基于Adams的逃生緩降器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析*

楊 振,孫立祥,羅 俊

(山東中康國(guó)創(chuàng)先進(jìn)印染技術(shù)研究院有限公司,山東 泰安 271000)

0 引 言

隨著城市高層建筑越來(lái)越多,高層住宅的消防安全問(wèn)題得到社會(huì)的廣泛關(guān)注。現(xiàn)有的大型消防裝備存在舉高和遠(yuǎn)射能力不足、機(jī)動(dòng)性和時(shí)效性差等缺陷,因此在一些特定情況下難以展開(kāi)及時(shí)有效的救援[1]?？删蛹遗渲玫母呖仗由徑灯饕蚱潴w積小、操作簡(jiǎn)單、可往復(fù)使用等特點(diǎn),成為高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)逃生自救的重要輔助裝置。目前,緩降器按其工作的阻尼類(lèi)型主要分為四類(lèi):摩擦阻尼式緩降器、間歇沖擊式緩降器、永磁渦流式緩降器和流體阻尼式緩降器。其中,摩擦阻尼式緩降器可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,市場(chǎng)占有率高?；贑reo和Adams等工業(yè)設(shè)計(jì)軟件,筆者提出了一種復(fù)合摩擦阻尼式逃生緩降器的設(shè)計(jì)方案,通過(guò)對(duì)緩降器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論計(jì)算和仿真分析,得到一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝便捷的緩降器結(jié)構(gòu)方案,為復(fù)合式緩降器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了參考,對(duì)緩降器結(jié)構(gòu)多樣化發(fā)展起到了一定的推動(dòng)作用。

1 逃生緩降器設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

此逃生緩降器為新型結(jié)構(gòu),其工作原理屬于多形式摩擦阻尼緩降器的工作范疇,通過(guò)多種摩擦阻尼形式的復(fù)合力矩,與逃生人員體重產(chǎn)生的主動(dòng)力矩達(dá)到平衡,實(shí)現(xiàn)高層逃生人員的緩降。具體的摩擦阻尼形式有:分體式可滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)繩輪與固定盤(pán)擠壓并相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻尼、隨繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)的離心摩擦塊與側(cè)壁的摩擦阻尼、緩降器進(jìn)出口處鋼絲繩與固定導(dǎo)向輪的摩擦阻尼。通過(guò)尺寸的合理設(shè)計(jì)和材質(zhì)的正確選擇,確保緩降器在多種阻尼產(chǎn)生的阻力矩共同作用下,滿足GB 21976.2-2012標(biāo)準(zhǔn)中負(fù)荷范圍在340～980 N條件下,緩降速度范圍在0.16～1.5 m/s內(nèi)的要求。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)逃生緩降器的結(jié)構(gòu)主要包括四部分,分別為底板部分、側(cè)壁部分、繩輪摩擦部分和蓋板部分,每個(gè)部分為獨(dú)立單元,便于緩降器的整體安裝,緩降器組成示意圖如圖1所示。其中,底板部分設(shè)計(jì)有主軸和鋼絲繩進(jìn)出緩降器的導(dǎo)向輪;為使鋼絲繩便于穿梭纏繞,將中間導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)為可拆卸式結(jié)構(gòu);側(cè)壁部分設(shè)計(jì)有將緩降器固定在建筑物上的吊板和鋼絲繩進(jìn)出的開(kāi)口;蓋板部分通過(guò)緊定螺釘固定有金屬與摩擦材料復(fù)合而成的摩擦環(huán);底板部分和蓋板部分相對(duì)于側(cè)壁部分固定,這是基于底板和蓋板上的槽牙與側(cè)壁上的槽口配合實(shí)現(xiàn)的,這樣可保證主軸和摩擦環(huán)相對(duì)繩輪摩擦部分靜止,緩解器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 緩降器組成圖

圖2 緩降器結(jié)構(gòu)示意圖1.蓋形螺母 2.鋼絲繩 3.底板 4.固定軸 5.固定導(dǎo)向輪 6.可拆導(dǎo)向輪 7.固定螺柱 8.吊板 9.側(cè)壁 10.離心摩擦塊 11.分體式繩輪 12.固定盤(pán) 13.滑動(dòng)軸承 14.滑動(dòng)止推墊片 15,17,20.沉頭螺釘 16.導(dǎo)向塊 18.蓋板 19.內(nèi)摩擦盤(pán)

繩輪摩擦部分是緩降器裝置的核心部分,擠壓摩擦阻尼和離心摩擦阻尼的產(chǎn)生均由該結(jié)構(gòu)部分實(shí)現(xiàn)。繩輪摩擦部分主要包括固定盤(pán)、分體式繩輪和離心摩擦塊等零件。固定盤(pán)通過(guò)滑動(dòng)軸承安裝在底板部分的主軸上,起軸向限位作用的同時(shí),也可為分體式繩輪提供可滑動(dòng)的基體;分體式繩輪是擠壓摩擦阻尼的執(zhí)行件和離心摩擦塊放置的載體,在隨鋼絲繩轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí),它還要能夠在鋼絲繩張力作用下向軸心滑動(dòng)并擠壓固定在蓋板上的摩擦盤(pán),兩個(gè)半圓形分體式繩輪上開(kāi)有導(dǎo)向長(zhǎng)圓孔,通過(guò)銅基石墨自潤(rùn)滑材質(zhì)的臺(tái)階式導(dǎo)向塊連接到固定盤(pán)上,導(dǎo)向塊與長(zhǎng)圓孔之間選擇間隙配合,防止分體式繩輪與固定盤(pán)間產(chǎn)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)和晃動(dòng);離心摩擦塊置于分體式繩輪的凹槽內(nèi)并隨之轉(zhuǎn)動(dòng),在繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力作用下向外運(yùn)動(dòng),與側(cè)壁擠壓產(chǎn)生摩擦。繩輪摩擦部分端部為滑動(dòng)止推墊片,墊片與蓋板間存在較小間隙,即使繩輪摩擦部分在主軸方向發(fā)生滑動(dòng)產(chǎn)生位移,并與蓋板內(nèi)端面產(chǎn)生接觸,在止推墊片作用下也不會(huì)影響該部分的正常運(yùn)行。在保證分體式繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還要能夠向中心滑動(dòng),同時(shí)避免繩輪受力時(shí)與固定盤(pán)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和晃動(dòng),繩輪摩擦部分示意圖如圖3所示。

圖3 繩輪摩擦部分示意圖

為了防止鋼絲繩與分體式繩輪間在緩降過(guò)程中出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,將分體式繩輪上起導(dǎo)向作用的凹槽設(shè)計(jì)為V型,根據(jù)歐拉公式可知,只要鋼絲繩上存在很小的張緊力,就能保證鋼絲繩與分體式繩輪之間不會(huì)出現(xiàn)打滑[2],保證兩者接觸部分線速度的一致性。

1.3 理論計(jì)算

緩降器整體相關(guān)理論計(jì)算主要是對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主動(dòng)力矩的產(chǎn)生、涉及參數(shù)和阻力矩的產(chǎn)生形式、涉及參數(shù)進(jìn)行分析,合理設(shè)計(jì)和調(diào)整相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù),選擇合理材料和摩擦系數(shù),使主動(dòng)力矩和阻力矩達(dá)到完美的平衡。

主動(dòng)力矩由逃生人員重力產(chǎn)生,涉及的參數(shù)有體重和鋼絲繩纏繞半徑;阻力矩由多個(gè)摩擦力矩復(fù)合而成,涉及的參數(shù)有摩擦半徑、繩上張力、繩纏繞角度、摩擦系數(shù)、離心塊質(zhì)量等參數(shù),相關(guān)參數(shù)如圖4所示。

圖中:T1為主動(dòng)力矩;T2為擠壓摩擦力矩;T3為離心摩擦力矩;T4為導(dǎo)向輪摩擦力矩;R1為鋼絲繩在分體繩輪的纏繞半徑;R2為分體繩輪與固定摩擦盤(pán)的摩擦半徑;R3為離心摩擦塊與側(cè)壁的摩擦半徑;R4為鋼絲繩進(jìn)出緩降器處的導(dǎo)向輪半徑;F為分體繩盤(pán)對(duì)摩擦盤(pán)的壓力;m為離心摩擦塊質(zhì)量;α為纏繞角度;f為鋼絲繩與導(dǎo)向輪間摩擦力;G為逃生人員體重負(fù)荷。

逃生人員使用緩降器實(shí)現(xiàn)勻速緩降,需要滿足的主動(dòng)力矩和阻力矩達(dá)到平衡的條件為:

T1-T2-T3-2T4=0

(1)

將圖4中各力矩計(jì)算的相關(guān)參數(shù)代入式(1)得:

GR1-Fμ1R2-2mω2R3×μ1×R3-2fμ2R4=0

(2)

式中:μ1為摩擦材料與金屬間的摩擦系數(shù),μ1=0.35;μ2為鋼絲繩與金屬間的摩擦系數(shù)[3],μ2=0.2。

根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律,在導(dǎo)向輪固定的情況下,鋼絲繩與導(dǎo)向輪間的動(dòng)摩擦力f=G(eμ2α-1),可看出在緩降器機(jī)械尺寸結(jié)構(gòu)和材質(zhì)固定的情況下,該摩擦力與逃生人員體重成線性關(guān)系。鋼絲繩在緩降器進(jìn)出口兩導(dǎo)向輪間部分與分體式繩輪可看做定滑輪去分析,鋼絲繩通過(guò)纏繞分體式繩輪對(duì)固定摩擦盤(pán)的壓力約為兩個(gè)摩擦力的合力,即F≈2f。兩個(gè)摩擦塊在兩個(gè)分體式繩輪上對(duì)稱(chēng)安裝,忽略在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其自身重力對(duì)離心摩擦力的影響。

通過(guò)初步計(jì)算,對(duì)結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化賦值:半徑R1=20 mm,半徑R2=60 mm,半徑R3=75 mm, 半徑R4=10 mm,摩擦塊質(zhì)量m=0.2 kg,纏繞角α=90°。

將摩擦系數(shù)、摩擦力、壓力和半徑等參數(shù)代入式(2)得:

0.003 8G-0.000 69ω2=0

(3)

按照GB 21976.2-2012標(biāo)準(zhǔn)中的要求,緩降器使用者的體重產(chǎn)生的負(fù)荷范圍為340～980 N,緩降速度范圍為0.16～1.5 m/s。現(xiàn)將負(fù)荷G=340 N代入式(3),得到的角速度ω=43 rad/s,計(jì)算的緩降速度即鋼絲繩線速度為0.86 m/s;將負(fù)荷G=980 N代入式(3),得到的角速度為ω=73 rad/s,計(jì)算得緩降速度即鋼絲繩線速度為1.46 m/s,符合緩降速度要求。理論計(jì)算中忽略了緩降器運(yùn)行過(guò)程中滑動(dòng)軸承和滑動(dòng)墊片處產(chǎn)生的摩擦力矩,實(shí)際的緩降速度應(yīng)小于理論計(jì)算值。

2 仿真分析

2.1 基于Creo的建模

為提高各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,避免出現(xiàn)零件間的妨礙和干涉,提高緩降器的安裝性能,利用工程繪圖軟件Creo進(jìn)行三維建模。在建模過(guò)程中,自行設(shè)計(jì)的零件相關(guān)尺寸以理論計(jì)算時(shí)的尺寸為基礎(chǔ),同時(shí)將所需的標(biāo)準(zhǔn)件調(diào)入軟件中,按照組成部分進(jìn)行模型的裝配,遇到有干涉的部位時(shí),需對(duì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,最終完成緩降器的三維建模,三維建?？筛又庇^地觀察緩降器的整體結(jié)構(gòu)和裝配情況,同時(shí)可對(duì)模型進(jìn)行接觸和防干涉檢測(cè),為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)仿真做好準(zhǔn)備。

2.2 主軸受力分析

在逃生人員勻速緩降的過(guò)程中,主軸承載了絕大部分體重載荷,所以主軸的尺寸設(shè)計(jì)、焊接和裝配對(duì)緩降器整體的安全性起到至關(guān)重要的作用。三維模型建立后,需要單獨(dú)對(duì)主軸進(jìn)行必要的受力分析,以檢驗(yàn)其安全性。首先對(duì)主軸所在的底板焊接件進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,去除分析所不必要的導(dǎo)向輪,然后將底板作為一個(gè)整體零件導(dǎo)入軟件,通過(guò)Creo軟件中的有限元分析模塊,施加底板與側(cè)壁安裝處的固定約束和主軸滑動(dòng)軸承處的向下載荷,如圖5所示。

圖5 施加約束和載荷示意圖

然后對(duì)主軸進(jìn)行有限元受力分析,查看主軸應(yīng)力和位移的分析結(jié)果可知,主軸所受最大應(yīng)力為178 MPa,最大位移0.4 mm,滿足45鋼的許用要求。分析結(jié)果如圖6所示。

2.3 基于Adams的動(dòng)態(tài)仿真

對(duì)主軸進(jìn)行有限元分析后,通過(guò)Adams軟件對(duì)緩降器整體進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析,查看其動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況與前期的理論計(jì)算是否一致。首先對(duì)三維模型整體進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,將用于動(dòng)態(tài)仿真的模型轉(zhuǎn)換為.x_t格式,導(dǎo)入Adams動(dòng)力學(xué)分析軟件,重新約束定位;根據(jù)緩降器實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)添加相關(guān)約束和接觸,得到在Adams軟件環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)模型[4],如圖7所示。

圖7 Adams軟件下的運(yùn)動(dòng)模型

按照逃生人員體重產(chǎn)生的負(fù)荷980 N和340 N兩個(gè)極端體重,在分體式繩輪上依次添加扭矩19 600 N·mm、擠壓力690 N和扭矩6 800 N·mm、擠壓力240 N,分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析,記錄兩組不同參數(shù)下的分體式繩輪旋轉(zhuǎn)速度,如圖8所示。

圖8 不同參數(shù)下的轉(zhuǎn)速

從圖8中的仿真結(jié)果曲線可以看出,在兩個(gè)極限體重條件下,緩降器的緩降速度經(jīng)過(guò)短暫的加速,均能達(dá)到相對(duì)勻速的工作,在體重負(fù)荷980 N參數(shù)下分體式繩盤(pán)的轉(zhuǎn)度約為3 600 °/s即ω=62.8 rad/s,緩降速度v=ωR1=1.26 m/s;在體重負(fù)荷340 N參數(shù)下分體式繩盤(pán)的轉(zhuǎn)度約為1 000 °/s即ω=17.4 rad/s,緩降速度v=ωR1=0.4 m/s。通過(guò)分析結(jié)果可以看出,在兩個(gè)極限體重條件下,緩降器的緩降速度略小于前面的理論計(jì)算值,符合GB 21976.2-2012標(biāo)準(zhǔn)中緩降速度的要求。該緩降器的工作原理和相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,滿足高空逃生人員緩降使用。

3 結(jié) 語(yǔ)

緩降器已成為高層居民在發(fā)生火災(zāi)時(shí)逃生自救的重要輔助工具,其重要作用在國(guó)家應(yīng)急管理部和各級(jí)地方政府的消防法規(guī)中得以明確。摩擦阻尼式緩降器的結(jié)構(gòu)不是一成不變的,在保證緩降效果的前提下,它的工作原理和結(jié)構(gòu)應(yīng)該是多樣的。文中重點(diǎn)對(duì)緩降器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和理論計(jì)算,并通過(guò)相關(guān)軟件進(jìn)行了仿真分析,設(shè)計(jì)了一種新型的緩降器,為復(fù)合式緩降器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了參考。