高楼逃生装置的减速原理分析

乔印虎，苏国用，杨杰，龚建，王冲

（安徽科技学院机械工程学院，安徽凤阳233100）

高楼逃生装置的减速原理分析

乔印虎，苏国用，杨杰，龚建，王冲

（安徽科技学院机械工程学院，安徽凤阳233100）

高楼逃生装置的设计原则是利用最短的时间，使更多的人安全地离开事发现场。此类设计所要解决的关键性难题是如何将逃生者的势能与动能平稳快速地降下来。采用负反馈闭环系统原理实现纯机械化设计，利用逃生人员自重实现自减速功能。对该装置进行减速原理进行分析，以便理解其整体结构设计与工作机理。通过Solidworks Simulation软件对减速结构重要零件进行有限元分析，找出该减速装置最容易失效的部位，有利于产品的设计与生产。

高楼逃生；负反馈；自重减速原理

社会在飞速发展，耕地实施保护政策，楼层也就越盖越高，在地震或者火灾发生时，生活在高楼层的居民安全性就更受威胁，如何安全快速地逃离大楼成为一个难题。高楼逃生装置对此承担着举足轻重的作用，而高楼逃生装置的好坏主要取决于设计所采用减速的方法及其所达到的减速效果。因此，研究减速原理具有重要的意义。当前的高楼逃生装置有很多不足，如当逃生人员经过匀速下降或先加速后匀速下降的装置，所需要的逃生时间都较长［1-2］。一部分装置需要电力驱动，停电就无法工作，发生地震或火灾时多数情况会断电，局限性大［3］；另一些装置结构原理复杂，操作繁琐，没有经过专业训练的人很难正确操作，老人、儿童、残疾人及在灾难中休克的人员很难逃脱，容易出现意外事件，且结构复杂或技术精度要求比较高，生产成本高［4］。基于以上缺点，本文设计一种负反馈闭环系统的逃生装置，其为纯机械结构，操作简便，具有广阔的市场空间和良好的使用价值［5］。

1　高楼逃生装置的减速原理

1.1阻碍下降原理

绳索一端固定在主动轴上，并且顺时针缠绕数圈，绳索另一端从从动轴上方通过从动轴后自然垂下，如图1所示。当绳索上有重物并以一个初速度自然下落时，由于绳索在主动轴上顺时针缠绕，所以对绕绳主动轴产生顺时针的转矩并通过主动轴传递到齿轮1上。而绳索又从从动轴上方通过从动轴，由于摩擦力对从动轴产生一个顺时针的转矩，并通过主动轴传递到齿轮2上。通过齿轮啮合处转矩的作用，使重物先后经历加速、匀速、减速的运动过程，最后以安全速度落地。当两个齿轮上的转矩大小相等时，由于在齿轮啮合处，力的方向相反，达到转矩的平衡，重物就会以恒定的速度下落。在此过程中主动轴同时带动与之固连的平面蜗卷弹簧，在轴承转动的过程中对蜗卷弹簧产生一个转矩，使蜗卷弹簧产生弯曲弹性变形，存储弹性势能。平面蜗卷弹簧随着卷紧的过程，对主动轴有减速作用。这样当重载卸除后，平面蜗卷弹簧释放弹性势能，将带动齿轮1回转，进而使绳索回收。在实际操作过程中，只要调整机构仰角，逃生人员就可以一个很小的加速度加速下落［6］。

1.2自减速原理

安全绳有一定的直径，由里到外，绳轴的直径越来越大，对应安全绳与从动轴上的接触面积越来越小。随着逃生人员的下降，安全绳在主动轴上缠绕的层数减少，从而对应安全绳与从动轴上的接触面积增大，包角增大，由于压力一定，因此摩擦力f增大，反馈到齿轮2上的阻力增大［7］，则逃生人员有先加速再匀速后减速下降的目的，最终以安全速度（远小于国家标准）下降到地面。

1.3齿轮的设计

（1）取轴r=25 mm，G=1 000 N，则齿轮传递的最大转矩T=25 000 N·mm。

（2）齿轮的齿数z=50，查表得齿轮的齿宽系数φd=0.3。

（3）应力循环取106次，触疲劳许用应力为［σH］=

（4）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径［8］d=62.64 mm。

（5）计算模数m=d/z=62.64/50=1.25。

（6）齿轮的弯曲强度极限σFE=380 MPa。

（7）取弯曲疲劳安全系数S=1.4，计算弯曲疲劳许用应力［σF］=KFNσFE/S=1.2×380/1.4=325.7 MPa。

（8）查得数据K=KAKVKFαKFβ=1.25×1.2×1× 1.2=181YFα=2.241YSα=1.25。

（10）就近圆整为标准值m=2.0，按接触疲劳强度计算的分度圆直径d=100 mm。

1.4接触型平面蜗卷弹簧的设计计算

平面蜗卷弹簧的角变形圈数用n表示［6］，有

弹簧刚度k和最大弯曲应力σmax的计算式分别为

式（2）中，l为弹簧的展开长度；E为材料的弹性模量，E=205 800 MPa；Z为抗弯截面系数；σP为许用弯曲应力。

1.4.1厚度的选取

根据设计手册中Tmax/b与厚度h的关系曲线，选取h=1.2 mm。

1.4.2弹簧长度的计算

由式

计算弹簧的长度，一般取1/k=3 000～7 000，最大不超过15 000。本文取1/k=5 000，即得l=167 080 mm。

1.4.3选取芯轴直径

芯轴的直径应在（15～25）h范围内选取，一般d=120 h，而主动轴的直径d=16 mm。

1.4.4确定卷筒内径

卷筒内径由卷筒内有效面积和弹簧所占面积之比m决定。m取2时，此时变形圈数最多，弹簧的长度l=100 mm。

2　齿轮进行有限元分析

该逃生装置在工作过程中主要靠齿轮与轴之间相互作用的转矩减速，蜗卷弹簧在此过程中作用较小［9］，且在设计时将其强度设计的足够大，在此仅利用Solidworks Simulation软件对齿轮进行有限元分析，即可保证实际要求。该分析采用三维实体划分，网格单元大小为5.48 724 mm，单元总数为24 129。

2.1齿轮的材料属性

齿轮的材料属性如表1所示。

2.2施加约束与作用载荷

根据设计结构与装夹特点，使齿轮内圈及槽口固定，在垂直于齿轮工作面上施加最大传递转矩T=25 000 N·mm。

2.3算例结果

算例结果如表2所示。其应力、位移、应变如图2～4所示。

由图2～4可以看出，该减速装置在施加载荷后，齿轮应力、位移、应变的情况。

（1）由图2可以看出，齿轮根部应力较大。

（2）由图3可以看出，齿顶处合位移最大，在齿根处位移量为0，且最大与最小之间差距不大。

（3）由图（4）可以看出，最大应变发生在靠近齿根的节圆处。由此可见，齿轮靠近齿根处最薄弱。由于该齿轮工作条件较为平稳，作用于轻载荷，因此一般发生齿面点蚀，通过提高齿面硬度，降低齿面粗糙度或采用变位齿轮以增加综合曲率半径以达到合理的优化设计。

3　小结

本文对齿轮的设计计算采用较为成熟的理论计算方法，准确性与可靠性都比较高，并将有限元方法和理论应用到该设计中，对逃生装置的减速结构进行了模态分析。本研究为后序优化设计提供了理论指导，对提高减速装置的稳定性及可靠性具有重要意义，也为今后逃生装置的设计提供了新的思路与方法。

［1］胡优生.全自动不间断高楼逃生装置的研究与应用［J］.信息系统工程,2009（8）:70-71,75.

［2］杨叔子,杨克冲.机械工程控制基础［M］.6版.武汉:华中科技大学出版社,2013.

［3］胡洪平,祖文柱,马德贵.基于反馈原理的高楼逃生器［J］.机械工程师,2010（9）:29-30.

［4］颜兵兵,黄德臣,刘明亮,等.一种机械式高楼逃生装置设计方法研究［J］.机械设计与制造,2011（12）:175-177.

［5］程琴,史书林.摩擦式高楼逃生器的设计［J］.机电产品开发与创新,2013（4）:24-25.

［6］宋雪丽,王博,王发银.带速度反馈的高楼逃生装置结构优化设计［J］.山东轻工业学院学报:自然科学版,2012（4）: 25-28.

［7］王不赢.机械零件强度计算的理论和方法［M］.北京:高等教育出版社,2009.

［8］濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计［M］.9版.北京:高等教育出版社,2013.

［9］陈超祥.Solidworks Simulation基础教程［M］.北京:机械工业出版社,2009.

【责任编辑：任小平renxp90@163.com】

Principle analysis of deceleration of the high-rise escape apparatus

QIAOYin-hu,SUGuo-yong,YANGJie,GONGJian,WANGChong

(College of Mechanical Engineering,Anhui Science and Technology University,Fengyang233100,China)

High-rise escape apparatus is designed to help more personnel escape safely from the scene in shortest time.However,how to ensure the escaping individual decrease potential energy and kinetic energy steady and fast is the key to the design.This design uses the principle of negative feedback close-loop system to achieve pure mechanical design,uses the escape personel self weight to realize self-dece Leration.Analyze the deceleration principle to understand its structural design and working mechanism.Making finite element analysis to the important deceleration parts through solidworks Simulation software to detect the weakest part is beneficial toproduct design and production.

high-rise escape;negative feedback;self-principle of deceleration

TH122

A

1008-0171（2015）02-0076-04

2014-03-17

国家自然科学基金资助项目（61164012）；安徽科技学院青年基金资助项目（ZRC2013337）；国家大学生创新创业训练计划资助项目（201210879021）；安徽省优秀青年人才基金重点资助项目（2013SQRL062ZD）

乔印虎（1979-），男，安徽阜阳人，安徽科技学院讲师，在读博士。