基于擺線針輪減速作用的新型緩降設備研發

□ 王文深 □ 林潘忠

1.浙江工貿職業技術學院 汽車與機械工程學院 浙江溫州 325003

2.溫州職業技術學院 機械工程系 浙江溫州 325035

近年來，城市高樓火災頻發，破壞力強且不便救援，造成了重大的人員傷亡與財產損失［1］。利用繩索從樓上平臺或窗口脫身是一種較為簡單易行的辦法，因此各種高樓逃生裝置應運而生［2-4］。20世紀80年代以來，國內外學者對高樓緩降器進行了大量研究，大致可分為阻尼式和減速盤式緩降器，阻尼式緩降器下降速度會隨使用者體重增加而增大，而減速盤式緩降器結構復雜，有的還需要電機驅動或控制，操作繁瑣，不利于推廣。高樓緩降裝置除了安全可靠外，最好能具備以下特征。

（1）下降速度能自動控制，使用時不需人工調整與干預就能適應不同體重的人，同時在保證安全的情況下，逃生的速度越快越好。

（2）對使用者無需進行專業訓練，也無體力、技能方面的特殊要求，操作簡便，無需他人幫助，一個人就能實現自救。

（3）結構簡單，最好不要有動力裝置。

針對上述要求，筆者設計了一種新型的高樓緩降裝置，通過擺線針輪和液壓阻尼的減速作用，使人或重物在下降0.8～1 m的過程中，完成一次下降-減速的運動過程，如此從高處到地面的長距離被分成了若干段短距離，實現分級緩降的目的。基于擺線針輪的減速作用，設計了裝置結構運動曲線，在此基礎上建立了整機的數值模型，用ANSYS軟件對其關鍵部位的強度進行校核，通過樣機試驗，驗證了裝置的可行性與安全性。

▲圖1 緩降裝置結構簡圖

1 結構與原理

裝置的結構示意如圖1所示，由手動收線機構、繞線輪、減速機構和阻尼機構4個部分組成。

阻尼機構為液壓小孔阻尼，液壓缸內活塞上設有單向口和阻尼孔，油液從液壓缸下腔經小孔流向上腔時受到阻尼作用，而由上腔經單向口流到下腔時不受阻尼。減速機構是由擺線針輪構成的諧波傳動，其針輪的外輪廓為凸輪結構，當重物帶動繞線輪旋轉若干圈后，由于擺線針輪的減速作用使凸輪轉動一圈。凸輪在回行程階段，活塞桿與輪廓分離，人或重物處于下落運動狀態；凸輪在推行程階段，凸輪將液壓缸活塞下壓，使繞線輪的轉動受到阻礙，人或重物的下降速度減慢，直到減速至零。手動收線機構由一對傳動比為3∶1的齒輪組成，它可以將繩索快速收回。為了使整體機構有更好的操作性，設置了兩個超越離合器的單向結構：一個安裝在手動卷線機構和繞線輪之間，它的作用是手動向上卷線時，卷線機構能帶動卷線輪，而向下放線時，不會因放線而帶動手柄旋轉，以防手柄旋轉而傷人；另一個安裝在繞線輪與擺線針輪之間，當向下放線時，繞線輪可以帶動減速機構，而向上卷線時，不用帶動減速機構以減小卷線阻力。

2 擺線針輪設計與分析

擺線針輪具有傳動比大、效率高、結構緊湊等優點，近年來在機器人、數控機床和自動化設備等領域得到了廣泛應用［5-6］。筆者設計的擺線針輪減速機可分為3個部分：輸入軸、減速部分、輸出部分，其運動簡圖如圖2所示。當輸入軸帶動偏心套旋轉一周時，由于擺線針輪上齒廓曲線的特點及其受針輪上針齒限制之故，擺線針輪的運動成為既有公轉又有自轉的平面運動，針輪于相反方向轉過一個齒而得到減速，由此獲得較低的輸出轉速。

2.1 傳動比及齒形設計

按照每1 m左右減速一次的目標，繞線輪最內圈的直徑為63 mm，周長約為197 mm；最外圈直徑為102 mm，周長為316 mm，在確定減速比時，取其平均周長為263 mm。因此傳動比i=1 000/263=3.93，取傳動比為4。

使用SolidWorks三維軟件對擺線針輪建模，考慮到擺線針輪齒廓曲線的復雜性，不適合采用一般的建模方法，筆者通過定義公式曲線來生成擺線針輪的齒廓曲線。在CAXA電子圖板軟件中選擇“公式曲線”方式繪制齒廓曲線，根據設計要求對傳統的齒廓曲線數學方程進行適當修改與改進，得出一種優化算法，以滿足本次設計的需要。根據擺線運動規律，建立擺線方程，在直角坐標系下輸入擺線針輪齒廓的曲線方程。

針輪：

▲圖2 擺線針輪運動簡圖

擺線輪：

式中：R為擺線輪基圓直徑；r為針輪的基圓半徑；Za和Zb分別為針輪和擺線輪的齒數。

取針輪齒數Za=12，針輪基圓半徑r=1.5 cm，傳動比為4，則擺線輪的齒數Zb=9，則基圓直徑R=2rZb，代入擺線方程，在CAXA中作出單個齒的擺線圖線，通過陣列得到全部的齒形。輸出部分為凸輪結構，為使結構緊湊，將針輪的外輪廓設計為凸輪，擺線針輪齒形和凸輪輪廓如圖3所示。

▲圖3 擺線針輪齒形及凸輪輪廓

2.2 擺線針輪強度計算

擺線針輪齒面的失效形式是疲勞點蝕和膠合，針輪與擺線輪輪齒的接觸，可認為是兩個瞬時圓柱體的接觸［7］，根據赫茲的接觸應力公式，其接觸應力δj為：

式中：Pi為任一瞬間針輪與擺線輪接觸點的法向壓力；Ed為接觸體的當量彈性模量，擺線輪和針齒的材料均為合金鋼，故Ed=200 GPa；B為擺線輪的寬度；ρd為針輪與擺線輪接觸點的當量曲率半徑。

輪齒在受載時，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強度最弱。引用標準直齒圓柱齒輪的齒根彎曲疲勞強度校核公式，在實際計算中，還應計入齒根危險截面處的過渡圓角引起的應力集中作用以及彎曲應力以外的其它應力對齒根應力的影響，因而得齒根危險截面的彎曲強度條件為［8］：

式中：［δf］為許用彎曲疲勞應力；m為齒輪模數，擺線針輪模數較直齒齒輪要大很多，需根據實際設計來取［9］；K 為載荷系數， 一般取為 1.98；Ft為輪齒所受切向力；YFa為齒形系數，一般取YFa=2.44；YSa為載荷作用于齒頂時的應力校正系數，一般取YSa=1.65。

3 有限元模型的建立與分析

3.1 數值模型與網格劃分

本文利用SolidWorks對緩降器進行幾何建模，然后導入HyperMesh中劃分網格，建立有限元模型，采用ANSYS進行分析計算，模型中一些細小的特征對結構的應力影響較小，如過渡圓角、邊緣倒角等，在保證分析可靠性的前提下，可以忽略這些微小特征。

網格導入HyperMesh軟件中劃分，HyperMesh是一款高效的有限元前處理軟件，它可以快速高效創建有限元網格，極大地提高了有限元前處理效率。本文選用四面體Solid187網格單元進行劃分，為了較好地反映應力變化規律，對擺線針輪和活塞桿處采用比較密集的網格，網格總數為863 242個，整機有限元模型如圖4所示。其中，底板、側板、繞線輪和擺線針輪的材料參數為：彈性模量E=206 GPa， 泊松比 μ=0.3， 密度 ρ=7.8×103kg/m3； 液壓缸的材料參數為：彈性模量E=69 GPa，泊松比 μ=0.33，密度 ρ=2.9×103kg/m3。

3.2 結果分析

將由HyperMesh中得到的緩降器有限元模型導入到ANSYS分析軟件中，定義分析類型為結構動力學分析，添加底板固定約束，計算整機在最大負載為200 kg作用下擺線針輪和其它結構處的受力情況。

圖5和圖6顯示了擺線針輪在負載作用下的等效應力云圖，從圖中可以看出，齒面接觸應力最大值出現在兩齒廓的接觸點處，且擺線輪處的最大應力比針輪要大，兩者都小于材料的最大許用應力，所以該齒輪在齒根彎曲強度的范圍之內，滿足強度要求。

圖7顯示了右支撐板上的應力分布云圖，右支撐板上的最大等效應力發生在底腳處，這主要是由于重物下降時對支撐板產生的彎矩作用，使得支撐板與底板接觸處的應力最大。

▲圖5 針輪等效應力云圖

▲圖4 有限元模型

▲圖6 擺線輪等效應力云圖

▲圖7 右支撐板等效應力云圖

▲圖8 緩降器實物圖

通過對緩降器關鍵部位及整機的應力情況進行有限元分析，指出最大應力所在位置，并在后續設計中加強改進結構設計，增加裝置的可靠性與安全性。

4 實驗

為了驗證裝置的可靠性，對所制作的實物樣機進行現場實驗。緩降器實物如圖8所示，分別對15 kg重物、40 kg重物和64 kg的真人進行測試，緩降器安裝在三樓即6.5 m高度處，測試不同負載時的下降時間及平均速度，結果見表1。

表1 不同負載時緩降器運動規律

分析表1可知，本緩降器可適應不同重物的下降，且每段下降高度與重量無關，在各段降落過程中實現加速-減速至零的功能。隨著重量的增加，其下降平均速度也逐漸增加，這主要是由于負載加大時，凸輪對活塞桿的作用力增大，活塞運動速度增加。因此隨著負載增大，下降時間越短，但差別不大。

5 結束語

（1）通過合理設計，利用機械結構實現了像消防戰士一樣的分級下降的運動方式，下降速度快，其效果與受過專業訓練的人員相似。

（2）利用擺線針輪的諧波傳動進行減速，結構緊湊，輪齒的彎曲疲勞強度高，嚙合重合度高，大大提高了承載能力，增加了使用時的安全性。

（3）在結構上，采用液壓毛細小孔進行阻尼，使這一裝置無需人工干預，不需調整，并實現對不同重量的自動適應。

本文所述高樓緩降器利用了液壓油流動的阻尼作用，產生反作用力來控制人體下降的速度，能夠實現分級緩降的目的，屬于公共場所固定安裝式逃生設備，獲得國家相關專利。該裝置結構緊湊，安全可靠，為緩降器的設計與發展提供了一種新的思路和參考價值。

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