一種液壓與摩擦阻尼緩降器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

彭浩天，邱鵬，孫雯，鄭浩雯，閆明

（河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

0 引言

目前市面上存在的高層建筑逃生裝置種類繁多，高層建筑應(yīng)急逃生裝備主要包括樓梯通道類[1]、滑降管道類[2-4]、緩降繩索類[5-7]和升降機(jī)類[8-9]，其中緩降繩索由于結(jié)構(gòu)簡單、操作方便而備受關(guān)注。

緩降繩索是一種可使人沿繩或隨繩緩慢下降的逃生裝置，一般由掛鉤、繩索、速度控制機(jī)構(gòu)等組成，其中速度控制機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高空緩降的核心部件，目前大量的研究也都是集中在對速度控制機(jī)構(gòu)的研發(fā)設(shè)計(jì)上。速度控制機(jī)構(gòu)是為控制下降速度而設(shè)置的，按照控制方式可以分為主動控制和被動控制兩種方式，主動控制需要人工操作實(shí)現(xiàn)下降速度的控制，被動控制則不需要人工操作即可按照一定的速度緩降。按照速度控制的工作原理，速度控制機(jī)構(gòu)可大致分為兩類，即阻尼式和電動控制式，其中阻尼式速度控制機(jī)構(gòu)的本質(zhì)在于將人下降時(shí)的重力勢能轉(zhuǎn)換成其他能量，包括摩擦阻尼、電磁阻尼、液壓阻尼等，電動控制式速度控制機(jī)構(gòu)通常是控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)下降速度的控制。

早在1986年公安部制定的《高層建筑消防管理規(guī)則》中便規(guī)定了賓館、飯店的各樓層宜配備供住客自救用的安全繩或緩降器、軟體、救生袋等避難救生器具，當(dāng)時(shí)的緩降器多為摩擦阻尼式緩降器，例如：國營五一三廠于1985年申請的發(fā)明專利——高空安全可控緩降裝置[10]便是利用繩帶在多孔控制板中的摩擦實(shí)現(xiàn)的緩降；日本西部工業(yè)株式會社于1986年申請的發(fā)明專利——逃生用器具[11]是利用可動摩擦板接近于固定摩擦板，使得摩擦制動力作用于纜索上，從而實(shí)現(xiàn)了摩擦緩降。這類利用摩擦阻尼原理的緩降器由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本較低、方便存放等優(yōu)勢，歷經(jīng)多年的發(fā)展已成為市場上最為常見的緩降器類型。

近些年，除了摩擦阻尼以外，還產(chǎn)生了利用其它阻尼方式的速度控制機(jī)構(gòu)，例如：邱振宇等[12]設(shè)計(jì)了一種基于液壓節(jié)流原理控速的高層逃生緩降裝置，其通過節(jié)流孔限制單位時(shí)間內(nèi)通過的液體流量來限制液壓缸運(yùn)行速度，進(jìn)而對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度進(jìn)行限制，以達(dá)到使用人員減速緩降的目的；沈孟鋒等[13]設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)電磁阻尼式高樓逃生緩降器，該緩降器利用交流永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制絞盤轉(zhuǎn)速，具有制動力調(diào)節(jié)平滑、無機(jī)械磨損等優(yōu)點(diǎn)。

目前，摩擦阻尼式的速度控制機(jī)構(gòu)仍是企業(yè)和個(gè)人研發(fā)的主流，但是摩擦阻尼裝置也有其固定的缺點(diǎn)，例如使用壽命較短、易過熱降低可靠性、摩擦力不夠穩(wěn)定等等。液壓阻尼裝置具有較高的平穩(wěn)性和可靠性，并且不存在損耗問題，但是其對阻尼液體和裝置體積有著較高的要求，這也限制了該類裝置的推廣使用。電磁阻尼裝置及電動機(jī)控制裝置由于具有大量的電器元件，都存在工作穩(wěn)定性在火災(zāi)發(fā)生時(shí)很難保證的問題，可靠性較差，并且成本也相對較高。這些類型的緩降器雖然各有特點(diǎn)，但是因?yàn)轶w積、成本、使用等方面的原因，沒有成為市場上主流的緩降器。因此，多種工作原理聯(lián)合使用的方式或許可以成為一個(gè)新的研究方向。

基于這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合了液壓阻尼與摩擦阻尼進(jìn)行工作的新型緩降器，該緩降器通過薄壁小孔在兩液壓缸之間產(chǎn)生液體流動阻尼，并通過反作用力使摩擦盤產(chǎn)生摩擦，共同控制緩降器下降的速度。該設(shè)備解決了液壓阻尼緩降器體積大和機(jī)械摩擦阻尼緩降器可靠性差的問題，具有很好的市場前景。

1 液壓與摩擦阻尼緩降器的總裝結(jié)構(gòu)

緩降器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)部工作結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 緩降器的總體結(jié)構(gòu)

圖2 緩降器的內(nèi)部工作結(jié)構(gòu)

2 緩降器的工作原理說明

系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，圓柱銷與液壓缸上的凹槽將繞線輪處的回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞至活塞處，并將其轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運(yùn)動，進(jìn)而作用于內(nèi)部封閉油液，油液在兩液壓缸之間循環(huán)流動，流動過程中經(jīng)過節(jié)流孔處，節(jié)流孔通過限制單位時(shí)間內(nèi)通過的液體流量來限制液壓缸運(yùn)行速度，同時(shí)液壓缸往復(fù)運(yùn)動所產(chǎn)生的反作用力迫使摩擦片與側(cè)面擋板之間產(chǎn)生摩擦，通過傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)而對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度進(jìn)行限制，以達(dá)到使用人員減速緩降的目的。

2.1 液壓與摩擦阻尼緩降器系統(tǒng)力學(xué)分析

以使用者的體重m=100 kg，整個(gè)緩降器在正常使用中，下降速度平穩(wěn)恒定為v=1 m/s為標(biāo)準(zhǔn)工作條件，進(jìn)行力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖3所示，整個(gè)緩降器徑向上所承受的向下的拉力為：

圖3 緩降器總體受力示意圖

如圖4所示，對緩降器中的其中一個(gè)圓柱銷進(jìn)行受力分析。

圖4 圓柱銷受力示意圖

液壓缸對其有摩擦力f，摩擦力f帶動圓柱銷孔沿滑槽運(yùn)動，所以圓柱銷對液壓缸有一個(gè)等大反向的作用力f ′。對作用力f ′分解得到兩個(gè)分力fy′和fx′，計(jì)算公式為：

如圖5所示，對于緩降器兩側(cè)板進(jìn)行受力分析，當(dāng)圓柱銷運(yùn)動時(shí)，認(rèn)為圓柱銷運(yùn)動方向一側(cè)的側(cè)板其徑向受人體施加的力mg及液壓缸對其的軸向壓力FT。

圖5 受力合成示意圖

假設(shè)阻尼器中的油液均勻流動，油液的流速為vq=1 m/s，根據(jù)伯努利方程p0=p1+ρv2/2計(jì)算，可得到小孔兩側(cè)的油液壓強(qiáng)差為Δp=ρv2/2。

通過油液壓縮行程L與油腔直徑d計(jì)算可得q=πd2·L/4。

因?yàn)橛鸵簤嚎s過程中，D/d＞7，油液完全壓縮，油液在流通口處處于湍流狀態(tài)，雷諾系數(shù)較大，所以收縮系數(shù)Cc取0.61～0.63，速度系數(shù)Cv取0.97～0.98，小孔流量系數(shù)Cd=CvCc≈0.97～0.98。根據(jù)以下公式計(jì)算可得小孔截面積A和小孔直徑d：

圖6 液壓缸工作示意圖

2.2 液壓與摩擦阻尼緩降器系統(tǒng)能量學(xué)分析

根據(jù)典型液壓工作介質(zhì)的黏度-溫度特性曲線，考慮到火災(zāi)等突發(fā)情況室溫的升高，在計(jì)算時(shí)可適當(dāng)提高液壓油的運(yùn)動黏度υ。

在液壓油的流動過程中，管道系統(tǒng)壓力損失是其主要的能量損耗，包括沿程壓力損失和局部壓力損失。沿程壓力損失主要為3段：1）同心縫隙管道；2）薄壁小孔處；3）細(xì)長孔通道。局部壓力損失分為3段：1）斷面縮小管道；2）斷面擴(kuò)大管道；3）管道分支處。下面對每種情況的具體能耗進(jìn)行分析。

2.2.1 同心縫隙管道沿程壓力損失

考慮標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)，油液在管道內(nèi)平均流速ν1=1 m/s，取雷諾數(shù)Rec1=4667，根據(jù)圓管沿程阻力系數(shù)λ計(jì)算公式。由于在光滑紊流區(qū)4000＜Re＜105，因此λ=0.3164×Re-0.25。沿程壓力損失的功可由下式計(jì)算得到：

式中：l1為管道的長度；ρ為油液密度；A1為同心縫隙的截面積。

2.2.2 薄壁小孔處壓力損失

油液在薄壁小孔處運(yùn)動時(shí)有軸向力F軸=ρq1ν1，由此可以計(jì)算出：薄壁小孔上處的壓力p1=F軸/A1；下處的壓力p2=F軸/A2；壓力差Δp=p2-p1。

2.2.4 局部壓力損失

液體流經(jīng)截面突然變化的管道、彎管、管接頭及控制閥閥口等局部障礙時(shí)的壓力損失稱局部壓力損失，局部壓力損失計(jì)算公式為

式中：ξ為局部壓力系數(shù)；ν為液流流速。

局部障礙很多，本裝置存在的局部阻礙主要有截面擴(kuò)大處、截面縮小處和分支管處。該階段所消耗的功為

綜上所述，摩擦盤機(jī)械摩擦所做的功所占比例為

打開主圖，拖到新建的聯(lián)系表上面，它會成為一個(gè)新的圖層。把這個(gè)圖層的混合模式改為強(qiáng)光，就可以了。如果你想進(jìn)一步調(diào)整，可以使用曲線或加深與減淡工具，直到效果滿意為止。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算分析可得到，當(dāng)緩降器工作時(shí)，約51.3%的能量通過摩擦盤的機(jī)械摩擦消耗，而約48.7%的能量通過液壓阻尼消耗。工作載荷的分配較為均衡，大大提高了本產(chǎn)品工作時(shí)的穩(wěn)定性。

3 仿真分析和實(shí)驗(yàn)對照

3.1 仿真分析

通過SolidWorks建模與Matlab仿真分析可以看出，該設(shè)備壓強(qiáng)變化平緩，使用穩(wěn)定，制動力調(diào)節(jié)平滑，下降速度受使用者體重的影響小，具有廣泛的適用性。

圖7 液壓油流線及壓強(qiáng)仿真結(jié)果

圖8 液壓油流線及流速仿真結(jié)果

3.2 實(shí)驗(yàn)對照

通過實(shí)驗(yàn)，我們可以看出實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與理論計(jì)算值基本相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了本設(shè)備工作的穩(wěn)定性。其中誤差存在的可能原因有油液密封不緊密、摩擦盤存在磨損等，可以通過改變節(jié)流孔的直徑大小等措施進(jìn)行進(jìn)一步的微調(diào)，滿足各種使用條件的需要。

圖9 下降速度與使用者體重關(guān)系圖

4結(jié)論

本裝置具有體積小、質(zhì)量輕、方便攜帶使用的優(yōu)點(diǎn)。由于通過液壓阻尼原理工作，裝置下降的速度受用戶體重影響小，緩降更加平穩(wěn)。本裝置不需要任何能源設(shè)備，動力來源完全由人體在下降時(shí)產(chǎn)生的重力勢能提供，這在很大程度上提高了產(chǎn)品對各種環(huán)境的適應(yīng)能力與可靠性。

在結(jié)構(gòu)上，液壓阻尼裝置為全封閉結(jié)構(gòu)，消防救災(zāi)過程中的噴淋水不會對緩降器的工作性能產(chǎn)生影響。鋼索釋放裝置在鋼索下方，鋼索在緩降過程中的纏繞和卡住都不會影響本設(shè)備的正常使用。本裝置隨同人體安全背帶一起下降，可靠連接到逃生人員的身體上，著火點(diǎn)的位置和火焰的溫度不會對緩降器的性能產(chǎn)生影響。

同時(shí)，本裝置可隨意掛在固定點(diǎn)來進(jìn)行，無需提前安裝，不會影響家庭裝修的整體效果，也不會影響使用者逃生點(diǎn)的選擇，鋼索可以即時(shí)靈活固定到家具、窗框等可靠安裝點(diǎn)。

圖10 理論計(jì)算速度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

本產(chǎn)品使用簡單，無需提前培訓(xùn)，方便使用。具有廣泛的適用范圍和良好的市場前景。