一種高層建筑應急逃生裝置研究
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摘要：基于摩擦緩降和電磁阻尼原理，研究并設計制作了一款純機械式高層建筑應急逃生裝置。該裝置采用單行程滑道式摩擦緩降原理，通過二級加速齒輪箱提高離心式摩擦減速器的轉速，同時利用減速電機高速旋轉產生電磁阻尼力矩進行減速制動，實現了摩擦力和電磁阻尼力雙保險制動的功能，應急逃生緩降速度可控并能實現緊急制動。最后對樣機進行了現場測試。測試結果表明該產品逃生策略新穎，安全性大大提高，純機械式模塊化結構，體積小，操作簡便，安全可靠。
關鍵詞：高層建筑；應急；逃生裝置；結構；實用性
1高層建筑應急逃生裝置研發(fā)的意義
隨著城市的發(fā)展，高層建筑越來越多，從高層建筑火災案例可以看出，高層建筑的災害應急疏散逃生是其中亟待解決的關鍵問題。目前在普通居民高層建筑領域，缺乏能夠在緊急狀態(tài)下適合普通百姓逃生的救生產品。首先，普通消防救援車在高層建筑中有高度限制。據資料顯示，世界最先進的消防救援車的救援高度僅為60m，而現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以上建筑的應急救援問題亟待解決。其次，現有的專業(yè)救援設備的操作使用較為繁瑣復雜，不適于普通的居民家庭?，F在市場上常見的各種專業(yè)野外救援和高層救援設備，體積龐大，操作較為復雜，很難在普通居民家庭普及。因此研究設計一種操作簡單、功能安全可靠，適用于普通百姓家庭使用的高層建筑應急逃生裝置具有重要的意義。
2高層建筑應急逃生裝置研發(fā)的流程
（1）基本思路。高層建筑應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急自救裝置，用于高層建筑發(fā)生緊急情況時，將其套在手臂上，另一端固定在窗戶、陽臺等穩(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現下滑速度可控和緊急制動，從而實現緊急逃生。（2）創(chuàng)新點。①純機械式結構：逃生裝置摒棄傳統(tǒng)的機電結合的思路，采用純機械式結構，在工作過程中不需要借助外界任何能源，僅靠自身的機械結構控制下降速度，使其帶著人體安全下滑。②雙重保險結構；逃生裝置采用摩擦片制動和減速電機反饋制動實現雙保險制動，且能實現下降速度在安全范圍內可控，可實現隨時停止。③模塊化結構：裝置采用模塊化結構，通用性強，體積小，操作簡單，男女老幼均可單獨使用，便于普及到普通百姓家庭。（3）技術指標。①逃生裝置的下滑速度約為1m/s，是根據人體重量不同略有差異，最大負重250kg。②逃生裝置零件數量約為零部件數225個。③最終產品尺寸為211.5mm×150mm×373.5mm，總質量約為2.0kg。
3高層建筑應急逃生裝置的結構
高層建筑應急逃生裝置主要由鋼絲繩輪、傳動部分和操作部分構成。與以前已有的技術相比，該發(fā)明設計具有突出的實質性特點和顯著的進步，主要表現在以下幾方面。（1）純機械式結構。該裝置全部由純機械結構組成，不需要任何外部能源，可靠性大大提高。產品在設計過程中摒棄了傳統(tǒng)的機電結合的思路，采用了純機械式結構。使用時不需要借助外界任何能源，僅靠自身的機械結構即可控制逃生的下降速度，使其帶著逃生者安全下滑。裝置采用特殊結構的減速電機進行反饋制動和摩擦片制動雙保險，使用者可根據外界環(huán)境的變化，通過運動連桿機構使本裝置隨時停止在任意高度位置，最大限度的保障安全。（2）傳動機構采用雙保險。該裝置采用摩擦片制動和減速電機反饋制動實現雙保險，且能實現下降速度在安全范圍內可控，可實現隨時起停。產品的關鍵技術是設計了一種特殊的傳動機構和一個新型結構的摩擦片運動機構。逃生器的傳動部分是純機械式結構，鋼絲繩輪經過聯(lián)軸器聯(lián)結第一個齒輪部分，經中間齒輪（中間齒輪和減速電機相連，為第二個齒輪部分）傳遞到第三個齒輪部分，中軸穿過第三個齒輪，中軸中間為一個曲柄連桿機構，連桿另一端為一個直線運動的摩擦塊，這樣將鋼絲輪的轉動轉換為摩擦塊的直線運動以便于控制。逃生器在下降過程中由電機部分和離心式摩擦緩降器自動控制其下落速度。電機部分由兩個相同的電機反向連接構成反饋制動，中間連接一個控制電阻。逃生器在工作時其中一個電機產生的電流通過控制電阻后反向傳給另一個電機，使其反向轉動從而增加反饋制動力。通過改變反饋電阻的阻值可以改變反饋電機產生的反饋力的大小，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可轉動的圓盤上鑲入三個活動摩擦塊，圓盤通過齒輪與傳動部分直接相連，當轉動速度達到一定值時，由于離心力的作用，摩擦塊會與外壁接觸從而產生摩擦制動力來控制逃生器的下降速度。逃生器通過雙電機反饋制動和離心式摩擦緩降器兩種結構進行下降速度的控制，為本裝置的可靠性提供了雙保險。在逃生下降過程中如遇外界環(huán)境發(fā)生變化，制動機構可起作用進行減速并停止下滑。制動機構由兩個對稱的摩擦塊和一個曲柄摩擦塊組成，摩擦塊與曲柄之間有一定的間隙。右上方與控制電阻相連。手指向下拉動操作桿時，電位器的阻值會變小，通過電機的反饋制動電流就會增大，電機制動力矩增加，下降速度就會進一步減小，此時摩擦塊剛好與曲柄接摩擦塊觸，但未產生摩擦力的作用，繼續(xù)向下拉動操作桿，兩個摩擦塊就會將曲柄摩擦塊壓緊，制止其運動，從而讓整個逃生裝置緊急停下來。（3）逃生器采用模塊化結構，通用性強。該裝置采用模塊化結構，體積小，操作簡單，男女老幼均可單獨使用，便于普及到每個普通家庭。該產品是一個模塊化結構，根據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，并根據不同的樓層高度更換不同長度的鋼絲繩輪。更換時只需將鋼絲輪兩端的兩個卡扣打開，把兩個擋片取下，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，應急逃生裝置外觀小巧美觀，平時可放在室內做為裝飾，應急時用來逃生。
4高層建筑應急逃生裝置的實用性
該發(fā)明投入使用可以解決現有高層建筑逃生領域的兩大關鍵問題。（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。產品做到了體積小、操作簡單、易取易用，不論男女老幼均可獨立使用。尺寸大小與一個小型滅火器尺寸相仿。體積小，機構緊湊，便于操作，造型美觀，重量輕，適合家庭擺放。（2）解決了逃生裝置運行的安全性和可操作性問題。設備采用了純機械式結構，摒棄傳統(tǒng)的機電結合的設計思路，在使用時不需要借助外界任何能源，僅靠自身的機械結構控制逃生的下降速度，使其帶著人體安全下滑。裝置采用特殊結構的減速電機進行反饋制動和摩擦片制動雙保險，運動連桿機構可使本裝置隨時停在任意高度位置，最大限度的保障安全。高層建筑應急逃生裝置現已被開發(fā)生產和銷售，該發(fā)明專利產品及其新技術實施后，逃生器的安全性大大提高。逃生者能及時根據周圍環(huán)境的變化調整下降速度，具有特殊機構的減速電機制動和摩擦緩降器雙重保險結構，方便操作，隨時進行緊急制動并能停止。該產品是一種新型、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:濱州學院