CN101820952B - 旋转能量吸收器和跌落制动系统 - Google Patents

Abstract

一种一般用于跌落制动系统的旋转能量吸收器(1)具有卷绕器(5)、一长度的可塑性变形的条带(4)以及变形器结构(3，3c)。可塑性变形的条带具有连接到卷绕器(5)的第一端(4a)以及第二自由端(4b)，并且在第一端和第二端之间的位置延伸穿过变形器结构。卷绕器构件和变形器结构(3，3c)的相对转动引起条带牵引穿过变形器结构，使条带塑性变形并使条带以线卷形式围绕卷绕器构件缠绕。

Description

旋转能量吸收器和跌落制动系统

发明领域

本发明涉及一种改进的旋转能量吸收器，并且具体地涉及用于跌落制动系统(fall arrest system)的改进的旋转能量吸收器。 

背景技术

跌落制动系统用于防止在高处作业的人员遭受因跌落引起的伤害或死亡。跌落制动系统通常也称为高度安全系统或跌落预防系统。 

用于跌落制动系统的一种常见类型的旋转能量吸收器是摩擦制动型能量吸收器。此种类型的能量吸收器通常包括保持处于面对面接触的两个圆形或环状的摩擦垫，在两个摩擦垫之间有预先设置的载荷。当足够大的力偶施加在两个垫之间时，两个垫将发生相对转动，并且垫之间的摩擦将吸收能量。在跌落制动系统中，旋转能量吸收器用于吸收正在跌落的用户的动能，因而减慢而后制动他们的跌落。 

这种摩擦旋转能量吸收器存在很多问题。首先，存在的基本问题是开始两个垫的相对转动需要施加的力偶比使转动持续下去所需要的力偶要大。这是跌落制动系统中一个特定的问题，因为存在当正在跌落的人的跌落被制动时他们能承受的最大安全载荷。跌落制动系统必须布置成使得由开始摩擦垫的相对转动所需要的力偶施加到正在跌落的用户的载荷不大于安全限制，由此得出，由继续摩擦垫的相对转动所需要的较小的力偶施加到正在跌落的用户的载荷将小于安全限制。因此，吸收跌落的能量的速率将小于如果施加到正在跌落的用户的载荷恒定在安全限制时能够达到的值，以致正在跌落的用户在他们的跌落被制动和停止之前将跌落得更远。额外的跌落距离增加正在跌落的用户将被障碍物或地面撞击所伤害的风险。此外，额外的跌落距离增大必须被吸收的能量的总量，要求能量吸收器的能量吸收能力的增加，并因此不合意地增加尺寸、重量和成本。 

此外，两个垫之间的摩擦程度取决于作用在两个垫之间的接触载荷。因此，为了将开始并继续垫的相对转动所需要的力偶设置到想要的值，此 摩擦能量吸收器要求接触载荷的精确设置。此外，通常是某些弹簧形式的、用于设置接触载荷的机构还遭受所施加的载荷由于环境影响而随着时间的推移改变的问题。 

最后，开始并继续垫的相对转动所需要的力偶对垫的表面性质高度地敏感。这些性质受到所需的力偶由于环境影响而随着时间的推移改变的问题。 

发明内容

本发明旨在至少部分地克服这些问题。 

在第一方面，本发明提供了一种旋转能量吸收器，其包括： 

卷绕器构件(coiler member)； 

可塑性变形材料的细长元件；以及 

变形器结构(deformer structure)； 

细长元件具有连接到卷绕器构件的第一端和远离于第一端的第二自由端；细长元件在第一端和第二端之间的位置延伸穿过变形器结构；卷绕器构件和变形器结构的相对转动引起细长元件牵引穿过变形器结构，使细长元件塑性变形，并使细长元件以线卷形式围绕卷绕器构件缠绕。 

在本发明的第一个实施方式中，卷绕器构件可相对于相对固定的变形器结构转动。 

卷绕器构件可包括被布置成相对于外部构件相对转动的内部构件；该外部构件包括变形结构(deforming structure)。有利地，致动使得当小于预先设值的力偶施加到卷绕器构件时，细长元件不被牵引穿过变形器结构，并且卷绕器不转动，而当施加大于预先设置值的力偶时，细长构件穿过变形器结构且塑性变形，从而吸收能量并允许卷绕器构件和外部构件的转动。 

旋转能量吸收可包括围绕卷绕器构件的空间，该空间足以允许仅细长元件的一部分缠绕在卷绕器构件上。 

当细长元件由于细长元件将空间填满而停止穿过变形器结构时，能量 吸收器将支持至少为预先设置值的两倍的力偶。 

细长元件可具有恒定的横截面。 

细长元件可为条带。 

细长元件可为不锈钢条带。 

卷绕器可包括内部构件，该内部构件布置成相对于外部构件相对转动；外部构件包括变形器结构，该外部构件以环形的环或部分环形的环布置，并且在卷绕器构件和变形器结构之间界定有环形空间或部分环形空间。 

变形器结构可具有一个或多个弯曲的变形表面。 

变形器结构可包括槽路径，该槽路径用于使细长元件牵引穿过以产生塑性变形。 

旋转能量吸收器可包括变形器结构，该变形器结构界定蜿蜒路径，该蜿蜒路径用于使细长元件牵引穿过以产生塑性变形。 

外部构件可包括多个分离的间隔开的元件。 

细长元件可在牵引穿过变形器结构之前形成为卷绕储存。 

卷绕储存可包围卷绕器但从卷绕器间隔开。 

卷绕器可包括内部构件，该内部构件布置成相对于外部构件相对转动；外部构件可包括变形结构，且细长元件在牵引穿过变形器结构之前形成为围绕外部构件的卷绕储存。 

旋转能量吸收器还可包括围绕卷绕储存的覆盖物。 

本发明还提供了一种安全设备，其包含如上所述的旋转能量吸收器。 

本发明还提供了一种跌落制动系统，其包含如上所述的旋转能量吸收器。 

本发明还提供了一种用于跌落制动系统的安全设备，该设备包括：主体；第一连接装置，其用于将安全设备连接到支撑结构；鼓状物，其安装成相对于主体转动；安全线，其缠绕在鼓状物上，并且具有自由端；第二 连接装置，其用于将用户个人安全设备连接到安全线的自由端；速度敏感的离合器，其连接到鼓状物；以及如上所述的旋转能量吸收器。 

在第二方面，本发明提供了旋转能量吸收器，其包括布置成相对转动的内部构件和外部构件以及可塑性变形材料的细长元件；该外部构件包括变形装置(deforming means)；该细长元件具有连接到内部构件的第一端以及远离于第一端的第二自由端，且在第一端和第二端之间的位置穿过变形 

细长元件具有连接到卷绕器构件的第一端和远离于第一端的第二自由端，卷绕器构件的相对转动引起细长元件以线卷形式围绕卷绕器构件缠绕，使细长元件塑性变形，以致在能量吸收器的操作之后，细长元件以线卷形式围绕卷绕器构件缠绕。 

附图说明

现在将参照所附的图解视图，仅通过例子来描述本发明的具体实施方式，其中： 

图1示出了依据本发明的第一旋转能量吸收器； 

图2示出了包含图1中能量吸收器的跌落制动系统； 

图3示出了依据本发明的第二能量吸收器； 

图4示出了依据本发明的处于初始状态的第三能量吸收器；以及， 

图5示出了处于后续状态的图4能量吸收器。 

实施方式详述 

图1中以平面图示出了依据本发明的旋转能量吸收器1。能量吸收器1包括轮轴2和圆形的环形变形器环3，该变形器环3布置成与轮轴2共心，且具有内表面3a和外表面3b。能量吸收器1布置成响应于轮轴2与环3之间的相对旋转运动而吸收能量。在示出的实施方式中，能量吸收器布置成响应于轮轴2相对于环3的逆时针旋转而吸收能量。然而，通过将能量吸收器1形成为所示实施方式的镜像，则有可能将能量吸收器1布置成响应于轮轴2相对于环3的顺时针旋转而吸收能量。 

能量吸收器1还包括不锈钢条带4，该不锈钢条带4沿着其整个长度具有恒定的厚度和宽度。在操作中，能量吸收器1通过不锈钢条带4的塑性变形来吸收能量。 

卷绕器构件5安装在轮轴2上，使得卷绕器5和轮轴2一起相对于环3转动。环形空间8界定在卷绕器5和环3的内表面3a之间。环3具有穿过环3并定向成与环3的内表面3a相切的变形器槽3c。槽3c比条带4的厚度略微宽。槽3c具有平坦的顺时针表面3d以及平行的平坦的逆时针表面3e，并且槽3c的逆时针表面3e与环3的内表面3a相切。槽3c具有弯曲的入口表面3f以及弯曲的出口表面3g，槽3c的顺时针表面3d在入口表面3f处与环3的外表面3b接触，槽3c的顺时针表面3d在出口表面3g 处与环3的内表面3a接触。平坦的顺时针表面3d将弯曲的入口表面3f和弯曲的出口表面3g分离开。 

条带4具有固定到卷绕器5的第一端4a以及自由端4b。条带4穿过槽3c，且条带的其余部分，终止于自由端4b，围绕环3的外表面3b卷绕。外部环形覆盖物6围绕轮轴2和环3共心地设置，以便在环3的外表面3b和覆盖物6之间形成环形条带储存通道7。覆盖物6对能量吸收器1的操作不具有任何直接影响，但抵抗环境影响比如风化或灰尘而提供保护。 

在能量吸收器1的操作中，当轮轴2上的力偶相对于环3达到或超过预定的展开值时，轮轴2和卷绕器5将相对于环3转动。此相对转动将使不锈钢条带4围绕卷绕器5缠绕，并拉动卷在环形条带储存通道7中的不锈钢条带4穿过变形器槽3c进入环形空间8。随着条带4穿过槽3c，条带4塑性变形并因此吸收能量。 

随着条带4穿过槽3c，在条带4围绕弯曲的入口表面3f弯曲时条带4第一次塑性变形，吸收能量。然后在条带4围绕弯曲的出口表面3g弯曲时，条带4第二次塑性变形，吸收更多能量。随着条带4围绕卷绕器5缠绕，条带4进一步变形，吸收更多能量，但和条带4穿过槽3c时的变形以及能量吸收相比，此为相对小的影响。 

在使用中，当能量吸收器1受到轮轴2和环3之间的小于预定的展开力偶的力偶时，条带4不变形或穿过槽3c，以至不存在轮轴2和环3的相对转动，并且能量吸收器1基本上像刚性物体一样运转。当能量吸收器1受到等于或大于预定的展开力偶的力偶时，条带4变形并穿过变形器槽3c，从而吸收能量并允许卷绕器5(安装在轮轴2上)和环3的相对转动。如果力偶降低到预定的展开力偶以下，条带4将停止变形并穿过槽3c，并且轮轴2和环3的相对转动将停止。 

如果能量吸收器1保持受到大于预定的展开力偶的施加的力偶，条带4的整个长度将穿过槽3c，并且当条带4的自由端4b穿过槽3c时，轮轴2(以及卷绕器5)将被释放，以相对于环3自由地转动而不吸收任何能量。为了防止此种情况，界定在卷绕器5和环3的内表面3a之间的环形空间8布置得太小以致于当条带4围绕卷绕器5缠绕时不能包含条带4的全部长 度。 

因此，随着条带4继续展开以及条带4穿过槽3c进入环形空间8并围绕卷绕器5缠绕，条带4最终填充环形空间8，使得围绕卷绕器5缠绕的条带4的不同线卷接触并且在卷绕器5和环3的内表面3a之间压缩在一起。此种接触和压缩引起条带4的不同线卷和卷绕器5以及环3的内表面3a之间的摩擦，从而增加条带4的继续展开所需施加的力偶。条带4的此接触和压缩随着更多的条带4穿过槽3c并进入环形空间8而增加，以致摩擦的量以及所需的力偶也增加，并且因此条带4的展开以及轮轴2和环3的相对旋转将在条带4的自由端4b穿过槽3c之前被停止。 

因此，被能量吸收器1吸收的能量的总量受环形空间8的尺寸以及可以配合进入环形空间8的条带4的长度控制。 

展开力偶由条带4的抗塑性变形能力确定而不由摩擦力确定。因此，开始轮轴2和环3的相对转动所需的展开力偶以及继续轮轴2和环3的相对转动所需的展开力偶相同。为了尽可能地减小影响展开载荷的摩擦力，以及因此保持开始条带4的展开并继续条带4的展开所需的展开力偶不变，条带4涂覆有减小摩擦的材料的表面层。 

可以通过调整条带4的材料、宽度和厚度以及入口表面3f和出口表面3g的形状来将必须施加在轮轴2和环3之间以使条带4变形而使条带4开始穿过槽3c的展开力偶设置到任何想要的值。 

图2示出了包含能量吸收器1的跌落制动系统20的例子。跌落制动设备20包括缠绕在鼓状物22上的一长度的安全线21。鼓状物22连接到重绕机构(respooling mechanism)24，该重绕机构24保持鼓状物22上的重绕扭矩(rewinding torque)，该重绕扭矩起到将任何展开长度的安全线重绕到鼓状物22上的作用。一般地，重绕机构24为发条型装置(clockspringtype device)。连接点23用于将设备20连接到固定的支撑结构(未示出)。鼓状物22也通过速度敏感的离合器25连接到能量吸收器1。 

在使用中，用户通过个人安全设备比如安全护具(safety harness)连接到安全线21的自由端。在用户的正常运动过程中，安全线21从鼓状物 22绕出，以跟随用户的运动或者任何多余的安全线21通过重绕机构24绕回到鼓状物22上。速度敏感的离合器25设置成不响应于在用户的此种正常运动过程中遇到的鼓状物22的缓慢转动。 

如果用户跌落，安全线21迅速地从鼓状物22退绕，引起鼓状物22迅速地加速转动。当鼓状物22的转动速度达到速度敏感的离合器25的响应速度时，离合器25将鼓状物22啮合到能量吸收器1。正在跌落的用户的载荷作为力偶随后施加到能量吸收器1，并且能量吸收器1通过展开并吸收能量来响应，直到跌落被阻止。 

应理解，在此例子中，如果条带4被整个地拉动穿过槽3c，则用户随后将遭受无约束的跌落，因此确保在条带4的自由端4b穿过槽3c之前条带4的展开被停止是重要的。 

图1中示出的具有外部环形覆盖物6以界定用于卷绕的条带4的环形储存通道7的布置是有优势的，以便为能量吸收器1提供紧凑的环形轮廓，这在能量吸收器1用于图2中所示的类型的跌落制动设备20时是特别有优势的。然而，如上文解释的那样这不是必不可少的。 

同样，在描述的实施方式中，卷绕器构件5被转动同时变形器环3保持静止。应理解，在可选择的实施方式中，变形器环可以相对于静止的卷绕器5转动，并可以实现类似的效果。 

图3中示出了能量吸收器31的一种可选择的设计。除了省略了环形覆盖物且钢条带4作为直线长度而不是围绕环3卷绕储存之外，能量吸收器31与能量吸收器1实质上相同。 

可以使用用于不锈钢条带4的其它储存形式。例如，条带4可以形成为邻近于环3而不是围绕着环3的线卷。 

在图1和图3的能量吸收器中，环3是实质上连续的，只是被槽3c断开。这不是必不可少的。变形器简单地提供界定的弯曲路径，在被缠绕在卷绕器构件上之前，条带沿着该弯曲路径被牵引。 

图4和图5示出了能量吸收器41的一种可选择的设计。除了变形器槽43c形成为具有对置的弯曲的凸轮表面部分43d、43e之外，能量吸收器 41与能量吸收器1实质上相同，凸轮表面部分43d、43e界定用于条带44的蜿蜒的牵引通过路径。图1、3和4的实施方式中的弯曲的变形器表面的使用提供均匀的塑性变形而不是可能由尖锐边缘引起的高摩擦尖峰。 

在图4中，示出了在展开之前，包含条带44的主要部分的外部条带储存环形空间47。在图5中示出了在展开之后，条带缠绕在卷绕器构件45上并填充卷绕器构件45和变形器环43之间的环形空间48。 

在某些实施方式中，可以用多个间隔开的引导栓钉或杆以及具有所需的变形器轮廓的变形器结构来代替环形的环3。在某些实施方式中，该变形器结构可以为弯曲的栓钉或杆。虽然栓钉或杆不提供连续的内表面和外表面，但栓钉和变形的结构的间隔开的内表面和外表面能够类似于环3的内表面3a和外表面3b来控制条带4的运动。 

在所描述的实施方式中，不锈钢条带具有恒定的宽度和厚度。这通常是优选的，以便沿着条带的长度的展开力偶是恒定的，如上文中解释的那样，这在跌落制动设备中一般是有优势的。然而，这不是必不可少的，并且如果想要在一种具体用途中具有变化的展开力偶，则条带4的宽度、厚度或这两者可以变化。 

另外，使用不锈钢条带不是必不可少的。可以使用其它形状，例如金属丝或棒。也可以使用其它可塑性变形的材料，但是不锈钢通常是优选的，这是由于其具有抵抗风化并且可预测的、良好地理解的性质。 

在所公开的实施方式中，用于使条带塑性变形的槽和弯曲表面布置是简单的和便利的，但不是必不可少的。可以使用其它变形机构，例如变形销或滚子。在条带穿过变形机构时条带塑性变形的次数也可以改变，但是如果条带重复地塑性变形，则存在有应力失效(stress failure)的风险。 

如果需要，本发明的不同实施方式的特征可以互换或组合。 

上文所描述的实施方式仅为例子而不是穷尽的。 

Claims (23)

1.一种旋转能量吸收器，其包括：

卷绕器构件；

可塑性变形材料的细长元件；以及

变形器结构；

所述细长元件具有第一端以及第二自由端，所述第一端连接到所述卷绕器构件，所述第二自由端远离于所述第一端；所述细长元件在所述第一端和所述第二自由端之间的位置延伸穿过所述变形器结构；所述卷绕器构件和所述变形器结构的相对转动引起所述细长元件牵引穿过所述变形器结构，使所述细长元件塑性变形，并使所述细长元件以线卷形式围绕所述卷绕器构件缠绕。

2.如权利要求1所述的旋转能量吸收器，其中，所述卷绕器构件包括内部构件，所述内部构件布置成相对于外部构件相对转动；所述外部构件包括所述变形器结构。

3.如权利要求2所述的旋转能量吸收器，被致动使得当小于预先设置值的力偶施加到所述卷绕器构件时，所述细长元件不被牵引穿过所述变形器结构，并且所述卷绕器构件不存在转动，并且当施加的力偶大于预先设置值时，细长元件穿过所述变形器结构并且塑性变形，从而吸收能量并允许所述卷绕器构件以及所述外部构件转动。

4.如任一在先权利要求所述的旋转能量吸收器，其中，所述旋转能量吸收器包括围绕所述卷绕器构件的空间，所述空间足以允许仅所述细长元件的一部分缠绕在所述卷绕器构件上。

5.如权利要求1所述的旋转能量吸收器，其中，所述卷绕器构件包括内部构件，所述内部构件布置成相对于外部构件相对转动；所述外部构件包括所述变形器结构，所述内部构件和所述外部构件之间界定一空间，所述细长元件在穿过所述变形器结构之后储存在所述空间中，所述空间对于包含全部所述细长元件不足够大，使得所述空间将变得充满所述细长元件，并且在所述细长元件的所述第二自由端穿过所述变形器结构之前，所述细长元件将停止穿过所述变形器结构。

6.如权利要求5所述的旋转能量吸收器，其中，当所述细长元件由于所述细长元件将所述空间填满而停止穿过所述变形器结构时，所述旋转能量吸收器将支持至少为预先设置值的两倍的力偶。

7.如权利要求1或2所述的旋转能量吸收器，其中，所述细长元件具有恒定的横截面。

8.如权利要求1或2所述的旋转能量吸收器，其中，所述细长元件为条带。

9.如权利要求1或2所述的旋转能量吸收器，其中，所述细长元件为不锈钢条带。

10.如权利要求1所述的旋转能量吸收器，其中，所述卷绕器构件包括内部构件，所述内部构件布置成相对于外部构件相对转动；所述外部构件包括所述变形器结构，所述外部构件以环形的环或部分环形的环布置，并且在所述卷绕器构件和所述变形器结构之间界定有环形空间或部分环形空间。

11.如权利要求1或2所述的旋转能量吸收器，其中，所述变形器结构具有一个或多个弯曲的变形表面。

12.如权利要求1或2所述的旋转能量吸收器，其中，所述变形器结构包括槽路径，所述槽路径用于使所述细长元件牵引穿过以产生塑性变形。

13.如权利要求1或2所述的旋转能量吸收器，所述变形器结构界定蜿蜒路径，所述蜿蜒路径用于使所述细长元件牵引穿过以产生塑性变形。

14.如权利要求2所述的旋转能量吸收器，其中，所述外部构件包括多个分离的间隔开的元件。

15.如权利要求1所述的旋转能量吸收器，其中，所述细长元件在牵引穿过所述变形器结构之前形成为卷绕储存。

16.如权利要求15所述的旋转能量吸收器，其中，所述卷绕储存包围所述卷绕器构件但从所述卷绕器构件间隔开。

17.如权利要求16所述的旋转能量吸收器，其中，所述卷绕器构件包括内部构件，所述内部构件布置成相对于外部构件相对转动；所述外部构件包括所述变形器结构，且所述细长元件在牵引穿过所述变形器结构之前形成为围绕所述外部构件的卷绕储存。

18.如权利要求17所述的旋转能量吸收器，并且还包括围绕所述卷绕储存的覆盖物。

19.一种安全设备，其包含如任一在先权利要求所述的旋转能量吸收器。

20.一种跌落制动系统，其包含如任一在先权利要求所述的旋转能量吸收器。

21.一种用于跌落制动系统的安全设备，所述安全设备包括：

主体；第一连接装置，其用于将所述安全设备连接到支撑结构；鼓状物，其安装成相对于所述主体转动；安全线，其缠绕在所述鼓状物上，并且具有自由端；第二连接装置，其用于将用户个人安全设备连接到所述安全线的所述自由端；速度敏感的离合器，其连接到所述鼓状物；以及如任一在先权利要求所述的旋转能量吸收器。

22.一种旋转能量吸收器，其包括布置成相对转动的内部构件和外部构件以及可塑性变形材料的细长元件；所述外部构件包括变形装置；所述细长元件具有第一端和第二自由端，所述第一端连接到所述内部构件，所述第二自由端远离于所述第一端，并且所述细长元件在所述第一端和所述第二自由端之间的位置穿过所述变形装置；使得当小于预先设置值的力偶施加在所述内部构件和所述外部构件之间时，所述细长元件不穿过所述变形装置，并且所述内部构件和所述外部构件不存在相对转动，而当大于预先设置值的力偶施加在所述内部构件和所述外部构件之间时，所述细长元件穿过所述变形装置并且塑性变形，从而吸收能量并允许所述内部构件和所述外部构件的相对转动。

23.一种旋转能量吸收器，其包括：

卷绕器构件；

可塑性变形材料的细长元件；

所述细长元件具有第一端和第二自由端，所述第一端连接到所述卷绕器构件，所述第二自由端远离于所述第一端，所述卷绕器构件的相对转动引起所述细长元件以线卷形式围绕所述卷绕器构件缠绕，使所述细长元件塑性变形，以使在所述能量吸收器的操作之后，所述细长元件以线卷形式围绕所述卷绕器构件缠绕。

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