消防救援裝備新型安全制動機(jī)構(gòu)工作性能研究與仿真分析

羅繼曼，崔艷楠，李根標(biāo)，魏澤明

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

消防救援裝備是一種置于建筑體外墻、能快速升降、用于火災(zāi)救援的新型裝備，由主體裝備和轎廂兩部分組成，其主體裝備和轎廂工作時都需要制動與安全裝置。當(dāng)消防救援裝備超過極限速度，如發(fā)生快速墜落時，則觸發(fā)安全制動機(jī)構(gòu)工作，使救援裝置減速并停止運行，從而起到安全防護(hù)作用。目前，機(jī)械設(shè)計中常用的安全制動裝置有施工升降機(jī)的防墜安全器、汽車使用的盤式剎車器等。這些制動形式均為齒輪制動或盤形制動，并沒有適用于軌道的制動方式[1～3]。

由于現(xiàn)有的安全制動裝置不能適用于新型消防救援裝備，很有必要研究新型的安全制動機(jī)構(gòu)。為此，設(shè)計了消防救援裝備新型安全制動機(jī)構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)和工作性能進(jìn)行研究。本文對消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，使用ADAMS 仿真軟件進(jìn)行了力學(xué)仿真分析，通過對電動缸推力曲線圖的分析與研究，使其性能滿足該類消防救援裝備的要求。針對適用于消防救援裝備的安全制動機(jī)構(gòu)的研究對此類裝備的安全運行具有重要的意義。

1 消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

結(jié)構(gòu)組成：消防救援裝備新型安全制動機(jī)構(gòu)，如圖1（a）所示，圖中電動缸1、滑塊2、連桿3、曲軸4、底座5、銷軸6、楔形塊7 等7 部分組成。電動缸1 底部固定在消防救援裝備獨立轎廂上，上部與新型安全制動機(jī)構(gòu)的滑塊2 相連接；滑塊2 在工字鋼上滑動，并與連桿3用銷軸連接；連桿3 與曲軸4 長桿端之間由銷軸連接，且曲軸4 繞固定的底座5 轉(zhuǎn)動，曲軸4 短桿端由銷軸6與楔形塊7 連接，隨著曲軸的轉(zhuǎn)動，推動楔形塊7 上下移動。

工作原理：當(dāng)消防救援裝備獨立轎廂超過極限速度，如發(fā)生快速墜落時，消防救援裝備上的速度傳感器工作并報警，隨即電動缸1 開始工作，拉動與電動缸1相連接的滑塊2 向下移動?；瑝K2 帶動連桿3 向下移動，連桿3 帶動曲軸4 繞支座旋轉(zhuǎn)。曲軸短桿端推動楔形塊7 向套筒內(nèi)部移動，在套筒上側(cè)楔形塊擠壓下，楔形塊7 與工字鋼之間的空隙距離減小，直至接觸。通過楔形塊7 上所安裝的橡膠摩擦片與工字鋼之間產(chǎn)生的摩擦力，使消防救援裝備獨立轎廂減速、直至安全停止。這時裝置處于工作運動狀態(tài)，三維圖如圖1（b）所示。

圖1 安全制動機(jī)構(gòu)Fig.1 The Safety Brake Mechanism

非工作運動狀態(tài)時，消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)電動缸保持伸長狀態(tài)，控制著滑塊使其不能夠上下運動，使楔形塊與工字鋼之間始終保持著安全距離，不會形成安全制動機(jī)構(gòu)非工作狀態(tài)下的制動。

裝置從工作狀態(tài)恢復(fù)到非工作狀態(tài)時，電動缸伸長，推動滑塊2 向上移動，進(jìn)而帶動連桿、曲軸繞支座旋轉(zhuǎn)，克服摩擦力帶動楔形塊7 向下移動，楔形塊與工字鋼之間的夾緊被放松，轎廂與安全制動機(jī)構(gòu)進(jìn)行正常工作。

2 消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)的相關(guān)計算

2.1 消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)自由度計算

根據(jù)平面機(jī)構(gòu)的自由度計算公式，有：

其中：n 為活動構(gòu)件個數(shù)；pl—低副數(shù)；ph—高副數(shù)。圖1 中顯示消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)共5 個活動構(gòu)件，分別是滑塊2、連桿3、曲軸4、銷軸6、楔形塊7，所以活動構(gòu)件n=5；低副包括移動副與轉(zhuǎn)動副，如圖2 中所示，低副pl=7；該安全制動機(jī)構(gòu)無高副，即ph=0。所以消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)自由度為1。

新機(jī)構(gòu)的動力來源為電動缸，即該機(jī)構(gòu)的原動件為1 個，與機(jī)構(gòu)的自由度1 相等，所以該制動機(jī)構(gòu)具有確定的運動。

2.2 消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)楔形塊位移計算

消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)楔形塊的位移由上升位移與平動位移組成，且楔形塊的位移是當(dāng)滑塊2 向下移動，帶動連桿與曲軸繞支座旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的，所以現(xiàn)計算楔形塊7 位移與滑塊2 向下移動距離之間的關(guān)系，如圖2 所示。

計算所需各個參數(shù)的含義：xe代表滑塊上升距離、r 代表曲軸長桿端長度、e 代表偏心距、α 代表曲軸轉(zhuǎn)動角度，β 代表連桿與工字鋼之間角度。

圖2 安全制動機(jī)構(gòu)運動示意圖Fig.2 Schematic diagram of safety brake mechanism

λ=r/l，ξ=e/l；α 與β 之間的關(guān)系由△ABD 和△BCO 決定，即：

式（11）建立了滑塊位移xe與轉(zhuǎn)角α 之間的關(guān)系式，又因為曲軸4 分為長桿部分與短桿部分，且都旋轉(zhuǎn)了α角度，因此，楔形塊7 沿X、Y 軸的位移與xe的函數(shù)式表達(dá)如下，其中l(wèi)x代表楔形塊上升距離，ld代表曲軸短桿部分長度：

算例說明：根據(jù)安全制動機(jī)構(gòu)要求，當(dāng)楔形塊上升10mm 時，消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)就能夠使獨立轎廂安全停止。依據(jù)式（11）和（12）可以計算出滑塊向下移動的距離xe，也即電動缸收縮的行程。e=80mm。所以xe=14.3mm。當(dāng)楔形塊7 向上移動了10mm 時，安全制動機(jī)構(gòu)完成制動工作時，電動缸帶動滑塊向下移動的距離為14.3mm。

2.3 消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)制動力計算

消防救援裝備主要技術(shù)指標(biāo)：裝備運動狀態(tài)額定乘員3 人，上升與下降速度不小于30m/min，裝備固定狀態(tài)下，救援吊艙可承載4 人，最大升降速度不小于40m/min。爬升系統(tǒng)整機(jī)自重1 噸，搭乘消防人員3 人，吊艙自重為400kg，吊艙運載能力為500kg，爬升速度為30m/min，電力驅(qū)動，吊艙上安裝兩個安全制動機(jī)構(gòu)。

消防救援裝備吊艙最大運載力時總質(zhì)量（注意不要用長字母）：

Md=Mz+My=400kg+500kg=900kg

其中：Md代表吊艙最大運載力時總質(zhì)量；Mz代表吊艙自重；My代表吊艙最大運載力?？紤]加速產(chǎn)生的慣性力，總摩擦力Fm為：

所以接觸力FN=48.6N

通過接觸力來反求電動缸所提供的制動力，接觸力與電動缸提供的制動力的力學(xué)示意圖如圖3 所示。其中：FN為接觸力，F(xiàn) 為制動力，l1為力FN到B 點的力矩，l2為力F 到B 點的力矩。

通過所求，電動缸所需的驅(qū)動力為30.375kN。

3 消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)電動缸力仿真分析

圖3 力學(xué)示意圖Fig.3 Mechanical sketch map

將消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)SolidWorks 中的三維模型導(dǎo)入到動力學(xué)分析軟件ADAMS 中，并對導(dǎo)入的三維模型的各個構(gòu)件進(jìn)行重新命名與更改顏色，之后對消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)添加約束，創(chuàng)建各零件之間的運動副。

本文對安全制動機(jī)構(gòu)在安全制動的過程中進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，給安全制動機(jī)構(gòu)的電動缸設(shè)置驅(qū)動力，通過電動缸帶動滑塊向下滑動進(jìn)而推動楔形塊上升，仿真器安全制動的過程，并求解楔形塊接觸力，如圖4 所示。

圖4 安全制動機(jī)構(gòu)ADAMS 中仿真示意圖Fig.4 Simulation schematic diagram of safety brake Mechanism

在電動缸上設(shè)置30.375kN 的力，設(shè)置運動時間為1s，電動缸帶動滑塊向下移動，最終推動楔形塊向上移動，直至吊艙停止，最后通過得出楔形塊上接觸力的仿真曲線圖，如圖5 所示。

圖5 楔形塊接觸力的仿真曲線圖Fig.5 Simulation curve of the contact force of the wedge block

通過對該安全制動機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，可以得到消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)楔形塊上的接觸力隨制動機(jī)構(gòu)夾緊工字鋼停止的受力變化曲線，并與機(jī)構(gòu)楔形塊上接觸力解析計算結(jié)果進(jìn)行比較，仿真結(jié)果和理論計算對比如表1 所示。

如圖5 所示，隨著消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)對工字鋼的夾緊，楔形塊上接觸力在一瞬間突然變大，但在接觸后由于吊艙的停止而趨于穩(wěn)定，最后達(dá)到了一個固定的值。運動仿真得到的制動機(jī)構(gòu)楔形塊上接觸力為44.6kN，而解析計算的受力為48.6kN，兩者之間差值僅為4kN，相對誤差為8.9%。

表1 仿真結(jié)果和解析計算結(jié)果對比Tab.1Comparisonofresultsbetween simulationandcalculation

4 結(jié)論

設(shè)計了一種新型安全制動機(jī)構(gòu)，對其自由度、電動缸伸縮量和楔形塊上接觸力進(jìn)行了計算，又對其楔形塊接觸力進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)楔形塊上接觸力受力為44.6kN,楔形塊上接觸力解析計算的受力為48.6kN，通過驅(qū)動電動缸運動仿真與解析計算結(jié)果的最大受力值僅相差4kN，誤差為8.9%，誤差在允許范圍內(nèi)，可以保證消防救援裝備安全制動機(jī)構(gòu)進(jìn)行制動，能夠保證吊艙安全停止，所以，設(shè)計的新型安全制動機(jī)構(gòu)能夠應(yīng)用到消防救援裝備中，達(dá)到設(shè)計要求，并能夠使吊艙安全制動。

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