彈簧型高樓逃生器原理及受扭矩時的變形分析

隨著建筑高度的增加和日趨密集，建筑的安全隱患也越來越多，即使在發達國家的高樓遇有火災、爆炸等事件時，由于時間、空間等諸多因素的限制，人員自救逃生也是一個極待解決的重要問題。目前國內外高樓逃生器主要有以下幾種形式：

(1)包角加手控式：該類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，進一步調節下降速度的快慢。

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

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

通過對上述幾種逃生器的介紹，筆者認為逃生器應側重結構緊湊，工藝簡單，安全可靠、使用方便、平穩決速、成本低廉等特點。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，還創新利用了彈簧的徑向鎖緊功能。此設計由于小巧便捷，成本低，特別適宜家庭備用于緊急脫險。
1設計創新及原理

在彈簧的傳統應用中，利用材料的彈性和結構的特性，在工作時產生變形，把機械功或動能轉變為變形能，或者把變形能轉變為機械能或動能。由于這些特性，而被廣泛應用于緩沖或減震、機械的儲能、控制運動及測力裝置等領域。

本設計一改以往只是對彈簧進行拉壓的研究，忽略了當彈簧受到扭矩作用時，彈簧中徑的尺寸發生變化而帶來的新的應用領域的研究。此設計是將螺旋彈簧套在鋼絲繩上，通過對螺旋彈簧施加扭矩，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。通過控制摩擦力的大小，可達到自由控制下滑的速度的目的。
1．1彈簧受扭矩時的變形分析

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；d為彈簧材料直徑。
1．2彈簧受扭矩時的應力分析如圖3所示，彈簧圈內側**應力為：

1．3彈簧內側壓力

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，可查表獲得，如表1。

彈簧材料種類繁多，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系，通過調整所施加的扭矩的大小，可以改變彈簧中徑，進而控制下滑的速度。當且僅當重力小于摩擦力廠時，能有效地控制下滑。

2 結束語

伴隨高樓業的蓬勃發展，如何提高高樓逃生時的成活率，人們已經發明了各種各樣的逃生器，從社會需求出發，此新型高樓逃生器具有結構簡單，操作方便，輕巧便捷，攜帶方便，制造工藝簡單，成本低廉等優點，。力源直接來自人員本身，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，即使對于兒童也可以很容易的上手操作。具有很強的市場推廣價值。   北京消電檢第三方消防檢測機構作者：王春彥，岳大鑫