一種液壓與摩擦阻尼緩降器的結構設計與分析

彭浩天，邱鵬，孫雯，鄭浩雯，閆明

（河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022）

0 引言

目前市面上存在的高層建筑逃生裝置種類繁多，高層建筑應急逃生裝備主要包括樓梯通道類[1]、滑降管道類[2-4]、緩降繩索類[5-7]和升降機類[8-9]，其中緩降繩索由于結構簡單、操作方便而備受關注。

緩降繩索是一種可使人沿繩或隨繩緩慢下降的逃生裝置，一般由掛鉤、繩索、速度控制機構等組成，其中速度控制機構是實現高空緩降的核心部件，目前大量的研究也都是集中在對速度控制機構的研發設計上。速度控制機構是為控制下降速度而設置的，按照控制方式可以分為主動控制和被動控制兩種方式，主動控制需要人工操作實現下降速度的控制，被動控制則不需要人工操作即可按照一定的速度緩降。按照速度控制的工作原理，速度控制機構可大致分為兩類，即阻尼式和電動控制式，其中阻尼式速度控制機構的本質在于將人下降時的重力勢能轉換成其他能量，包括摩擦阻尼、電磁阻尼、液壓阻尼等，電動控制式速度控制機構通常是控制電動機的轉速實現下降速度的控制。

早在1986年公安部制定的《高層建筑消防管理規則》中便規定了賓館、飯店的各樓層宜配備供住客自救用的安全繩或緩降器、軟體、救生袋等避難救生器具，當時的緩降器多為摩擦阻尼式緩降器，例如：國營五一三廠于1985年申請的發明專利——高空安全可控緩降裝置[10]便是利用繩帶在多孔控制板中的摩擦實現的緩降；日本西部工業株式會社于1986年申請的發明專利——逃生用器具[11]是利用可動摩擦板接近于固定摩擦板，使得摩擦制動力作用于纜索上，從而實現了摩擦緩降。這類利用摩擦阻尼原理的緩降器由于結構簡單、使用方便、成本較低、方便存放等優勢，歷經多年的發展已成為市場上最為常見的緩降器類型。

近些年，除了摩擦阻尼以外，還產生了利用其它阻尼方式的速度控制機構，例如：邱振宇等[12]設計了一種基于液壓節流原理控速的高層逃生緩降裝置，其通過節流孔限制單位時間內通過的液體流量來限制液壓缸運行速度，進而對整個系統的運行速度進行限制，以達到使用人員減速緩降的目的；沈孟鋒等[13]設計了一種自適應電磁阻尼式高樓逃生緩降器，該緩降器利用交流永磁同步電動機的電磁轉矩控制絞盤轉速，具有制動力調節平滑、無機械磨損等優點。

目前，摩擦阻尼式的速度控制機構仍是企業和個人研發的主流，但是摩擦阻尼裝置也有其固定的缺點，例如使用壽命較短、易過熱降低可靠性、摩擦力不夠穩定等等。液壓阻尼裝置具有較高的平穩性和可靠性，并且不存在損耗問題，但是其對阻尼液體和裝置體積有著較高的要求，這也限制了該類裝置的推廣使用。電磁阻尼裝置及電動機控制裝置由于具有大量的電器元件，都存在工作穩定性在火災發生時很難保證的問題，可靠性較差，并且成本也相對較高。這些類型的緩降器雖然各有特點，但是因為體積、成本、使用等方面的原因，沒有成為市場上主流的緩降器。因此，多種工作原理聯合使用的方式或許可以成為一個新的研究方向。

基于這些問題，本文設計了一種結合了液壓阻尼與摩擦阻尼進行工作的新型緩降器，該緩降器通過薄壁小孔在兩液壓缸之間產生液體流動阻尼，并通過反作用力使摩擦盤產生摩擦，共同控制緩降器下降的速度。該設備解決了液壓阻尼緩降器體積大和機械摩擦阻尼緩降器可靠性差的問題，具有很好的市場前景。

1 液壓與摩擦阻尼緩降器的總裝結構

緩降器的總體結構如圖1所示，其內部工作結構如圖2所示。

圖1 緩降器的總體結構

圖2 緩降器的內部工作結構

2 緩降器的工作原理說明

系統運轉過程中，圓柱銷與液壓缸上的凹槽將繞線輪處的回轉運動傳遞至活塞處，并將其轉化為往復直線運動，進而作用于內部封閉油液，油液在兩液壓缸之間循環流動，流動過程中經過節流孔處，節流孔通過限制單位時間內通過的液體流量來限制液壓缸運行速度，同時液壓缸往復運動所產生的反作用力迫使摩擦片與側面擋板之間產生摩擦，通過傳動機構進而對整個系統的運行速度進行限制，以達到使用人員減速緩降的目的。

2.1 液壓與摩擦阻尼緩降器系統力學分析

以使用者的體重m=100 kg，整個緩降器在正常使用中，下降速度平穩恒定為v=1 m/s為標準工作條件，進行力學分析與結構設計。如圖3所示，整個緩降器徑向上所承受的向下的拉力為：

圖3 緩降器總體受力示意圖

如圖4所示，對緩降器中的其中一個圓柱銷進行受力分析。

圖4 圓柱銷受力示意圖

液壓缸對其有摩擦力f，摩擦力f帶動圓柱銷孔沿滑槽運動，所以圓柱銷對液壓缸有一個等大反向的作用力f ′。對作用力f ′分解得到兩個分力fy′和fx′，計算公式為：

如圖5所示，對于緩降器兩側板進行受力分析，當圓柱銷運動時，認為圓柱銷運動方向一側的側板其徑向受人體施加的力mg及液壓缸對其的軸向壓力FT。

圖5 受力合成示意圖

假設阻尼器中的油液均勻流動，油液的流速為vq=1 m/s，根據伯努利方程p0=p1+ρv2/2計算，可得到小孔兩側的油液壓強差為Δp=ρv2/2。

通過油液壓縮行程L與油腔直徑d計算可得q=πd2·L/4。

因為油液壓縮過程中，D/d＞7，油液完全壓縮，油液在流通口處處于湍流狀態，雷諾系數較大，所以收縮系數Cc取0.61～0.63，速度系數Cv取0.97～0.98，小孔流量系數Cd=CvCc≈0.97～0.98。根據以下公式計算可得小孔截面積A和小孔直徑d：

圖6 液壓缸工作示意圖

2.2 液壓與摩擦阻尼緩降器系統能量學分析

根據典型液壓工作介質的黏度-溫度特性曲線，考慮到火災等突發情況室溫的升高，在計算時可適當提高液壓油的運動黏度υ。

在液壓油的流動過程中，管道系統壓力損失是其主要的能量損耗，包括沿程壓力損失和局部壓力損失。沿程壓力損失主要為3段：1）同心縫隙管道；2）薄壁小孔處；3）細長孔通道。局部壓力損失分為3段：1）斷面縮小管道；2）斷面擴大管道；3）管道分支處。下面對每種情況的具體能耗進行分析。

2.2.1 同心縫隙管道沿程壓力損失

考慮標準工況時，油液在管道內平均流速ν1=1 m/s，取雷諾數Rec1=4667，根據圓管沿程阻力系數λ計算公式。由于在光滑紊流區4000＜Re＜105，因此λ=0.3164×Re-0.25。沿程壓力損失的功可由下式計算得到：

式中：l1為管道的長度；ρ為油液密度；A1為同心縫隙的截面積。

2.2.2 薄壁小孔處壓力損失

油液在薄壁小孔處運動時有軸向力F軸=ρq1ν1，由此可以計算出：薄壁小孔上處的壓力p1=F軸/A1；下處的壓力p2=F軸/A2；壓力差Δp=p2-p1。

2.2.4 局部壓力損失

液體流經截面突然變化的管道、彎管、管接頭及控制閥閥口等局部障礙時的壓力損失稱局部壓力損失，局部壓力損失計算公式為

式中：ξ為局部壓力系數；ν為液流流速。

局部障礙很多，本裝置存在的局部阻礙主要有截面擴大處、截面縮小處和分支管處。該階段所消耗的功為

綜上所述，摩擦盤機械摩擦所做的功所占比例為

打開主圖，拖到新建的聯系表上面，它會成為一個新的圖層。把這個圖層的混合模式改為強光，就可以了。如果你想進一步調整，可以使用曲線或加深與減淡工具，直到效果滿意為止。

代入數據計算分析可得到，當緩降器工作時，約51.3%的能量通過摩擦盤的機械摩擦消耗，而約48.7%的能量通過液壓阻尼消耗。工作載荷的分配較為均衡，大大提高了本產品工作時的穩定性。

3 仿真分析和實驗對照

3.1 仿真分析

通過SolidWorks建模與Matlab仿真分析可以看出，該設備壓強變化平緩，使用穩定，制動力調節平滑，下降速度受使用者體重的影響小，具有廣泛的適用性。

圖7 液壓油流線及壓強仿真結果

圖8 液壓油流線及流速仿真結果

3.2 實驗對照

通過實驗，我們可以看出實驗所得結果與理論計算值基本相符，進一步驗證了本設備工作的穩定性。其中誤差存在的可能原因有油液密封不緊密、摩擦盤存在磨損等，可以通過改變節流孔的直徑大小等措施進行進一步的微調，滿足各種使用條件的需要。

圖9 下降速度與使用者體重關系圖

4結論

本裝置具有體積小、質量輕、方便攜帶使用的優點。由于通過液壓阻尼原理工作，裝置下降的速度受用戶體重影響小，緩降更加平穩。本裝置不需要任何能源設備，動力來源完全由人體在下降時產生的重力勢能提供，這在很大程度上提高了產品對各種環境的適應能力與可靠性。

在結構上，液壓阻尼裝置為全封閉結構，消防救災過程中的噴淋水不會對緩降器的工作性能產生影響。鋼索釋放裝置在鋼索下方，鋼索在緩降過程中的纏繞和卡住都不會影響本設備的正常使用。本裝置隨同人體安全背帶一起下降，可靠連接到逃生人員的身體上，著火點的位置和火焰的溫度不會對緩降器的性能產生影響。

同時，本裝置可隨意掛在固定點來進行，無需提前安裝，不會影響家庭裝修的整體效果，也不會影響使用者逃生點的選擇，鋼索可以即時靈活固定到家具、窗框等可靠安裝點。

圖10 理論計算速度與實驗數據對比

本產品使用簡單，無需提前培訓，方便使用。具有廣泛的適用范圍和良好的市場前景。