基于擺線針輪減速作用的新型緩降設(shè)備研發(fā)

□ 王文深 □ 林潘忠

1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)械工程學(xué)院 浙江溫州 325003

2.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系 浙江溫州 325035

近年來(lái)，城市高樓火災(zāi)頻發(fā)，破壞力強(qiáng)且不便救援，造成了重大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失［1］。利用繩索從樓上平臺(tái)或窗口脫身是一種較為簡(jiǎn)單易行的辦法，因此各種高樓逃生裝置應(yīng)運(yùn)而生［2-4］。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高樓緩降器進(jìn)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(huì)隨使用者體重增加而增大，而減速盤式緩降器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的還需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)控制，使用時(shí)不需人工調(diào)整與干預(yù)就能適應(yīng)不同體重的人，同時(shí)在保證安全的情況下，逃生的速度越快越好。

（2）對(duì)使用者無(wú)需進(jìn)行專業(yè)訓(xùn)練，也無(wú)體力、技能方面的特殊要求，操作簡(jiǎn)便，無(wú)需他人幫助，一個(gè)人就能實(shí)現(xiàn)自救。

（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最好不要有動(dòng)力裝置。

針對(duì)上述要求，筆者設(shè)計(jì)了一種新型的高樓緩降裝置，通過(guò)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(guò)程中，完成一次下降-減速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如此從高處到地面的長(zhǎng)距離被分成了若干段短距離，實(shí)現(xiàn)分級(jí)緩降的目的。基于擺線針輪的減速作用，設(shè)計(jì)了裝置結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線，在此基礎(chǔ)上建立了整機(jī)的數(shù)值模型，用ANSYS軟件對(duì)其關(guān)鍵部位的強(qiáng)度進(jìn)行校核，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了裝置的可行性與安全性。

▲圖1 緩降裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 結(jié)構(gòu)與原理

裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，由手動(dòng)收線機(jī)構(gòu)、繞線輪、減速機(jī)構(gòu)和阻尼機(jī)構(gòu)4個(gè)部分組成。

阻尼機(jī)構(gòu)為液壓小孔阻尼，液壓缸內(nèi)活塞上設(shè)有單向口和阻尼孔，油液從液壓缸下腔經(jīng)小孔流向上腔時(shí)受到阻尼作用，而由上腔經(jīng)單向口流到下腔時(shí)不受阻尼。減速機(jī)構(gòu)是由擺線針輪構(gòu)成的諧波傳動(dòng)，其針輪的外輪廓為凸輪結(jié)構(gòu)，當(dāng)重物帶動(dòng)繞線輪旋轉(zhuǎn)若干圈后，由于擺線針輪的減速作用使凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)；凸輪在推行程階段，凸輪將液壓缸活塞下壓，使繞線輪的轉(zhuǎn)動(dòng)受到阻礙，人或重物的下降速度減慢，直到減速至零。手動(dòng)收線機(jī)構(gòu)由一對(duì)傳動(dòng)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(jī)構(gòu)有更好的操作性，設(shè)置了兩個(gè)超越離合器的單向結(jié)構(gòu)：一個(gè)安裝在手動(dòng)卷線機(jī)構(gòu)和繞線輪之間，它的作用是手動(dòng)向上卷線時(shí)，卷線機(jī)構(gòu)能帶動(dòng)卷線輪，而向下放線時(shí)，不會(huì)因放線而帶動(dòng)手柄旋轉(zhuǎn)，以防手柄旋轉(zhuǎn)而傷人；另一個(gè)安裝在繞線輪與擺線針輪之間，當(dāng)向下放線時(shí)，繞線輪可以帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，而向上卷線時(shí)，不用帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)以減小卷線阻力。

2 擺線針輪設(shè)計(jì)與分析

擺線針輪具有傳動(dòng)比大、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［5-6］。筆者設(shè)計(jì)的擺線針輪減速機(jī)可分為3個(gè)部分：輸入軸、減速部分、輸出部分，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。當(dāng)輸入軸帶動(dòng)偏心套旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，由于擺線針輪上齒廓曲線的特點(diǎn)及其受針輪上針齒限制之故，擺線針輪的運(yùn)動(dòng)成為既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)的平面運(yùn)動(dòng)，針輪于相反方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒而得到減速，由此獲得較低的輸出轉(zhuǎn)速。

2.1 傳動(dòng)比及齒形設(shè)計(jì)

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

使用SolidWorks三維軟件對(duì)擺線針輪建模，考慮到擺線針輪齒廓曲線的復(fù)雜性，不適合采用一般的建模方法，筆者通過(guò)定義公式曲線來(lái)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(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)傳統(tǒng)的齒廓曲線數(shù)學(xué)方程進(jìn)行適當(dāng)修改與改進(jìn)，得出一種優(yōu)化算法，以滿足本次設(shè)計(jì)的需要。根據(jù)擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立擺線方程，在直角坐標(biāo)系下輸入擺線針輪齒廓的曲線方程。

針輪：

▲圖2 擺線針輪運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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(shù)。

取針輪齒數(shù)Za=12，針輪基圓半徑r=1.5 cm，傳動(dòng)比為4，則擺線輪的齒數(shù)Zb=9，則基圓直徑R=2rZb，代入擺線方程，在CAXA中作出單個(gè)齒的擺線圖線，通過(guò)陣列得到全部的齒形。輸出部分為凸輪結(jié)構(gòu)，為使結(jié)構(gòu)緊湊，將針輪的外輪廓設(shè)計(jì)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(qiáng)度計(jì)算

擺線針輪齒面的失效形式是疲勞點(diǎn)蝕和膠合，針輪與擺線輪輪齒的接觸，可認(rèn)為是兩個(gè)瞬時(shí)圓柱體的接觸［7］，根據(jù)赫茲的接觸應(yīng)力公式，其接觸應(yīng)力δj為：

式中：Pi為任一瞬間針輪與擺線輪接觸點(diǎn)的法向壓力；Ed為接觸體的當(dāng)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(diǎn)的當(dāng)量曲率半徑。

輪齒在受載時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。引用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式，在實(shí)際計(jì)算中，還應(yīng)計(jì)入齒根危險(xiǎn)截面處的過(guò)渡圓角引起的應(yīng)力集中作用以及彎曲應(yīng)力以外的其它應(yīng)力對(duì)齒根應(yīng)力的影響，因而得齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件為［8］：

式中：［δf］為許用彎曲疲勞應(yīng)力；m為齒輪模數(shù)，擺線針輪模數(shù)較直齒齒輪要大很多，需根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)來(lái)取［9］；K 為載荷系數(shù)， 一般取為 1.98；Ft為輪齒所受切向力；YFa為齒形系數(shù)，一般取YFa=2.44；YSa為載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)力校正系數(shù)，一般取YSa=1.65。

3 有限元模型的建立與分析

3.1 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分

本文利用SolidWorks對(duì)緩降器進(jìn)行幾何建模，然后導(dǎo)入HyperMesh中劃分網(wǎng)格，建立有限元模型，采用ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算，模型中一些細(xì)小的特征對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響較小，如過(guò)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(wǎng)格導(dǎo)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(chuàng)建有限元網(wǎng)格，極大地提高了有限元前處理效率。本文選用四面體Solid187網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，為了較好地反映應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)擺線針輪和活塞桿處采用比較密集的網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為863 242個(gè)，整機(jī)有限元模型如圖4所示。其中，底板、側(cè)板、繞線輪和擺線針輪的材料參數(shù)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(shù)為：彈性模量E=69 GPa，泊松比 μ=0.33，密度 ρ=2.9×103kg/m3。

3.2 結(jié)果分析

將由HyperMesh中得到的緩降器有限元模型導(dǎo)入到ANSYS分析軟件中，定義分析類型為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，添加底板固定約束，計(jì)算整機(jī)在最大負(fù)載為200 kg作用下擺線針輪和其它結(jié)構(gòu)處的受力情況。

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

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

▲圖5 針輪等效應(yīng)力云圖

▲圖4 有限元模型

▲圖6 擺線輪等效應(yīng)力云圖

▲圖7 右支撐板等效應(yīng)力云圖

▲圖8 緩降器實(shí)物圖

通過(guò)對(duì)緩降器關(guān)鍵部位及整機(jī)的應(yīng)力情況進(jìn)行有限元分析，指出最大應(yīng)力所在位置，并在后續(xù)設(shè)計(jì)中加強(qiáng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加裝置的可靠性與安全性。

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證裝置的可靠性，對(duì)所制作的實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。緩降器實(shí)物如圖8所示，分別對(duì)15 kg重物、40 kg重物和64 kg的真人進(jìn)行測(cè)試，緩降器安裝在三樓即6.5 m高度處，測(cè)試不同負(fù)載時(shí)的下降時(shí)間及平均速度，結(jié)果見表1。

表1 不同負(fù)載時(shí)緩降器運(yùn)動(dòng)規(guī)律

分析表1可知，本緩降器可適應(yīng)不同重物的下降，且每段下降高度與重量無(wú)關(guān)，在各段降落過(guò)程中實(shí)現(xiàn)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(fù)載加大時(shí)，凸輪對(duì)活塞桿的作用力增大，活塞運(yùn)動(dòng)速度增加。因此隨著負(fù)載增大，下降時(shí)間越短，但差別不大。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)合理設(shè)計(jì)，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了像消防戰(zhàn)士一樣的分級(jí)下降的運(yùn)動(dòng)方式，下降速度快，其效果與受過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的人員相似。

（2）利用擺線針輪的諧波傳動(dòng)進(jìn)行減速，結(jié)構(gòu)緊湊，輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度高，嚙合重合度高，大大提高了承載能力，增加了使用時(shí)的安全性。

（3）在結(jié)構(gòu)上，采用液壓毛細(xì)小孔進(jìn)行阻尼，使這一裝置無(wú)需人工干預(yù)，不需調(diào)整，并實(shí)現(xiàn)對(duì)不同重量的自動(dòng)適應(yīng)。

本文所述高樓緩降器利用了液壓油流動(dòng)的阻尼作用，產(chǎn)生反作用力來(lái)控制人體下降的速度，能夠?qū)崿F(xiàn)分級(jí)緩降的目的，屬于公共場(chǎng)所固定安裝式逃生設(shè)備，獲得國(guó)家相關(guān)專利。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠，為緩降器的設(shè)計(jì)與發(fā)展提供了一種新的思路和參考價(jià)值。

［1］ 陳遠(yuǎn)超，沈孟鋒，費(fèi)凱，等.自適應(yīng)電磁阻尼式高樓逃生緩降器設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2012，50（6）：6-8.

［2］ 蘭自勉，鐘清.一種逃生液壓緩降器的設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2011（12）：7-8.

［3］ 王興東，鐘升，王強(qiáng)，等.往復(fù)式液壓緩降裝置的動(dòng)態(tài)特性仿真研究［J］.機(jī)床與液壓，2013，41（1）：142-145.

［4］ Zhang Z，Liu X.Design of an Intermittent Escape Apparatus Used in High-rise Buildings Based on Escapement Mechanism ［C］.2011 IEEE International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer（MEC2011），Jilin,China,2011.

［5］ Gorla C，Davoli P，Rosa F，et al.Theoretical and Experimental Analysis of a Cycloidal Speed Reducer ［J］.Journal of Mechanical Design，2008，130（11）：35-39.

［6］ Hwang Y W， Hsieh C F.Geometric Design Using Hypotrochoid and Nonundercutting Conditions for an Internal Cycloidal Gear［J］.Journal of Mechanical Design，2007，129（4）：413-420.

［7］ 孫宇，朱俊平，西慶坤.農(nóng)業(yè)機(jī)械中的擺線輪齒廓強(qiáng)度有限元分析［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008（4）：25-28.

［8］ 張占東，姚偉德.基于ANSYS的直齒圓柱齒輪精確建模與應(yīng)力分析［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012（6）：71-73.

［9］ 李充寧，孫濤.2K—V型行星傳動(dòng)中擺線針輪嚙合的傳動(dòng)精度研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37（4）：61-65.