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摘要：研究了一种简化轮系的逃生装置， 依据逃生装置长久存放及使用突然的特性， 采用一种轮系减速， 达到长久存放及价格低 廉的目的。通过在固定壳侧壁设置 L 形支撑板， 在固定壳内部设置有滚动装置和限速装置， 滚动装置通过在活动槽内设置转筒和 主齿轮， 限速装置包括与主齿轮啮合的从齿轮， 从齿轮侧壁安装有转盘， 转盘外圈伸出有延伸杆和橡胶垫， 当人体下落通过安全 绳缠绕在转筒表面， 带动转筒和主齿轮旋转， 利用主齿轮带动从齿轮和转盘旋转， 利用橡胶垫与墙体直接摩擦， 对转筒进行限速， 达到缓降效果， 该装置结构简单， 造价低廉使用方便， 利于普及使用。使用 ADAMS 仿真其接触力， 通过瞬态动力学分析得到静载 荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力， 便于优化设计， 验证设计的有效性和材料的选择。
关键词：逃生器,机械创新设计,限速装置
Design of a Simplified Gear Train Escape Device Based on ADAMS Simulation
Song Jixiang1. Zhu Jiming2. Huang Kun1
( 1. Huainan Vocational and Technical College, Huainan, Anhui 232001. China;
2. Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001. China)
Abstract: A simplified gear train escape device is studied. According to the characteristics of long-term storage and sudden use of the escape
device, a gear train deceleration is adopted to achieve the purpose of long-term storage and low price . The L-shaped support plate is set on the
side wall of the fixed housing, and the rolling device and speed limiting device are set inside the fixed housing . The rolling device is set with a
rotary drum and a main gear in the movable groove. The speed limiting device includes a slave gear that meshes with the main gear. A rotary
table is installed on the side wall of the gear. The outer ring of the rotary table is extended with an extension rod and a rubber pad . When a man
descends, the safety rope is wound on the surface of the rotary drum making the rotary drum and the main gear to rotate, The main gear drives the slave gear and the rotary table to rotate, and the friction between rubber pad and wall limits the speed of the rotary drum, the descending speed is slow down. The device is simple, cheap and convenient, which is conducive to popularization. The ADAMS is used to simulate the contact force, by transient dynamic analysis, the displacement, strain, stress and force that change with time under the random combination of static load, transient load and simple harmonic load are obtained to conveniently optimize design, and verify the effectiveness of the design and the selection of materials.
Key words: escape device; mechanical innovative design; speed limiting device
引言
随着社会的发展， 城镇人口数量不断增加， 高层建 筑缓解了人口急剧增加带来的住宿紧张问题， 给居民的 生活带来了方便。可是当发生意外险情如火灾、地震、 煤气泄漏等灾难时， 高楼逃生成了一大难题。行之有效 的高楼逃生器要同时具有长时间的存放和快捷方便耐火 的功能， 如采用耐久性及抗力性佳的航空钢丝绳[1]。拥 有一套快速逃生设备必不可少[2]。现有的逃生器主要有 包角加手控式[3]、间歇冲击式[4]、液体流动阻尼式[5] 等。 目前， 当意外险情发生时， 大部分人选择通过电梯或楼 梯从高楼逃生， 然而楼梯和电梯的空间有限， 疏散效率 不高， 选择电梯和楼梯逃生方式极有可能发生拥挤， 甚至踩踏事件， 导致悲剧的发生。
现有的高楼缓降逃生装置大多配置结构复杂且价格 昂贵、操作控制困难， 不利于普及。本文从现有逃生系 统技术、机构学理论及控制领域的现状出发， 分析、借 鉴国内外逃生系统技术和摩擦学的理论， 特别是借鉴研 究比较成熟的逃生系统技术， 采取理论设计和仿真验证 相结合的方法， 开展救援逃生系统的基础理论研究。运 用矩阵方法和模态分析方法对其进行振动分析， 采用虚 拟样机仿真模拟与理论分析相结合的方法处理救援逃生 系统的工作稳定性、运动协调性、自适应性等关键技术 问题。根据逃生中要求最高的安全性能、快速性能等质 量指标提出系统整体性能评价指标。
逃生系统整体进行运动学和动力学研究。逃生系统 的运动学和动力学研究， 主要是依据逃生系统的救援特 点， 逃生系统救援的能力和程度， 逃生系统运动的极限 和力量的极限， 建立逃生系统的运动学模型， 使逃生系 统满足实际救援的运动和动力。建立逃生系统的运动学 方程和动力学方程， 给逃生系统的数字化操作提供依据。 利用 ADAMS 软件进行运动学和动力学仿真。
逃生器采用行星轮系， 相对其他机械装置具有传动 比大、空间体积小、质量小等优点。许多学者对行星轮 系的力学性能进行了大量研究[6- 10]， Kahrarman[7] 建立了 行星齿轮传动的线性纯扭转振动模型， 对该模型的固有 特性以及自由振动响应进行了研究， 鲍和云等[8] 对星型 齿轮传动动态特性进行了研究， 方宗德等[9]建立了 13 自 由度的 2K-H 行星传动系统的动力学模型。根据建模方 法和考虑因素的不同， 可将行星传动的动力学模型划分 为有限元模型和集中参数模型[10]。对于齿轮啮合刚度的 计算有多种方法， 主要包括经典材料力学和弹性力学方 法、有限元法[11]、经验公式法[12- 13] 和试验测试法[14] 等。 本文采用行星轮系作为传动装置， 对其在使用过程中的 力学性能进行分析， 采用优质材料达到长久使用的目的。
1 简化轮系逃生器方案的优化与比较
简化轮系逃生器 (图 1) 包含固定壳 (侧壁开设有 活动槽， 活动槽对称侧壁分别安装有两个固定盘)、支撑 板 (安装在固定壳侧壁)、滚动装置 (位于两个固定盘中 间)、限速装置 (位于活动槽内部)。
本文简化轮系逃生器做了如下优化。
( 1) 固定壳侧壁对称开设有第一贯穿孔， 第一贯穿 孔与活动槽连通， 固定壳对称侧壁还开设有第二贯穿孔， 第二贯穿孔贯穿固定盘并与活动槽连通。
( 2) 滚动装置包括位于两个固定盘中间的转筒、安 装在转筒两端并贯穿伸出第二贯穿孔的转杆、安装在转 筒杆身的两个凸起和安装在转杆另一端的主齿轮， 两个 凸起外圈都开设有绳槽。
( 3) 限速装置包括位于活动槽内部并贯穿伸出第一 贯穿孔的第二转杆、安装在第二转杆两端的从齿轮、安 装在从齿轮侧壁的转盘、安装在转盘外圈的延伸板和安装在延伸板另一端的橡胶块， 从齿轮与主齿轮啮合连接， 延伸板为多个并均匀环绕在转盘外圈， 橡胶块与固定壳 面向支撑板侧壁处于同一垂直面。
( 4) 固定壳面向支撑板侧壁安装有防滑垫， 两个固 定盘中间安装有连接板， 连接板侧壁开设有定位孔， 定 位孔与其中一个凸起处于同一直线,支撑板面向固定壳端 口安装有固定板， 固定板侧壁开设有螺丝孔。
与现有技术相比： 能够通过在固定壳侧壁设置 L 型 支撑板， 利用固定壳和支撑板之间的凹槽将装置固定在 窗台等处， 在固定壳内部设置有滚动装置和限速装置， 滚动装置通过在活动槽内设置转筒和主齿轮， 限速装置 包括与主齿轮啮合的从齿轮， 从齿轮侧壁安装有转盘， 转盘外圈伸出有延伸杆和橡胶垫， 当人体下落通过安全 绳缠绕在转筒表面， 带动转筒和主齿轮旋转， 利用主齿 轮带动从齿轮和转盘旋转， 利用橡胶垫与墙体直径摩擦， 对转筒进行限速， 达到缓降效果， 该装置结构简单， 造 价低廉使用方便， 利于普及使用。
2 简化轮系逃生器整体结构
如图 2 所示， 简化轮系逃生器包括固定壳、支撑板、 滚动装置和限速装置。
固定壳侧壁开设有活动槽， 活动槽对称侧壁分别安 装有两个固定盘， 当安全绳缠绕在转筒表面时， 固定盘 能够对安全绳进行限位， 固定壳侧壁对称开设有第一贯 穿孔， 第一贯穿孔与活动槽连通， 用于支撑第二转杆在 活动槽内部转动， 固定壳对称侧壁还开设有第二贯穿孔， 第二贯穿孔贯穿固定盘并与活动槽连通， 用于支撑转杆， 固定壳面向支撑板侧壁安装有防滑垫， 当固定壳悬挂在 墙壁时， 防滑垫接触墙壁能够增加固定壳与墙壁之间的 摩擦力， 两个固定盘中间安装有连接板， 连接板侧壁开 设有定位孔， 定位孔与其中一个凸起处于同一直线， 当 安全绳从滚动装置拉出时， 安全绳贯穿定位孔系在腰间， 定位孔对安全绳进行导向定位， 防止降落过程中安全绳 在持续拉出过程中改变位置造成卡死等问题。
支撑板安装在固定壳侧壁， 支撑板面向固定壳端口 安装有固定板， 固定板侧壁开设有螺丝孔， 利用螺丝贯 穿螺丝孔并打入固定壳内部， 将支撑板固定在固定壳侧 壁， 支撑板为 L 型结构， 支撑板与固定壳之间形成卡槽，方便将窗口等处的墙壁插入支撑板与固定壳之间的卡槽 内部， 对固定壳进行固定。
滚动装置包括位于两个固定盘中间的转筒、安装在 转筒两端并贯穿伸出第二贯穿孔的转杆、安装在转筒杆 身的两个凸起和安装在转杆另一端的主齿轮。两个凸起 外圈都开设有绳槽， 安全绳从靠近转筒左侧的绳槽内引 入并缠绕至靠近转杆右侧的绳槽内部， 绳槽对安全绳进 行稳定， 一定程度上防止安全绳在转筒杆身打结， 在下 落过程中， 安全绳从右侧绳槽扯出， 利用摩擦力带动转 筒在活动槽内部旋转， 主齿轮随转筒进行旋转。
限速装置包括位于活动槽内部并贯穿伸出第一贯穿 孔的第二转杆、安装在第二转杆两端的从齿轮、安装在 从齿轮侧壁的转盘、安装在转盘外圈的延伸板和安装在 延伸板另一端的橡胶块。从齿轮与主齿轮啮合连接， 延 伸板为多个并均匀环绕在转盘外圈， 橡胶块与固定壳面 向支撑板侧壁处于同一垂直面， 当固定壳固定在墙壁侧 面时， 橡胶块端口处与墙壁贴合， 当主齿轮旋转时， 主 齿轮利用轮齿带动从齿轮旋转， 从齿轮带动转盘旋转， 延伸板和橡胶块跟随转盘进行旋转， 因为橡胶块与墙面 接触， 转盘带动橡胶块旋转时多个橡胶块轮流与墙面产 生摩擦， 利用橡胶与墙壁的摩擦力对转盘转速进行中和， 减缓转盘转动速度， 转盘和从齿轮同时转动， 当转盘减 速时， 从齿轮同时利用轮齿带动主齿轮和转筒进行减速， 达到缓降效果。
当遇到火灾等情况需要跳楼逃生时， 将安全绳一端 系在稳定的固定物上， 安全绳另一端缠绕贯穿滚动装置 并从滚动装置伸出系在腰间， 将固定壳和支撑板置于窗 口处， 向下推动固定壳使窗口处墙壁插入固定壳与支撑 板之间， 将固定壳固定在墙壁上， 人员从窗口跳出， 脚 部踩踏墙壁进行支撑同时开始下降， 下降时安全绳从滚 动装置扯出并带动滚动装置旋转， 滚动装置带动限速装 置旋转， 限速装置通过与墙壁之间的摩擦力对滚动装置 进行限速， 使人员在墙壁上缓缓下落， 确保安全。
3 ADAMS 接触力仿真结果
通过对逃生系统行星轮系运动分析、绳传动运动速 度分析和离心摩擦块的运动轨迹方程， 研究逃生系统运 动的驱动机理、功能和影响因素， 并分析绳轮与绳的接 触性能、行星轮运行稳定性能、绳轮运动稳定性能以及 摩擦轮连续运动对逃生系统寿命的影响， 建立逃生系统 运动能力与各影响因素关系的数学模型， 利用 ADAMS 和 MATLAB 建立逃生系统行星轮、绳轮、摩擦轮的仿真 模型， 进行系统仿真， 在大量仿真的基础上， 利用数理 统计理论归纳出逃生系统行星轮、绳轮、摩擦轮的运动 能力与各影响因素关系的定量描述， 进而确定驱动能力 提高方法， 并进行不同重物和不同倾角的仿真验证。
齿轮的啮合过程即传动过程中， 瞬态动力学分析用于 确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用 下的随时间变化的位移、应变、应力及力。将在有限元软 件中生成的MNF中性文件以接口文件的形式导入ADAMS。
网格划分方法： 四面体网格， 齿面处加密处理;
网格平均单元质量： 0.726 8. 节点 175 125. 单元数 96 640;
齿轮摩擦因数 1.5.
太阳轮转速 0.8 rad/s， 行星架转矩 1 000 N ·mm。运 用刚柔互换形式添加柔性构件， 对于所需添加的约束， 运用之前所建立的节点， 将刚柔构件进行连接， 并添加 约束， 得到刚柔耦合模型[6]。如图 3 所示。
模态分析结果如表 1 所示。
添加约束、施加动态载荷进行瞬态动力学分析， 分 析结果表明行星齿轮组结构强度满足设计要求， 但是对 某些部位也提出了更高的要求。
4 结束语
设计了一种简化轮系逃生器， 逃生速度快， 逃生装
( 5) 从结构角度， 改善巴的结构和防水圈尺寸可有 效改善漏水问题。
参考文献：
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作者简介：唐海元 (1973-)， 男， 四川蓬溪人， 硕士， 高级工 程师， 研究领域为精密加工、质量体系建立、质量管理、标准 化， 已发表论文 10篇。
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