CN108607169A - 离心式高楼逃生装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离心式高楼逃生装置及其工作方法，所述离心式高楼逃生装置包括支架、轴一、轴二、轴三、齿轮一、齿轮二、齿轮三、齿轮四、卷筒、钢丝绳、棘轮机构、离心调速机构、摩擦盘机构和杠杆驱动机构，其中，离心调速机构包括离心座、离心杆、飞球、轴环和连杆，离心杆的一端与离心座铰接，另一端与飞球固定连接，轴环同轴滑设于轴一上，连杆的两端分别与轴环和离心杆铰接。本发明创新地引用了离心调速机构和摩擦盘机构，利用离心调速机构产生对定摩擦盘的轴向驱动力，通过杠杆驱动机构放大轴向驱动力，运用压缩弹簧调节位移并传递轴向驱动力给定摩擦盘，促使定摩擦盘和动摩擦盘之间产生摩擦阻力矩，阻止人体的快速下落。

Description

离心式高楼逃生装置及其工作方法

技术领域

本发明属于安全逃生设备技术领域，具体涉及一种离心式高楼逃生装置及其工作方法。

背景技术

随着城市高层建筑的日益增多，人们防范灾难意识的逐渐增强，高楼逃生装置逐渐成为城市高层住户必需的设备，目前主要有以下三种形式的用于高楼逃生装置：（1）液体阻尼式缓降救生器，利用液体流动时的阻尼将负载势能转化为热能以达到缓降，缺点是：液压阻尼系统有泄露存在的可能，需要提供压力源；（2）摩擦制动式缓降救生器，是一种利用机械摩擦力产生阻力来制动的缓冲装置，缺点是：很难控制摩擦阻力的大小，难以实现匀速下降；（3）电磁阻尼式缓降救生器，是利用电磁感应和磁场对电流产生作用力的方式，利用电子技术实现救生器的自动控制，缺点是：人体刚开始时不能使发电机产生电源供控制系统工作，设备的制造成本也比较高。

因此，安全可靠、平稳快速、结构简单的机械式逃生装置是今后的发展趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种离心式高楼逃生装置及其工作方法，利用离心调速机构产生对摩擦盘的轴向驱动力，促使两摩擦盘间产生摩擦阻力矩，阻止人体的快速下落，使人体以某一平均速度下降，保证人体安全着地。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种离心式高楼逃生装置，包括支架、轴一、轴二、轴三、齿轮一、齿轮二、齿轮三、齿轮四、卷筒、钢丝绳、棘轮机构、离心调速机构、摩擦盘机构和杠杆驱动机构，其中，

所述轴一、轴二和轴三的两端分别支撑定位于支架上，且所述轴一、轴二和轴三平行设置；

所述棘轮机构包括套接的棘轮和棘爪座，所述棘爪座上设有棘爪，所述棘爪座和齿轮三均同轴固定于轴一上，所述卷筒和齿轮一套装在轴一的外侧，所述卷筒的一端与棘轮固定连接，另一端与齿轮一固定连接，所述钢丝绳卷绕于卷筒的外侧；

所述离心调速机构包括离心座、离心杆、飞球、轴环和连杆，所述离心座同轴固定于轴一上，所述离心杆的一端与离心座铰接，另一端与飞球固定连接，所述轴环同轴滑设于轴一上，所述连杆的两端分别与轴环和离心杆铰接；

所述摩擦盘机构包括定摩擦盘和动摩擦盘，所述定摩擦盘同轴滑设于轴二上，所述动摩擦盘上的动摩擦面和定摩擦盘上的定摩擦面相对设置，所述动摩擦盘和齿轮四通过轴承套装于轴二上，所述动摩擦盘的远离定摩擦盘的一端与齿轮四固定连接，所述齿轮四与齿轮三啮合；所述定摩擦盘的外侧设有环形凹槽，所述环形凹槽内套装有压缩弹簧；

所述杠杆驱动机构包括连接座一、连杆一、连杆二、连杆三、固定座和连接座二，所述连接座一与轴环固定连接，所述连接座二套装于环形凹槽内、压缩弹簧远离动摩擦盘的一侧，所述固定座与支架固定连接，所述连杆一的两端分别与连接座一和连杆二的一端铰接，所述连杆二的另一端与固定座铰接，所述连杆三的两端分别与连杆二和连接座二铰接；

所述齿轮二同轴固定于轴三上，所述齿轮二与齿轮一啮合，所述轴三的一端设有把手。

优选的，所述离心调速机构包括3根离心杆，3根所述离心杆均布于离心座的周向，每根所述离心杆的端部固定连接一飞球，每根所述离心杆与轴环之间连接一连杆。

其中，所述支架包括平行间隔设置的支架板一、支架板二和支架板三，所述支架板一、支架板二和支架板三通过两侧的螺杆固定连接，所述轴一沿轴向上的三个支撑位分别与支架板一、支架板二和支架板三轴接；所述轴二的两端分别与支架板二和支架板三固定连接；所述轴三的一端与支架板二轴接，另一端与支架板一轴接并自支架板一伸出后与把手固定连接。

进一步，所述轴三在径向方向上位于轴一和轴二之间。

其中，所述定摩擦盘的中心孔面上设有贯穿轴向的键槽，所述轴二上嵌装有与键槽配合的平键。

优选的，所述动摩擦盘与齿轮四为一体式结构。

本发明还提供一种离心式高楼逃生装置的工作方法，包括如下步骤：

（1）逃生人员系好安全带后，顺着钢丝绳下降，卷筒带动棘轮顺时针转动，棘轮带动棘爪及棘爪座一起运转，棘爪座又带动轴一转动，离心调速机构便随轴一作顺时针转动；

（2）在重力加速度作用下，人体下降的速度逐渐增大，轴一的转速也随着升高，离心调速机构的飞球因离心力增大而飞向外侧，驱动轴环向前移动，通过杠杆驱动机构的连接座二压紧压缩弹簧来驱动定摩擦盘与动摩擦盘接合；

（3）定摩擦盘和动摩擦盘之间产生摩擦阻力矩，阻止人体下降速度的进一步增大，当摩擦阻力矩通过齿轮四传递给齿轮三，在齿轮三上产生趋近于或等于人体重力在卷筒上产生的转矩时，人体作等速下降；反之，若人体下降速度降低，轴一的转速下降，在压缩弹簧的弹簧力反作用下使轴一上的轴环反向移动，飞球向内侧回缩，定摩擦盘和动摩擦盘间的压力减小，动摩擦盘所受摩擦阻力矩随之减小，人体下降的速度随之又逐渐增大，飞球产生的离心力又重新增大，直至达到新的平衡；

（4）逃生人员落地后，楼上人员顺时针摇动把手，轴三上的齿轮二驱动轴一上的齿轮一逆时针转动卷筒，将钢丝绳收回，以供后续人员重复上述的逃生过程，此时棘爪在棘轮上打滑，不能跟随棘轮一起转动，轴一也不转动，从而减少了转动把手的工作阻力。

其中，所述离心式高楼逃生装置工作过程中的数学模型如下：

人体在自身重力作用下，安全落地的速度v为4m/s，以此速度落地人体不会摔伤，若卷筒的直径D=0.3m，卷筒转速为：

，

；

离心调速机构中均布有3个飞球，单个飞球的质量为m，回转半径为，则3个飞球产生离心力的总和为：

（1）；

其中为离心杆与轴一轴线的夹角；设定离心杆的上端点为C、下端点为A，连杆的两端点分别为B和D，且点B为AC杆的中点，AC杆的杆长为，BC长为，同理，BD杆长也为；

轴环沿轴向滑移，忽略离心调速机构中各铰链的摩擦力和杆的质量，根据达朗伯-拉格朗日方程，得：

（2）；

飞球的虚位移可由离心杆在相对平衡位置转过一微小角度得到，即：

（3），

的方向垂直于离心杆；

轴环到离心座之间的长度，则有：

（4）；

将式（3）和式（4）代入式（2），得

，

化简后得：

（5）；

连杆二的杆长为l ₁，连杆三的杆长为l ₂，且，故作用在定摩擦盘上的压力为

（6）；

通过上述推导可知，与ω成平方正比，通过连杆二的增力放大作用，是的3倍。当人体下降速度增大时，作用在摩擦盘的压力随着增大，摩擦盘产生的阻力矩也随着增大，直至与人体重力在卷筒上产生的转矩达到平衡，从而使人体作等速下降运动。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明创新地引用了离心调速机构和摩擦盘机构，利用离心调速机构产生对定摩擦盘的轴向驱动力，通过杠杆驱动机构放大轴向驱动力，运用压缩弹簧调节位移并传递轴向驱动力给定摩擦盘，促使定摩擦盘和动摩擦盘之间产生摩擦阻力矩，阻止人体的快速下落。本发明建立了动力学分析的数学模型，完成了离心式高楼逃生装置的参数设计和结构设计，使人体以某一平均速度下降，保证人体安全着地。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中卷筒处的俯视图；

图3为本发明中棘轮机构的结构放大图；

图4为本发明的动力学分析图；

图5为本发明中离心调速机构的结构放大图。

附图标记说明：

1、支架；100、支架板一；101、支架板二；102、支架板三；2、轴一；3、轴二；4、轴三；5、齿轮一；6、齿轮二；7、齿轮三；8、齿轮四；9、卷筒；10、钢丝绳；11、棘轮机构；1100、棘轮；1101、棘爪座；1102、棘爪；12、离心调速机构；1200、离心座；1201、离心杆；1202、飞球；1203、轴环；1204、连杆；13、摩擦盘机构；1300、定摩擦盘；1301、动摩擦盘；14、杠杆驱动机构；1400、连接座一；1401、连杆一；1402、连杆二；1403、连杆三；1404、固定座；1405、连接座二；15、把手；16、压缩弹簧。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，一种离心式高楼逃生装置，包括支架1、轴一2、轴二3、轴三4、齿轮一5、齿轮二6、齿轮三7、齿轮四8、卷筒9、钢丝绳10、棘轮机构11、离心调速机构12、摩擦盘机构13和杠杆驱动机构14，其中，

所述轴一2、轴二3和轴三4的两端分别支撑定位于支架1上，且所述轴一2、轴二3和轴三4平行设置，所述轴三4在径向方向上位于轴一2和轴二3之间。

本实施例中，所述支架1包括平行间隔设置的支架板一100、支架板二101和支架板三102，所述支架板一100、支架板二101和支架板三102通过两侧的螺杆固定连接，所述轴一2沿轴向上的三个支撑位分别与支架板一100、支架板二101和支架板102三轴接，并在各轴接处设置轴套。所述轴二2的两端分别与支架板二101和支架板三102通过平键和轴套的配合固定连接。所述轴三4的一端与支架板二101通过轴套轴接，另一端与支架板一100通过轴套轴接并自支架板一100伸出后与把手15固定连接。

如图3所示，所述棘轮机构11包括套接的棘轮1100和棘爪座1101，所述棘爪座1101上设有棘爪1102，所述棘爪座1101和齿轮三7均同轴固定于轴一2上，所述卷筒9和齿轮一5套装在轴一2的外侧，所述卷筒9的一端与棘轮1100固定连接，另一端与齿轮一5固定连接，所述钢丝绳10卷绕于卷筒9的外侧（见图2）。

如图5所示，所述离心调速机构12包括离心座1200、离心杆1201、飞球1202、轴环1203和连杆1204，所述离心座1200同轴固定于轴一2上，所述离心杆1201的一端与离心座1200铰接，另一端与飞球1202固定连接，所述轴环1203同轴滑设于轴一2上，所述连杆1204的两端分别与轴环1203和离心杆1201铰接。本实施例中，所述离心调速机构12包括3根离心杆，3根所述离心杆均布于离心座的周向，每根所述离心杆的端部固定连接一飞球，每根所述离心杆与轴环之间连接一连杆。

所述摩擦盘机构13包括定摩擦盘1300和动摩擦盘1301，所述定摩擦盘1300的中心孔面上设有贯穿轴向的键槽，所述轴二3上嵌装有与键槽配合的平键，所述定摩擦盘1300通过上述结构同轴滑设于轴二3上。所述动摩擦盘1301上的动摩擦面和定摩擦盘上的定摩擦面相对设置，所述动摩擦盘1301和齿轮四8通过轴承套装于轴二3上，其中，轴二3不转，动摩擦盘1301和齿轮四8跟随轴承外圈转动。所述动摩擦盘1301的远离定摩擦盘1300的一端与齿轮四8固定连接，优选的是将动摩擦盘1301与齿轮四8做成一体式结构。所述齿轮四8与齿轮三7啮合；所述定摩擦盘1300的外侧设有环形凹槽，所述环形凹槽内套装有压缩弹簧16。

所述杠杆驱动机构14包括连接座一1400、连杆一1401、连杆二1402、连杆三1403、固定座1404和连接座二1405，所述连接座一1400与轴环1203固定连接，所述连接座二1405套装于环形凹槽内、压缩弹簧16远离动摩擦盘1301的一侧，所述固定座1404与支架1固定连接，所述连杆一1401的两端分别与连接座一1400和连杆二1402的一端铰接，所述连杆二1402的另一端与固定座1404铰接，所述连杆三1403的两端分别与连杆二1402和连接座二1405铰接。

所述齿轮二6同轴固定于轴三4上，所述齿轮二6与齿轮一5啮合。

本发明还提供一种离心式高楼逃生装置的工作方法，包括如下步骤：

（1）逃生人员系好安全带后，顺着钢丝绳下降，卷筒带动棘轮顺时针转动，棘轮带动棘爪及棘爪座一起运转，棘爪座又带动轴一转动，离心调速机构便随轴一作顺时针转动；

（2）在重力加速度作用下，人体下降的速度逐渐增大，轴一的转速也随着升高，离心调速机构的飞球因离心力增大而飞向外侧，驱动轴环向前移动，通过杠杆驱动机构的连接座二压紧压缩弹簧来驱动定摩擦盘与动摩擦盘接合；压缩弹簧将杠杆驱动机构产生的轴向压力全部传递给定摩擦盘，同时还能调节杠杆驱动机构产生的轴向位移，定摩擦盘不能转动，只能作轴向移动，动摩擦盘随着齿轮三一起转动；

（3）定摩擦盘和动摩擦盘之间产生摩擦阻力矩，阻止人体下降速度的进一步增大，当摩擦阻力矩通过齿轮四传递给齿轮三，在齿轮三上产生趋近于或等于人体重力在卷筒上产生的转矩时，人体作等速下降；反之，若人体下降速度降低，轴一的转速下降，在压缩弹簧的弹簧力反作用下使轴一上的轴环反向移动，飞球向内侧回缩，定摩擦盘和动摩擦盘间的压力减小，动摩擦盘所受摩擦阻力矩随之减小，人体下降的速度随之又逐渐增大，飞球产生的离心力又重新增大，直至达到新的平衡；

（4）逃生人员落地后，楼上人员顺时针摇动把手，轴三上的齿轮二驱动轴一上的齿轮一逆时针转动卷筒，将钢丝绳收回，以供后续人员重复上述的逃生过程，此时棘爪在棘轮上打滑，不能跟随棘轮一起转动，轴一也不转动，从而减少了转动把手的工作阻力。

所述离心式高楼逃生装置工作过程中的数学模型如下：

人体在自身重力作用下，安全落地的速度v为4m/s，以此速度落地人体不会摔伤，若卷筒的直径D=0.3m，卷筒转速为

，

；

离心调速机构中均布有3个飞球，单个飞球的质量为m，回转半径为，则3个飞球产生离心力的总和为：

（1）；

其中为离心杆与轴一轴线的夹角，l为离心杆（AC杆）的杆长，B为AC的中点，即BC长为，同理，连杆（BD杆）的杆长为（如图4所示）。

在图4所示的系统中，轴环沿轴向滑移，若忽略离心调速机构中各铰链的摩擦力和杆的质量，根据达朗伯-拉格朗日方程，得：

（2）；

飞球A的虚位移可由离心杆（AC杆）在相对平衡位置转过一微小角度得到，即：

（3），

的方向垂直于离心杆（AC杆）；

如图4所示，轴环到离心座之间（CD两点间）的长度，则有：

（4）；

将式（3）和式（4）代入式（2），得

，

化简后得：

（5）；

如图4所示，连杆二（轴环铰链距固定铰链）的杆长为l ₁，连杆三（摩擦盘铰链距固定铰链）的杆长为l ₂，且，故作用在定摩擦盘上的压力为

（6）；

通过上述推导可知，与ω成平方正比，通过连杆二的增力放大作用，是的3倍；当人体下降速度增大时，作用在摩擦盘的压力随着增大，摩擦盘产生的阻力矩也随着增大，直至与人体重力在卷筒上产生的转矩达到平衡，从而使人体作等速下降运动。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种离心式高楼逃生装置，其特征在于，包括支架、轴一、轴二、轴三、齿轮一、齿轮二、齿轮三、齿轮四、卷筒、钢丝绳、棘轮机构、离心调速机构、摩擦盘机构和杠杆驱动机构，其中，

所述轴一、轴二和轴三的两端分别支撑定位于支架上，且所述轴一、轴二和轴三平行设置；

所述棘轮机构包括套接的棘轮和棘爪座，所述棘爪座上设有棘爪，所述棘爪座和齿轮三均同轴固定于轴一上，所述卷筒和齿轮一套装在轴一的外侧，所述卷筒的一端与棘轮固定连接，另一端与齿轮一固定连接，所述钢丝绳卷绕于卷筒的外侧；

所述离心调速机构包括离心座、离心杆、飞球、轴环和连杆，所述离心座同轴固定于轴一上，所述离心杆的一端与离心座铰接，另一端与飞球固定连接，所述轴环同轴滑设于轴一上，所述连杆的两端分别与轴环和离心杆铰接；

所述摩擦盘机构包括定摩擦盘和动摩擦盘，所述定摩擦盘同轴滑设于轴二上，所述动摩擦盘上的动摩擦面和定摩擦盘上的定摩擦面相对设置，所述动摩擦盘和齿轮四通过轴承套装于轴二上，所述动摩擦盘的远离定摩擦盘的一端与齿轮四固定连接，所述齿轮四与齿轮三啮合；所述定摩擦盘的外侧设有环形凹槽，所述环形凹槽内套装有压缩弹簧；

所述杠杆驱动机构包括连接座一、连杆一、连杆二、连杆三、固定座和连接座二，所述连接座一与轴环固定连接，所述连接座二套装于环形凹槽内、压缩弹簧远离动摩擦盘的一侧，所述固定座与支架固定连接，所述连杆一的两端分别与连接座一和连杆二的一端铰接，所述连杆二的另一端与固定座铰接，所述连杆三的两端分别与连杆二和连接座二铰接；

所述齿轮二同轴固定于轴三上，所述齿轮二与齿轮一啮合，所述轴三的一端设有把手。

2.根据权利要求1所述的离心式高楼逃生装置，其特征在于，所述离心调速机构包括3根离心杆，3根所述离心杆均布于离心座的周向，每根所述离心杆的端部固定连接一飞球，每根所述离心杆与轴环之间连接一连杆。

3.根据权利要求1所述的离心式高楼逃生装置，其特征在于，所述支架包括平行间隔设置的支架板一、支架板二和支架板三，所述支架板一、支架板二和支架板三通过两侧的螺杆固定连接，所述轴一沿轴向上的三个支撑位分别与支架板一、支架板二和支架板三轴接；所述轴二的两端分别与支架板二和支架板三固定连接；所述轴三的一端与支架板二轴接，另一端与支架板一轴接并自支架板一伸出后与把手固定连接。

4.根据权利要求3所述的离心式高楼逃生装置，其特征在于，所述轴三在径向方向上位于轴一和轴二之间。

5.根据权利要求1所述的离心式高楼逃生装置，其特征在于，所述定摩擦盘的中心孔面上设有贯穿轴向的键槽，所述轴二上嵌装有与键槽配合的平键。

6.根据权利要求1所述的离心式高楼逃生装置，其特征在于，所述动摩擦盘与齿轮四为一体式结构。

7.一种权利要求1~6中任一项所述的离心式高楼逃生装置的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）逃生人员系好安全带后，顺着钢丝绳下降，卷筒带动棘轮顺时针转动，棘轮带动棘爪及棘爪座一起运转，棘爪座又带动轴一转动，离心调速机构便随轴一作顺时针转动；

（2）在重力加速度作用下，人体下降的速度逐渐增大，轴一的转速也随着升高，离心调速机构的飞球因离心力增大而飞向外侧，驱动轴环向前移动，通过杠杆驱动机构的连接座二压紧压缩弹簧来驱动定摩擦盘与动摩擦盘接合；

（3）定摩擦盘和动摩擦盘之间产生摩擦阻力矩，阻止人体下降速度的进一步增大，当摩擦阻力矩通过齿轮四传递给齿轮三，在齿轮三上产生趋近于或等于人体重力在卷筒上产生的转矩时，人体作等速下降；反之，若人体下降速度降低，轴一的转速下降，在压缩弹簧的弹簧力反作用下使轴一上的轴环反向移动，飞球向内侧回缩，定摩擦盘和动摩擦盘间的压力减小，动摩擦盘所受摩擦阻力矩随之减小，人体下降的速度随之又逐渐增大，飞球产生的离心力又重新增大，直至达到新的平衡；

（4）逃生人员落地后，楼上人员顺时针摇动把手，轴三上的齿轮二驱动轴一上的齿轮一逆时针转动卷筒，将钢丝绳收回，以供后续人员重复上述的逃生过程，此时棘爪在棘轮上打滑，不能跟随棘轮一起转动，轴一也不转动，从而减少了转动把手的工作阻力。

8.根据权利要求7所述的离心式高楼逃生装置的工作方法，其特征在于，所述离心式高楼逃生装置工作过程中的数学模型如下：

人体在自身重力作用下，安全落地的速度v为4m/s，以此速度落地人体不会摔伤，若卷筒的直径D=0.3m，卷筒转速为：

，

；

离心调速机构中均布有3个飞球，单个飞球的质量为m，回转半径为，则3个飞球产生离心力的总和为：

（1）；

其中为离心杆与轴一轴线的夹角；设定离心杆的上端点为C、下端点为A，连杆的两端点分别为B和D，且点B为AC杆的中点，AC杆的杆长为，BC长为，同理，BD杆长也为；

轴环沿轴向滑移，忽略离心调速机构中各铰链的摩擦力和杆的质量，根据达朗伯-拉格朗日方程，得：

（2）；

飞球的虚位移可由离心杆在相对平衡位置转过一微小角度得到，即：

（3），

的方向垂直于离心杆；

轴环到离心座之间的长度，则有：

（4）；

将式（3）和式（4）代入式（2），得

，

化简后得：

（5）；

连杆二的杆长为l ₁，连杆三的杆长为l ₂，且，故作用在定摩擦盘上的压力为

（6）；

通过上述推导可知，与ω成平方正比，通过连杆二的增力放大作用，是的3倍；当人体下降速度增大时，作用在摩擦盘的压力随着增大，摩擦盘产生的阻力矩也随着增大，直至与人体重力在卷筒上产生的转矩达到平衡，从而使人体作等速下降运动。