产生的反方向阻力，将会阻碍主动轴的顺时针快速转动，也就阻碍了逃生人员的下降。

之后随着逃生人员的下落，绳索的伸长，绳索厚度的减小。

使得绳索与从动轴的包角越来越大，接触面积增大，摩擦力增大，从动轴的顺时针转矩增大，阻碍主动轴快速转动的力就越大。

就这样，逃生人员的加速度经过正数→零→负数的过程。

逃生人员也相应的经过了加速，均匀、减速过程，最后以安全速度下降到地面。

此外，还可以调整仰角来合适不同高度的逃生。

图2.2 逃生装置自动减速原理图装置自动减速原理，如图2.2。

当有一定的直径当绳索在缠绕在轴上时，会有些厚度。

随着逃生人员的下落，绳索的伸长，绳索在轴一上缠绕的层数越来越少，从而使得绳索在轴二的包角越来越大（α＜β＜γ），接触面积也随之增大。

因为当压力一定时，摩擦力随着接触面积的增大而增大。

此时反馈到齿轮二上，齿轮二的阻力也必然增大。

这样就能达到使逃生人员先加速再匀速后减速的目的，以安全速度降到地面。

2.2 设计方案的优缺点方案的优点：相对于其他现有的高楼逃生装置，此装置最大的优势在于设备不需要使用其他能源，仅依靠逃生者自身的重力。

逃生过程中也不需要逃生人员的控制，适用于老弱病残等操作不便之人。

此装置是纯粹的机械结构，结构简单，操作简单。

方案的缺点：该设备对制作材料的属于要求较高，各个机构之间必须紧密。

而且在人员下落的加速过程中速度可能会加到很大，逃生人员需要有一定的耐受性。

逃生人员不能持续逃脱，每完成一个逃生人员，下一个逃生人员需要把逃生绳再缠绕后逃生。

还有就是后面重点说到的通用性不足。

3 逃生装置各部件设计3.1 轴的设计3.1.1 主动轴的设计45调质钢[7]是该装置中轴材料的最好选择。

初取主动轴半径轴mm r 251=，重力N G 1500=。

则主动轴所受扭矩1Gr T =。

当扭转切应力为脉冲循环变应力时，取6.0≈α。

则按轴的弯矩和扭矩合成强度条件校核[8]时，一般只校核危险截面的强度[9]，则有： 31)2(1.0r TW Tca ⨯==αασ （3.1）Mpa ca 8.1=σ式中 ca σ——轴的危险截面计算应力；α ——折合系数；T ——轴所受的扭矩；W ——轴的抗弯截面系数(31.0d W ≈)。

由轴常用材料性能及其主要力学性质表[8]查得对称循环变应力时轴的许用弯曲应力[]Mpa 601=-σ，因为[]18.1-<=σσMpa ca ，故符合要求。