基于擒纵原理救生缓降器研制与关键技术研究

发布时间：2016-10-22 06:29

第 1 章 绪论

本课题所研究的是用于室外高层建筑火灾应急逃生的装置。通观市场上现有的各种救援设备，根据使用场所、使用高度和适宜人群，总体上可将其划分为两大类：一类是用于公用建筑的大型逃生设备；另一类是家用的小型逃生设备。表 1.2、1.3 分别列出了各种逃生用品的种类、举例、使用特点、救援效率及存在的问题[6-7]。目前，救生缓降器的研发是高层建筑逃生设备的重点研究方向。救生缓降器按照工作原理（速度控制机理）可分为四类：流体阻尼式、摩擦制动式、电磁阻尼式和间歇冲击式。（1）流体阻尼式救生缓降器流体阻尼式缓降救生器是将利用被困人员下降时的重力势能，使流体流动时的阻尼转化为热能，从而将缓降绳索的速度控制在合理的范围之内。按照流体介质的不同，可分为液压阻尼系统和空气阻尼系统。湖南大学的许鹏，胡仲勋等提出了一种基于摩擦阻尼和流体阻尼相结合共同减速缓降的方案。下降初始阶段主要依靠液体阻尼机构来减速，保证启动平稳性；在速度较高时，使用离心摩擦机构增强阻尼效果，保证下降过程的平稳性。研究中对高楼逃生器的工作性能进行了仿真分析。采用遗传算法原理对逃生器离心摩擦机构进行了优化设计[9]。

....

第 2 章 擒纵式救生缓降器设计与性能分析

2.1 擒纵式救生缓降器设计要求

考虑到高层建筑火灾自救逃生领域的具体需求，结合市场现有设备、装置和产品的技术特点，擒纵式救生缓降器应满足的设计要求如下：（1）安全性要求：缓降器应设计有间歇运动机构来实现速度调节，将逃生人员下落的速度控制在安全范围之内，安全地到达地面；缓降器应设计有防滑结构避免意外失控，打滑等现象发生。（2）快速性要求：在满足救生人员安全逃生的前提条件下，救生缓降器的速度调控单元应能以较大的下落速度快速将被困人员送至地面安全区域。（3）高效性要求：救生缓降器应设计有正反转换向机构，实现装置循环往复使用，提高救援效率。（4）人性化要求：考虑到被困人员逃生时紧张慌乱的心理因素，救生缓降器应设计有启动单元，在心理准备充分的情况下开启启动单元下落逃生。（5）其他设计要求：救生缓降器机械结构要紧凑、质量轻、体积小；使用操作简单、可靠；无需外加电源供电。擒纵式救生缓降器设计参数要求，如表 2.1 所示。

2.2 擒纵式救生缓降器整体方案设计

擒纵式救生缓降器以逃生人员的自身重力作为驱动力；被困人员逃生时，旋转启动开关，动力传送到曲柄摇杆机构，使机构运转，同时与摇杆相连的擒纵爪释放被锁住的擒纵轮，主轴转动，被困人员下降；当槽轮转过 120°后擒纵爪与擒纵轮发生碰撞，锁住主轴的转动，被困人员停止下降；在飞轮自身转动惯性的作用下，存储的能量释放，通过传动轴带动曲柄，擒纵爪再次释放擒纵轮，被困人员再次下落。以上动作依次循环最终实现逃生人员安全、匀速下降逃生的目的。擒纵式救生缓降器实现速度控速的机构是擒纵调速机构，其为棘轮机构的一种特殊形式，同属单向间歇运动的机构。擒纵机构的动作中，“擒”是将主传动的运动锁住（即擒住）；“纵”就是利用储能系统的能量开启主传动使运动和动作持续进行下去（即放开）。擒纵轮给擒纵叉的力矩（被困人员自身重力产生的驱动力矩）基本稳定时，即能使擒纵轮做平均转速基本恒定的间歇运动。

第 3 章 含间隙曲柄摇杆机构动力学特性研究................29

3.1 含间隙机构动力学建模方法.................... 29
3.2 含间隙机构的转动副间隙描述.......... 30
3.3 含间隙平面连杆机构的动力学方程............. 33
3.4 含间隙曲柄摇杆机构动力学建模............ 34
第 4 章 含间隙曲柄摇杆机构运动精度概率分析..................53
4.1 机构运动精度概率分析研究............. 53
4.2 含间隙机构运动精度分析.................. 54
第 5 章 擒纵式救生缓降器试验研究..................67
5.1 擒纵式救生缓降器性能测试试验平台 ............ 67
5.2 擒纵式救生缓降器性能测试试验............ 71
5.3 关键传动件转动惯量测量实验.................... 75

第 6 章 擒纵式救生缓降器改进设计与研究

6.1 擒纵式救生缓降器改进设计构想

擒纵式救生缓降器的机械系统由启动单元、传动单元、速度控制单元及摩擦压紧单元四部分组成，传动单元可实现反向运动锁死及换向功能。对擒纵式救生缓降器试样样机性能测试试验表明，该救生缓降器可以实现速度控制功能。优点：可以实现速度控制功能；机械系统结构相对紧凑；启动单元旋钮操作简单；左右两侧对称结构使整体平稳。缺点：涉及到多种机械传动，运动传递路线长，可靠性降低；擒纵机构中擒纵轮的结构形式需改善；冲击振动较大。（2） 擒纵式救生缓降器改进设计构想由原动机、传动机构和无返回力矩擒纵调速器三部分组成的无返回力矩钟表机构是一种广泛用于导弹、火箭弹和中大口径榴弹上的成熟部件。无返回力矩擒纵调速器通过擒纵轮和卡摆的碰撞和传冲，使机构作周期性的摆动来限制主传动轴的转动，达到调速的目的。擒纵式救生缓降器若采用无返回力矩擒纵机构来实现速度控制，将大为简化机械传动系统的复杂程度，提高运动可靠性和稳定性。

6.2 无返回力矩擒纵机构的设计

无返回力矩擒纵机构也叫作无固有振动系统型擒纵机构，该机构没有弹性元件，没有恢复力矩，没有固定摆动周期，仅依靠擒纵轮对卡摆的来回碰撞使摆产生一无固定周期的振动，其周期主要取决于工作力矩、卡摆与擒纵轮的转动惯量及擒纵机构的结构特点。无返回力矩擒纵机构由卡摆和擒纵轮两个零件组成，卡摆有卡瓦式和销钉式两种结构形式。擒纵机构的工作原理是通过卡瓦或销钉对擒纵轮齿的碰撞传冲来传递运动[88]。擒纵式救生缓降器对机械系统工作可靠性有较高的要求，而无返回力矩擒纵机构具有结构简单、工作可靠、抗干扰能力强的特点，，因此采用无返回力矩擒纵机构作为救生缓降器的速度控制机构。对于无返回力矩擒纵机构的设计要求主要有以下几点[88]：（1）较小的摩擦损失。在满足强度要求的条件下，轴颈尺寸与零件质量应尽量小。（2）足够的作用时间。设计时，应保证卡摆具有较大的转动惯量以获得较长的运动周期，且擒纵轮齿数要多。（3）工作连续可靠。设计要求卡摆和擒纵轮轮齿无运动干涉。卡摆应比轮齿厚一些，以使轮齿在厚度方向上的与卡摆充分啮合。（4）足够的机械强度和刚度。救生缓降器要求结构紧凑，且保证工作时卡摆、擒纵轮均有足够的机械强度和刚度储备。

.......

第 7 章 研究总结和展望

本文在全面分析国内外高层建筑救生缓降装置研究的基础上，对采用间歇运动机构的擒纵式救生缓降装置进行研究，从机械系统设计、系统运动学及动力学分析、运动副间隙对动态特性和运动精度的影响、样机加工制作及工作性能试验测试等方面入手，针对基于擒纵原理的救生缓降器进行了比较全面而系统的研究。主要的研究结果如下：1、基于擒纵原理救生缓降装置的设计。结合救生缓降器的总体设计要求及各项设计指标参数，运用模块化设计思想对擒纵式救生缓降器机械系统的总体方案进行了设计。经过理论计算确定了机械系统的运动及动力参数，并对逃生绳索的工作可靠性进行了验证，确保其在随逃生人员下落过程中不出现打滑现象。运用 Solidworks 三维软件平台对擒纵式救生缓降器进行整体机械结构设计，将整体机械系统分为启动单元、机械传动单元、速度控制单元和摩擦压紧单元四部分进行各机构零件建模，利用软件装配体功能和干涉检查功能完成了整体模型的装配结构设计。

.......

参考文献（略）

本文编号：148679