彈簧型高樓逃生器原理及受扭矩時(shí)的變形分析

隨著建筑高度的增加和日趨密集，建筑的安全隱患也越來(lái)越多，即使在發(fā)達(dá)國(guó)家的高樓遇有火災(zāi)、爆炸等事件時(shí)，由于時(shí)間、空間等諸多因素的限制，人員自救逃生也是一個(gè)極待解決的重要問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外高樓逃生器主要有以下幾種形式：

(1)包角加手控式：該類(lèi)逃生器增加鋼絲繩與輪之間的包角，使得鋼絲繩與鋼絲輪之間的摩擦力增加。另外，再利用手控裝置，進(jìn)一步調(diào)節(jié)下降速度的快慢。

(2)間歇沖擊式：間歇沖擊式逃生器是通過(guò)間歇撞擊能來(lái)消耗能量，如利用鐘表中的擒縱叉和擒縱輪原理來(lái)消耗能量。

(3)液體流動(dòng)阻尼式：液體流動(dòng)阻尼式是利用液體流動(dòng)阻尼把人體勢(shì)能轉(zhuǎn)化成液體熱能，以達(dá)降低速度的目的。其主要特點(diǎn)是由于液體阻尼的大小取決于外負(fù)載，所以不論人體質(zhì)量的大小均能以比較溫度的速度下降。

通過(guò)對(duì)上述幾種逃生器的介紹，筆者認(rèn)為逃生器應(yīng)側(cè)重結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡(jiǎn)單，安全可靠、使用方便、平穩(wěn)決速、成本低廉等特點(diǎn)。基于此，本文提出了利用彈簧鎖緊裝置的逃生緩降器，不僅滿足了上述要求，還創(chuàng)新利用了彈簧的徑向鎖緊功能。此設(shè)計(jì)由于小巧便捷，成本低，特別適宜家庭備用于緊急脫險(xiǎn)。
1設(shè)計(jì)創(chuàng)新及原理

在彈簧的傳統(tǒng)應(yīng)用中，利用材料的彈性和結(jié)構(gòu)的特性，在工作時(shí)產(chǎn)生變形，把機(jī)械功或動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文?，或者把變形能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或動(dòng)能。由于這些特性，而被廣泛應(yīng)用于緩沖或減震、機(jī)械的儲(chǔ)能、控制運(yùn)動(dòng)及測(cè)力裝置等領(lǐng)域。

本設(shè)計(jì)一改以往只是對(duì)彈簧進(jìn)行拉壓的研究，忽略了當(dāng)彈簧受到扭矩作用時(shí)，彈簧中徑的尺寸發(fā)生變化而帶來(lái)的新的應(yīng)用領(lǐng)域的研究。此設(shè)計(jì)是將螺旋彈簧套在鋼絲繩上，通過(guò)對(duì)螺旋彈簧施加扭矩，改變彈簧中徑的大小，從而減小或增大螺旋彈簧和鋼絲繩之間的摩擦力。通過(guò)控制摩擦力的大小，可達(dá)到自由控制下滑的速度的目的。
1．1彈簧受扭矩時(shí)的變形分析

如圖1，在彈簧材料截面的中心取彈簧材料中心線的切線為t軸，法線為，z軸，次法線為b軸。

式中：，為彈簧材料截面慣性矩；，為彈簧材料截面極慣性矩；E為彈簧材料的彈性模量；G為彈簧材料的切變模量；為彈簧中徑；為螺旋線升角；，z為有效工作圈數(shù)；d為彈簧材料直徑。
1．2彈簧受扭矩時(shí)的應(yīng)力分析如圖3所示，彈簧圈內(nèi)側(cè)**應(yīng)力為：

1．3彈簧內(nèi)側(cè)壓力

由此可得彈簧與鋼絲繩所承受的**摩擦力為f=／uf，u為摩擦系數(shù)，可查表獲得，如表1。

彈簧材料種類(lèi)繁多，目前大量使用的是彈簧鋼，其次是具有特殊性能的彈簧材料，如不朽耐酸鋼、耐熱鋼(合金)、銅合金、鎳合金以及橡膠、塑料等。

    從以上公式中不難看出，摩擦力的大小與彈簧承受的扭矩有直接的關(guān)系，通過(guò)調(diào)整所施加的扭矩的大小，可以改變彈簧中徑，進(jìn)而控制下滑的速度。當(dāng)且僅當(dāng)重力小于摩擦力廠時(shí)，能有效地控制下滑。

2 結(jié)束語(yǔ)

伴隨高樓業(yè)的蓬勃發(fā)展，如何提高高樓逃生時(shí)的成活率，人們已經(jīng)發(fā)明了各種各樣的逃生器，從社會(huì)需求出發(fā)，此新型高樓逃生器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，輕巧便捷，攜帶方便，制造工藝簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，。力源直接來(lái)自人員本身，而且充分利用了彈簧徑向載荷的使其直徑變化的特性。從試驗(yàn)的效果看，此高樓逃生器更適用于小型家庭緊急高樓逃生，不分老幼都可以很大程度地保證安全脫險(xiǎn)，即使對(duì)于兒童也可以很容易的上手操作。具有很強(qiáng)的市場(chǎng)推廣價(jià)值。   北京消電檢第三方消防檢測(cè)機(jī)構(gòu)作者：王春彥，岳大鑫