一种基于液压节流原理控速的高层逃生用缓降装置的制作方法

本发明涉及一种高层逃生用缓降装置，更具体的说，尤其涉及一种基于液压节流原理控速的高层逃生用缓降装置。

背景技术：

随着社会的发展，城镇化建设的进步，建筑的形式正逐渐向高层化、密集化的方向发展。单位土地利用率的提高，在一定程度上缓解了人口增长所带来的住房压力，但也带来了新的安全挑战。当火灾等危急情况发生时，位于高层的人员如何快速、平稳、安全的撤离，成为我们必须要考虑的问题。传统的逃生通道对于高层被困人员安全撤离的作用很小，逃生速度过慢、过火层以上人员需穿越烟火范围等不利因素严重威胁着受灾人员的生命安全。

目前高层建筑火灾人员逃生主要有依靠救援和自救两种方式。依靠救援即利用消防单位所提供的设备撤离，多为云梯车或救援直升机等大型机械设备。这种方式会受到时间和空间等多种因素影响——消防单位在接警后赶赴现场和展开设备均需一定时间且由于建筑密集化程度较高大型设备展开受限，只能作为自救失败的最终保障，若想有效保证被困人员生命安全，还需配合有效的自救。

自救的方式分为内部逃生和外部逃生两种方式，内部逃生除传统的逃生通道外，目前新兴起的一种逃生方式较为受到人们的推崇，即逃生滑梯。其原理是沿着楼梯扶手布设一道自上而下连续的滑道，当火灾发生时，逃生人群可以进入滑道并沿其滑下。该方法相较于传统的逃生楼梯，具有撤离速度快的优点，但是对于过火层以上人员，同样也需面临穿越烟火带的局面，难以保证撤离人员的安全。

相比于内部逃生方式，从建筑外滑下可以有效避免烟火侵害，对于楼层较低的人员逃生可选择绳索或逃生软梯，但是对于位于高层的人员，这种方式显然是不现实的，这时就需要借助外部设备。即利用缓降器等速度控制装置辅助人员以一个较为安全的速度撤离至地面。

速度控制装置的发展及应用，随着科技的日益进步而变得越来越先进，越来越为人们所接受，种类越来越多。目前国内外缓降器中常用的速度控制方式为两种：机械摩擦式和液体流动阻尼式。前者是利用增大活动件之间的摩擦力来达到控制速度的目的，常见的类型有包角加手控式、离心摩擦式、间歇冲击式；后者是利用液体流动阻尼将使用人员的下降时的动能转化为热能散失掉，以达到控速缓降的目的。

现有的缓降装置虽然可以在一定程度在上达到基本的使用要求，但是由于受到结构功能的限制，仍然存在一些不足：机械摩擦式难以保证操作者匀速下降的使用条件且在使用过程中可能会受到减速机构磨损严重或者抱死的影响，造成下滑速度过快或卡死，安全性较差；液体阻尼式由于初始状态下的阻尼最小，所以操作者是以最大速度开始下滑，且由于使用过程中温度升高液体粘性降低造成阻尼系数减小，也会对装置的速度控制效果产生影响，但相对于机械摩擦式，由于这种方式通过柔性阻尼来实现，速度波动较小且有效避免了卡死现象。同时这种的方式存在着机构庞大复杂，制造、使用、维护成本较高的问题。

技术实现要素：

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于液压节流原理控速的高层逃生用缓降装置。

本发明的基于液压节流原理控速的高层逃生用缓降装置，包括壳体和设置于壳体中的绕线轮、第一活塞腔和第二活塞腔，绕线轮上固定有轮轴，轮轴转动设置于壳体中，绕线轮上缠绕有绳索，壳体中设置有用于绳索穿出的绕线通道；第一活塞腔和第二活塞腔位于绕线轮的上方，且其中分别设置有从动活塞、主动活塞；其特征在于：所述第一活塞腔与第二活塞腔通过油管相连通，油管中设置有控制缓降装置下落速度的节流孔；主动活塞的下表面上固定有活塞杆，活塞杆的下端固定有拉杆，拉杆的两端分别铰接有第一连杆和第二连杆；

壳体中设置有相啮合的第一曲柄齿轮和第二曲柄齿轮，第一曲柄齿轮与第一连杆转动连接，第二曲柄齿轮与第二连杆转动连接；轮轴的端部固定有第一齿轮，壳体中设置有与第一齿轮相啮合的第二齿轮，第一曲柄齿轮的内侧固定有与其同轴并与第二齿轮相啮合的第三齿轮。

本发明的基于液压节流原理控速的高层逃生用缓降装置，包括左转轴和右转轴，左转轴、右转轴均通过套筒联轴器分别与轮轴的左端和右端相固定，左转轴和右转轴均通过轴承转动设置于壳体上，第一齿轮固定于有转轴的外端。

本发明的基于液压节流原理控速的高层逃生用缓降装置，所述第一曲柄齿轮、第二曲柄齿轮、第二齿轮和第三齿轮均通过轴承转动地设置于壳体上；壳体上设置有用于绳索穿出的出线孔。

本发明的基于液压节流原理控速的高层逃生用缓降装置的节流孔计算方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).参数设定；设油管的内径为D，节流孔的直径单位d、横截面积为A，油液经节流孔形成的收缩截面的直径为d₂、横截面积为A₀；设油液通过节流孔之前的压力为p₁，收缩截面处的油液压力为p₂；

设拉杆的长度为e，第一连杆和第二连杆的长度均为l，第一曲柄齿轮的中心距离第一连杆与其连接点的距离、第二曲柄齿轮的中心距离第二连杆与其连接点的距离均为R；则通过如下公式定义参数b₁、b₂、b₃、S：

S＝b₁-b₂

其中，b₁为主动活塞处于上极限位置时拉杆距第一曲柄齿轮或第二曲柄齿轮中心的距离，b₂为活塞处于下极限位置时拉杆距第一曲柄齿轮或第二曲柄齿轮中心的距离，b₃为活塞任意瞬间位置时拉杆距第一曲柄齿轮或第二曲柄齿轮中心的距离，S为活塞行程，θ为第一连杆或第二连杆与水平线之间的夹角；

b).建立伯努利方程，对油液在油管中节流孔的状态进行分析，建立如公式(1)所示的伯努利方程：

其中，v₁为油液通过节流孔之前的速度，v₂为收缩截面处油液的速度；

按照实际尺寸来说，由于油管的内径D远大于节流孔的直径d，使得v₁＜＜v₂，略去公式(1)中含有v₁的项，可得：

其中，C_v为速度系数，Δp＝p₁-p₂；

c).求收缩截面处流量，根据公式(3)求取收缩截面处的流量q：

其中，C_d＝C_vC_c，C_d为小孔流量系数，C_c为收缩系数，其含义如下：

d).计算活塞产生的流量，设利用缓降装置下降的安全速度为v₀，利用绳索下降的速度v₀求取主动活塞运动的平均速度，设为Z，v₀＝0.8～1.2m/s；则活塞运动产生的流量q′为：

q′＝πr²·S·2Z (4)

其中，r为主动活塞的半径，S为活塞行程；

e).求取节流孔的面积，联合公式(3)和(4)即可求取节流孔的面积为：

根据求取的节流孔的面积，即可计算出节流孔的直径大小。

本发明的基于液压节流原理控速的高层逃生用缓降装置的节流孔计算方法，所述的C_v取0.97～0.98，C_d取0.7～0.8。

本发明的基于液压节流原理控速的高层逃生用缓降装置的节流孔计算方法，所述压力p₁取主动活塞(6)运动至最低端、中间位置时在节流孔之前部位所产生压力的平均值，压力p₂取主动活塞(6)运动至最低端、中间位置时在收缩截面处所产生压力的平均值；v₁取主动活塞(6)运动至最低端、中间位置时在节流孔之前部位所产生流速的平均值，v₂取主动活塞(6)运动至最低端、中间位置时在收缩截面处所产生流速的平均值；

设使用者的重量为mg，油液通过节流孔之前的瞬时压力值p₁′为：

其中，R_a为绕线轮的半径，S_e为活塞的作用面积；

节流孔处油管系统的效率表示为：

其中，∑Δp为油管中的总压力损失，其通过如下公式进行求取：

其中，λ为沿程阻力系数，在湍流状态下，雷诺数取Δ为油管壁的粗糙度，如果为铜管，Δ0.0015～0.01mm。

本发明的有益效果是：本发明的高层逃生用缓降装置的节流孔计算方法，利用薄壁小孔对于液体的节流原理设计了一款全新的高层缓降逃生设备，人员下落通过绳索带动绕线轮转动过程中，绕线轮通过多组结合的齿轮以及由第一、第二曲柄齿轮和第一、第二连杆组成的“曲柄连杆”机构驱使主动活塞往复运动，主动活塞和从动活塞的往复运动将人体下落的重力势能转化为油液的内能，保证了人体的平稳、匀速降落。具有结构简单，体积小，存放、使用、维护方便，使用过程平稳安全等特点，对于高楼缓降逃生具有较高的使用价值，有效解决了高楼灾后自救逃生的问题，提供了切实有效的逃生手段。

附图说明

图1为本发明的高层逃生用缓降装置的剖视图；

图2、图3为本发明中绕线轮与主动活塞之间传动机构的示意图；

图4为本发明中绕线轮的结构示意图；

图5为本发明的高层逃生用缓降装置的剖视图外观图；

图6为油液穿过节流孔的流动示意图。

图中：1壳体，2绕线轮，3第一活塞腔，4第二活塞腔，5从动活塞，6主动活塞，7轮轴，8油管，9节流孔，10绕线通道，11活塞杆，12拉杆，13第一连杆，14第二连杆，15第一齿轮，16第二齿轮，17第三齿轮，18第一曲柄齿轮，19第二曲柄齿轮，20轴承，21左转轴，22右转轴，23套筒联轴器，24销钉，25出线孔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的高层逃生用缓降装置的剖视图，图2和图3给出了本发明中绕线轮与主动活塞之间传动机构的示意图，所示的升降装置由壳体1、绕线轮2、第一活塞腔3、第二活塞腔4、主动活塞6、从动活塞5、轮轴7、油管8以及传动机构组成，所示壳体1的内部为空腔，绕线轮2位于壳体1内部空腔的下部，绕线轮2固定于轮轴7上，轮轴7转动地设置于壳体1上，绕线轮2上缠绕有绳索，壳体1中设置有用于绳索穿出的绕线通道10。第一活塞腔3和第二活塞腔4位于绕线轮2的上方，并相邻设置，从动活塞5和主动活塞6分别位于第一活塞腔3和第二活塞腔4中。

所示的第一活塞腔3与第二活塞腔4通过油管8相连通，油管8中设置有节流孔9，当主动活塞6运动至第二活塞腔4中最高(最低)位置时，从动活塞5运动至第一活塞腔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与第二活塞腔之间往复流动的过程中，通过节流孔9的节流，使得主动活塞6和从动活塞5以一定速度平稳运动，进而保证绳索的平稳下降。

所示轮轴7的输出经传动机构与主动活塞6相连接，所示的第一齿轮15与轮轴7的一端相固定，第一齿轮15与第二齿轮16相啮合，第二齿轮16通过轴承固定于壳体1上，以保证第二齿轮16的自由转动。第二齿轮16与第三齿轮17相啮合，第三齿轮17与第一曲柄齿轮18相固定，且第三齿轮17与第一曲柄齿轮18同轴设置。这样，绕线轮2转动过程中，通过第一齿轮15、第二齿轮16、第三齿轮17的传动，即可驱使第一曲柄齿轮18转动。

所示的第一曲柄齿轮18与第二曲柄齿轮19相啮合，并且尺寸和形状相同，第一曲柄齿轮18和第二曲柄齿轮19通过轴承转动地设置于壳体1上。主动活塞6的下表面上固定有活塞杆11，拉杆12的中部固定于活塞杆11的下端。第一连杆13的下端通过销钉可转动地与第一曲柄齿轮18相连接，上端铰接于拉杆12的一端；第二连杆14的下端也通过销钉可转动地与第二曲柄齿轮19相连接，上端铰接于拉杆12的另一端。这样，使得第一曲柄齿轮18和第一连杆13以及第二曲柄齿轮19和第二连杆14形成了“曲柄连杆”结构，以便将绕线轮2的旋转运动转化为主动活塞6的上、下往复运动。

如图5所示，给出了本发明的高层逃生用缓降装置的剖视图外观图，所示的壳体1的顶部设置有出线孔25，以便将缠绕于绕线轮2上的绳索穿出。使用时，穿出的绳索固定于高层建筑的墙体或其他稳固构件上，壳体1与人体配合的安全带或承载设备相固定，随人体一起下落。

系统运转过程中，传动机构将绕线轮2处的回转运动传递至活塞处并将其转化为往复直线运动，进而作用于内部封闭油液在两液压缸之间循环流动，流动过程中经过节流孔9处，节流孔通过限制单位时间内通过的液体流量来限制活塞运行速度，通过传动机构进而对整个系统的运行速度进行限制，以达到使用人员减速缓降的目的。

如图6所示，给出了油液穿过节流孔的流动示意图，在液压系统的管路中，对于通流截面突然收缩的部分，称为节流装置，收缩处的液流称为节流。液压系统按照使用要求不同而采用不同形式的孔口来实现节流要求。常采用的形式为薄壁小孔及细长孔节流，比较两者节流特性，由于通过薄壁小孔的流量与油液的粘性系数无关，即液流经过小孔处造成的油液温度升高粘度降低对流量的变化的影响较小，适用于本设计中对于设备运行过程中平稳性的要求，故采用圆形薄壁小孔的节流形式。

本发明的基于液压节流原理控速的高层逃生用缓降装置的节流孔计算方法，通过以下步骤来实现：

a).参数设定；设油管的内径为D，节流孔的直径单位d、横截面积为A，油液经节流孔形成的收缩截面的直径为d₂、横截面积为A₀；设油液通过节流孔之前的压力为p₁，收缩截面处的油液压力为p₂；

设拉杆的长度为e，第一连杆和第二连杆的长度均为l，第一曲柄齿轮的中心距离第一连杆与其连接点的距离、第二曲柄齿轮的中心距离第二连杆与其连接点的距离均为R；则通过如下公式定义参数b₁、b₂、b₃、S：

S＝b₁-b₂

其中，b₁为主动活塞处于上极限位置时拉杆距第一曲柄齿轮或第二曲柄齿轮中心的距离，b₂为活塞处于下极限位置时拉杆距第一曲柄齿轮或第二曲柄齿轮中心的距离，b₃为活塞任意瞬间位置时拉杆距第一曲柄齿轮或第二曲柄齿轮中心的距离，S为活塞行程，θ为第一连杆或第二连杆与水平线之间的夹角；

b).建立伯努利方程，对油液在油管中节流孔的状态进行分析，建立如公式(1)所示的伯努利方程：

其中，v₁为油液通过节流孔之前的速度，v₂为收缩截面处油液的速度；

按照实际尺寸来说，由于油管的内径D远大于节流孔的直径d，使得v₁＜＜v₂，略去公式(1)中含有v₁的项，可得：

其中，C_v为速度系数，Δp＝p₁-p₂；

c).求收缩截面处流量，根据公式(3)求取收缩截面处的流量q：

其中，C_d＝C_vC_c，C_d为小孔流量系数，C_c为收缩系数，其含义如下：

d).计算活塞产生的流量，设利用缓降装置下降的安全速度为v₀，利用绳索下降的速度v₀求取主动活塞运动的平均速度，设为Z，v₀＝0.8～1.2m/s；则活塞运动产生的流量q′为：

q′＝πr²·S·2Z (4)

其中，r为主动活塞的半径，S为活塞行程；

e).求取节流孔的面积，联合公式(3)和(4)即可求取节流孔的面积为：

根据求取的节流孔的面积，即可计算出节流孔的直径大小。

所述压力p₁取主动活塞(6)运动至最低端、中间位置时在节流孔之前部位所产生压力的平均值，压力p₂取主动活塞(6)运动至最低端、中间位置时在收缩截面处所产生压力的平均值；v₁取主动活塞(6)运动至最低端、中间位置时在节流孔之前部位所产生流速的平均值，v₂取主动活塞(6)运动至最低端、中间位置时在收缩截面处所产生流速的平均值；

设使用者的重量为mg，油液通过节流孔之前的瞬时压力值p₁′为：

其中，R_a为绕线轮的半径，S_e为活塞的作用面积；

节流孔处油管系统的效率表示为：

其中，∑Δp为油管中的总压力损失，其通过如下公式进行求取：

其中，λ为沿程阻力系数，在湍流状态下，雷诺数取Δ为油管壁的粗糙度，如果为铜管，Δ0.0015～0.01mm。