李旭東++張鴻++張文寶

摘 要：高樓逃生裝置作為一種實(shí)用新型產(chǎn)品已引起人們的關(guān)注和重視。本文針對不間斷高樓逃生裝置的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，提出了一種機(jī)械式高樓逃生裝置的速度控制研究方案。通過分析逃生裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，利用Pro/E軟件建立逃生裝置的三維幾何模型，進(jìn)行虛擬裝配及運(yùn)行速度檢測，并采用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS構(gòu)建仿真模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，進(jìn)而加工出實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)測試表明，可通過對傳動(dòng)帶、驅(qū)動(dòng)齒輪、阻尼降速器、剎車系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的分析與控制，有效實(shí)現(xiàn)安全、快速、穩(wěn)定逃生的目的。

關(guān)鍵詞：不間斷高樓逃生裝置 速度控制 三維建模 仿真分析

中圖分類號：TH128 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0081-02

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，摩天大樓如雨后春筍般拔地而起的同時(shí)，在高樓中工作、生活的人們[1]，對高樓遇險(xiǎn)時(shí)（如突發(fā)火災(zāi)，如表1所示等）如何迅速逃生引起更高的重視。而不間斷高樓逃生裝置作為一種安全系數(shù)高、輸送時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)的新型產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用在各高層建筑中。

近年來，也有不少專家學(xué)者對不間斷高樓逃生裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究[2-3]。但由于該裝置問世時(shí)間短、功能還有待完善，在實(shí)際運(yùn)行的過程中出現(xiàn)了一些不足之處，例如：逃生速度穩(wěn)定性不高、人員落地時(shí)沖擊較大、剎車與阻尼系統(tǒng)協(xié)調(diào)性不理想等。鑒于此，本文通過對不間斷高樓逃生裝置關(guān)鍵控制結(jié)構(gòu)的仿真與測試，并結(jié)合復(fù)雜情況下的使用特點(diǎn)進(jìn)行研究，使其真正具有安全、方便、高效的特點(diǎn)。

1 機(jī)構(gòu)組成及其工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)組成

本裝置結(jié)構(gòu)主要由變速齒輪組（驅(qū)動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪）、傳動(dòng)帶輪、阻尼剎車機(jī)構(gòu)（剎車片、回位彈簧、阻尼裝置）組成。本裝置的頂部通過固定安裝在樓頂，整體懸掛在建筑物的側(cè)方，同時(shí)在其正下方的地面安裝帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，上下結(jié)構(gòu)靠帶傳動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。在火災(zāi)等意外事故發(fā)生時(shí)，不同樓層的逃生人員均可站在該樓層對應(yīng)的位置，當(dāng)符合傳送帶逃生位置時(shí)，手抓緊扶手，同時(shí)腳踏踏板，利用人的重力作為驅(qū)動(dòng)力，完成下降逃生，以確保撤離人員以相對穩(wěn)定、舒適的速度下降至地面，順利逃生。

1.2 工作原理

不間斷高樓逃生裝置依靠逃生人員自身重力作為驅(qū)動(dòng)力，不受建筑物高度的限制，也不受逃生人員多少的限制。隨著逃生人員的增加或減少，剎車裝置、阻尼系統(tǒng)和制動(dòng)輪的正壓力也隨之發(fā)生線性變化，使得達(dá)到傳動(dòng)帶的速度的自動(dòng)控制的目的，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、勻速逃生，完全擺脫了對其他動(dòng)力的束縛。

2 虛擬建模與仿真分析

2.1 帶齒嚙合瞬間建模與分析

該逃生裝置中，帶齒傳動(dòng)受力為主要承載力[4]。無論是幾何特征，還是接觸狀態(tài)，都是呈現(xiàn)非線性的，因此，需要對其進(jìn)行建模分析。該過程主要運(yùn)用ANSYS和Pro/E進(jìn)行分析。

帶的基本參數(shù)為：帶的頂膠材料為氯丁橡膠，設(shè)計(jì)厚度6mm，抗拉體材料為玻璃纖維繩體，設(shè)計(jì)厚度2.5mm，包布層忽略不計(jì)。

由于ANSYS軟件的三維建模功能不強(qiáng)，為提高分析效率，前期需要利用Pro/E軟件進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，從而保證精確裝配。然后在ANSYS分析時(shí)，將Pro/E設(shè)計(jì)好的三維模型導(dǎo)入計(jì)算網(wǎng)格，密度越高，精確度就越高，但是如果接觸點(diǎn)過多，會(huì)耗費(fèi)更多的時(shí)間。

該過程中，主要運(yùn)用ANSYS軟件中的三種算法來實(shí)現(xiàn)接觸關(guān)系的計(jì)算分析：拉格朗日算法、擴(kuò)張拉格朗日算法和罰函數(shù)法[5]。使用FKN來確定接觸應(yīng)力的比例因子和真實(shí)值，預(yù)設(shè)范圍選取0.1～10之間，當(dāng)計(jì)算出對應(yīng)值之后，再逐漸擴(kuò)大FKN值的范圍，以提高計(jì)算精度。

在有限元模型創(chuàng)建好之后，再按照逃生裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受的載荷對應(yīng)進(jìn)行施加，若取主動(dòng)輪上承受的轉(zhuǎn)矩為15000N·mm，根據(jù)扭矩與力之間的計(jì)算公式，可計(jì)算出帶輪上的切向載荷為17.0N。經(jīng)過力學(xué)分析，得出收斂曲線、位移云圖和應(yīng)力分布圖，可以看出多數(shù)載荷都體現(xiàn)在傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的任務(wù)中，符合同步帶傳統(tǒng)平穩(wěn)的特點(diǎn)。

2.2 阻尼降速原理分析

不間斷高樓逃生裝置中的減速機(jī)構(gòu)位于整個(gè)總成的頂端，可以利用阻尼器產(chǎn)生的阻尼作用實(shí)現(xiàn)對逃生人員的下降速度控制。一般粘滯流體阻尼器由液壓缸、粘性阻尼材料和位移活塞等部件組成，其中在活塞的截面上開有適當(dāng)數(shù)量的孔作為阻尼孔，也可以運(yùn)用預(yù)留間隙的方法實(shí)現(xiàn)阻尼作用。

粘滯流體阻尼器工作原理為：當(dāng)活塞與缸體之間產(chǎn)生相對時(shí)[6]，產(chǎn)生一種摩擦，稱為外部摩擦，即有桿腔和無桿腔之間的壓力差通過粘性阻尼材料受力后自阻尼孔或通過間隙流出，該過程中，致使阻尼降速作用發(fā)生，產(chǎn)生的能量損耗通過阻尼材料與氣缸壁進(jìn)行釋放，見圖1。

3 實(shí)驗(yàn)研究

經(jīng)過多次模擬試驗(yàn)，得到以下主要技術(shù)指標(biāo)。

初始質(zhì)量：大于1kg；最大質(zhì)量：最大實(shí)驗(yàn)重量10kg時(shí)，下降速度為0.10～0.13m/s，見圖2。

（注：以上技術(shù)指標(biāo)均為模型參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中以樓層高度及同時(shí)逃生人數(shù)為依據(jù)，確定其他相應(yīng)參數(shù)。）

4 結(jié)語

通過利用Pro/E軟件建立逃生裝置的三維幾何模型、虛擬裝備，采用ANSYS進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合模擬試驗(yàn)，并主要針對傳動(dòng)帶、阻尼降速器、剎車系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行受力分析，試驗(yàn)表明：該不間斷高樓逃生裝置能夠滿足設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)安全、快速、穩(wěn)定逃生的目的，可為在高樓中生活、工作的人們的生命安全保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1] 王立新，趙秀君，劉艷秋.高樓失火逃生裝置[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2006，19（4）：96.

[2] 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.

[3] 李丙倫，陳麗，曾庭，等.簡易火災(zāi)逃生穩(wěn)降器的設(shè)計(jì)與研究[J].科技資訊，2010（8）：122.

[4] 趙秀文，趙玉梅，李明.同步帶傳動(dòng)的研究[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996（3）：49-54.

[5] 鄭娜.新型人字齒同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)及仿真分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[6] 熊瑋.新型粘滯阻尼器的試驗(yàn)研究及其減震結(jié)構(gòu)分析[D].華中科技大學(xué)，2007.endprint