基于Adams的逃生緩降器結構設計分析*

楊 振,孫立祥,羅 俊

(山東中康國創先進印染技術研究院有限公司,山東 泰安 271000)

0 引 言

隨著城市高層建筑越來越多,高層住宅的消防安全問題得到社會的廣泛關注。現有的大型消防裝備存在舉高和遠射能力不足、機動性和時效性差等缺陷,因此在一些特定情況下難以展開及時有效的救援[1]?？删蛹遗渲玫母呖仗由徑灯饕蚱潴w積小、操作簡單、可往復使用等特點,成為高層建筑發生火災時逃生自救的重要輔助裝置。目前,緩降器按其工作的阻尼類型主要分為四類:摩擦阻尼式緩降器、間歇沖擊式緩降器、永磁渦流式緩降器和流體阻尼式緩降器。其中,摩擦阻尼式緩降器可靠性高、結構簡單,市場占有率高。基于Creo和Adams等工業設計軟件,筆者提出了一種復合摩擦阻尼式逃生緩降器的設計方案,通過對緩降器進行結構設計、理論計算和仿真分析,得到一種結構簡單、安裝便捷的緩降器結構方案,為復合式緩降器的開發設計提供了參考,對緩降器結構多樣化發展起到了一定的推動作用。

1 逃生緩降器設計

1.1 工作原理

此逃生緩降器為新型結構,其工作原理屬于多形式摩擦阻尼緩降器的工作范疇,通過多種摩擦阻尼形式的復合力矩,與逃生人員體重產生的主動力矩達到平衡,實現高層逃生人員的緩降。具體的摩擦阻尼形式有:分體式可滑動旋轉繩輪與固定盤擠壓并相對運動的摩擦阻尼、隨繩輪轉動的離心摩擦塊與側壁的摩擦阻尼、緩降器進出口處鋼絲繩與固定導向輪的摩擦阻尼。通過尺寸的合理設計和材質的正確選擇,確保緩降器在多種阻尼產生的阻力矩共同作用下,滿足GB 21976.2-2012標準中負荷范圍在340～980 N條件下,緩降速度范圍在0.16～1.5 m/s內的要求。

1.2 結構設計

所設計逃生緩降器的結構主要包括四部分,分別為底板部分、側壁部分、繩輪摩擦部分和蓋板部分,每個部分為獨立單元,便于緩降器的整體安裝,緩降器組成示意圖如圖1所示。其中,底板部分設計有主軸和鋼絲繩進出緩降器的導向輪;為使鋼絲繩便于穿梭纏繞,將中間導向輪設計為可拆卸式結構;側壁部分設計有將緩降器固定在建筑物上的吊板和鋼絲繩進出的開口;蓋板部分通過緊定螺釘固定有金屬與摩擦材料復合而成的摩擦環;底板部分和蓋板部分相對于側壁部分固定,這是基于底板和蓋板上的槽牙與側壁上的槽口配合實現的,這樣可保證主軸和摩擦環相對繩輪摩擦部分靜止,緩解器結構示意圖如圖2所示。

圖1 緩降器組成圖

圖2 緩降器結構示意圖1.蓋形螺母 2.鋼絲繩 3.底板 4.固定軸 5.固定導向輪 6.可拆導向輪 7.固定螺柱 8.吊板 9.側壁 10.離心摩擦塊 11.分體式繩輪 12.固定盤 13.滑動軸承 14.滑動止推墊片 15,17,20.沉頭螺釘 16.導向塊 18.蓋板 19.內摩擦盤

繩輪摩擦部分是緩降器裝置的核心部分,擠壓摩擦阻尼和離心摩擦阻尼的產生均由該結構部分實現。繩輪摩擦部分主要包括固定盤、分體式繩輪和離心摩擦塊等零件。固定盤通過滑動軸承安裝在底板部分的主軸上,起軸向限位作用的同時,也可為分體式繩輪提供可滑動的基體;分體式繩輪是擠壓摩擦阻尼的執行件和離心摩擦塊放置的載體,在隨鋼絲繩轉動的同時,它還要能夠在鋼絲繩張力作用下向軸心滑動并擠壓固定在蓋板上的摩擦盤,兩個半圓形分體式繩輪上開有導向長圓孔,通過銅基石墨自潤滑材質的臺階式導向塊連接到固定盤上,導向塊與長圓孔之間選擇間隙配合,防止分體式繩輪與固定盤間產生相對扭轉和晃動;離心摩擦塊置于分體式繩輪的凹槽內并隨之轉動,在繩輪轉動產生的離心力作用下向外運動,與側壁擠壓產生摩擦。繩輪摩擦部分端部為滑動止推墊片,墊片與蓋板間存在較小間隙,即使繩輪摩擦部分在主軸方向發生滑動產生位移,并與蓋板內端面產生接觸,在止推墊片作用下也不會影響該部分的正常運行。在保證分體式繩輪轉動的同時還要能夠向中心滑動,同時避免繩輪受力時與固定盤產生扭轉和晃動,繩輪摩擦部分示意圖如圖3所示。

圖3 繩輪摩擦部分示意圖

為了防止鋼絲繩與分體式繩輪間在緩降過程中出現打滑現象,將分體式繩輪上起導向作用的凹槽設計為V型,根據歐拉公式可知,只要鋼絲繩上存在很小的張緊力,就能保證鋼絲繩與分體式繩輪之間不會出現打滑[2],保證兩者接觸部分線速度的一致性。

1.3 理論計算

緩降器整體相關理論計算主要是對運動過程中主動力矩的產生、涉及參數和阻力矩的產生形式、涉及參數進行分析,合理設計和調整相關結構參數,選擇合理材料和摩擦系數,使主動力矩和阻力矩達到完美的平衡。

主動力矩由逃生人員重力產生,涉及的參數有體重和鋼絲繩纏繞半徑;阻力矩由多個摩擦力矩復合而成,涉及的參數有摩擦半徑、繩上張力、繩纏繞角度、摩擦系數、離心塊質量等參數,相關參數如圖4所示。

圖中:T1為主動力矩;T2為擠壓摩擦力矩;T3為離心摩擦力矩;T4為導向輪摩擦力矩;R1為鋼絲繩在分體繩輪的纏繞半徑;R2為分體繩輪與固定摩擦盤的摩擦半徑;R3為離心摩擦塊與側壁的摩擦半徑;R4為鋼絲繩進出緩降器處的導向輪半徑;F為分體繩盤對摩擦盤的壓力;m為離心摩擦塊質量;α為纏繞角度;f為鋼絲繩與導向輪間摩擦力;G為逃生人員體重負荷。

逃生人員使用緩降器實現勻速緩降,需要滿足的主動力矩和阻力矩達到平衡的條件為:

T1-T2-T3-2T4=0

(1)

將圖4中各力矩計算的相關參數代入式(1)得:

GR1-Fμ1R2-2mω2R3×μ1×R3-2fμ2R4=0

(2)

式中:μ1為摩擦材料與金屬間的摩擦系數,μ1=0.35;μ2為鋼絲繩與金屬間的摩擦系數[3],μ2=0.2。

根據牛頓運動定律,在導向輪固定的情況下,鋼絲繩與導向輪間的動摩擦力f=G(eμ2α-1),可看出在緩降器機械尺寸結構和材質固定的情況下,該摩擦力與逃生人員體重成線性關系。鋼絲繩在緩降器進出口兩導向輪間部分與分體式繩輪可看做定滑輪去分析,鋼絲繩通過纏繞分體式繩輪對固定摩擦盤的壓力約為兩個摩擦力的合力,即F≈2f。兩個摩擦塊在兩個分體式繩輪上對稱安裝,忽略在運動過程中其自身重力對離心摩擦力的影響。

通過初步計算,對結構的尺寸參數進行優化賦值:半徑R1=20 mm,半徑R2=60 mm,半徑R3=75 mm, 半徑R4=10 mm,摩擦塊質量m=0.2 kg,纏繞角α=90°。

將摩擦系數、摩擦力、壓力和半徑等參數代入式(2)得:

0.003 8G-0.000 69ω2=0

(3)

按照GB 21976.2-2012標準中的要求,緩降器使用者的體重產生的負荷范圍為340～980 N,緩降速度范圍為0.16～1.5 m/s。現將負荷G=340 N代入式(3),得到的角速度ω=43 rad/s,計算的緩降速度即鋼絲繩線速度為0.86 m/s;將負荷G=980 N代入式(3),得到的角速度為ω=73 rad/s,計算得緩降速度即鋼絲繩線速度為1.46 m/s,符合緩降速度要求。理論計算中忽略了緩降器運行過程中滑動軸承和滑動墊片處產生的摩擦力矩,實際的緩降速度應小于理論計算值。

2 仿真分析

2.1 基于Creo的建模

為提高各部分結構設計的合理性,避免出現零件間的妨礙和干涉,提高緩降器的安裝性能,利用工程繪圖軟件Creo進行三維建模。在建模過程中,自行設計的零件相關尺寸以理論計算時的尺寸為基礎,同時將所需的標準件調入軟件中,按照組成部分進行模型的裝配,遇到有干涉的部位時,需對尺寸進行優化調整,最終完成緩降器的三維建模,三維建?？筛又庇^地觀察緩降器的整體結構和裝配情況,同時可對模型進行接觸和防干涉檢測,為后續的運動仿真做好準備。

2.2 主軸受力分析

在逃生人員勻速緩降的過程中,主軸承載了絕大部分體重載荷,所以主軸的尺寸設計、焊接和裝配對緩降器整體的安全性起到至關重要的作用。三維模型建立后,需要單獨對主軸進行必要的受力分析,以檢驗其安全性。首先對主軸所在的底板焊接件進行結構簡化,去除分析所不必要的導向輪,然后將底板作為一個整體零件導入軟件,通過Creo軟件中的有限元分析模塊,施加底板與側壁安裝處的固定約束和主軸滑動軸承處的向下載荷,如圖5所示。

圖5 施加約束和載荷示意圖

然后對主軸進行有限元受力分析,查看主軸應力和位移的分析結果可知,主軸所受最大應力為178 MPa,最大位移0.4 mm,滿足45鋼的許用要求。分析結果如圖6所示。

2.3 基于Adams的動態仿真

對主軸進行有限元分析后,通過Adams軟件對緩降器整體進行動態仿真分析,查看其動態運行情況與前期的理論計算是否一致。首先對三維模型整體進行簡化處理,將用于動態仿真的模型轉換為.x_t格式,導入Adams動力學分析軟件,重新約束定位;根據緩降器實際運動狀態添加相關約束和接觸,得到在Adams軟件環境下的運動模型[4],如圖7所示。

圖7 Adams軟件下的運動模型

按照逃生人員體重產生的負荷980 N和340 N兩個極端體重,在分體式繩輪上依次添加扭矩19 600 N·mm、擠壓力690 N和扭矩6 800 N·mm、擠壓力240 N,分別進行動態仿真分析,記錄兩組不同參數下的分體式繩輪旋轉速度,如圖8所示。

圖8 不同參數下的轉速

從圖8中的仿真結果曲線可以看出,在兩個極限體重條件下,緩降器的緩降速度經過短暫的加速,均能達到相對勻速的工作,在體重負荷980 N參數下分體式繩盤的轉度約為3 600 °/s即ω=62.8 rad/s,緩降速度v=ωR1=1.26 m/s;在體重負荷340 N參數下分體式繩盤的轉度約為1 000 °/s即ω=17.4 rad/s,緩降速度v=ωR1=0.4 m/s。通過分析結果可以看出,在兩個極限體重條件下,緩降器的緩降速度略小于前面的理論計算值,符合GB 21976.2-2012標準中緩降速度的要求。該緩降器的工作原理和相關結構設計合理,滿足高空逃生人員緩降使用。

3 結 語

緩降器已成為高層居民在發生火災時逃生自救的重要輔助工具,其重要作用在國家應急管理部和各級地方政府的消防法規中得以明確。摩擦阻尼式緩降器的結構不是一成不變的,在保證緩降效果的前提下,它的工作原理和結構應該是多樣的。文中重點對緩降器結構進行了設計和理論計算,并通過相關軟件進行了仿真分析,設計了一種新型的緩降器,為復合式緩降器的開發設計提供了參考。