一种多层卷绕式缓降器设计＊

陶俊龙，倪嘉伟，方昕宇，肖红升



一种多层卷绕式缓降器设计＊

陶俊龙，倪嘉伟，方昕宇，肖红升

（南通职业大学 机械工程学院，江苏 南通 226007）

针对现有缓降器的一些缺陷，设计了一款多层卷绕式的摩擦阻尼型缓降器，通过卷绕机构、离心制动机构等适时调整重物下降速度的大小，达到变速缓降的目的。对缓降过程进行了分析和计算，以保证设计的可靠性和安全性。结果表明，该设计切实可行，结构简单，逃生效率高，具有较好的应用价值。

摩擦阻尼；多层卷绕；变速缓降；高楼逃生

1 引言

随着城市化进程不断加快，高层建筑已成为城市建设的主流，其内部各种竖向管道就像一座座高耸的烟囱，一旦发生火灾，蔓延速度快，破坏性极大，因此高楼遇险时被困人员的救护问题越来越受到人们的重视[1]。高层逃生缓降器作为一种辅助自救器材，与其他同类器材相比，结构简单、使用方便、疏散速度快，为高楼逃生提供了新的途径，成为了学校、医院、商场等高层公共场所必备的自救和逃生器材。目前，国内外研究的缓降器类型主要包括机械电动式、摩擦阻尼式、液压阻尼式、擒纵式、螺杆式以及滚筒式等。各种类型的缓降器各具特点，得到了广泛的应用，但由于其自身结构的原因，存在电源无法保证、结构复杂、使用不便、成本高等问题[2-3]。现有缓降器大多采用匀速缓降的方式，其缓降速度的大小由被困人员的重量决定[4]。当缓降速度较慢时，起不到快速脱离险情的效果。且由于设计、制造等方面的原因，多频次使用时易出现钢丝绳与绳轮之间的打滑现象[5]，存在安全风险。本文研究的纯机械式摩擦阻尼型缓降器结构简单、安全可靠，依靠逃生者自重驱动，采用多层卷绕的缠绕方式，克服了缓降高度的限制，且无需人为控制，在保证安全的前提下，提高了逃生的效率。

2 工作原理分析

众所周知，设计高楼逃生器的主要目的是确保逃生者能在较短的时间内，以较小的速度到达地面，因此设计纯机械式缓降器的关键在于如何利用合适的力学原理以及机械结构，将逃生者下降时的自身重量转化为足够的运动阻力，使其在安全速度范围内下降到地面[6]。

本设计以逃生者的自身重量为动力，使用时将主体部分与墙体或室内固定物相连接，钢丝绳自由端的安全扣与安全背带或救生衣相连，逃生者穿上救生衣翻越窗户，握住绳索缓降逃生。逃生者自重驱动缠绕轴做旋转运动，转动的缠绕轴带动离心制动机构高速旋转。离心制动块在离心力作用下压紧固定不动环形刹车挡圈，产生摩擦阻力，从而使逃生者不做无阻力的自由落体运动。本设计采用如图1所示的同轴式结构方案，未采用复杂的增速机构，结构简单，装配方便，零件较少，易于保证零件的机械性能。

1—左装置体；2—连接螺钉；3—连接杆；4—安全绳卷；5—右装置体；6—卷绕轴；7—离心制动块；8—限位块；9—限位钢片；10—环形刹车挡圈；11—安全扣。

3 缓降器设计思路

3.1 安全绳的选择与计算

该缓降器的安全绳采用直径为3 mm的纯裸航空钢丝绳。多层卷绕时钢丝绳应在缠绕轴上排列整齐，避免嵌索与乱绳，并能顺利引导下一层钢丝绳整齐地排列在前一层的钢丝绳形成的绳槽之间。因此，本设计中缠绕轴采用组合式结构，缠绕轴表面设置有带Lebus槽的塑料壳体以及相应的凸缘，满足上述要求的同时，能有效减少钢丝绳的磨损，延长钢丝绳的使用寿命。

我国住宅楼大部分都不超过33层，高度大概为100 m，因此设定缓降器最大缓降高度为100 m。缠绕轴左右凸缘之间的距离为158 mm，每层可缠绕50圈，则第层缠绕钢丝绳的长度为：

i=2π［0+（2－1）·1］×50. （1）

式（1）中：0为缠绕轴半径；1为钢丝绳半径。

假设钢丝绳缠绕总层数为，则总长度为：

当n=100 m时，解得缠绕总层数为12层，绳卷最大半径为47.5 mm，以此为依据设计缓降器的结构尺寸。

3.2 离心制动系统设计

离心制动系统是缓降器的核心部分，缓降器能否满足工作要求关键在于离心制动系统在能否提供足够的摩擦阻力矩与逃生者自重对卷轴产生的转矩相抵消，且降落到地面时速度在安全范围内。本装置采用闸块式离心制动机构，如图2所示。同组构件中的离心制动块采用对称的扇形结构，高速旋转时产生对称的摩擦阻力，从而构成摩擦阻力矩。左右两侧的离心制动机构结构完全相同，共同阻碍人和重物下降运动。为提高摩擦系数，本设计中制动块与环形刹车挡圈之间摩擦部分设计为“石棉-钢”摩擦副，制动块外圆面设置石棉摩擦片，挡圈材料为45钢，两者之间的摩擦系数约为0.35.

1—离心制动块；2—螺钉；3—限位钢片； 4—限位块；5—环形刹车挡圈。

4 缓降速度分析

该缓降器的绳索采用多层卷绕的缠绕方式，随着降落体下降高度增加，绳索直径逐步减小。而逃生者自重不变，因此负载对卷轴的转矩随着绳索卷径的减小而减小。绳索变层后系统再次平衡时，摩擦阻力矩随着负载转矩的减小而减小，缠绕轴转速降低，逃生者下降速度减小。即绳索层数减少时，逃生者下降速度会随之减小。因此，逃生者下降全过程是：开始时先做一段加速运动，然后做逐级递减的变速缓降运动，最终以安全速度降落到地面。系统受力分析如图3所示。

图3 系统受力分析简图

基于以上分析，参考缓降器结构，建立系统的受力分析简图。绳索每次变层后，系统很快再次平衡，平衡方程为：

T=f+f. （2）

式（2）中：T为人、重物对卷轴的转矩；f、f为两侧离心制动机构对卷轴的摩擦阻力矩。

代入相关参数后得：

式（3）中：1为人、重物的质量；为绳索半径；2为制动块的质量；2为制动组件半径。

由式（3）可以看出，缓降时的速度除了与缓降器的结构有关外，还与人或重物的质量有关。因此，根据实际情况选取重物、成人、儿童的质量分别为150 kg、70 kg、30 kg进行计算，计算结果如表1所示，其中50为下降50 m时的速度。到达地面的速度均在安全范围内，现有缓降器以0.8～1 m/s的恒速下降，与现有缓降器相比，节省了逃生所用的时间。

表1 不同质量的人、重物缓降计算结果

缓降物150 kg的重物70 kg的成人30 kg的儿童 v50/（m/s）3.242.221.45 着地速度/（m/s）0.880.600.40 缓降用时/s37.3354.5683.07

当缓降器结构确定后，重物最终降落到地面的速度还与着地时绳卷的半径有关。采用同一长度的钢丝绳从不同高度缓降，最终着地的速度存在差异。由表1可知，绳长100 m时，人和重物下降50 m时的速度50均在人体可承受的范围内，相当于在0.5 m以内的高度自由降落到地面的速度。因此50～100 m高度可采用100 m长钢丝绳逃生，50 m以下的高度可使用50 m长绳。选取150 kg的重物作为缓降对象，经计算从50 m高度下降到地面时的速度是0.88 m/s，从4 m高度下降到地面时的速度是3.24 m/s，均在可承受的范围内。如果缓降对象是重量相对较轻的成人和儿童，则着地时速度更小，因此4～50 m高度可使用50 m长钢丝绳。

综上所述，本设计采用两种绳长方案，如果楼层高度视作3 m，则楼层为17～33层时采用长为100 m的绳，楼层为3～16层时采用长为50 m的绳，3层以下不可使用，1～2层逃生方法很多，无需使用缓降装置。

5 结束语

采用纯机械式结构，设计了一款多层卷绕式的摩擦阻尼型缓降器，依靠重物自重驱动，适时调整重物下降速度，达到快速、安全缓降的效果。针对不同的楼层给出了不同的绳长方案，确保使用时安全可靠。分析及计算表明，该设计切实可行，结构简单，逃生效率高，具有较好的实际推广价值。本设计已授权实用新型专利ZL201820449395.7。

［1］姚燕生，朱达荣，吴振坤.高层建筑火灾缓降逃生设备综述［J］.安徽建筑大学学报（自然科学版），2013，21（4）：41-45.

［2］张文斌.擒纵式缓降器的设计及仿真［D］.银川：宁夏大学，2017.

［3］韦建军.离心摩擦式高楼逃生缓降器的研发［J］.制造业自动化，2012，34（4）：90-92.

［4］韩玉勇，刘云辉，李自国.基于动力学理论分析与仿真的救生缓降器设计［J］.消防科学与技术，2015，34（10）：1380-1386.

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

［6］王灿，许本胜.高楼逃生缓降器的设计分析［J］.科技信息，2011（18）：526-527.绳的使用寿命。

2095－6835（2018）24－0115－02

TH12

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.115

陶俊龙（1988—），男，江苏南通人，硕士，工程师，研究方向为机械设计。

肖红升（1969—），男，江苏南通人，研究员级高级工程师，研究方向为机构学、机械制造和太阳能热利用。

2017年江苏省高等教育教改研究课题（编号：2017JSJG296）；2018年江苏省大学生创新训练项目（编号：1601026071）

〔编辑：严丽琴〕