基于复杂情况下不间断高楼逃生装置关键控制技术的研究

李旭东++张鸿++张文宝

摘 要：高楼逃生装置作为一种实用新型产品已引起人们的关注和重视。本文针对不间断高楼逃生装置的关键技术进行设计研究，提出了一种机械式高楼逃生装置的速度控制研究方案。通过分析逃生装置的结构组成及工作原理，利用Pro/E软件建立逃生装置的三维几何模型，进行虚拟装配及运行速度检测，并采用机械系统动力学仿真软件ADAMS构建仿真模型，进行运动分析，进而加工出实验装置。实验测试表明，可通过对传动带、驱动齿轮、阻尼降速器、刹车系统等关键部件的分析与控制，有效实现安全、快速、稳定逃生的目的。

关键词：不间断高楼逃生装置 速度控制 三维建模 仿真分析

中图分类号：TH128 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（c）-0081-02

随着经济的发展，摩天大楼如雨后春笋般拔地而起的同时，在高楼中工作、生活的人们[1]，对高楼遇险时（如突发火灾，如表1所示等）如何迅速逃生引起更高的重视。而不间断高楼逃生装置作为一种安全系数高、输送时间快等优点的新型产品广泛地应用在各高层建筑中。

近年来，也有不少专家学者对不间断高楼逃生装置进行设计研究[2-3]。但由于该装置问世时间短、功能还有待完善，在实际运行的过程中出现了一些不足之处，例如：逃生速度稳定性不高、人员落地时冲击较大、刹车与阻尼系统协调性不理想等。鉴于此，本文通过对不间断高楼逃生装置关键控制结构的仿真与测试，并结合复杂情况下的使用特点进行研究，使其真正具有安全、方便、高效的特点。

1 机构组成及其工作原理

1.1 装置结构组成

本装置结构主要由变速齿轮组（驱动齿轮、从动齿轮）、传动带轮、阻尼刹车机构（刹车片、回位弹簧、阻尼装置）组成。本装置的顶部通过固定安装在楼顶，整体悬挂在建筑物的侧方，同时在其正下方的地面安装带轮传动机构，上下结构靠带传动得以实现。在火灾等意外事故发生时，不同楼层的逃生人员均可站在该楼层对应的位置，当符合传送带逃生位置时，手抓紧扶手，同时脚踏踏板，利用人的重力作为驱动力，完成下降逃生，以确保撤离人员以相对稳定、舒适的速度下降至地面，顺利逃生。

1.2 工作原理

不间断高楼逃生装置依靠逃生人员自身重力作为驱动力，不受建筑物高度的限制，也不受逃生人员多少的限制。随着逃生人员的增加或减少，刹车装置、阻尼系统和制动轮的正压力也随之发生线性变化，使得达到传动带的速度的自动控制的目的，实现连续、匀速逃生，完全摆脱了对其他动力的束缚。

2 虚拟建模与仿真分析

2.1 带齿啮合瞬间建模与分析

该逃生装置中，带齿传动受力为主要承载力[4]。无论是几何特征，还是接触状态，都是呈现非线性的，因此，需要对其进行建模分析。该过程主要运用ANSYS和Pro/E进行分析。

带的基本参数为：带的顶胶材料为氯丁橡胶，设计厚度6mm，抗拉体材料为玻璃纤维绳体，设计厚度2.5mm，包布层忽略不计。

由于ANSYS软件的三维建模功能不强，为提高分析效率，前期需要利用Pro/E软件进行三维模型的创建，从而保证精确装配。然后在ANSYS分析时，将Pro/E设计好的三维模型导入计算网格，密度越高，精确度就越高，但是如果接触点过多，会耗费更多的时间。

该过程中，主要运用ANSYS软件中的三种算法来实现接触关系的计算分析：拉格朗日算法、扩张拉格朗日算法和罚函数法[5]。使用FKN来确定接触应力的比例因子和真实值，预设范围选取0.1～10之间，当计算出对应值之后，再逐渐扩大FKN值的范围，以提高计算精度。

在有限元模型创建好之后，再按照逃生装置运转过程中承受的载荷对应进行施加，若取主动轮上承受的转矩为15000N·mm，根据扭矩与力之间的计算公式，可计算出带轮上的切向载荷为17.0N。经过力学分析，得出收敛曲线、位移云图和应力分布图，可以看出多数载荷都体现在传递运动和动力的任务中，符合同步带传统平稳的特点。

2.2 阻尼降速原理分析

不间断高楼逃生装置中的减速机构位于整个总成的顶端，可以利用阻尼器产生的阻尼作用实现对逃生人员的下降速度控制。一般粘滞流体阻尼器由液压缸、粘性阻尼材料和位移活塞等部件组成，其中在活塞的截面上开有适当数量的孔作为阻尼孔，也可以运用预留间隙的方法实现阻尼作用。

粘滞流体阻尼器工作原理为：当活塞与缸体之间产生相对时[6]，产生一种摩擦，称为外部摩擦，即有杆腔和无杆腔之间的压力差通过粘性阻尼材料受力后自阻尼孔或通过间隙流出，该过程中，致使阻尼降速作用发生，产生的能量损耗通过阻尼材料与气缸壁进行释放，见图1。

3 实验研究

经过多次模拟试验，得到以下主要技术指标。

初始质量：大于1kg；最大质量：最大实验重量10kg时，下降速度为0.10～0.13m/s，见图2。

（注：以上技术指标均为模型参数，实际应用中以楼层高度及同时逃生人数为依据，确定其他相应参数。）

4 结语

通过利用Pro/E软件建立逃生装置的三维几何模型、虚拟装备，采用ANSYS进行计算，结合模拟试验，并主要针对传动带、阻尼降速器、刹车系统等关键部件进行受力分析，试验表明：该不间断高楼逃生装置能够满足设计要求，可以实现安全、快速、稳定逃生的目的，可为在高楼中生活、工作的人们的生命安全保驾护航。

参考文献

[1] 王立新，赵秀君，刘艳秋.高楼失火逃生装置[J].機械研究与应用，2006，19（4）：96.

[2] 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.

[3] 李丙伦，陈丽，曾庭，等.简易火灾逃生稳降器的设计与研究[J].科技资讯，2010（8）：122.

[4] 赵秀文，赵玉梅，李明.同步带传动的研究[J].长春工业大学学报，1996（3）：49-54.

[5] 郑娜.新型人字齿同步带传动设计及仿真分析[D].哈尔滨工业大学，2011.

[6] 熊玮.新型粘滞阻尼器的试验研究及其减震结构分析[D].华中科技大学，2007.endprint