一种基于电磁-机械复合技术的单人逃生器成套系统设计

速度控制主要通过动态调节夹板与绳索间的摩擦力实现。系统根据实时速度检测结果，通过精密电流控制改变电磁铁吸力，进而调整夹板对绳索的压紧程度。这种设计使得制动力确保在任何工况下都能实现可靠制动。

根据动力学原理，系统受力平衡方程为：

3.仿真验证

为体现一般性，假设逃生器载重以100公斤（人和逃生器总重量）为例，逃生器通过夹板机构与高强度复合材料制作的扁平状逃生带下滑，逃生带截面的长为15cm、宽1cm。表面有一定的摩擦粗糙度0.75。下滑时，逃生器夹板系统夹紧逃生带对称两面，单面接触面为15cm*20cm，夹板的松和紧可改变逃生器与逃生带之间的摩擦力，即可以调节下滑速度。运行开始（下滑前）前，以最大压力压住接触面，使逃生器与人静止于逃生带上，然后慢慢减小压力，使逃生器从0开始启动下滑，保持下滑过程中小于当下滑速度0.7m/s（目标速度），快接近0.7m/s时，压力慢慢增加，直到速到为0.7m/s时，压力增大到能使逃生器以均速下滑。要求从0m/s到0.7m/s的时间为10s。设下滑过程中摩擦系数不变。

仿真验证借助AI编写相关程序，并基于MATLAB R2013b运行环境，程序运行时间15s，运行结果如图3所示。

target_speed = 0.7; % 目标速度（m/s）

sim_time = 15; % 仿真时长（s）

dt = 0.01; % 时间步长（s）

time = 0：dt：sim_time; % 时间向量

speed = zeros（size（time））; % 速度向量初始化

mu = 0.75; % 摩擦系数

area = 0.15*0.20; % 单侧接触面积（m^2）

mass = 100; % 总质量（kg）

g = 9.81; % 重力加速度（m/s^2）

% 初始压力计算（保持静止）

% 最大静摩擦力 = μ*N = mg => N = mg/μ

initial_pressure = （mass*g）/（mu*area*2）; % 双侧总压力（Pa）

% 压力调节函数（随时间变化）

pressure = zeros（size（time））;

for i = 1：length（time）

if time（i） < 10

% 前10秒线性减小压力实现加速

pressure（i） = initial_pressure*（1 - time（i）/10）;

else

% 10秒后保持恒定压力维持目标速度

pressure（i） = （mass*g - target_speed*sqrt（2*mass*g*mu*area））...

/（mu*area*2）;

end

end

% 速度计算

for i = 2：length（time）

% 总摩擦力 = 2*μ*pressure（t）*area （双侧）

friction = 2 * mu * pressure（i-1） * area;

% 净力 = 重力 - 摩擦力

net_force = mass*g - friction;

% 加速度 = 净力/质量

acceleration = net_force / mass;

% 更新速度

speed（i） = speed（i-1） + acceleration * dt;

% 确保速度不超过目标值

if speed（i） >= target_speed

speed（i） = target_speed;

end

end

% 绘图

figure;

plot（time， speed， 'LineWidth'， 2）;

grid on;

xlabel（'时间 （s）'）;

ylabel（'速度 （m/s）'）;

title（'逃生器速度收敛过程'）;

ylim（[0 target_speed*1.1]）;

xlim（[0 sim_time]）;

% 标记目标速度线

hold on;

plot（[0 sim_time]， [target_speed target_speed]， 'r--'）;

legend（'实际速度'， '目标速度'）;

hold off;

图 3 运行结果

表1 电流与电磁力之间在关系

由图3及表1可以看出，下滑过程中，速度达到目标速度后，过渡过程平顺，稳定之后运行平稳，说明该逃生器系统设计方法正确有效。

4.结论

本文针对逃生器结构复杂和逃生效率低的问题，提出电磁-机械复合控制技术。通过仿真验证了单人逃生器系统的控制功能：通过调节夹板对高强度扁平逃生带（15cm×1cm截面）的压紧力控制下滑速度。系统在设定恒摩擦特征基础上，结合电流控制，使制动力与下滑力实时匹配，最终稳定在0.7m/s的安全速度。该设计兼顾启动平顺性与速度稳定性，验证了电磁调节在逃生制动中的可靠性与响应精度。

参考文献

[1]毕晓君，孙梓玮，刘进.高层火灾智能报警及逃生指导系统［J］.智能系统学报，2022，17（4）：814-823.

[2]赵高前，张海龙，董军.建筑火灾及安全逃生方法研究[J].建筑安全，2021（2）：33-36.

[3]陈卫国．高层建筑的消防灭火与逃生对策[J]．消防界：电子版，2016（2）：61-62．

基金项目：2024年嘉兴大学国家级大学生创新创业训练计划项目 “一种小型单人滑落式可控式火灾逃生器”（项目编号：202410354063X）

作者简介：王小兰（2004—），女，嘉兴大学本科电气23级学生。

指导教师：张今朝（1971—），男，工学博士，教授，嘉兴大学机械工程学院电气工程及其自动化专业教师。