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一种双向高速逃生器的设计与分析

发布日期:2020-10-18   来源:《变频器世界》20-07期   作者:高禹 张凤 钱伟 王书贤   浏览次数:472
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【摘   要】:本文介绍了一种新型的用于高层居民逃生的双向逃生器,创新性的采用离心摩擦机构和磁滞阻尼机构的组合模式,使用时直接通过绳端挂载可自动实现阻尼限速效果。采取窗台的逃生路线,符合安全最佳逃生方案,相比现有逃生器材具有操作简便,高效可靠,可推广性强等优势。

 

关键词:逃生缓降;双向循环;挂载驱动

Abstract: This paper introduces a new type of bidirectional control device for escape of high-rise residents, which innovatively adopts the combination mode of centrifugal friction mechanism and hysteresis damping mechanism. Adopt the escape route of windowsill, accord with the safe best escape plan, compared with the existing escape equipment has the advantages of simple operation, high efficiency and reliability, and strong extensibility.

Key words: Escape delay; Bidirectional circulation; Mount the drive

 

1  引言

近些年,随着国家现代化建设不断突飞猛进,高层建筑在城镇的占有率不断增长,为进一步节省有限空间资源,其设计方案具有内部结构复杂、功能集成多样。设计的竖向电梯井和横向通风管路带来的安全隐患相对较多[1],火灾危险性大幅增加,依据现有数据显示,一旦高层居民小区发生火灾将难以控制和逃离而酿成重大事故。如表1所示,虽然最近几年来火灾控制效果相比更加有效,总火灾起数呈现不断下落的趋势,这一方面是依靠人们普遍消防意识的不断增强,另外也证明社会对火灾的关注程度愈加提升,相关消防部门得到一定的发展使之救援能力的提高。但是其高层火灾占比却呈现明显上升趋势,由此可知现有消防重难点问题集中在高层居民区,根据相关资料显示我国主要将消防水罐车作为消防装备灭火,但是一般其喷水远射能力限制于8 层楼以下的有效救援。消防云梯车则是登高救援的装备,其举高救援能力也只有60 m,推算高度相当于20层楼。然而不仅救援高度受限,一般使用此类消防器具的机动性能很差,其体积过于庞大,从而难以到达大部分火灾现场。无数高楼火灾案例表明,提高高楼火灾防范能力和有效救援与逃生已成为消防部门和全社会高度关注的社会问题[2]



2
  国内外逃生装置发展                                                                                                                                                                     

国内外高层逃生器品类繁多,原理各异,但其基本组成都是由调速器、钢丝绳索、安全吊带等组成来实现缓速下降,其逃生器大致分类有空气阻尼式、行星轮式、GJH式、液压阻尼式及螺杆式[3]。这五大类型基本都存在结构单一、操作繁琐、可靠性低、逃生效率不高等显著不足。此外还有一些辅助逃生设施,如逃生软、逃生滑道和逃生气垫,这类装置家庭使用推广可行性极低,相对逃生器来讲其安全风险极大,主要是针对一些被动紧急场景下的应用。后续研究就针对现有问题进行改良或重新设计,对于优点地方进行吸收应用,最终具备功能完善、结构合理、使用便捷、高可靠性、成本低廉、效率高、易推广等优势[4]。对于现有逃生器的突出特点,如一般可重复使用逃生器更加符合使用要求,固定式逃生器比随身逃生器操作难度小、更加稳定可靠,这些需要进行吸收应用,在后续设计中有一定的指导作用,再根据火灾现场可能出现的危险情况,综合考虑逃生避险问题,可以最终得出一种相对成熟的逃生器设计方案,实现该款缓降设备较更容易在普通居民中普及,产品市场发展空间巨大,这既是设计的初衷也是我们设计及的最终目标。

3  双向高速逃生器总体设计

设计主要依靠机械摩擦学和磁滞阻尼学相关原理及理论,装置总体组成为纯机械装置,这样考虑的目的也是针对火灾现场的实际情况,一般会处于高温辐射、腐蚀气体和无能源供应状态,采用纯机械的设计方案可大大增强装置稳定性和抗干扰能力。该装置设计为固定于窗台上,逃生者系好安全带、扣合吊环于逃生器任一绳端,逃生者直接下落装置在使用者的重力矩趋势下,先由磁阻尼器进入工作状态,后续随着速度的不断增加直达1.5m/s的安全逃生速度时候,摩擦阻尼机构进入工作状态直接平衡使用者的重力矩,而实现使用人员的稳定下降运动。


                      
                                                               

3.1 壳体如图1所示此装置大体外形尺寸中长度为60cm,宽度为40cm,主体设计基本采用碳钢材料,在保证使用功能的前提下,设计制造成本也可以进一步缩减,为大范围推广提供了一定前提。总体装置分为壳体、磁阻尼系统、摩擦阻尼系统和绕绳机构四大模块组成,下面对这四大模块进行分析说明,以便更好地说明该装置的合理性及可行性。

壳体主要是由灰铸铁构成,采用这种工艺的主要原因在于壳体结构复杂多样且受力形式多样,如采用钢板焊接、铆接或者静连接都难以保证高可靠性,由于该类工艺会导致材料存在断层,在恶劣环境下极容易发生材料错位出现剪切失效。采用铸造工艺一次成型,其内应力分布均匀,能够较好地保证其内部封闭条件以防止外界腐蚀气体或颗粒物进入,能够最大限度的保证内部装置的正常运行。由图2可知壳体结构复杂多样并且受力也较大,其应力分布情况有必要进行一定分析,但是常用传统计算方式过于繁琐,并且也不一定能够得到最终数据。此处采用ANSYS有限元分析软件进行分析可极大缩短设计周期,降低设计人员的劳动强度[5]。图3为壳体约束及各部加载形式,采用符合实际约束及施加力系或力偶可以更加接近实际结果,图4所示为如上述操作后壳体的应力分布情况,可知在大齿轮轴的两个球轴承连接点为最大应力集中点,最大应力点数值大小为18.487exp+006 N/m2,最小应力处为1978.78 N/m2。见图5所示为壳体的位移云图,在图中可明显看出在大齿轮轴右侧轴承座连接处形变量最大,其数值为10.05mm,但是此处并非应力最大处但是产生的形变却为最大,综合考虑之后可知该处结构存在缺陷,主要因为此处为悬臂结构,为了更好改善形变过大而导致形位误差,此处应该设计成整体式以便增加其刚度和强度。

 



 

 

综合以上关系和查阅表2可知使用HT300可满足使用条件,并且灰铸铁在制造工艺上是相对比较成熟的冶金工艺,该逃生器壳体为形位结构都相对复杂的零件,一般常规制造工作周期长,需要焊接、铆接或者静连接,制造成本较高,强度不高等缺陷,而此处若采用铸造方式可以完全符合开模条件,内部型腔一次成型,生产周期较短,整体生产内部无断层,具有强度高,使用可靠等优势,最终能够方案为HT300的砂芯铸造。


3.2 磁阻尼系统

阻尼器介绍:永磁制动器是一种新型的可调恒扭矩输出设备。其输出轴和本体之间通过磁性副联接,在输出轴上提供稳定的制动扭矩。可以预设并精确控制张力,张力稳定可靠,结构简单,使用寿命长,安装、调整方便等优势。

MTB磁阻尼器的特点:

(1)磁阻尼器又名张力控制器、张力器或制动器,是以磁场为媒介传递恒定扭力的装置。阻尼盘与磁石不接触,无滑动磨擦,故使用寿命长,张力控制极其稳定;

(2)现为标准件直接购买,安装结构简单,输出扭距调节方便;

(3)结构设计紧凑,体积小巧,环境适应性强,可在各种位置稳定工作;

(4)维护费用低,基本无需进行维修,整体为密封结构,内部充满磁性流体;

(5)适用于双向阻尼,可以有效满足本设计功能要求。

该限速系统为改良现有装置结构单一,可靠性不强的缺陷,此装置内部设计有双限速系统,其功能将针对高速热衰退,环境热辐射及负载跃动有良好的调节性能,分析将证明对于低、中速区间是以磁滞阻尼为主的限速运动,中高速区间由于摩擦阻尼将发挥限速使用,摩擦材料在使用过程中接触时间较短且作为速度上限保护性功能存在,其热衰退效应将会明显减弱,整体速度会呈现持续稳定状态,其变化量将会限制在安全速度1.5m/s的2%左右浮动。

3.3 摩擦阻尼系统

摩擦阻尼缓降作用效果强弱取决于逃生者下落速度,当下降速度越快,则离心小球的转速越高,采用摆杆滑块结构可以巧妙地将离心量转化为压盘的移动量,在初始状态弹簧推力始终将压盘向右推紧,压盘也随之远离摩擦盘,在转速不断增大的条件下压盘将会克服弹簧推力向左移动直至消除与摩擦盘的自由间隙。进一步增大则无法进行位移,而出现逐步增大压紧力的效果。

…………………………

当接触正压力越大时会产生更大的摩擦阻力,反之产生的摩擦力矩越小。而摩擦力矩的大小反过来控制逃生人员的下落速度,使得逃生人员无论体重大小都能保以安全稳定的速度下落,可实现安全逃生效果。

3.4 绕绳机构

绕绳轮双向绕绳示意图如图6所示。




多次重复循环使用功能可以保证更多受困人员的生命安全,人员在穿戴安全设备之后可以直接挂载在绕绳机构的任意绳端,实现这一目标的前提是装置内部允许绕绳机构的正反转都存在阻尼限速效果,由上述摩擦阻尼系统和磁滞阻尼系统的介绍可知,内部系统不区别方向性,故该方案在原理上存在可行性。此外绕绳轮上采用螺旋槽式结构,这样有利于绳索在工作时不会出现“叠绕现象”,出现“叠绕现象”是由于绳索在缠绕时处于无张紧状态和绳索无规则运动,一般此类情况会导致使用时产生绳索某节点无力而出现使用者短距离坠落。这样对装置冲击过大影响使用强度也对使用人员的心理会造成恐慌。故采用螺旋绕绳槽可最大程度避免叠绕情况,这既保证了实现装置的双向循环利用,也对使用者安全保证进一步得到提升。

4  小结

本设计方案采取的是纯机械结构,采用可多层卷绕的绕绳轮以最大程度提高其使用效率,依靠重力驱使其运行的缓降方案以最大安全速度将逃生者送至地面,该逃生装置制造成本低、使用方便,完全契合普通大众群体。通过全文的分析及计算表明该装置可以达到设计的目标和要求,且其具有可靠性、高效性和适用性等优点。该装置旨在面向高层居民用户逃生之用,对于及时挽救生命和财产安全具有非常重要的意义。

 

参考文献:

[1]姚燕生,朱达荣,吴振坤.高层建筑火灾缓降逃生设备综述[J.安徽建筑大学学报(自然科学版),2013214):41-45.

[2]韩玉勇,刘云辉,李自国.基于动力学理论分析与仿真的救生逃生器设计[J.消防科学与技术,2015

3410):1380-1386.

[3]张文斌.擒纵式逃生器的设计及仿真[D.银川:宁夏大学,2017.

[4]韦建军.离心摩擦式高楼逃生逃生器的研发[J.制造业自动化,2012344):90-92.

[5]王灿,许本胜.高楼逃生逃生器的设计分析[J.科技信息,201118):526-527.

 

 
 
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