基于復雜情況下不間斷高樓逃生裝置關鍵控制技術的研究

李旭東++張鴻++張文寶

摘 要：高樓逃生裝置作為一種實用新型產品已引起人們的關注和重視。本文針對不間斷高樓逃生裝置的關鍵技術進行設計研究，提出了一種機械式高樓逃生裝置的速度控制研究方案。通過分析逃生裝置的結構組成及工作原理，利用Pro/E軟件建立逃生裝置的三維幾何模型，進行虛擬裝配及運行速度檢測，并采用機械系統動力學仿真軟件ADAMS構建仿真模型，進行運動分析，進而加工出實驗裝置。實驗測試表明，可通過對傳動帶、驅動齒輪、阻尼降速器、剎車系統等關鍵部件的分析與控制，有效實現安全、快速、穩定逃生的目的。

關鍵詞：不間斷高樓逃生裝置 速度控制 三維建模 仿真分析

中圖分類號：TH128 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0081-02

隨著經濟的發展，摩天大樓如雨后春筍般拔地而起的同時，在高樓中工作、生活的人們[1]，對高樓遇險時（如突發火災，如表1所示等）如何迅速逃生引起更高的重視。而不間斷高樓逃生裝置作為一種安全系數高、輸送時間快等優點的新型產品廣泛地應用在各高層建筑中。

近年來，也有不少專家學者對不間斷高樓逃生裝置進行設計研究[2-3]。但由于該裝置問世時間短、功能還有待完善，在實際運行的過程中出現了一些不足之處，例如：逃生速度穩定性不高、人員落地時沖擊較大、剎車與阻尼系統協調性不理想等。鑒于此，本文通過對不間斷高樓逃生裝置關鍵控制結構的仿真與測試，并結合復雜情況下的使用特點進行研究，使其真正具有安全、方便、高效的特點。

1 機構組成及其工作原理

1.1 裝置結構組成

本裝置結構主要由變速齒輪組（驅動齒輪、從動齒輪）、傳動帶輪、阻尼剎車機構（剎車片、回位彈簧、阻尼裝置）組成。本裝置的頂部通過固定安裝在樓頂，整體懸掛在建筑物的側方，同時在其正下方的地面安裝帶輪傳動機構，上下結構靠帶傳動得以實現。在火災等意外事故發生時，不同樓層的逃生人員均可站在該樓層對應的位置，當符合傳送帶逃生位置時，手抓緊扶手，同時腳踏踏板，利用人的重力作為驅動力，完成下降逃生，以確保撤離人員以相對穩定、舒適的速度下降至地面，順利逃生。

1.2 工作原理

不間斷高樓逃生裝置依靠逃生人員自身重力作為驅動力，不受建筑物高度的限制，也不受逃生人員多少的限制。隨著逃生人員的增加或減少，剎車裝置、阻尼系統和制動輪的正壓力也隨之發生線性變化，使得達到傳動帶的速度的自動控制的目的，實現連續、勻速逃生，完全擺脫了對其他動力的束縛。

2 虛擬建模與仿真分析

2.1 帶齒嚙合瞬間建模與分析

該逃生裝置中，帶齒傳動受力為主要承載力[4]。無論是幾何特征，還是接觸狀態，都是呈現非線性的，因此，需要對其進行建模分析。該過程主要運用ANSYS和Pro/E進行分析。

帶的基本參數為：帶的頂膠材料為氯丁橡膠，設計厚度6mm，抗拉體材料為玻璃纖維繩體，設計厚度2.5mm，包布層忽略不計。

由于ANSYS軟件的三維建模功能不強，為提高分析效率，前期需要利用Pro/E軟件進行三維模型的創建，從而保證精確裝配。然后在ANSYS分析時，將Pro/E設計好的三維模型導入計算網格，密度越高，精確度就越高，但是如果接觸點過多，會耗費更多的時間。

該過程中，主要運用ANSYS軟件中的三種算法來實現接觸關系的計算分析：拉格朗日算法、擴張拉格朗日算法和罰函數法[5]。使用FKN來確定接觸應力的比例因子和真實值，預設范圍選取0.1～10之間，當計算出對應值之后，再逐漸擴大FKN值的范圍，以提高計算精度。

在有限元模型創建好之后，再按照逃生裝置運轉過程中承受的載荷對應進行施加，若取主動輪上承受的轉矩為15000N·mm，根據扭矩與力之間的計算公式，可計算出帶輪上的切向載荷為17.0N。經過力學分析，得出收斂曲線、位移云圖和應力分布圖，可以看出多數載荷都體現在傳遞運動和動力的任務中，符合同步帶傳統平穩的特點。

2.2 阻尼降速原理分析

不間斷高樓逃生裝置中的減速機構位于整個總成的頂端，可以利用阻尼器產生的阻尼作用實現對逃生人員的下降速度控制。一般粘滯流體阻尼器由液壓缸、粘性阻尼材料和位移活塞等部件組成，其中在活塞的截面上開有適當數量的孔作為阻尼孔，也可以運用預留間隙的方法實現阻尼作用。

粘滯流體阻尼器工作原理為：當活塞與缸體之間產生相對時[6]，產生一種摩擦，稱為外部摩擦，即有桿腔和無桿腔之間的壓力差通過粘性阻尼材料受力后自阻尼孔或通過間隙流出，該過程中，致使阻尼降速作用發生，產生的能量損耗通過阻尼材料與氣缸壁進行釋放，見圖1。

3 實驗研究

經過多次模擬試驗，得到以下主要技術指標。

初始質量：大于1kg；最大質量：最大實驗重量10kg時，下降速度為0.10～0.13m/s，見圖2。

（注：以上技術指標均為模型參數，實際應用中以樓層高度及同時逃生人數為依據，確定其他相應參數。）

4 結語

通過利用Pro/E軟件建立逃生裝置的三維幾何模型、虛擬裝備，采用ANSYS進行計算，結合模擬試驗，并主要針對傳動帶、阻尼降速器、剎車系統等關鍵部件進行受力分析，試驗表明：該不間斷高樓逃生裝置能夠滿足設計要求，可以實現安全、快速、穩定逃生的目的，可為在高樓中生活、工作的人們的生命安全保駕護航。

參考文獻

[1] 王立新，趙秀君，劉艷秋.高樓失火逃生裝置[J].機械研究與應用，2006，19（4）：96.

[2] 胡優生.全自動不間斷高樓逃生裝置的研究與應用[J].信息系統工程，2009（8）：70-71，75.

[3] 李丙倫，陳麗，曾庭，等.簡易火災逃生穩降器的設計與研究[J].科技資訊，2010（8）：122.

[4] 趙秀文，趙玉梅，李明.同步帶傳動的研究[J].長春工業大學學報，1996（3）：49-54.

[5] 鄭娜.新型人字齒同步帶傳動設計及仿真分析[D].哈爾濱工業大學，2011.

[6] 熊瑋.新型粘滯阻尼器的試驗研究及其減震結構分析[D].華中科技大學，2007.endprint