| 标题 | 基于剪切增稠流体的智能缓降器的参数化计算 |
| 范文 | 李星辰 摘 要：本文在现有剪切增稠流体智能制动缓降器概念设计的基础上，根据材料特性和受力平衡推导了传动比和转子高度等关键设计参数的表达式，并从4种剪切增稠流体材料中进行优选和计算相应的传动比和转子高度，为设计提供参考。 关键词：剪切增稠；缓降器；参数化设计；转子高度；材料优选 中图分类号：TU976 文献标志码：A 0 引言 高层建筑逃生通道比较狭长、人员密集，火灾发生时有些人选择通过被单、网线等简易绳索逃生，甚至有些人铤而走险选择跳楼逃生。针对高楼逃生现状，各种高楼逃生装置应运而生，包括绳索缓降器、软梯、救生气垫、升降台等。其中，绳索缓降器具有体积小、经济适用、可反复使用、安装方便、无需动力源和安全性较高等特点，适用于作为家庭高楼逃生装置。适于作为家庭高楼逃生装置，但是存在发热、磨损、摩擦系数不稳定等缺点。因此，有必要研究新型的绳索缓降器。 新型绳索缓降器主要包括永磁涡流制动缓降器、空气阻尼制动缓降器和剪切增稠流体制动缓降器。其中，永磁涡流制动缓降器将动能转化为热能散发到空气中，但是对散热有较高要求。空气阻尼制动缓降器具有无源、无磨损等优点，但是制动效果较差。而现有的剪切增稠流体制动缓降器可以智能地将下降速度控制在安全范围内，但是相关研究还非常少，现有设计仅给出了一个设计算例，没有给出传动比、转子高度的参数化表达式，不利于后续进一步改进设计和计算，此外在剪切增稠流体材料优选等方面还存在很大的改进空间。 综上所述，本研究拟在現有的剪切增稠流体制动缓降器概念设计的基础上，推导传动比、转子高度的参数化表达式，优选剪切增稠流体材料，提高整个装置的实用性。 1 设计目的 根据国家标准规定本设计中取缓降速度v降可稳定为0.5m/s，又参考相关文献确定承重为100kg、最大逃生楼层为10层。 2 现有设计 参考图1，现有的基于剪切增稠流体的高楼逃生缓降器装置主要由捆绑机构、绕绳机构、传动机构和缓降机构等组成。剪切增稠流体通过与转子间的相互作用实现对转子速度的自动控制。当转子转速过慢时，剪切增稠流体的黏度较低，对转子的阻力变小，转子转速上升；而当转子转速过快时，剪切增稠流体的黏度较高，对转子的阻力变大，转子转速下降。所以可以智能地将转子转速及逃生者下降速度维持在一个合理的范围内。 现有设计的剪切增稠流体为质量分数为70%的二氧化硅液体，剪切速率—黏度曲线见文献[4]的图3，该流体在较高剪切速率下才表现为剪切增稠特性，在剪切速率较低的较大区间内表现为剪切稀化特性，且黏度很大，甚至大于剪切增稠区间的黏度，重力可能无法克服低速下的流体阻力。 3 现有设计传动比和转子高度的参数化表达式 设绕绳滚子的平均绕绳直径为d0，人的稳定下降速度为v降，绕绳滚子旋转角速度ω1可以表示为： 式（3）是参数化计算后的关键设计参数传动比i的表达式，而式（7）就是参数化计算后转子的关键设计参数L的表达式。取人的重力G为1000N、人的稳定下降速度v降为0.5m/s、转子直径d为0.3 m、质量分数为70%的二氧化硅剪切增稠液体在剪切增稠区间中点的剪切速率υ和黏度η分别为5000s-1和0.5Pa?s、取壳体内径D为0.304m计算出转子与壳体之间的间隙h为0.002m。综上计算出传动比i=1∶20，而转子高度L为0.021m。取传动机构中两对齿轮的齿数分别为40∶8和32∶8，可以满足传动比要求。根据参数化表达式的计算结果与文献[2]算例的计算结果一致，但是，本文的参数化工作有利于定量分析各设计参数的影响以及进行参数化讨论和优化设计。 4 剪切增稠流体材料的优选 为了避免材料的剪切稀化区间过大以及低剪切速率下黏度过大，因此希望选择低剪切速率下没有剪切稀化特性或特性不明显，且剪切稀化区间较小的材料。通过文献调研，拟从下面文献[5-8]中进行剪切增稠流体材料的优选，其中文献[8]中选择两种备选材料（体积分数分别为54%和56%）。以传动比i、转子高度L为优选条件，对比5种备选材料和现有设计材料，进行列表对比，见表1。 首先对比传动比，文献[6]的材料和文献[8]的两种材料传动比均在4以下，单级齿轮传动即可实现，而现有设计传动比为0.05，即1∶20，传动比较大，需要两级齿轮传动。再对比转子高度，现有设计的转子高度最小，仅为0.021m，而文献[8]的两种材料转子高度也较小，分别为0.22m和0.09m。综上所述，备选材料中，文献[8]的两种材料较优，且低剪切速率下没有剪切稀化特性。 结论 本文针对现有的剪切增稠流体制动缓降器研究的不足开展研究，主要结论如下： （1）推导了现有设计方案下传动比、转子高度等关键设计参数的公式。 （2）对剪切增稠流体材料优选为文献[8]的两种材料，即颗粒体积分数分别为56%和54%的两种流体。 本文设计结果可应用于智能缓降器的参数优化设计、轻量化设计。下一步将针对这些问题进一步完善。 参考文献 [1]张清林.高层建筑应急逃生装置研究综述[J].消防科学与技术，2012，31（1）：53-56. [2]张玉鹏.基于剪切增稠流体的高楼逃生缓降器的设计[J].中国科技投资，2016（33）：294-295. [3] GA 413-2003，救生缓降器[S]. [4]徐钰蕾，龚兴龙，江万权，等.剪切增稠液体的制备及其性能表征[C].中国功能材料及其应用学术会议，2007：3904-3906. [5]来囯桥.一种剪切增稠流体的制备方法与应用[P].中国发明专利，201210171659.4. [6]孙振宇，宋陈欧怡，严九洲，等.含纳米SiO2的剪切增稠液的制备及其性能的研究[J].广州化工，2013，41（11）：92-94. [7]周鸿，郭朝阳，宗路航，等.剪切增稠液及阻尼器性能研究[J].振动与冲击，2013，32（18）：15-20. [8]陈潜，何倩云，刘梅，等.剪切增稠液的力学性能与机理[J].固体力学学报，2016，37（6）：518-537. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。