擒纵式逃生器的动力学分析与运动仿真

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随着建筑高度 的增加和 日趋紧密，其安全隐患也越来越多。当人们在遭遇到火灾或者其他危害时，由于时间、空间等诸多因素的限制 ，被困人员 自救逃生就变成了-个亟待解决的问题 。为了提高逃生时的成活率 ，人们发明了各种各样的逃生器，目前国内外 的高楼逃生器主要有以下几种形式：①包角加手控式 。此类专利设法增加钢丝绳与轮之间的包角，使得钢丝绳与钢丝轮之间的摩擦力增加。另外，再利用手控装置，进-步调节下降速度的快慢；②间歇冲击式网。间歇冲击式是通过间歇撞击能来消耗能量 ，它要求主动件与从动件之间压力角和摩擦力尽量大，但不能自锁；③液体流动阻尼式嘲。

修稿 日期 ：2013-04-17作者简介 ：黄佳 军 (1991-)，男 ，北京工商大 学研 究生。研究方向 ：机械工程。

88液体流动阻尼式是利用液体流动阻尼把人体势能转化成液体热能 ，以达到降低速度的 目的。

通过对上述几种逃生器的分析 .笔者认为逃生器应侧重结构紧凑 ，工艺简单 ，安全可靠 、使用方便 、平稳快速 、成本低廉等特点 。基于此 ，提出了利用擒纵式的高楼逃生器。此设计由于小巧便捷 ，成本低 ，特别适宜家庭备用于紧急脱险。

1 工作原理擒纵式逃生器的总体结构如图1所示。它由7个主要的零件组成 ：3大转轮、7棘轮 、4第-级齿轮 、5第二级齿轮、6第三级齿轮、37擒纵叉 、架子 ，其 中棘轮和擒纵叉决定 了该系统的频率。

逃生时 ，将大转轮上的绳子末端与人固定 ，随着人的下降，绳子带动转轮旋转。由于与同-轴连接，第-级齿轮与转轮以相同的转速运动。通过齿轮啮合 ，运动·制造业信息化 ·被传递 至第二级齿轮、第三级齿轮及棘轮 。棘轮特殊的几何形状使它与擒纵叉在每个周期 内发生数次碰撞 ，它们的碰撞消耗了通过齿轮系传递来的能量，实现了加速和减速交替的间歇性运动 ，同时达到了控制轮系的转速的 目的。

纵叉往复振动的周期与擒纵叉转动惯量的平方根成正比，与棘轮给擒纵叉的转矩大小的平方根成反 比，因擒纵叉的转动惯量为常数 ，故只要棘轮给擒纵叉 的力矩大轩本稳定时.就能使棘轮做平均转速基本恒定的间歇运动。

图 1 擒纵式逃生器简图Fig.1 Escapem ent escape device diagram2 运动学分析采用分段方法研究平衡摆振动周期的计算方法将平衡摆的振动周期 T分为四个阶段 ，即 Tt1t2t3t4，式中t。和 t2分别为棘轮给进销和出销传 冲的时间 ；t3和 t 分别是出销和进销作用于棘轮上使棘轮后退的时间。还认为 t3和 t 可忽略，因而有：T-tlt2，建立平衡摆运动方程：MJ式 中：M-传递给平衡摆的力矩 ；J-平稳摆 的转动惯量；p-平衡摆转角～ M视为常数 ，对上式积分 ：、/ v/2MJq：>2-式中：p ，p厂 沿进销和出销传递冲量时平衡摆的转角 ；M。、M广 在进销和 出销上平衡摆所受 的力矩 。平衡摆总的振动周期为 ：、/ 、/对擒纵机构实际计算后指出，在进销和出销上的传冲时间t，和t 是不相等的。如果认为进销和出销上的传冲特性相同，则有：T、/ ，上式若以擒纵轮力矩M 表示则有旧：、/ (1)式中 rn，rw分别为销钉半径和擒纵轮半径 。又得擒纵轮上的等效力矩公式同：M ( )FYr4n(止N2N3 pld·哥p2d2pEdE)式中： -传动效率；N 、N厂 第-过渡轮与第二过渡轮轴 、第二过渡轮与擒纵轮轴间的传动 比；Fr人的重力 ；fl摩擦系数 ；rl-大转轮半径 ；r厂 第-级齿轮半径 ；r广 第三级齿轮 半径 ；k-过载 系数 ；P1，P2，p广 第-过渡轮部件 、第二过渡轮部件 、擒纵轮部件动量 ；d ，d：，dE-第-过渡轮轴、第二过渡轮轴、擒纵轮轴直径。做初步计算可以假设该系统没有摩擦，则将fl( p·d p2d2pEd )看做为0；则：MI( )FYr4 (2)又因为擒纵叉每转动-个周期 ，棘 轮转 动-个齿数，得 ：wxT2"r (3)式 中 ：w-棘轮 转动 的角速 度 ；n-棘 轮 的齿数 ：T-擒纵叉的周期～式 (1)带人式(3)得 ：w n、/ 2盯 (4)再将式(2)带入式 (4)中得 ：w n、/ (5)又得 v w ，代入方程式 ：r2v 、/ ㈤由此可得，当擒纵式逃生器系统整体参数不变的情况下 ，人下降的速度 只与人的重量有关 ，并且与其开平方成正比。

3 三维虚拟实体建模(1)基于特征的参数化虚拟实体建模 〃立模型是仿真工作的第-步，也是十分重要的-步，对仿真结果的准确性有很大的影响。采用建立虚拟实体模型的方法对擒纵式逃生器进行研究。

虚 拟 实 体 模 型 是 指 在 计 算 机 上 利 用 建 模 软 件Siemens NX8.0，把现实世界中实体的形体结构参数特性完全再现 出来 ，成为-种虚拟的实体模型 。

(2)建立零件模型。这-步建模过程类似于车间中通过各种机械加工方法加工零件的过程〃立零件模型就是把要塑造的几何形状添加到模型中，或者使用工具将89