喬印虎，蘇國用，楊杰，龔建，王沖

（安徽科技學院機械工程學院，安徽鳳陽233100）

高樓逃生裝置的減速原理分析

喬印虎，蘇國用，楊杰，龔建，王沖

（安徽科技學院機械工程學院，安徽鳳陽233100）

高樓逃生裝置的設計原則是利用最短的時間，使更多的人安全地離開事發(fā)現(xiàn)場。此類設計所要解決的關(guān)鍵性難題是如何將逃生者的勢能與動能平穩(wěn)快速地降下來。采用負反饋閉環(huán)系統(tǒng)原理實現(xiàn)純機械化設計，利用逃生人員自重實現(xiàn)自減速功能。對該裝置進行減速原理進行分析，以便理解其整體結(jié)構(gòu)設計與工作機理。通過Solidworks Simulation軟件對減速結(jié)構(gòu)重要零件進行有限元分析，找出該減速裝置最容易失效的部位，有利于產(chǎn)品的設計與生產(chǎn)。

高樓逃生；負反饋；自重減速原理

社會在飛速發(fā)展，耕地實施保護政策，樓層也就越蓋越高，在地震或者火災發(fā)生時，生活在高樓層的居民安全性就更受威脅，如何安全快速地逃離大樓成為一個難題。高樓逃生裝置對此承擔著舉足輕重的作用，而高樓逃生裝置的好壞主要取決于設計所采用減速的方法及其所達到的減速效果。因此，研究減速原理具有重要的意義。當前的高樓逃生裝置有很多不足，如當逃生人員經(jīng)過勻速下降或先加速后勻速下降的裝置，所需要的逃生時間都較長［1-2］。一部分裝置需要電力驅(qū)動，停電就無法工作，發(fā)生地震或火災時多數(shù)情況會斷電，局限性大［3］；另一些裝置結(jié)構(gòu)原理復雜，操作繁瑣，沒有經(jīng)過專業(yè)訓練的人很難正確操作，老人、兒童、殘疾人及在災難中休克的人員很難逃脫，容易出現(xiàn)意外事件，且結(jié)構(gòu)復雜或技術(shù)精度要求比較高，生產(chǎn)成本高［4］?；谝陨先秉c，本文設計一種負反饋閉環(huán)系統(tǒng)的逃生裝置，其為純機械結(jié)構(gòu)，操作簡便，具有廣闊的市場空間和良好的使用價值［5］。

1　高樓逃生裝置的減速原理

1.1阻礙下降原理

繩索一端固定在主動軸上，并且順時針纏繞數(shù)圈，繩索另一端從從動軸上方通過從動軸后自然垂下，如圖1所示。當繩索上有重物并以一個初速度自然下落時，由于繩索在主動軸上順時針纏繞，所以對繞繩主動軸產(chǎn)生順時針的轉(zhuǎn)矩并通過主動軸傳遞到齒輪1上。而繩索又從從動軸上方通過從動軸，由于摩擦力對從動軸產(chǎn)生一個順時針的轉(zhuǎn)矩，并通過主動軸傳遞到齒輪2上。通過齒輪嚙合處轉(zhuǎn)矩的作用，使重物先后經(jīng)歷加速、勻速、減速的運動過程，最后以安全速度落地。當兩個齒輪上的轉(zhuǎn)矩大小相等時，由于在齒輪嚙合處，力的方向相反，達到轉(zhuǎn)矩的平衡，重物就會以恒定的速度下落。在此過程中主動軸同時帶動與之固連的平面蝸卷彈簧，在軸承轉(zhuǎn)動的過程中對蝸卷彈簧產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，使蝸卷彈簧產(chǎn)生彎曲彈性變形，存儲彈性勢能。平面蝸卷彈簧隨著卷緊的過程，對主動軸有減速作用。這樣當重載卸除后，平面蝸卷彈簧釋放彈性勢能，將帶動齒輪1回轉(zhuǎn)，進而使繩索回收。在實際操作過程中，只要調(diào)整機構(gòu)仰角，逃生人員就可以一個很小的加速度加速下落［6］。

1.2自減速原理

安全繩有一定的直徑，由里到外，繩軸的直徑越來越大，對應安全繩與從動軸上的接觸面積越來越小。隨著逃生人員的下降，安全繩在主動軸上纏繞的層數(shù)減少，從而對應安全繩與從動軸上的接觸面積增大，包角增大，由于壓力一定，因此摩擦力f增大，反饋到齒輪2上的阻力增大［7］，則逃生人員有先加速再勻速后減速下降的目的，最終以安全速度（遠小于國家標準）下降到地面。

1.3齒輪的設計

（1）取軸r=25 mm，G=1 000 N，則齒輪傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T=25 000 N·mm。

（2）齒輪的齒數(shù)z=50，查表得齒輪的齒寬系數(shù)φd=0.3。

（3）應力循環(huán)取106次，觸疲勞許用應力為［σH］=

（4）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑［8］d=62.64 mm。

（5）計算模數(shù)m=d/z=62.64/50=1.25。

（6）齒輪的彎曲強度極限σFE=380 MPa。

（7）取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，計算彎曲疲勞許用應力［σF］=KFNσFE/S=1.2×380/1.4=325.7 MPa。

（8）查得數(shù)據(jù)K=KAKVKFαKFβ=1.25×1.2×1× 1.2=181YFα=2.241YSα=1.25。

（10）就近圓整為標準值m=2.0，按接觸疲勞強度計算的分度圓直徑d=100 mm。

1.4接觸型平面蝸卷彈簧的設計計算

平面蝸卷彈簧的角變形圈數(shù)用n表示［6］，有

彈簧剛度k和最大彎曲應力σmax的計算式分別為

式（2）中，l為彈簧的展開長度；E為材料的彈性模量，E=205 800 MPa；Z為抗彎截面系數(shù)；σP為許用彎曲應力。

1.4.1厚度的選取

根據(jù)設計手冊中Tmax/b與厚度h的關(guān)系曲線，選取h=1.2 mm。

1.4.2彈簧長度的計算

由式

計算彈簧的長度，一般取1/k=3 000～7 000，最大不超過15 000。本文取1/k=5 000，即得l=167 080 mm。

1.4.3選取芯軸直徑

芯軸的直徑應在（15～25）h范圍內(nèi)選取，一般d=120 h，而主動軸的直徑d=16 mm。

1.4.4確定卷筒內(nèi)徑

卷筒內(nèi)徑由卷筒內(nèi)有效面積和彈簧所占面積之比m決定。m取2時，此時變形圈數(shù)最多，彈簧的長度l=100 mm。

2　齒輪進行有限元分析

該逃生裝置在工作過程中主要靠齒輪與軸之間相互作用的轉(zhuǎn)矩減速，蝸卷彈簧在此過程中作用較?。?］，且在設計時將其強度設計的足夠大，在此僅利用Solidworks Simulation軟件對齒輪進行有限元分析，即可保證實際要求。該分析采用三維實體劃分，網(wǎng)格單元大小為5.48 724 mm，單元總數(shù)為24 129。

2.1齒輪的材料屬性

齒輪的材料屬性如表1所示。

2.2施加約束與作用載荷

根據(jù)設計結(jié)構(gòu)與裝夾特點，使齒輪內(nèi)圈及槽口固定，在垂直于齒輪工作面上施加最大傳遞轉(zhuǎn)矩T=25 000 N·mm。

2.3算例結(jié)果

算例結(jié)果如表2所示。其應力、位移、應變?nèi)鐖D2～4所示。

由圖2～4可以看出，該減速裝置在施加載荷后，齒輪應力、位移、應變的情況。

（1）由圖2可以看出，齒輪根部應力較大。

（2）由圖3可以看出，齒頂處合位移最大，在齒根處位移量為0，且最大與最小之間差距不大。

（3）由圖（4）可以看出，最大應變發(fā)生在靠近齒根的節(jié)圓處。由此可見，齒輪靠近齒根處最薄弱。由于該齒輪工作條件較為平穩(wěn)，作用于輕載荷，因此一般發(fā)生齒面點蝕，通過提高齒面硬度，降低齒面粗糙度或采用變位齒輪以增加綜合曲率半徑以達到合理的優(yōu)化設計。

3　小結(jié)

本文對齒輪的設計計算采用較為成熟的理論計算方法，準確性與可靠性都比較高，并將有限元方法和理論應用到該設計中，對逃生裝置的減速結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析。本研究為后序優(yōu)化設計提供了理論指導，對提高減速裝置的穩(wěn)定性及可靠性具有重要意義，也為今后逃生裝置的設計提供了新的思路與方法。

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【責任編輯：任小平renxp90@163.com】

Principle analysis of deceleration of the high-rise escape apparatus

QIAOYin-hu,SUGuo-yong,YANGJie,GONGJian,WANGChong

(College of Mechanical Engineering,Anhui Science and Technology University,Fengyang233100,China)

High-rise escape apparatus is designed to help more personnel escape safely from the scene in shortest time.However,how to ensure the escaping individual decrease potential energy and kinetic energy steady and fast is the key to the design.This design uses the principle of negative feedback close-loop system to achieve pure mechanical design,uses the escape personel self weight to realize self-dece Leration.Analyze the deceleration principle to understand its structural design and working mechanism.Making finite element analysis to the important deceleration parts through solidworks Simulation software to detect the weakest part is beneficial toproduct design and production.

high-rise escape;negative feedback;self-principle of deceleration

TH122

A

1008-0171（2015）02-0076-04

2014-03-17

國家自然科學基金資助項目（61164012）；安徽科技學院青年基金資助項目（ZRC2013337）；國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目（201210879021）；安徽省優(yōu)秀青年人才基金重點資助項目（2013SQRL062ZD）

喬印虎（1979-），男，安徽阜陽人，安徽科技學院講師，在讀博士。