本發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流原理控速的高層逃生用緩降裝置。

背景技術：

隨著社會的發展，城鎮化建設的進步，建筑的形式正逐漸向高層化、密集化的方向發展。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。當火災等危急情況發生時，位于高層的人員如何快速、平穩、安全的撤離，成為我們必須要考慮的問題。傳統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重威脅著受災人員的生命安全。

目前高層建筑火災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備撤離，多為云梯車或救援直升機等大型機械設備。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場和展開設備均需一定時間且由于建筑密集化程度較高大型設備展開受限，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。

自救的方式分為內部逃生和外部逃生兩種方式，內部逃生除傳統的逃生通道外，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一道自上而下連續的滑道，當火災發生時，逃生人群可以進入滑道并沿其滑下。該方法相較于傳統的逃生樓梯，具有撤離速度快的優點，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實的，這時就需要借助外部設備。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。

速度控制裝置的發展及應用，隨著科技的日益進步而變得越來越先進，越來越為人們所接受，種類越來越多。目前國內外緩降器中常用的速度控制方式為兩種：機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化為熱能散失掉，以達到控速緩降的目的。

現有的緩降裝置雖然可以在一定程度在上達到基本的使用要求，但是由于受到結構功能的限制，仍然存在一些不足：機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構磨損嚴重或者抱死的影響，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減小，也會對裝置的速度控制效果產生影響，但相對于機械摩擦式，由于這種方式通過柔性阻尼來實現，速度波動較小且有效避免了卡死現象。同時這種的方式存在著機構龐大復雜，制造、使用、維護成本較高的問題。

技術實現要素：

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

本發明的基于液壓節流原理控速的高層逃生用緩降裝置，包括殼體和設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，輪軸轉動設置于殼體中，繞線輪上纏繞有繩索，殼體中設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，油管中設置有控制緩降裝置下落速度的節流孔；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動連接，第二曲柄齒輪與第二連桿轉動連接；輪軸的端部固定有第一齒輪，殼體中設置有與第一齒輪相嚙合的第二齒輪，第一曲柄齒輪的內側固定有與其同軸并與第二齒輪相嚙合的第三齒輪。

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

本發明的基于液壓節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動地設置于殼體上；殼體上設置有用于繩索穿出的出線孔。

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

a).參數設定；設油管的內徑為D，節流孔的直徑單位d、橫截面積為A，油液經節流孔形成的收縮截面的直徑為d₂、橫截面積為A₀；設油液通過節流孔之前的壓力為p₁，收縮截面處的油液壓力為p₂；

設拉桿的長度為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，對油液在油管中節流孔的狀態進行分析，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，由于油管的內徑D遠大于節流孔的直徑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，Δp＝p₁-p₂；

c).求收縮截面處流量，根據公式(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，C_c為收縮系數，其含義如下：

d).計算活塞產生的流量，設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求取主動活塞運動的平均速度，設為Z，v₀＝0.8～1.2m/s；則活塞運動產生的流量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).求取節流孔的面積，聯合公式(3)和(4)即可求取節流孔的面積為：

根據求取的節流孔的面積，即可計算出節流孔的直徑大小。

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

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

設使用者的重量為mg，油液通過節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；

節流孔處油管系統的效率表示為：

其中，∑Δp為油管中的總壓力損失，其通過如下公式進行求?。?/p>

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

本發明的有益效果是：本發明的高層逃生用緩降裝置的節流孔計算方法，利用薄壁小孔對于液體的節流原理設計了一款全新的高層緩降逃生設備，人員下落通過繩索帶動繞線輪轉動過程中，繞線輪通過多組結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”機構驅使主動活塞往復運動，主動活塞和從動活塞的往復運動將人體下落的重力勢能轉化為油液的內能，保證了人體的平穩、勻速降落。具有結構簡單，體積小，存放、使用、維護方便，使用過程平穩安全等特點，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為本發明的高層逃生用緩降裝置的剖視圖；

圖2、圖3為本發明中繞線輪與主動活塞之間傳動機構的示意圖；

圖4為本發明中繞線輪的結構示意圖；

圖5為本發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左轉軸，22右轉軸，23套筒聯軸器，24銷釘，25出線孔。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，給出了本發明的高層逃生用緩降裝置的剖視圖，圖2和圖3給出了本發明中繞線輪與主動活塞之間傳動機構的示意圖，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以及傳動機構組成，所示殼體1的內部為空腔，繞線輪2位于殼體1內部空腔的下部，繞線輪2固定于輪軸7上，輪軸7轉動地設置于殼體1上，繞線輪2上纏繞有繩索，殼體1中設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中設置有節流孔9，當主動活塞6運動至第二活塞腔4中最高(最低)位置時，從動活塞5運動至第一活塞腔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流動的過程中，通過節流孔9的節流，使得主動活塞6和從動活塞5以一定速度平穩運動，進而保證繩索的平穩下降。

所示輪軸7的輸出經傳動機構與主動活塞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同軸設置。這樣，繞線輪2轉動過程中，通過第一齒輪15、第二齒輪16、第三齒輪17的傳動，即可驅使第一曲柄齒輪18轉動。

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通過軸承轉動地設置于殼體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”結構，以便將繞線輪2的旋轉運動轉化為主動活塞6的上、下往復運動。

如圖5所示，給出了本發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固構件上，殼體1與人體配合的安全帶或承載設備相固定，隨人體一起下落。

系統運轉過程中，傳動機構將繞線輪2處的回轉運動傳遞至活塞處并將其轉化為往復直線運動，進而作用于內部封閉油液在兩液壓缸之間循環流動，流動過程中經過節流孔9處，節流孔通過限制單位時間內通過的液體流量來限制活塞運行速度，通過傳動機構進而對整個系統的運行速度進行限制，以達到使用人員減速緩降的目的。

如圖6所示，給出了油液穿過節流孔的流動示意圖，在液壓系統的管路中，對于通流截面突然收縮的部分，稱為節流裝置，收縮處的液流稱為節流。液壓系統按照使用要求不同而采用不同形式的孔口來實現節流要求。常采用的形式為薄壁小孔及細長孔節流，比較兩者節流特性，由于通過薄壁小孔的流量與油液的粘性系數無關，即液流經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，適用于本設計中對于設備運行過程中平穩性的要求，故采用圓形薄壁小孔的節流形式。

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

a).參數設定；設油管的內徑為D，節流孔的直徑單位d、橫截面積為A，油液經節流孔形成的收縮截面的直徑為d₂、橫截面積為A₀；設油液通過節流孔之前的壓力為p₁，收縮截面處的油液壓力為p₂；

設拉桿的長度為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，對油液在油管中節流孔的狀態進行分析，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，由于油管的內徑D遠大于節流孔的直徑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，Δp＝p₁-p₂；

c).求收縮截面處流量，根據公式(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，C_c為收縮系數，其含義如下：

d).計算活塞產生的流量，設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求取主動活塞運動的平均速度，設為Z，v₀＝0.8～1.2m/s；則活塞運動產生的流量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).求取節流孔的面積，聯合公式(3)和(4)即可求取節流孔的面積為：

根據求取的節流孔的面積，即可計算出節流孔的直徑大小。

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

設使用者的重量為mg，油液通過節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；

節流孔處油管系統的效率表示為：

其中，∑Δp為油管中的總壓力損失，其通過如下公式進行求取：

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