高樓逃生裝置的減速原理分析

喬印虎，蘇國(guó)用，楊杰，龔建，王沖

（安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽鳳陽(yáng)233100）

高樓逃生裝置的減速原理分析

喬印虎，蘇國(guó)用，楊杰，龔建，王沖

（安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽鳳陽(yáng)233100）

高樓逃生裝置的設(shè)計(jì)原則是利用最短的時(shí)間，使更多的人安全地離開(kāi)事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)。此類設(shè)計(jì)所要解決的關(guān)鍵性難題是如何將逃生者的勢(shì)能與動(dòng)能平穩(wěn)快速地降下來(lái)。采用負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)原理實(shí)現(xiàn)純機(jī)械化設(shè)計(jì)，利用逃生人員自重實(shí)現(xiàn)自減速功能。對(duì)該裝置進(jìn)行減速原理進(jìn)行分析，以便理解其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作機(jī)理。通過(guò)Solidworks Simulation軟件對(duì)減速結(jié)構(gòu)重要零件進(jìn)行有限元分析，找出該減速裝置最容易失效的部位，有利于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。

高樓逃生；負(fù)反饋；自重減速原理

社會(huì)在飛速發(fā)展，耕地實(shí)施保護(hù)政策，樓層也就越蓋越高，在地震或者火災(zāi)發(fā)生時(shí)，生活在高樓層的居民安全性就更受威脅，如何安全快速地逃離大樓成為一個(gè)難題。高樓逃生裝置對(duì)此承擔(dān)著舉足輕重的作用，而高樓逃生裝置的好壞主要取決于設(shè)計(jì)所采用減速的方法及其所達(dá)到的減速效果。因此，研究減速原理具有重要的意義。當(dāng)前的高樓逃生裝置有很多不足，如當(dāng)逃生人員經(jīng)過(guò)勻速下降或先加速后勻速下降的裝置，所需要的逃生時(shí)間都較長(zhǎng)［1-2］。一部分裝置需要電力驅(qū)動(dòng)，停電就無(wú)法工作，發(fā)生地震或火災(zāi)時(shí)多數(shù)情況會(huì)斷電，局限性大［3］；另一些裝置結(jié)構(gòu)原理復(fù)雜，操作繁瑣，沒(méi)有經(jīng)過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的人很難正確操作，老人、兒童、殘疾人及在災(zāi)難中休克的人員很難逃脫，容易出現(xiàn)意外事件，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜或技術(shù)精度要求比較高，生產(chǎn)成本高［4］?；谝陨先秉c(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的逃生裝置，其為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)便，具有廣闊的市場(chǎng)空間和良好的使用價(jià)值［5］。

1　高樓逃生裝置的減速原理

1.1阻礙下降原理

繩索一端固定在主動(dòng)軸上，并且順時(shí)針纏繞數(shù)圈，繩索另一端從從動(dòng)軸上方通過(guò)從動(dòng)軸后自然垂下，如圖1所示。當(dāng)繩索上有重物并以一個(gè)初速度自然下落時(shí)，由于繩索在主動(dòng)軸上順時(shí)針纏繞，所以對(duì)繞繩主動(dòng)軸產(chǎn)生順時(shí)針的轉(zhuǎn)矩并通過(guò)主動(dòng)軸傳遞到齒輪1上。而繩索又從從動(dòng)軸上方通過(guò)從動(dòng)軸，由于摩擦力對(duì)從動(dòng)軸產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針的轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)主動(dòng)軸傳遞到齒輪2上。通過(guò)齒輪嚙合處轉(zhuǎn)矩的作用，使重物先后經(jīng)歷加速、勻速、減速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，最后以安全速度落地。當(dāng)兩個(gè)齒輪上的轉(zhuǎn)矩大小相等時(shí)，由于在齒輪嚙合處，力的方向相反，達(dá)到轉(zhuǎn)矩的平衡，重物就會(huì)以恒定的速度下落。在此過(guò)程中主動(dòng)軸同時(shí)帶動(dòng)與之固連的平面蝸卷彈簧，在軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中對(duì)蝸卷彈簧產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使蝸卷彈簧產(chǎn)生彎曲彈性變形，存儲(chǔ)彈性勢(shì)能。平面蝸卷彈簧隨著卷緊的過(guò)程，對(duì)主動(dòng)軸有減速作用。這樣當(dāng)重載卸除后，平面蝸卷彈簧釋放彈性勢(shì)能，將帶動(dòng)齒輪1回轉(zhuǎn)，進(jìn)而使繩索回收。在實(shí)際操作過(guò)程中，只要調(diào)整機(jī)構(gòu)仰角，逃生人員就可以一個(gè)很小的加速度加速下落［6］。

1.2自減速原理

安全繩有一定的直徑，由里到外，繩軸的直徑越來(lái)越大，對(duì)應(yīng)安全繩與從動(dòng)軸上的接觸面積越來(lái)越小。隨著逃生人員的下降，安全繩在主動(dòng)軸上纏繞的層數(shù)減少，從而對(duì)應(yīng)安全繩與從動(dòng)軸上的接觸面積增大，包角增大，由于壓力一定，因此摩擦力f增大，反饋到齒輪2上的阻力增大［7］，則逃生人員有先加速再勻速后減速下降的目的，最終以安全速度（遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）下降到地面。

1.3齒輪的設(shè)計(jì)

（1）取軸r=25 mm，G=1 000 N，則齒輪傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T=25 000 N·mm。

（2）齒輪的齒數(shù)z=50，查表得齒輪的齒寬系數(shù)φd=0.3。

（3）應(yīng)力循環(huán)取106次，觸疲勞許用應(yīng)力為［σH］=

（4）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑［8］d=62.64 mm。

（5）計(jì)算模數(shù)m=d/z=62.64/50=1.25。

（6）齒輪的彎曲強(qiáng)度極限σFE=380 MPa。

（7）取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力［σF］=KFNσFE/S=1.2×380/1.4=325.7 MPa。

（8）查得數(shù)據(jù)K=KAKVKFαKFβ=1.25×1.2×1× 1.2=181YFα=2.241YSα=1.25。

（10）就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2.0，按接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的分度圓直徑d=100 mm。

1.4接觸型平面蝸卷彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算

平面蝸卷彈簧的角變形圈數(shù)用n表示［6］，有

彈簧剛度k和最大彎曲應(yīng)力σmax的計(jì)算式分別為

式（2）中，l為彈簧的展開(kāi)長(zhǎng)度；E為材料的彈性模量，E=205 800 MPa；Z為抗彎截面系數(shù)；σP為許用彎曲應(yīng)力。

1.4.1厚度的選取

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)中Tmax/b與厚度h的關(guān)系曲線，選取h=1.2 mm。

1.4.2彈簧長(zhǎng)度的計(jì)算

由式

計(jì)算彈簧的長(zhǎng)度，一般取1/k=3 000～7 000，最大不超過(guò)15 000。本文取1/k=5 000，即得l=167 080 mm。

1.4.3選取芯軸直徑

芯軸的直徑應(yīng)在（15～25）h范圍內(nèi)選取，一般d=120 h，而主動(dòng)軸的直徑d=16 mm。

1.4.4確定卷筒內(nèi)徑

卷筒內(nèi)徑由卷筒內(nèi)有效面積和彈簧所占面積之比m決定。m取2時(shí)，此時(shí)變形圈數(shù)最多，彈簧的長(zhǎng)度l=100 mm。

2　齒輪進(jìn)行有限元分析

該逃生裝置在工作過(guò)程中主要靠齒輪與軸之間相互作用的轉(zhuǎn)矩減速，蝸卷彈簧在此過(guò)程中作用較?。?］，且在設(shè)計(jì)時(shí)將其強(qiáng)度設(shè)計(jì)的足夠大，在此僅利用Solidworks Simulation軟件對(duì)齒輪進(jìn)行有限元分析，即可保證實(shí)際要求。該分析采用三維實(shí)體劃分，網(wǎng)格單元大小為5.48 724 mm，單元總數(shù)為24 129。

2.1齒輪的材料屬性

齒輪的材料屬性如表1所示。

2.2施加約束與作用載荷

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與裝夾特點(diǎn)，使齒輪內(nèi)圈及槽口固定，在垂直于齒輪工作面上施加最大傳遞轉(zhuǎn)矩T=25 000 N·mm。

2.3算例結(jié)果

算例結(jié)果如表2所示。其應(yīng)力、位移、應(yīng)變?nèi)鐖D2～4所示。

由圖2～4可以看出，該減速裝置在施加載荷后，齒輪應(yīng)力、位移、應(yīng)變的情況。

（1）由圖2可以看出，齒輪根部應(yīng)力較大。

（2）由圖3可以看出，齒頂處合位移最大，在齒根處位移量為0，且最大與最小之間差距不大。

（3）由圖（4）可以看出，最大應(yīng)變發(fā)生在靠近齒根的節(jié)圓處。由此可見(jiàn)，齒輪靠近齒根處最薄弱。由于該齒輪工作條件較為平穩(wěn)，作用于輕載荷，因此一般發(fā)生齒面點(diǎn)蝕，通過(guò)提高齒面硬度，降低齒面粗糙度或采用變位齒輪以增加綜合曲率半徑以達(dá)到合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3　小結(jié)

本文對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算采用較為成熟的理論計(jì)算方法，準(zhǔn)確性與可靠性都比較高，并將有限元方法和理論應(yīng)用到該設(shè)計(jì)中，對(duì)逃生裝置的減速結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析。本研究為后序優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，對(duì)提高減速裝置的穩(wěn)定性及可靠性具有重要意義，也為今后逃生裝置的設(shè)計(jì)提供了新的思路與方法。

［1］胡優(yōu)生.全自動(dòng)不間斷高樓逃生裝置的研究與應(yīng)用［J］.信息系統(tǒng)工程,2009（8）:70-71,75.

［2］楊叔子,楊克沖.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)［M］.6版.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2013.

［3］胡洪平,祖文柱,馬德貴.基于反饋原理的高樓逃生器［J］.機(jī)械工程師,2010（9）:29-30.

［4］顏兵兵,黃德臣,劉明亮,等.一種機(jī)械式高樓逃生裝置設(shè)計(jì)方法研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011（12）:175-177.

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［7］王不贏.機(jī)械零件強(qiáng)度計(jì)算的理論和方法［M］.北京:高等教育出版社,2009.

［8］濮良貴,陳國(guó)定,吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.9版.北京:高等教育出版社,2013.

［9］陳超祥.Solidworks Simulation基礎(chǔ)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

Principle analysis of deceleration of the high-rise escape apparatus

QIAOYin-hu,SUGuo-yong,YANGJie,GONGJian,WANGChong

(College of Mechanical Engineering,Anhui Science and Technology University,Fengyang233100,China)

High-rise escape apparatus is designed to help more personnel escape safely from the scene in shortest time.However,how to ensure the escaping individual decrease potential energy and kinetic energy steady and fast is the key to the design.This design uses the principle of negative feedback close-loop system to achieve pure mechanical design,uses the escape personel self weight to realize self-dece Leration.Analyze the deceleration principle to understand its structural design and working mechanism.Making finite element analysis to the important deceleration parts through solidworks Simulation software to detect the weakest part is beneficial toproduct design and production.

high-rise escape;negative feedback;self-principle of deceleration

TH122

A

1008-0171（2015）02-0076-04

2014-03-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61164012）；安徽科技學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目（ZRC2013337）；國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（201210879021）；安徽省優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2013SQRL062ZD）

喬印虎（1979-），男，安徽阜陽(yáng)人，安徽科技學(xué)院講師，在讀博士。