一种液压阻尼式高楼逃生装置的设计

兰杰，许颖

（湖北三峡职业技术学院，湖北 宜昌 443003）

1 引言

随着社会的发展，住进高楼大厦的人越来越多。当火灾发生时，电梯停运、楼宇通道充满烟雾和有毒气体，处在高楼之中的受困人员，只有通过自救才能得以生存［1］。出于对自身安全的考虑，人们对高楼逃生装置的设计研发也越来越关注。近几年国内外许多企业及个人对高楼逃生装置进行了研究改进，有机械控制［2-3］的，也有磁阻尼控制的［4］，种类繁多。但这些逃生装置有些逃生距离短，无法用于高楼逃生；有些是一次性逃生使用，遇到多人逃生时，则需重新缠绳，操作不便。

为此本文设计了一种采用液体阻尼［5］的缓降器，使用时将其架在栏杆上即可向外逃生，操作十分方便。缓降器带有两个绕绳轮，钢丝绳在绕绳轮上卷绕的方向相反，使用时自动缠绳，可供多人反复逃生使用，适合于个人、家庭以及消防队等救援人员的安全撤离。

2 液压阻尼式高楼逃生器的结构、原理及关键件设计

2.1 机构组成

逃生器由减速的液压阻尼缸、双绕绳轮、连杆、支架、滑轮、压线板、钢丝绳等零件组成。双绕绳轮固定在两支架的中间，液压缸固定在支架的两侧，利用Pro/E［6］软件建立逃生装置的三维几何模型，如图1 所示。

2.2 工作原理

如图2 所示，使用时，缠绕在绕绳轮1 上的钢丝绳两端分别连接于逃生人员所穿的救生衣和绕绳轮上，在逃生人员自身体重的驱动下，做垂直向下的运动，同时使绕绳轮旋转，通过转轴2、连杆3 带动活塞杆4在液压缸5内做往复运动，以此使液压缸内的油在小孔6中流动从而产生阻力，降低了逃生人员的下降速度。

图1 逃生装置基本结构

图2 液压阻尼减速机构分析图

逃生装置上备有两个绕绳轮分别卷绕两组钢丝绳，卷绕方向相反，以此可以满足多人多次往复逃生的目的。

2.3 关键部件设计

液体阻尼逃生缓降器的工作原理，是将逃生人员在高楼上的势能，逐步转化成流体运动的动能，让其在液压缸活塞杆小孔两侧来回高速运动，转化成热能损失掉。

刚开始下降时，下降速度小，液压缸产生阻尼也小，势能主要转化为下降的动能，并有一部分能量在液压缸内损失掉。根据能量守恒定律：

式中：EP-处于一定楼层高度的人体势能；EK-人体下降过程的动能；EH-液压缸内阻尼液高速流动能量损失；m-人体质量；V1-逃生下降速度。

当下降速度达到平衡时，下降运动的动能基本不变，则EP=EH，人体下降由势能转化出的能量，需要在液压缸内全部消耗掉，以达到平衡下降速度的目的。

2.3.1 单液压缸阻尼液流动能量损失分析

如图2 所示，逃生人员以V1速度下降，带动绕绳轮旋转，并通过转轴、连杆带动活塞杆往复运动。通过推导，得活塞杆往复运动的瞬间速度V4：

式中，L1-转轴2 长度；L2-连杆3 长度；D-钢丝绳在卷筒上缠绕的直径；α-转轴2 与水平轴间的夹角。

活塞杆的运动，致使液压缸一侧阻尼液被迫经小孔向另一侧流动。经推导，小孔内阻尼液流速V5：

式中：Dg-液压缸内径；d0-活塞杆上小孔直径。

流动过程中产生的能量损失主要包括流体在小孔内流动的沿程阻力损失，以及阻尼液从小孔流出后，流道直径突然扩大产生的水头损失。在小孔前流道直径突然缩小，流体在顺压强梯度下流动，在收缩部分不发生明显的阻力损失，可忽略不计。经推导，单缸总能量损失hZ：

式中：s-活塞杆小孔处的厚度，即阻尼液在小孔中流的长度；v-液压缸阻尼液运动粘性系数，取v=0.355cm2/s；

逃生装置各参数取值如表1 所示。

表1 逃生器各零件尺寸参数 /mm

由式（4）可知，单缸提供阻尼总能量hZ与活塞杆小孔直径d0、逃生下降速度V1、以及转轴与水平轴的夹角α 有关。阻尼总能量hZ随夹角α的转动不停地改变。当逃生下降速度V1取某一定值时，小孔d0越小，液压缸内阻尼液流动产生的能量损失振幅越大。本设计通过活塞上小孔直径来调节活塞运动阻力大小。经过实验，小孔开设的直径定为5.3mm。当体重较大的人下降逃生时，由势能转化出的能量增加，下降速度V1加快。通过Mathcad 绘制曲线分析，V1增大，阻尼液流动产生的能量损失图形振幅加大，阻尼增强，最终平衡由势能转化出的能量，使下降速度保持稳定。

2.3.2 缓降器液压缸数量的确定

从Mathcad 绘制的单缸阻尼总能量与夹角α 曲线图可以看出，缓降器如使用单缸进行阻尼减速，液压缸内能量损失总处于一个变化状态，致使逃生人员的下降速度时快时慢从而无法均速下降。如采用多缸交替提供减速阻力，可使减速阻力趋于平稳。

图3 四液压缸阻尼液流动能量损失叠加分析图

根据缓降器的结构及安装液压缸的位置，较适合于安装两缸或四缸联合工作。四缸联合工作，各缸起始夹角分别为0、π/2、π、3π/2，其能量损失曲线及叠加后的总能量损失曲线如图3 所示。由图3 可知，四缸总能量损失大，约为单缸能量损失最大值的2倍，且上下波动不大，能够为缓降器提供较平稳的缓降阻力。相比之下，两缸联合工作叠加后的总能量损失曲线起伏较大，稳定下降速度的效果较差。经对比分析，缓降器采用四缸联合工作。

表2 实验结果

3 试验研究

我们将试制的逃生器放置在教学楼的4 楼（11m），分别用40kg、50kg、60kg、70kg、80kg 重物做实验。根据表2实验结果可以看出，重物质量越大，下降速度越快。40kg 小孩逃生时，下降速度相对较低，为0.74m/s。80kg 体重的成年人逃生，下降速度为1.49m/s，基本合理。

4 结语

目前，逃生器已完成了样机的加工制造及重物和真人逃生试验测试。结果表明，该逃生装置能够满足设计的基本要求。同时，该逃生器具有操作简单、维护方便的优点，但仍存在一些不足，需要在后续的工作中逐步完善。

［1］张昊，等.建筑火灾逃生新方法-室外应急疏散［J］.建筑科学，2008，24（1）：50-52.

［2］颜兵兵，等.一种机械式高楼逃生装置设计方法研究［J］.机械设计与制造，2011/12.

［3］王智明，等.MSC.SimDesigner的救生绞车仿真研究［J］.现代制造工程，2009（1）：97-100.

［4］张蕊华，等.一种高楼救生器的设计［J］.机械设计与制造，2011（12）：24-25.

［5］曹红奎.基于高阻尼液体的高楼逃生器的设计［J］.商品与质量，2010（6）：174.