基于Adams的逃生缓降器结构设计分析*

杨 振,孙立祥,罗 俊

(山东中康国创先进印染技术研究院有限公司,山东 泰安 271000)

0 引 言

随着城市高层建筑越来越多,高层住宅的消防安全问题得到社会的广泛关注。现有的大型消防装备存在举高和远射能力不足、机动性和时效性差等缺陷,因此在一些特定情况下难以展开及时有效的救援[1]。可居家配置的高空逃生缓降器因其体积小、操作简单、可往复使用等特点,成为高层建筑发生火灾时逃生自救的重要辅助装置。目前,缓降器按其工作的阻尼类型主要分为四类:摩擦阻尼式缓降器、间歇冲击式缓降器、永磁涡流式缓降器和流体阻尼式缓降器。其中,摩擦阻尼式缓降器可靠性高、结构简单,市场占有率高。基于Creo和Adams等工业设计软件,笔者提出了一种复合摩擦阻尼式逃生缓降器的设计方案,通过对缓降器进行结构设计、理论计算和仿真分析,得到一种结构简单、安装便捷的缓降器结构方案,为复合式缓降器的开发设计提供了参考,对缓降器结构多样化发展起到了一定的推动作用。

1 逃生缓降器设计

1.1 工作原理

此逃生缓降器为新型结构,其工作原理属于多形式摩擦阻尼缓降器的工作范畴,通过多种摩擦阻尼形式的复合力矩,与逃生人员体重产生的主动力矩达到平衡,实现高层逃生人员的缓降。具体的摩擦阻尼形式有:分体式可滑动旋转绳轮与固定盘挤压并相对运动的摩擦阻尼、随绳轮转动的离心摩擦块与侧壁的摩擦阻尼、缓降器进出口处钢丝绳与固定导向轮的摩擦阻尼。通过尺寸的合理设计和材质的正确选择,确保缓降器在多种阻尼产生的阻力矩共同作用下,满足GB 21976.2-2012标准中负荷范围在340～980 N条件下,缓降速度范围在0.16～1.5 m/s内的要求。

1.2 结构设计

所设计逃生缓降器的结构主要包括四部分,分别为底板部分、侧壁部分、绳轮摩擦部分和盖板部分,每个部分为独立单元,便于缓降器的整体安装,缓降器组成示意图如图1所示。其中,底板部分设计有主轴和钢丝绳进出缓降器的导向轮;为使钢丝绳便于穿梭缠绕,将中间导向轮设计为可拆卸式结构;侧壁部分设计有将缓降器固定在建筑物上的吊板和钢丝绳进出的开口;盖板部分通过紧定螺钉固定有金属与摩擦材料复合而成的摩擦环;底板部分和盖板部分相对于侧壁部分固定,这是基于底板和盖板上的槽牙与侧壁上的槽口配合实现的,这样可保证主轴和摩擦环相对绳轮摩擦部分静止,缓解器结构示意图如图2所示。

图1 缓降器组成图

图2 缓降器结构示意图1.盖形螺母 2.钢丝绳 3.底板 4.固定轴 5.固定导向轮 6.可拆导向轮 7.固定螺柱 8.吊板 9.侧壁 10.离心摩擦块 11.分体式绳轮 12.固定盘 13.滑动轴承 14.滑动止推垫片 15,17,20.沉头螺钉 16.导向块 18.盖板 19.内摩擦盘

绳轮摩擦部分是缓降器装置的核心部分,挤压摩擦阻尼和离心摩擦阻尼的产生均由该结构部分实现。绳轮摩擦部分主要包括固定盘、分体式绳轮和离心摩擦块等零件。固定盘通过滑动轴承安装在底板部分的主轴上,起轴向限位作用的同时,也可为分体式绳轮提供可滑动的基体;分体式绳轮是挤压摩擦阻尼的执行件和离心摩擦块放置的载体,在随钢丝绳转动的同时,它还要能够在钢丝绳张力作用下向轴心滑动并挤压固定在盖板上的摩擦盘,两个半圆形分体式绳轮上开有导向长圆孔,通过铜基石墨自润滑材质的台阶式导向块连接到固定盘上,导向块与长圆孔之间选择间隙配合,防止分体式绳轮与固定盘间产生相对扭转和晃动;离心摩擦块置于分体式绳轮的凹槽内并随之转动,在绳轮转动产生的离心力作用下向外运动,与侧壁挤压产生摩擦。绳轮摩擦部分端部为滑动止推垫片,垫片与盖板间存在较小间隙,即使绳轮摩擦部分在主轴方向发生滑动产生位移,并与盖板内端面产生接触,在止推垫片作用下也不会影响该部分的正常运行。在保证分体式绳轮转动的同时还要能够向中心滑动,同时避免绳轮受力时与固定盘产生扭转和晃动,绳轮摩擦部分示意图如图3所示。

图3 绳轮摩擦部分示意图

为了防止钢丝绳与分体式绳轮间在缓降过程中出现打滑现象,将分体式绳轮上起导向作用的凹槽设计为V型,根据欧拉公式可知,只要钢丝绳上存在很小的张紧力,就能保证钢丝绳与分体式绳轮之间不会出现打滑[2],保证两者接触部分线速度的一致性。

1.3 理论计算

缓降器整体相关理论计算主要是对运动过程中主动力矩的产生、涉及参数和阻力矩的产生形式、涉及参数进行分析,合理设计和调整相关结构参数,选择合理材料和摩擦系数,使主动力矩和阻力矩达到完美的平衡。

主动力矩由逃生人员重力产生,涉及的参数有体重和钢丝绳缠绕半径;阻力矩由多个摩擦力矩复合而成,涉及的参数有摩擦半径、绳上张力、绳缠绕角度、摩擦系数、离心块质量等参数,相关参数如图4所示。

图中:T1为主动力矩;T2为挤压摩擦力矩;T3为离心摩擦力矩;T4为导向轮摩擦力矩;R1为钢丝绳在分体绳轮的缠绕半径;R2为分体绳轮与固定摩擦盘的摩擦半径;R3为离心摩擦块与侧壁的摩擦半径;R4为钢丝绳进出缓降器处的导向轮半径;F为分体绳盘对摩擦盘的压力;m为离心摩擦块质量;α为缠绕角度;f为钢丝绳与导向轮间摩擦力;G为逃生人员体重负荷。

逃生人员使用缓降器实现匀速缓降,需要满足的主动力矩和阻力矩达到平衡的条件为:

T1-T2-T3-2T4=0

(1)

将图4中各力矩计算的相关参数代入式(1)得:

GR1-Fμ1R2-2mω2R3×μ1×R3-2fμ2R4=0

(2)

式中:μ1为摩擦材料与金属间的摩擦系数,μ1=0.35;μ2为钢丝绳与金属间的摩擦系数[3],μ2=0.2。

根据牛顿运动定律,在导向轮固定的情况下,钢丝绳与导向轮间的动摩擦力f=G(eμ2α-1),可看出在缓降器机械尺寸结构和材质固定的情况下,该摩擦力与逃生人员体重成线性关系。钢丝绳在缓降器进出口两导向轮间部分与分体式绳轮可看做定滑轮去分析,钢丝绳通过缠绕分体式绳轮对固定摩擦盘的压力约为两个摩擦力的合力,即F≈2f。两个摩擦块在两个分体式绳轮上对称安装,忽略在运动过程中其自身重力对离心摩擦力的影响。

通过初步计算,对结构的尺寸参数进行优化赋值:半径R1=20 mm,半径R2=60 mm,半径R3=75 mm, 半径R4=10 mm,摩擦块质量m=0.2 kg,缠绕角α=90°。

将摩擦系数、摩擦力、压力和半径等参数代入式(2)得:

0.003 8G-0.000 69ω2=0

(3)

按照GB 21976.2-2012标准中的要求,缓降器使用者的体重产生的负荷范围为340～980 N,缓降速度范围为0.16～1.5 m/s。现将负荷G=340 N代入式(3),得到的角速度ω=43 rad/s,计算的缓降速度即钢丝绳线速度为0.86 m/s;将负荷G=980 N代入式(3),得到的角速度为ω=73 rad/s,计算得缓降速度即钢丝绳线速度为1.46 m/s,符合缓降速度要求。理论计算中忽略了缓降器运行过程中滑动轴承和滑动垫片处产生的摩擦力矩,实际的缓降速度应小于理论计算值。

2 仿真分析

2.1 基于Creo的建模

为提高各部分结构设计的合理性,避免出现零件间的妨碍和干涉,提高缓降器的安装性能,利用工程绘图软件Creo进行三维建模。在建模过程中,自行设计的零件相关尺寸以理论计算时的尺寸为基础,同时将所需的标准件调入软件中,按照组成部分进行模型的装配,遇到有干涉的部位时,需对尺寸进行优化调整,最终完成缓降器的三维建模,三维建模可更加直观地观察缓降器的整体结构和装配情况,同时可对模型进行接触和防干涉检测,为后续的运动仿真做好准备。

2.2 主轴受力分析

在逃生人员匀速缓降的过程中,主轴承载了绝大部分体重载荷,所以主轴的尺寸设计、焊接和装配对缓降器整体的安全性起到至关重要的作用。三维模型建立后,需要单独对主轴进行必要的受力分析,以检验其安全性。首先对主轴所在的底板焊接件进行结构简化,去除分析所不必要的导向轮,然后将底板作为一个整体零件导入软件,通过Creo软件中的有限元分析模块,施加底板与侧壁安装处的固定约束和主轴滑动轴承处的向下载荷,如图5所示。

图5 施加约束和载荷示意图

然后对主轴进行有限元受力分析,查看主轴应力和位移的分析结果可知,主轴所受最大应力为178 MPa,最大位移0.4 mm,满足45钢的许用要求。分析结果如图6所示。

2.3 基于Adams的动态仿真

对主轴进行有限元分析后,通过Adams软件对缓降器整体进行动态仿真分析,查看其动态运行情况与前期的理论计算是否一致。首先对三维模型整体进行简化处理,将用于动态仿真的模型转换为.x_t格式,导入Adams动力学分析软件,重新约束定位;根据缓降器实际运动状态添加相关约束和接触,得到在Adams软件环境下的运动模型[4],如图7所示。

图7 Adams软件下的运动模型

按照逃生人员体重产生的负荷980 N和340 N两个极端体重,在分体式绳轮上依次添加扭矩19 600 N·mm、挤压力690 N和扭矩6 800 N·mm、挤压力240 N,分别进行动态仿真分析,记录两组不同参数下的分体式绳轮旋转速度,如图8所示。

图8 不同参数下的转速

从图8中的仿真结果曲线可以看出,在两个极限体重条件下,缓降器的缓降速度经过短暂的加速,均能达到相对匀速的工作,在体重负荷980 N参数下分体式绳盘的转度约为3 600 °/s即ω=62.8 rad/s,缓降速度v=ωR1=1.26 m/s;在体重负荷340 N参数下分体式绳盘的转度约为1 000 °/s即ω=17.4 rad/s,缓降速度v=ωR1=0.4 m/s。通过分析结果可以看出,在两个极限体重条件下,缓降器的缓降速度略小于前面的理论计算值,符合GB 21976.2-2012标准中缓降速度的要求。该缓降器的工作原理和相关结构设计合理,满足高空逃生人员缓降使用。

3 结 语

缓降器已成为高层居民在发生火灾时逃生自救的重要辅助工具,其重要作用在国家应急管理部和各级地方政府的消防法规中得以明确。摩擦阻尼式缓降器的结构不是一成不变的,在保证缓降效果的前提下,它的工作原理和结构应该是多样的。文中重点对缓降器结构进行了设计和理论计算,并通过相关软件进行了仿真分析,设计了一种新型的缓降器,为复合式缓降器的开发设计提供了参考。