救生缓降器设计及其关键零件有限元分析
摘 要
针对高楼逃生困难的问题，分析了国内外现有的高楼逃生装置，提出了根据逃生者下降速度的大小，利用轴传动带动离心圆盘推动摩擦片相接触产生摩擦力矩，并用弹簧调整摩擦片压紧力适时改变摩擦阻力矩，以达到逃生者在下降时达到匀速的设计思路。在受力分析和理论计算的基础上，设计并制造了这种类型的缓降器。
本文研究的逃生装置是纯机械装置，结构简单，不需要外在动力，可多人次循环使用；可使不同体重的逃生者都能以安全的下降速度进行缓降逃生。主要对转轴进行了结构设计及其强度校核。对用到的键进行了尺寸的确定以及强度计算。对摩擦盘的尺寸进行了计算，保证有足够的摩擦力矩，按照标准和工作条件选择了轴承和轴承端盖，最后通ANSYS WORKBENCH有限元分析软件,建立了转轴的模型，对转轴进行了受力模拟，生成应力云图和应变运图，对转轴的安全性进行了分析。该方案制作出的缓降器结构简单、安全可靠、制造成本低，使用方法简单方便，不需要专门训练，具较好的推广价值。
关键词：摩擦片；弹簧调整；离心圆盘；ANSYS WORKBENCH
Abstract
Aimed at high floor escape difficult problem, the analysis of existing buildings to escape device both at home and abroad, put forward according to the size of the drop speed, to escape through a shaft driving centrifugal disk drive friction plate contact friction torque, and spring adjustment pressure force timely change of lining friction resistance moment, in order to escape when falling to achieve uniform design train of thought. On the basis of force analysis and theoretical calculation, this type of reducer is designed and manufactured.
The escape device studied in this paper is a pure mechanical device with a simple structure and no external power. Can make the escape of different body weight people can fall at a safe rate of slow escape. The structure design and strength check of the rotating shaft are mainly carried out. The size and strength of the key are determined. On the size of the friction plate was calculated, and ensure that there is enough friction torque, according to the standards and working conditions to choose the bearing and the bearing end cover, the general finite element analysis software ANSYS WORKBENCH, established the model of the rotating shaft for the stress simulation, generate stress diagram and strain diagram, analyses the safety of the shaft. The device is simple in structure, safe and reliable, low in manufacturing cost, simple and convenient to use, no special training is needed, and has good promotion value.
Key words: Friction plate; Spring adjustment; Centrifugal disk; ANSYS WORKBENCH
目 录
摘 要 1
Abstract 2
1 研究背景 1
1.1 国内外研究现状 1
1.2 缓降器的分类 2
1.2.1 按工作原理分类 2
1.2.2 按操作方式分类 2
1.3 本文研究内容及创新点 3
1.3.1 研究内容 3
1.3.2 创新点 3
2 关键零件的有限元分析方法 3
2.1 有限元分析法简介 3
2.2 ANSYS简介 5
2.2.1 ANSY技术特点 6
2.2.2 ANSYS程序功能 7
3 设计计算 9
3.1 平衡力矩计算 9
3.2 轴的计算 11
3.2.1 按照扭转强度条件进行计算 11
3.2.2 按照弯扭合成强度条件进行计算 13
3.2.3 按照静强度条件进行校核 15
3.2.4 按照刚度条件进行校核 16
3.3 轴承的选用 16
3.4 平键的计算 18
3.4.1 键的类型及尺寸的选取 18
3.4.2 键的强度计算 19
3.5 摩擦盘的相关计算 19
3.5.1 计算转矩 19
3.5.2 摩擦盘工作面的有关直径 20
3.5.3 摩擦盘宽度计算 20
3.5.4 摩擦面对数 20
3.5.5 摩擦片脱开时需要的间隙 21
3.5.6 许用传递转矩 21
3.5.7 总压紧力 21
4 对转轴进行有限元分析 21
4.1 ANYSYS模拟计算 21
4.1.1 建立有限元模型 21
4.1.2 施加载荷进行计算 21
4.2 ANSYS模拟结果分析 21
5 结论 21
参考文献 22
谢辞 23
1研究背景
随着我国经济建设的发展，城市用地日趋紧张，高层建筑越来越多，建筑向超大、超高方向发展，结构越来越复杂，人员密度越来越大。尤其在人口稠密的城市更是如此，因此在高层建筑里工作学习以及生活的人越来越多。但是人们在享受文明生活的同时，也能感受到一旦高楼发生火灾等突发事件所带来的不安全感。据有关资料显示，高楼在发生火灾后，高楼中出现烟火、毒气弥漫或其他灾难时，特别是在不能迅速控制灾害时，在楼中生活、学习、工作的广大人群应及时利用疏散设备紧急逃生。而消防条例中出于防备烟雾、停电、机械故障等安全性和可靠性考虑，要求一般客用电梯必须停用；步行楼梯成为高层建筑内人群疏散的主要设施。但步行楼梯进行疏散的路线长、耗时大，效率低；且通道和楼梯间内消防设备常常缺失、坏损和不在应该的位置或状态，火灾爆发时烟火或障碍物常常侵害与封堵逃生者，高楼人群想要安全疏散则更加困难，等待消防人员救助往往需要相当长的时间，而这段时间往往是人们逃生的最佳时机。因此，如何迅速有效的逃生已成为人们普遍关心的问题。采用从阳台和窗口等出口逃生的方法，往往可以很快脱离楼内烈火和烟雾的侵袭。其中采用有关的辅助设备使人体缓慢下落的滑降方法，既可以保证安全逃生，又注重了速度，这种逃生方式可以称之为缓降逃生。缓降逃生方法的优点是：具有使用设备简单，一般不需要机械动力，最简单的就只用一根绳索；大多依靠重力与外界阻力作用，垂直方向逃生速度快；理论上可以适合任意高度建筑。
为了解决这个问题，实现在火灾发生时能够快速有效地疏散逃生，有效的减少人员的伤亡，要在建筑物上安装缓降逃生装置，这样能够最大限度的减少人员伤亡。
1.1 国内外研究现状
高层和超高层建筑已成为城市建筑的主流，但高层建筑，特别是高层住宅，除了走楼梯和指示灯外，很少配备高层逃生辅助设备，远远赶不上高层房地产开发的步伐。近年来，由于公共安全的需要，高层逃生设备特别是缓降逃生设备引起了研究人员和消防部门的重视。目前，缓降逃生产品主要有缓降绳、滑道、电梯、滑翔机等。
1.2 缓降器的分类
缓降绳索类的逃生设备，此类设备优结构简单、容易操作的有点。其中的典型器械为缓降器，主要由调速器、安全带、安全钩、 钢丝绳或防火绳等构成。使用时一般用安全钩将调速器悬挂在楼上某一固定位置或者将装置主体部分固定在建筑内，逃生者系上安全带，卷盘上绳索通过调速器在人体重力驱动下自动释放、缓慢下降。缓降绳索类逃生设备通常以速度控制原理与方式来细分。
1.2.1按工作原理分类
按工作原理分为：摩擦式缓降器、阻尼式缓降器、电动控制式缓降器等。
摩擦阻尼式减速器由齿轮调速器和安全绳组成。工作时，传动齿轮的转速与一定的传动比相一致。逐渐增大到驱动轮上，使制动活块及其结合的摩擦块在离心力的作用下沿径向抛出，产生外离心力，与制动盘旋转摩擦形成制动功，自动调节下降速度。负载越大，制动活动块的离心力越大，摩擦力越大，可使下降速度稳定在1.5m/s以内。
阻尼式缓降器是将逃生者在重力场内下降时，释放出的位能转变为其他形式的能，它往往通过运动机构在流体内（空气或液体）产生的阻力或电磁场中的阻力，限制悬吊人体的缓降绳索在合理速度范围之内下落。这种类型的缓降器无磨损、安全可靠、 可连续重复使用，尤其适用于高层、超高层建筑发生灾害时单人与多人自救逃生。
电动控制式缓降器是利用电能（往往为自带电源）提供所需的动力，由电动机驱动夹紧机构摩 擦耐磨轴盘，控制绳索下降的速度，使得缓降器能够基本上匀速地下降。另外可以通过开关或者旋钮控制动力的输出来调节逃生者下降的速度。
1.2.2按操作方式分类
按操作方式分为：自动控制速度缓降器和速度可变式缓降器。
自动控制速度缓降器是现在大部分缓降器所采用的一种速度控制方式。通过各种组合机构的自动控制，使逃生者下降速度保持不变，并且下降速度是人体能够承受的安全速度，逃生者在逃生过程中无需任何操作去控制速度，便可安全到达地面。
速度可变式缓降器是指逃生者在逃生过程中可以根据自身状况及环境情况自行调整下降速度。当周围环境有利于逃生时可使下降速度变快，节省逃生时间。发生火灾时，时间就是生命，可变速度式缓降器的优势就在于此。
1.3 本文研究内容及创新点
1.3.1研究内容
对调速装置进行整体的设计并进一步校核计算尺寸，主要有转轴、平键、摩擦盘和轴承，使之安全可靠。对转轴进行有限元分析，在ANSYS建立有限元几何模型并施加载荷进行计算，生成应力云图和应变云图，最后分析有限元求解结果。
1.3.2创新点
纯机械装置，结构简单，不需要外在动力，可多人次循环使用；利用绳索滚筒旋转快慢产生的离心力不同改变摩擦力矩的大小，可使不同体重的逃生者都能以安全的下降速度进行缓降逃生。
2关键零件的有限元分析方法
2.1 有限元分析法简介
有限元分析（FEA）使用数学近似方法来模拟真实的物理系统（几何和载荷条件）。通过使用简单的交互单元（即单元），可以使用有限个未知数来近似无限个未知数的真实系统。有限元分析就是用简单的问题来代替复杂的问题，然后求解它们。它认为解域是由许多相互连接的小的子域组成的，称为有限元。它假定每个单元有一个合适的（较简单的）近似解，然后推导出解域的总满足条件（如结构平衡条件），从而得到问题的解。由于实际问题被简单的问题所代替，这个解不是精确的，而是近似的。由于大多数实际问题难以得到精确解，而有限元法不仅具有较高的计算精度，而且能够适应各种复杂形状，因此成为一种有效的工程分析方法。有限元是能够表示真实连续域的离散元。有限元的概念已经产生和应用了几个世纪。例如，用多边形（有限线元）来逼近圆来求圆的周长，但作为一种方法，近年来被提出。首先，将有限元分析方法称为矩阵逼近法，应用于飞机结构强度计算。由于它的方便性、实用性和有效性，从事机械研究的科学家们对它很感兴趣。经过几十年的努力，随着计算机技术的迅速发展和普及，有限元法从结构工程的强度分析和计算迅速扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛、实用高效的数值分析方法。有限元法与其他边值问题的近似方法的根本区别在于其近似仅限于相对较小的子域。20世纪60年代初，卡夫教授在结构力学中首次提出了有限元的概念，他生动地将其描述为“有限元法=瑞利-里兹法+分段函数”，即有限元法是瑞利-里兹法的一种局部化情况。与求解满足全域Ritz法边界条件的容许函数的Rayleigh（通常是困难的）不同，有限元法定义了简单几何体（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域（分段函数）上的函数，并且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这也是有限元法优于其他近似方法的原因之一。随着市场竞争的加剧，产品更新周期越来越短，企业对新技术的需求也越来越迫切。有限元数值模拟技术是提高产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的有效手段。因此，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科学研究中的应用越来越广泛，有限元分析的重要性和应用已成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。从汽车到航天飞机，几乎所有的设计和制造都离不开有限元分析，有限元分析应用于机械制造、材料加工、航空航天、汽车、民用建筑、电子、国防军工、船舶、铁路、石化等各个领域，能源和科研的广泛应用使设计水平有了质的飞跃。有限元分析的基本步骤通常是：第一步是预处理。根据实际问题定义了求解模型，包括以下几个方面：
第一步 前处理。根据实际问题定义求解模型，包括以下几个方面:
(1) 定义问题的几何区域：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。
(2) 定义单元类型:
(3) 定义单元的材料属性:
(4) 定义单元的几何属性，如长度、面积等；
(5) 定义单元的连通性:
(6) 定义单元的基函数;
(7) 定义边界条件:
(8) 定义载荷。
第二步 总装求解: 将单元总装成整个离散域的总矩阵方程(联合方程组)。总装是在相邻单元结点进行。状态变量及其导数(如果可能)连续性建立在结点处。联立方程组的求解可用直接法、迭代法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。
第三步 后处理: 根据相关标准对解决方案进行分析和评估。后处理使用户能够方便地提取信息并理解计算结果。
2.2 ANSYS简介
。ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的大型有限元软件。它是世界上发展最快的计算机辅助工程软件。它可以与大多数CAD（computer aided design）软件接口，实现algor、I-DEAS、AutoCAD等数据的共享与交换，是一个集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。广泛应用于核工业、铁路、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车运输、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地质、矿业、水利、家电等领域。ANSYS功能强大，操作方便，现已成为世界上最流行的有限元分析软件，多年来在有限元分析评价中排名第一。目前，我国已有100多所理工科院校采用ANSYS软件进行有限元分析或作为标准教学软件。
2.2.1ANSY技术特点
最近发布了最新版本的ANSYS 19.0，业界领先的工程设计仿真软件。它以其独特的新功能，为指导和优化产品设计提供了优化方法和更全面的解决方案。工程仿真软件ANSYS 16.0在结构、流体、电磁、多物理场耦合仿真、嵌入式仿真技术等方面取得了重要进展。
（1）能实现电子设备的互联
随着电子设备连接功能的普及和物联网的全面发展趋势，对硬件和软件的可靠性提出了更高的要求。ANSYS 16.0版本提供了验证电子设备可靠性和性能的多种功能，贯穿于产品设计的全过程，覆盖了电子行业的所有供应链。在ANSYS 16.0中，引入了新的“ANSYS电子设计桌面”（ANSYS Electronic Design Desktop）。在高度集成的单窗口界面上，电磁场、电路和系统分析构成了一个无缝的工作环境，从而保证了仿真在所有应用领域的最高生产率和最佳实践。Ansys16.0中另一个重要的新功能是能够构建三维组件并将其集成到更大的部件中。有了这个功能，就很容易建立一个无线通信系统，这对于日益复杂的系统设计尤其有效。通过构建可直接模拟的三维构件并将其存储在库文件中，可以很容易地将这些构件添加到更大的系统设计中，而无需设置任何激励、边界条件和材料特性，因为所有内部细节都已包含在三维构件的原始设计中。
（2）仿真各种类型的结构材料
在减轻结构重量的同时，提高结构性能和设计美观是每一位结构工程师面临的挑战。薄材料和新材料是结构设计中常用的材料，它们也会引入一些问题进行模拟。金属板可以提供所需的性能，同时尽量减少材料和重量。它是一种“传统”材料，几乎应用于所有行业。借助于ANSYS 16.0，工程师可以加快对薄材料的建模，快速定义完整装配中所有零件的连接方式。ANSYS 16.0提供了高效的复合材料设计功能，以及更好地理解仿真结果的实用工具。
（3）简化复杂流体动力学工程问题
产品越来越复杂，对产品性能和可靠性的要求也越来越高，这使得工程技术人员对复杂的设计和物理现象进行研究。ANSYS 16.0不仅可以简化复杂几何体的预处理过程，而且可以将处理速度提高到40%。当工程师面对多目标优化设计时，ANSYS 16.0采用伴随优化技术实现智能化设计优化和高效多目标设计优化。新的ANSYS 16.0不仅简化了复杂的设计和优化工作，而且简化了复杂物理现象的模拟。对于船舶和海洋工程应用，工程师可以使用新版本来模拟复杂的波型。旋转机械（压缩机、水力旋转机械、汽轮机、泵等）的设计工程师可以利用傅立叶变换方法，有效地获得固定和旋转机械部件之间的相互作用结果。
（4）基于模型的系统和嵌入式软件开发
基于系统和嵌入式软件的创新在各个产业领域都有非常显著的增长。在这种发展趋势下，企业面临着许多挑战，特别是如何设计和开发这些复杂的系统。ANSYS 16.0为系统开发人员及其嵌入式软件开发人员提供了许多新的功能。对于系统工程师来说，ANSYS 16.0具有扩展的建模能力，可以定义系统及其子系统之间的复杂工作模式。随着系统变得越来越复杂，它们的操作需要更全面地定义。系统工程师和软件工程师可以更好地合作他们的合作项目，减少研究和开发的时间和工作量。为了满足这一要求，ANSYS 16.0增加了行为图建模。在航空领域，ANSYS 16.0为do-330提供了一种基于模型的仿真方法。这些工具经do-178c验证，具有最高的安全要求。这是首个面向全新认证要求的工具。
2.2.2ANSYS程序功能
ANSYS软件提供了对各种物理场量的分析，是一种能够融结构、热流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，其主要功能包括：
1.结构分析
结构分析是有限元法最常用的应用领域之一。ANSYS能够完成的结构分析包括：结构的静力分析；结构的非线性分析；结构的动力分析；隐式、显式和显式隐式耦合解。
2.热分析
热分析用来计算系统的温度等热物理量的分布及其变化情况。ANSYS能够完成的热分析有这些：稳态温度场分析；瞬态温度场分析；相变分析；辐射分析。
3.流体动力学分析
ANSYS程序的FLOTRAN CFD分析功能能够用来进行二维及其三维的流体瞬态和稳态动力学的分析，其可以完成以下分析：层流、紊流的分析；自由对流与强迫对流的分析；可压缩流/不可压缩流的分析；亚音速、跨音速、超音速流动的分析；多组分流动的分析；移动壁面及自由界面的分析；牛顿流与非牛顿流体的分析；内流和外流的分析；分布阻尼和FAN模型；热辐射边界条件，管流。
4.电磁场分析
ANSYS程序可以分析电感、电容、涡流、电场分布、磁力线及能量损失等电磁场的问题，也可用于螺线管、发电机、变换器、电解槽等装置的设计与分析。其主要内容包括：2D、3D及轴对称的静磁场分析；2D、3D及轴对称时的变磁场；交流磁场的分析；静电场、AC电场分析；
5.声学分析
ANSYS程序可以进行声波在含流体介质中的传播的研究，也能够分析浸泡在流体中的固体结构的动态特性。其涉及的范围包括：声波在容器内的流体介质中传播；声波在固体介质中的传播；水下结构的动力分析；无限表面吸收单元。
6.压电分析
用于二维或三维结构对AC、DC或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。主要研究内容如下：稳态分析、瞬态分析；谐响应分析；瞬态响应分析；交流、直流、时变电载荷或机械载荷分析。
7.多耦合场分析
多耦合场分析就是考虑两个或多个物理之间相互作用。ANSYS统一数据库及多物理场分析并存的特点可以保证方便的进行耦合场分析，允许的耦合类型有以下几种：热－应力；磁－热、磁－结构；流体流动－热；流体－结构；热－电；电－磁－热－流体－应力。
8.优化设计
优化设计是一个能寻找最优设计方案的技术。ANSYS程序提供了多种优化方法，包括零阶方法和一阶方法。对此，ANSYS提供了一系列的分析－评估－修正的过程。此外，ANSYS程序还提供一系列的优化工具以提高优化过程的效率。
9.用户编程扩展功能
用户可编辑特性（UPFS）是指，ANSYS程序的开放结构允许用户连接自己编写的FORTRAN程序和子过程。UPFS允许用户根据需要定制ANSYS程序，如用户自定义的材料性质、单元类型、失效准则等。通过连接自己的FORTRAN程序，用户可以生成一个针对自己特定计算机的ANSYS程序版本。
10.其它功能
ANSYS程序支持的其它一些高级功能包括拓扑优化设计、自适应网格划分、子模型、子结构。
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