基于剪切增稠流體的智能緩降器的參數化計算

李星辰

摘 要：本文在現有剪切增稠流體智能制動緩降器概念設計的基礎上，根據材料特性和受力平衡推導了傳動比和轉子高度等關鍵設計參數的表達式，并從4種剪切增稠流體材料中進行優選和計算相應的傳動比和轉子高度，為設計提供參考。

關鍵詞：剪切增稠；緩降器；參數化設計；轉子高度；材料優選

中圖分類號：TU976 文獻標志碼：A

0 引言

高層建筑逃生通道比較狹長、人員密集，火災發生時有些人選擇通過被單、網線等簡易繩索逃生，甚至有些人鋌而走險選擇跳樓逃生。針對高樓逃生現狀，各種高樓逃生裝置應運而生，包括繩索緩降器、軟梯、救生氣墊、升降臺等。其中，繩索緩降器具有體積小、經濟適用、可反復使用、安裝方便、無需動力源和安全性較高等特點，適用于作為家庭高樓逃生裝置。適于作為家庭高樓逃生裝置，但是存在發熱、磨損、摩擦系數不穩定等缺點。因此，有必要研究新型的繩索緩降器。

新型繩索緩降器主要包括永磁渦流制動緩降器、空氣阻尼制動緩降器和剪切增稠流體制動緩降器。其中，永磁渦流制動緩降器將動能轉化為熱能散發到空氣中，但是對散熱有較高要求。空氣阻尼制動緩降器具有無源、無磨損等優點，但是制動效果較差。而現有的剪切增稠流體制動緩降器可以智能地將下降速度控制在安全范圍內，但是相關研究還非常少，現有設計僅給出了一個設計算例，沒有給出傳動比、轉子高度的參數化表達式，不利于后續進一步改進設計和計算，此外在剪切增稠流體材料優選等方面還存在很大的改進空間。

綜上所述，本研究擬在現有的剪切增稠流體制動緩降器概念設計的基礎上，推導傳動比、轉子高度的參數化表達式，優選剪切增稠流體材料，提高整個裝置的實用性。

1 設計目的

根據國家標準規定本設計中取緩降速度v降可穩定為0.5m/s，又參考相關文獻確定承重為100kg、最大逃生樓層為10層。

2 現有設計

參考圖1，現有的基于剪切增稠流體的高樓逃生緩降器裝置主要由捆綁機構、繞繩機構、傳動機構和緩降機構等組成。剪切增稠流體通過與轉子間的相互作用實現對轉子速度的自動控制。當轉子轉速過慢時，剪切增稠流體的黏度較低，對轉子的阻力變小，轉子轉速上升；而當轉子轉速過快時，剪切增稠流體的黏度較高，對轉子的阻力變大，轉子轉速下降。所以可以智能地將轉子轉速及逃生者下降速度維持在一個合理的范圍內。

現有設計的剪切增稠流體為質量分數為70%的二氧化硅液體，剪切速率—黏度曲線見文獻[4]的圖3，該流體在較高剪切速率下才表現為剪切增稠特性，在剪切速率較低的較大區間內表現為剪切稀化特性，且黏度很大，甚至大于剪切增稠區間的黏度，重力可能無法克服低速下的流體阻力。

3 現有設計傳動比和轉子高度的參數化表達式

設繞繩滾子的平均繞繩直徑為d0，人的穩定下降速度為v降，繞繩滾子旋轉角速度ω1可以表示為：

式（3）是參數化計算后的關鍵設計參數傳動比i的表達式，而式（7）就是參數化計算后轉子的關鍵設計參數L的表達式。取人的重力G為1000N、人的穩定下降速度v降為0.5m/s、轉子直徑d為0.3 m、質量分數為70%的二氧化硅剪切增稠液體在剪切增稠區間中點的剪切速率υ和黏度η分別為5000s-1和0.5Pa?s、取殼體內徑D為0.304m計算出轉子與殼體之間的間隙h為0.002m。綜上計算出傳動比i=1∶20，而轉子高度L為0.021m。取傳動機構中兩對齒輪的齒數分別為40∶8和32∶8，可以滿足傳動比要求。根據參數化表達式的計算結果與文獻[2]算例的計算結果一致，但是，本文的參數化工作有利于定量分析各設計參數的影響以及進行參數化討論和優化設計。

4 剪切增稠流體材料的優選

為了避免材料的剪切稀化區間過大以及低剪切速率下黏度過大，因此希望選擇低剪切速率下沒有剪切稀化特性或特性不明顯，且剪切稀化區間較小的材料。通過文獻調研，擬從下面文獻[5-8]中進行剪切增稠流體材料的優選，其中文獻[8]中選擇兩種備選材料（體積分數分別為54%和56%）。以傳動比i、轉子高度L為優選條件，對比5種備選材料和現有設計材料，進行列表對比，見表1。

首先對比傳動比，文獻[6]的材料和文獻[8]的兩種材料傳動比均在4以下，單級齒輪傳動即可實現，而現有設計傳動比為0.05，即1∶20，傳動比較大，需要兩級齒輪傳動。再對比轉子高度，現有設計的轉子高度最小，僅為0.021m，而文獻[8]的兩種材料轉子高度也較小，分別為0.22m和0.09m。綜上所述，備選材料中，文獻[8]的兩種材料較優，且低剪切速率下沒有剪切稀化特性。

結論

本文針對現有的剪切增稠流體制動緩降器研究的不足開展研究，主要結論如下：

（1）推導了現有設計方案下傳動比、轉子高度等關鍵設計參數的公式。

（2）對剪切增稠流體材料優選為文獻[8]的兩種材料，即顆粒體積分數分別為56%和54%的兩種流體。

本文設計結果可應用于智能緩降器的參數優化設計、輕量化設計。下一步將針對這些問題進一步完善。

參考文獻

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