本發(fā)明涉及一種高層逃生用緩降裝置，更具體的說，尤其涉及一種基于液壓節(jié)流原理控速的高層逃生用緩降裝置。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)的進(jìn)步，建筑的形式正逐漸向高層化、密集化的方向發(fā)展。單位土地利用率的提高，在一定程度上緩解了人口增長所帶來的住房壓力，但也帶來了新的安全挑戰(zhàn)。當(dāng)火災(zāi)等危急情況發(fā)生時，位于高層的人員如何快速、平穩(wěn)、安全的撤離，成為我們必須要考慮的問題。傳統(tǒng)的逃生通道對于高層被困人員安全撤離的作用很小，逃生速度過慢、過火層以上人員需穿越煙火范圍等不利因素嚴(yán)重威脅著受災(zāi)人員的生命安全。

目前高層建筑火災(zāi)人員逃生主要有依靠救援和自救兩種方式。依靠救援即利用消防單位所提供的設(shè)備撤離，多為云梯車或救援直升機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備。這種方式會受到時間和空間等多種因素影響——消防單位在接警后趕赴現(xiàn)場和展開設(shè)備均需一定時間且由于建筑密集化程度較高大型設(shè)備展開受限，只能作為自救失敗的最終保障，若想有效保證被困人員生命安全，還需配合有效的自救。

自救的方式分為內(nèi)部逃生和外部逃生兩種方式，內(nèi)部逃生除傳統(tǒng)的逃生通道外，目前新興起的一種逃生方式較為受到人們的推崇，即逃生滑梯。其原理是沿著樓梯扶手布設(shè)一道自上而下連續(xù)的滑道，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，逃生人群可以進(jìn)入滑道并沿其滑下。該方法相較于傳統(tǒng)的逃生樓梯，具有撤離速度快的優(yōu)點，但是對于過火層以上人員，同樣也需面臨穿越煙火帶的局面，難以保證撤離人員的安全。

相比于內(nèi)部逃生方式，從建筑外滑下可以有效避免煙火侵害，對于樓層較低的人員逃生可選擇繩索或逃生軟梯，但是對于位于高層的人員，這種方式顯然是不現(xiàn)實的，這時就需要借助外部設(shè)備。即利用緩降器等速度控制裝置輔助人員以一個較為安全的速度撤離至地面。

速度控制裝置的發(fā)展及應(yīng)用，隨著科技的日益進(jìn)步而變得越來越先進(jìn)，越來越為人們所接受，種類越來越多。目前國內(nèi)外緩降器中常用的速度控制方式為兩種：機(jī)械摩擦式和液體流動阻尼式。前者是利用增大活動件之間的摩擦力來達(dá)到控制速度的目的，常見的類型有包角加手控式、離心摩擦式、間歇沖擊式；后者是利用液體流動阻尼將使用人員的下降時的動能轉(zhuǎn)化為熱能散失掉，以達(dá)到控速緩降的目的。

現(xiàn)有的緩降裝置雖然可以在一定程度在上達(dá)到基本的使用要求，但是由于受到結(jié)構(gòu)功能的限制，仍然存在一些不足：機(jī)械摩擦式難以保證操作者勻速下降的使用條件且在使用過程中可能會受到減速機(jī)構(gòu)磨損嚴(yán)重或者抱死的影響，造成下滑速度過快或卡死，安全性較差；液體阻尼式由于初始狀態(tài)下的阻尼最小，所以操作者是以最大速度開始下滑，且由于使用過程中溫度升高液體粘性降低造成阻尼系數(shù)減小，也會對裝置的速度控制效果產(chǎn)生影響，但相對于機(jī)械摩擦式，由于這種方式通過柔性阻尼來實現(xiàn)，速度波動較小且有效避免了卡死現(xiàn)象。同時這種的方式存在著機(jī)構(gòu)龐大復(fù)雜，制造、使用、維護(hù)成本較高的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服上述技術(shù)問題的缺點，提供了一種基于液壓節(jié)流原理控速的高層逃生用緩降裝置。

本發(fā)明的基于液壓節(jié)流原理控速的高層逃生用緩降裝置，包括殼體和設(shè)置于殼體中的繞線輪、第一活塞腔和第二活塞腔，繞線輪上固定有輪軸，輪軸轉(zhuǎn)動設(shè)置于殼體中，繞線輪上纏繞有繩索，殼體中設(shè)置有用于繩索穿出的繞線通道；第一活塞腔和第二活塞腔位于繞線輪的上方，且其中分別設(shè)置有從動活塞、主動活塞；其特征在于：所述第一活塞腔與第二活塞腔通過油管相連通，油管中設(shè)置有控制緩降裝置下落速度的節(jié)流孔；主動活塞的下表面上固定有活塞桿，活塞桿的下端固定有拉桿，拉桿的兩端分別鉸接有第一連桿和第二連桿；

殼體中設(shè)置有相嚙合的第一曲柄齒輪和第二曲柄齒輪，第一曲柄齒輪與第一連桿轉(zhuǎn)動連接，第二曲柄齒輪與第二連桿轉(zhuǎn)動連接；輪軸的端部固定有第一齒輪，殼體中設(shè)置有與第一齒輪相嚙合的第二齒輪，第一曲柄齒輪的內(nèi)側(cè)固定有與其同軸并與第二齒輪相嚙合的第三齒輪。

本發(fā)明的基于液壓節(jié)流原理控速的高層逃生用緩降裝置，包括左轉(zhuǎn)軸和右轉(zhuǎn)軸，左轉(zhuǎn)軸、右轉(zhuǎn)軸均通過套筒聯(lián)軸器分別與輪軸的左端和右端相固定，左轉(zhuǎn)軸和右轉(zhuǎn)軸均通過軸承轉(zhuǎn)動設(shè)置于殼體上，第一齒輪固定于有轉(zhuǎn)軸的外端。

本發(fā)明的基于液壓節(jié)流原理控速的高層逃生用緩降裝置，所述第一曲柄齒輪、第二曲柄齒輪、第二齒輪和第三齒輪均通過軸承轉(zhuǎn)動地設(shè)置于殼體上；殼體上設(shè)置有用于繩索穿出的出線孔。

本發(fā)明的基于液壓節(jié)流原理控速的高層逃生用緩降裝置的節(jié)流孔計算方法，其特征在于，通過以下步驟來實現(xiàn)：

a).參數(shù)設(shè)定；設(shè)油管的內(nèi)徑為D，節(jié)流孔的直徑單位d、橫截面積為A，油液經(jīng)節(jié)流孔形成的收縮截面的直徑為d₂、橫截面積為A₀；設(shè)油液通過節(jié)流孔之前的壓力為p₁，收縮截面處的油液壓力為p₂；

設(shè)拉桿的長度為e，第一連桿和第二連桿的長度均為l，第一曲柄齒輪的中心距離第一連桿與其連接點的距離、第二曲柄齒輪的中心距離第二連桿與其連接點的距離均為R；則通過如下公式定義參數(shù)b₁、b₂、b₃、S：

S＝b₁-b₂

其中，b₁為主動活塞處于上極限位置時拉桿距第一曲柄齒輪或第二曲柄齒輪中心的距離，b₂為活塞處于下極限位置時拉桿距第一曲柄齒輪或第二曲柄齒輪中心的距離，b₃為活塞任意瞬間位置時拉桿距第一曲柄齒輪或第二曲柄齒輪中心的距離，S為活塞行程，θ為第一連桿或第二連桿與水平線之間的夾角；

b).建立伯努利方程，對油液在油管中節(jié)流孔的狀態(tài)進(jìn)行分析，建立如公式(1)所示的伯努利方程：

其中，v₁為油液通過節(jié)流孔之前的速度，v₂為收縮截面處油液的速度；

按照實際尺寸來說，由于油管的內(nèi)徑D遠(yuǎn)大于節(jié)流孔的直徑d，使得v₁＜＜v₂，略去公式(1)中含有v₁的項，可得：

其中，C_v為速度系數(shù)，Δp＝p₁-p₂；

c).求收縮截面處流量，根據(jù)公式(3)求取收縮截面處的流量q：

其中，C_d＝C_vC_c，C_d為小孔流量系數(shù)，C_c為收縮系數(shù)，其含義如下：

d).計算活塞產(chǎn)生的流量，設(shè)利用緩降裝置下降的安全速度為v₀，利用繩索下降的速度v₀求取主動活塞運(yùn)動的平均速度，設(shè)為Z，v₀＝0.8～1.2m/s；則活塞運(yùn)動產(chǎn)生的流量q′為：

q′＝πr²·S·2Z (4)

其中，r為主動活塞的半徑，S為活塞行程；

e).求取節(jié)流孔的面積，聯(lián)合公式(3)和(4)即可求取節(jié)流孔的面積為：

根據(jù)求取的節(jié)流孔的面積，即可計算出節(jié)流孔的直徑大小。

本發(fā)明的基于液壓節(jié)流原理控速的高層逃生用緩降裝置的節(jié)流孔計算方法，所述的C_v取0.97～0.98，C_d取0.7～0.8。

本發(fā)明的基于液壓節(jié)流原理控速的高層逃生用緩降裝置的節(jié)流孔計算方法，所述壓力p₁取主動活塞(6)運(yùn)動至最低端、中間位置時在節(jié)流孔之前部位所產(chǎn)生壓力的平均值，壓力p₂取主動活塞(6)運(yùn)動至最低端、中間位置時在收縮截面處所產(chǎn)生壓力的平均值；v₁取主動活塞(6)運(yùn)動至最低端、中間位置時在節(jié)流孔之前部位所產(chǎn)生流速的平均值，v₂取主動活塞(6)運(yùn)動至最低端、中間位置時在收縮截面處所產(chǎn)生流速的平均值；

設(shè)使用者的重量為mg，油液通過節(jié)流孔之前的瞬時壓力值p₁′為：

其中，R_a為繞線輪的半徑，S_e為活塞的作用面積；

節(jié)流孔處油管系統(tǒng)的效率表示為：

其中，∑Δp為油管中的總壓力損失，其通過如下公式進(jìn)行求取：

其中，λ為沿程阻力系數(shù)，在湍流狀態(tài)下，雷諾數(shù)取Δ為油管壁的粗糙度，如果為銅管，Δ0.0015～0.01mm。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的高層逃生用緩降裝置的節(jié)流孔計算方法，利用薄壁小孔對于液體的節(jié)流原理設(shè)計了一款全新的高層緩降逃生設(shè)備，人員下落通過繩索帶動繞線輪轉(zhuǎn)動過程中，繞線輪通過多組結(jié)合的齒輪以及由第一、第二曲柄齒輪和第一、第二連桿組成的“曲柄連桿”機(jī)構(gòu)驅(qū)使主動活塞往復(fù)運(yùn)動，主動活塞和從動活塞的往復(fù)運(yùn)動將人體下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為油液的內(nèi)能，保證了人體的平穩(wěn)、勻速降落。具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，存放、使用、維護(hù)方便，使用過程平穩(wěn)安全等特點，對于高樓緩降逃生具有較高的使用價值，有效解決了高樓災(zāi)后自救逃生的問題，提供了切實有效的逃生手段。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的高層逃生用緩降裝置的剖視圖；

圖2、圖3為本發(fā)明中繞線輪與主動活塞之間傳動機(jī)構(gòu)的示意圖；

圖4為本發(fā)明中繞線輪的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的高層逃生用緩降裝置的剖視圖外觀圖；

圖6為油液穿過節(jié)流孔的流動示意圖。

圖中：1殼體，2繞線輪，3第一活塞腔，4第二活塞腔，5從動活塞，6主動活塞，7輪軸，8油管，9節(jié)流孔，10繞線通道，11活塞桿，12拉桿，13第一連桿，14第二連桿，15第一齒輪，16第二齒輪，17第三齒輪，18第一曲柄齒輪，19第二曲柄齒輪，20軸承，21左轉(zhuǎn)軸，22右轉(zhuǎn)軸，23套筒聯(lián)軸器，24銷釘，25出線孔。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，給出了本發(fā)明的高層逃生用緩降裝置的剖視圖，圖2和圖3給出了本發(fā)明中繞線輪與主動活塞之間傳動機(jī)構(gòu)的示意圖，所示的升降裝置由殼體1、繞線輪2、第一活塞腔3、第二活塞腔4、主動活塞6、從動活塞5、輪軸7、油管8以及傳動機(jī)構(gòu)組成，所示殼體1的內(nèi)部為空腔，繞線輪2位于殼體1內(nèi)部空腔的下部，繞線輪2固定于輪軸7上，輪軸7轉(zhuǎn)動地設(shè)置于殼體1上，繞線輪2上纏繞有繩索，殼體1中設(shè)置有用于繩索穿出的繞線通道10。第一活塞腔3和第二活塞腔4位于繞線輪2的上方，并相鄰設(shè)置，從動活塞5和主動活塞6分別位于第一活塞腔3和第二活塞腔4中。

所示的第一活塞腔3與第二活塞腔4通過油管8相連通，油管8中設(shè)置有節(jié)流孔9，當(dāng)主動活塞6運(yùn)動至第二活塞腔4中最高(最低)位置時，從動活塞5運(yùn)動至第一活塞腔3中最低(最高)位置，第一活塞腔3、第二活塞腔4及油管8中填充有油液。在油液由第一活塞腔與第二活塞腔之間往復(fù)流動的過程中，通過節(jié)流孔9的節(jié)流，使得主動活塞6和從動活塞5以一定速度平穩(wěn)運(yùn)動，進(jìn)而保證繩索的平穩(wěn)下降。

所示輪軸7的輸出經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)與主動活塞6相連接，所示的第一齒輪15與輪軸7的一端相固定，第一齒輪15與第二齒輪16相嚙合，第二齒輪16通過軸承固定于殼體1上，以保證第二齒輪16的自由轉(zhuǎn)動。第二齒輪16與第三齒輪17相嚙合，第三齒輪17與第一曲柄齒輪18相固定，且第三齒輪17與第一曲柄齒輪18同軸設(shè)置。這樣，繞線輪2轉(zhuǎn)動過程中，通過第一齒輪15、第二齒輪16、第三齒輪17的傳動，即可驅(qū)使第一曲柄齒輪18轉(zhuǎn)動。

所示的第一曲柄齒輪18與第二曲柄齒輪19相嚙合，并且尺寸和形狀相同，第一曲柄齒輪18和第二曲柄齒輪19通過軸承轉(zhuǎn)動地設(shè)置于殼體1上。主動活塞6的下表面上固定有活塞桿11，拉桿12的中部固定于活塞桿11的下端。第一連桿13的下端通過銷釘可轉(zhuǎn)動地與第一曲柄齒輪18相連接，上端鉸接于拉桿12的一端；第二連桿14的下端也通過銷釘可轉(zhuǎn)動地與第二曲柄齒輪19相連接，上端鉸接于拉桿12的另一端。這樣，使得第一曲柄齒輪18和第一連桿13以及第二曲柄齒輪19和第二連桿14形成了“曲柄連桿”結(jié)構(gòu)，以便將繞線輪2的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為主動活塞6的上、下往復(fù)運(yùn)動。

如圖5所示，給出了本發(fā)明的高層逃生用緩降裝置的剖視圖外觀圖，所示的殼體1的頂部設(shè)置有出線孔25，以便將纏繞于繞線輪2上的繩索穿出。使用時，穿出的繩索固定于高層建筑的墻體或其他穩(wěn)固構(gòu)件上，殼體1與人體配合的安全帶或承載設(shè)備相固定，隨人體一起下落。

系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，傳動機(jī)構(gòu)將繞線輪2處的回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞至活塞處并將其轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運(yùn)動，進(jìn)而作用于內(nèi)部封閉油液在兩液壓缸之間循環(huán)流動，流動過程中經(jīng)過節(jié)流孔9處，節(jié)流孔通過限制單位時間內(nèi)通過的液體流量來限制活塞運(yùn)行速度，通過傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)而對整個系統(tǒng)的運(yùn)行速度進(jìn)行限制，以達(dá)到使用人員減速緩降的目的。

如圖6所示，給出了油液穿過節(jié)流孔的流動示意圖，在液壓系統(tǒng)的管路中，對于通流截面突然收縮的部分，稱為節(jié)流裝置，收縮處的液流稱為節(jié)流。液壓系統(tǒng)按照使用要求不同而采用不同形式的孔口來實現(xiàn)節(jié)流要求。常采用的形式為薄壁小孔及細(xì)長孔節(jié)流，比較兩者節(jié)流特性，由于通過薄壁小孔的流量與油液的粘性系數(shù)無關(guān)，即液流經(jīng)過小孔處造成的油液溫度升高粘度降低對流量的變化的影響較小，適用于本設(shè)計中對于設(shè)備運(yùn)行過程中平穩(wěn)性的要求，故采用圓形薄壁小孔的節(jié)流形式。

本發(fā)明的基于液壓節(jié)流原理控速的高層逃生用緩降裝置的節(jié)流孔計算方法，通過以下步驟來實現(xiàn)：

a).參數(shù)設(shè)定；設(shè)油管的內(nèi)徑為D，節(jié)流孔的直徑單位d、橫截面積為A，油液經(jīng)節(jié)流孔形成的收縮截面的直徑為d₂、橫截面積為A₀；設(shè)油液通過節(jié)流孔之前的壓力為p₁，收縮截面處的油液壓力為p₂；

設(shè)拉桿的長度為e，第一連桿和第二連桿的長度均為l，第一曲柄齒輪的中心距離第一連桿與其連接點的距離、第二曲柄齒輪的中心距離第二連桿與其連接點的距離均為R；則通過如下公式定義參數(shù)b₁、b₂、b₃、S：

S＝b₁-b₂

其中，b₁為主動活塞處于上極限位置時拉桿距第一曲柄齒輪或第二曲柄齒輪中心的距離，b₂為活塞處于下極限位置時拉桿距第一曲柄齒輪或第二曲柄齒輪中心的距離，b₃為活塞任意瞬間位置時拉桿距第一曲柄齒輪或第二曲柄齒輪中心的距離，S為活塞行程，θ為第一連桿或第二連桿與水平線之間的夾角；

b).建立伯努利方程，對油液在油管中節(jié)流孔的狀態(tài)進(jìn)行分析，建立如公式(1)所示的伯努利方程：

其中，v₁為油液通過節(jié)流孔之前的速度，v₂為收縮截面處油液的速度；

按照實際尺寸來說，由于油管的內(nèi)徑D遠(yuǎn)大于節(jié)流孔的直徑d，使得v₁＜＜v₂，略去公式(1)中含有v₁的項，可得：

其中，C_v為速度系數(shù)，Δp＝p₁-p₂；

c).求收縮截面處流量，根據(jù)公式(3)求取收縮截面處的流量q：

其中，C_d＝C_vC_c，C_d為小孔流量系數(shù)，C_c為收縮系數(shù)，其含義如下：

d).計算活塞產(chǎn)生的流量，設(shè)利用緩降裝置下降的安全速度為v₀，利用繩索下降的速度v₀求取主動活塞運(yùn)動的平均速度，設(shè)為Z，v₀＝0.8～1.2m/s；則活塞運(yùn)動產(chǎn)生的流量q′為：

q′＝πr²·S·2Z (4)

其中，r為主動活塞的半徑，S為活塞行程；

e).求取節(jié)流孔的面積，聯(lián)合公式(3)和(4)即可求取節(jié)流孔的面積為：

根據(jù)求取的節(jié)流孔的面積，即可計算出節(jié)流孔的直徑大小。

所述壓力p₁取主動活塞(6)運(yùn)動至最低端、中間位置時在節(jié)流孔之前部位所產(chǎn)生壓力的平均值，壓力p₂取主動活塞(6)運(yùn)動至最低端、中間位置時在收縮截面處所產(chǎn)生壓力的平均值；v₁取主動活塞(6)運(yùn)動至最低端、中間位置時在節(jié)流孔之前部位所產(chǎn)生流速的平均值，v₂取主動活塞(6)運(yùn)動至最低端、中間位置時在收縮截面處所產(chǎn)生流速的平均值；

設(shè)使用者的重量為mg，油液通過節(jié)流孔之前的瞬時壓力值p₁′為：

其中，R_a為繞線輪的半徑，S_e為活塞的作用面積；

節(jié)流孔處油管系統(tǒng)的效率表示為：

其中，∑Δp為油管中的總壓力損失，其通過如下公式進(jìn)行求取：

其中，λ為沿程阻力系數(shù)，在湍流狀態(tài)下，雷諾數(shù)取Δ為油管壁的粗糙度，如果為銅管，Δ0.0015～0.01mm。