基于剪切增稠流體的智能緩降器的參數(shù)化計算

李星辰

摘 要：本文在現(xiàn)有剪切增稠流體智能制動緩降器概念設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)材料特性和受力平衡推導(dǎo)了傳動比和轉(zhuǎn)子高度等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的表達(dá)式，并從4種剪切增稠流體材料中進(jìn)行優(yōu)選和計算相應(yīng)的傳動比和轉(zhuǎn)子高度，為設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：剪切增稠；緩降器；參數(shù)化設(shè)計；轉(zhuǎn)子高度；材料優(yōu)選

中圖分類號：TU976 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

高層建筑逃生通道比較狹長、人員密集，火災(zāi)發(fā)生時有些人選擇通過被單、網(wǎng)線等簡易繩索逃生，甚至有些人鋌而走險選擇跳樓逃生。針對高樓逃生現(xiàn)狀，各種高樓逃生裝置應(yīng)運(yùn)而生，包括繩索緩降器、軟梯、救生氣墊、升降臺等。其中，繩索緩降器具有體積小、經(jīng)濟(jì)適用、可反復(fù)使用、安裝方便、無需動力源和安全性較高等特點，適用于作為家庭高樓逃生裝置。適于作為家庭高樓逃生裝置，但是存在發(fā)熱、磨損、摩擦系數(shù)不穩(wěn)定等缺點。因此，有必要研究新型的繩索緩降器。

新型繩索緩降器主要包括永磁渦流制動緩降器、空氣阻尼制動緩降器和剪切增稠流體制動緩降器。其中，永磁渦流制動緩降器將動能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中，但是對散熱有較高要求?？諝庾枘嶂苿泳徑灯骶哂袩o源、無磨損等優(yōu)點，但是制動效果較差。而現(xiàn)有的剪切增稠流體制動緩降器可以智能地將下降速度控制在安全范圍內(nèi)，但是相關(guān)研究還非常少，現(xiàn)有設(shè)計僅給出了一個設(shè)計算例，沒有給出傳動比、轉(zhuǎn)子高度的參數(shù)化表達(dá)式，不利于后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計和計算，此外在剪切增稠流體材料優(yōu)選等方面還存在很大的改進(jìn)空間。

綜上所述，本研究擬在現(xiàn)有的剪切增稠流體制動緩降器概念設(shè)計的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)傳動比、轉(zhuǎn)子高度的參數(shù)化表達(dá)式，優(yōu)選剪切增稠流體材料，提高整個裝置的實用性。

1 設(shè)計目的

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定本設(shè)計中取緩降速度v降可穩(wěn)定為0.5m/s，又參考相關(guān)文獻(xiàn)確定承重為100kg、最大逃生樓層為10層。

2 現(xiàn)有設(shè)計

參考圖1，現(xiàn)有的基于剪切增稠流體的高樓逃生緩降器裝置主要由捆綁機(jī)構(gòu)、繞繩機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和緩降機(jī)構(gòu)等組成。剪切增稠流體通過與轉(zhuǎn)子間的相互作用實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子速度的自動控制。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過慢時，剪切增稠流體的黏度較低，對轉(zhuǎn)子的阻力變小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升；而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過快時，剪切增稠流體的黏度較高，對轉(zhuǎn)子的阻力變大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降。所以可以智能地將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及逃生者下降速度維持在一個合理的范圍內(nèi)。

現(xiàn)有設(shè)計的剪切增稠流體為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的二氧化硅液體，剪切速率—黏度曲線見文獻(xiàn)[4]的圖3，該流體在較高剪切速率下才表現(xiàn)為剪切增稠特性，在剪切速率較低的較大區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)為剪切稀化特性，且黏度很大，甚至大于剪切增稠區(qū)間的黏度，重力可能無法克服低速下的流體阻力。

3 現(xiàn)有設(shè)計傳動比和轉(zhuǎn)子高度的參數(shù)化表達(dá)式

設(shè)繞繩滾子的平均繞繩直徑為d0，人的穩(wěn)定下降速度為v降，繞繩滾子旋轉(zhuǎn)角速度ω1可以表示為：

式（3）是參數(shù)化計算后的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)傳動比i的表達(dá)式，而式（7）就是參數(shù)化計算后轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)L的表達(dá)式。取人的重力G為1000N、人的穩(wěn)定下降速度v降為0.5m/s、轉(zhuǎn)子直徑d為0.3 m、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的二氧化硅剪切增稠液體在剪切增稠區(qū)間中點的剪切速率υ和黏度η分別為5000s-1和0.5Pa?s、取殼體內(nèi)徑D為0.304m計算出轉(zhuǎn)子與殼體之間的間隙h為0.002m。綜上計算出傳動比i=1∶20，而轉(zhuǎn)子高度L為0.021m。取傳動機(jī)構(gòu)中兩對齒輪的齒數(shù)分別為40∶8和32∶8，可以滿足傳動比要求。根據(jù)參數(shù)化表達(dá)式的計算結(jié)果與文獻(xiàn)[2]算例的計算結(jié)果一致，但是，本文的參數(shù)化工作有利于定量分析各設(shè)計參數(shù)的影響以及進(jìn)行參數(shù)化討論和優(yōu)化設(shè)計。

4 剪切增稠流體材料的優(yōu)選

為了避免材料的剪切稀化區(qū)間過大以及低剪切速率下黏度過大，因此希望選擇低剪切速率下沒有剪切稀化特性或特性不明顯，且剪切稀化區(qū)間較小的材料。通過文獻(xiàn)調(diào)研，擬從下面文獻(xiàn)[5-8]中進(jìn)行剪切增稠流體材料的優(yōu)選，其中文獻(xiàn)[8]中選擇兩種備選材料（體積分?jǐn)?shù)分別為54%和56%）。以傳動比i、轉(zhuǎn)子高度L為優(yōu)選條件，對比5種備選材料和現(xiàn)有設(shè)計材料，進(jìn)行列表對比，見表1。

首先對比傳動比，文獻(xiàn)[6]的材料和文獻(xiàn)[8]的兩種材料傳動比均在4以下，單級齒輪傳動即可實現(xiàn)，而現(xiàn)有設(shè)計傳動比為0.05，即1∶20，傳動比較大，需要兩級齒輪傳動。再對比轉(zhuǎn)子高度，現(xiàn)有設(shè)計的轉(zhuǎn)子高度最小，僅為0.021m，而文獻(xiàn)[8]的兩種材料轉(zhuǎn)子高度也較小，分別為0.22m和0.09m。綜上所述，備選材料中，文獻(xiàn)[8]的兩種材料較優(yōu)，且低剪切速率下沒有剪切稀化特性。

結(jié)論

本文針對現(xiàn)有的剪切增稠流體制動緩降器研究的不足開展研究，主要結(jié)論如下：

（1）推導(dǎo)了現(xiàn)有設(shè)計方案下傳動比、轉(zhuǎn)子高度等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的公式。

（2）對剪切增稠流體材料優(yōu)選為文獻(xiàn)[8]的兩種材料，即顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為56%和54%的兩種流體。

本文設(shè)計結(jié)果可應(yīng)用于智能緩降器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、輕量化設(shè)計。下一步將針對這些問題進(jìn)一步完善。

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