基于Pro/E的逃生救援装置设计与研究

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第28卷 第2期2013年06月西 南 科 技 大 学 学 报Joumal of Southwest University of Science and TechnologyVo1．28 No．2June 2013基于 Pro／E的逃生救援装置设计与研究张 婧 王基生 张俊俊 宋红文 徐 丹(西南科技大学制造科学与工程学院 l~lJ,l绵阳 621010)摘要：基于Pro／E的逃生救援装置主要利用空气阻尼原理设计。用三维软件Pro／E对其建模并进行了模拟仿真，没有干涉现象发生；对制作的模型进行了实验研究，得到了与原理分析吻合的结果。该系统为灾难发生时处于被困高楼中的居民提供了一种安全可靠的逃生方法，同时能够及时输送救灾人员到达高层。

关键词：逃生救援装置 高层建筑 空气阻力 三维软件Pro／E中图分类号：TH16 文献标志码：A 文章编号：1671—8755(2013)02—0057—04Design and Research of the Evacuation andRescue Device Based on the Pro／EZHANG Jing，WANG Ji—sheng，ZHANG Jun—jun，SONG Hong—wen，XU Dan(School of Manufacture Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China)AhCtraet：The evacuation and rescue device based on the Pro／E is designed on the principle of air damping．Th edevice was modeled and simulated in the Pro／e system and there is no phenomenon of interference．By carryingout the experiment and research on the device model，the sanle result with the above principle is achieved．Whena disaster occurs，the device provides a safe and refiable way to escape for the high-rise residents and can alsotime ly transport disaster relief personnel to the top.

Key words：Evacuation；Rescue；Pro／E；Experiment据统计，我国高层建筑正以20％的速度逐年递增，楼梯、电梯是人们到达高层建筑物的重要工具。

地震后楼梯损坏，人员无法在短时间内离开建筑物。

有数据显示，近几年我国高层火灾发生率占到了四层，有五六万起之多 -¨4]。自然灾难发生时，楼梯、电梯等传统逃生通道受阻，这时为高楼居民寻求一条方便快捷、安全可靠的逃生之路就非常重要。

1 原理及方案1．1 原理空气阻力指空气对运动物体的阻碍力，是运动物体受到空气的弹力而产生的。降落伞就是利用空气阻力从高空安全落地的工具之一[5 J。降落伞按用途可分为人用伞和物用伞，人用伞的伞衣面积通常为 40—90 m ，下降速度不 大于 7 m／s[ 。从5 000 m处自由落体到达地面的速度计算方法如下：h=(1／2)g·t2 (1)= v0+g·t (2)式中： 一 初速度；g_-重力加速度； 一 下降时间；vo=Om／s，g=9．8 m／s ，由公式(1)与(2)可以计算出：t=31．98 S，V一 =319．8 rn／s。由此可知，降落伞的空气阻力可使从5 000 m高空降落的物体速度从319．8 m／s下降到7 m／s以下，空气阻力很大。

空气阻力影响因素如公式(3)所示：． F=(1／2)C·P·S·俨 (3)式中：c一空气阻力系数；p一空气密度；s一物体迎收稿日期：2013一O1—20作者简介：张婧，女，硕士研究生，机械电子工程专业。E—mail：841226398###qq．con。

58 西 南 科 技 大 学 学 报 第 28卷风面积； 物体与空气的相对运动速度。

由上式可知，正常情况下空气阻力的大小与空气阻力系数、迎风面积及速度平方成正比。采用空气阻尼原理，将人、物在重力场内下降时的重力势能转变为空气动能，从而限制落地速度在合理范围之内，安全落地。

1．2 总体方案本文对灾难发生时高层建筑的传统逃生通道损坏时，探求一种安全可靠、高效便捷的逃生救援装置，其同时兼备逃生与输送救援人员到达建筑高层的功能。该方案如图1所示。

图 1 逃 生救援装置总体方案Fig．1 The overall plan of the evacuation& rescue device1．3 设计研究用三维软件 Pro／E建模，在软件中进行仿真，检查各个部件间的干涉情况。基于 Pro／E的高楼救援逃生系统，由隐形云梯、传动系统、空气阻尼调速器、可移动多功能柜、保护罩、防烧伤配件组成。其三维图和二维示意图如图2(a)和2(b)所示。

l5}=i尼板支臂阻尼板软梯图2 逃生救援装置的三维结构图和二维示意图Fig．2 The 3一D and 2一D structures of the evacuation＆rescue device灾难发生时，打开可移动柜，隐形云梯向下展开。

逃生人员就是云梯运动救人的动力，逃生人员搭乘隐形云梯，使隐形云梯开始加速运动，隐形云梯带动滚筒轴加速转动，滚筒轴(主动轴)转动通过传动系统的锥齿轮改变转动方向，空气阻尼板轴绕垂直方向加速旋转运动，阻尼板与空气产生相对运动，此时空气阻尼板产生阻力，阻止阻尼板轴(从动轴)加速旋转，直到隐形云梯匀速运动，空气阻尼调节器匀速转动，匀速运动时系统能量守衡。隐形云梯的功率与空气阻尼板运动输出的功率相等，阻尼板输出功率与转速、面积成正比，每当隐形云梯增加一个人，隐形云梯都将加速运动，由于阻尼板将会提高转速控制隐形云梯速度到 1～1．5 m／s匀速运动，从而限制落地速度在合理范围之内，保证云梯的匀速下降。

根据高层建筑特点将高楼逃生器按楼高划分为10层、20层、30层，本文以 10层楼高以下公共场所使用的高楼逃生救援装置为例来进行设计。

1．3．1 滚筒支架设计根据楼高 10层，设计的滚筒支架如图2(a)中绿色部分所示。采用该框架结构便于滚筒、传动部分的安装，中间是一对带减速比的锥齿轮，可以改变传动方向，最上端支出部分便于安装阻尼板。

1．3．2 隐形云梯设计云梯由平行的两根钢丝绳组成，首尾相连成封闭环，每根钢丝绳固定在滚筒中的导向轮上，可往复循环运动，如图 3所示，其长度可根据楼高进行设置。在钢丝绳上距离 2．5 ITI相间安装连接扣，用来挂逃生袋，同时配备防烧伤装备，逃生袋、防烧伤配件由耐高温隔热材料制成。隐形云梯的隐藏结构是可移动柜，如图4，后面是摇杆，前面是支架挡板。

平时将云梯安放在可移动柜中，云梯不工作时是看不见的，因此称为隐形云梯。

图3 隐形云梯展开平面图Fig．3 The expansion graph of the invisible ladder
西 南 科 技 大 学 学 报 第 28卷实验研究数据如表 1，表2，表 3所示。表 1显示了载重量与叶片臂长相同情况下叶片面积对速度的影响，表明叶片大小影响下降速度，叶片面积越大速度越慢。表 2显示了叶片面积与载重量相同的情况下叶片臂长对速度的影响，表明叶片臂长影响下降速度，叶片臂越长速度越慢。表3显示了叶片面积与臂长相同的情况下重力对速度的影响，表明载重量越大下降速度快。

表 1 载重量(70 g)和叶片臂长(62 mm)相同叶片面积对速度的影响Table 1 Experimental conditions：weight 70 g，Blade am length 62 inln。Blade area unit mill表2叶片面积(1 878．5 mm )和载重量(70 g)相同时叶片臂长对速度的影响Table 2 Experimental conditions：Blade area 1 878．5 mm ，weight 70 g。Blade am length unit mm表 3 叶片面积(1 878．5 mm )和叶片臂长(62 mm)相同时载重量对速度的影响Table 3 Experimental conditions：Blade area 1 878．5 mm ，Blade am length 62 innl，weight unit g3 结语本文针对灾难发生时高楼居民的逃生方式，用空气阻尼原理设计了一种新型逃生救援装置，在理论探讨的基础上进行了模拟实验，实验结果符合理论研究。该装置不需用电，不会造成因遇险时停电而无法使用。结合当前一些逃生装置的研究状况，认为提高该逃生救援装置的机构性能还应在以下几个方面作进一步的研究：(1)启动装置部分的进一步研究。在中间或其他楼层安装启动装置，利用缆绳、绞索将其与楼顶“隐形云梯”连接。启动装置用玻璃罩封闭(类似于消防警报器)，避免误操作，当需要启动时击碎玻璃即可启动该装置。(2)装置的强度问题需进一步研究。应用有限元软件对该装置的本体及各部分零件进行模拟仿真研究，计算其应力强度等，为装置的可靠性提供依据。(3)软梯的进一步研究。可采用钢绳、铁链等制作云梯，达到体积小、防火、可靠的目的。(4)阻尼器叶片臂的进一步研究。利用离心力使阻尼器叶片臂的长度能随转动速度变化而变化，当人员增多时，阻尼器转动加快时叶片臂 自动增长，增大阻力力矩，降低速度。(5)逃生袋的进一步研究。针对一些体力、心理能力承受差的人，用柔软耐高温材料制作逃生袋(如：消防逃生袋所用材料)，使逃生袋具有安装方便、快捷、防火、隔热、防撞击功能。

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