CN105251144B - 基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置，绞盘通过齿轮传动组与永磁直流发电机连接，永磁直流发电机通过发电机支架安装在旋转式磁流变液阻尼器上，由旋转式磁流变液阻尼器根据人或重物的下降速度，提供适配的制动力矩，使人或重物保持匀速下降，实现人或重物的高空缓降。该装置利用人或重物从高空下降时产生的动能，通过永磁发电机转化为电能，再把电流供给旋转式磁流变阻尼器，励磁线圈根据电流的大小产生不同的磁场强度，使固定盘和旋转盘间隙中的磁流变液剪切应力产生制动力矩,且制动力矩随人或重物的下降速度作相应变化，实现了下降人或物体速度的自适应控制。该装置适用于高层建筑中的人员自救、消防高空作业等，可提高自救和他救的效率。

Description

基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置

技术领域

本发明涉及一种安全逃离高层建筑物的缓降器，尤其是一种具有阻尼作用的高空缓降装置。

背景技术

随着城市化速度的加快，越来越多的高层办公楼及住宅楼出现在人们面前，但是当高层建筑发生火灾或地震等重大事故时，建筑物内的人员往往来不及撤离，造成重大人员伤亡事件。如果高层建筑物内可以配备一些自救设备，当发生紧急事件时，人们能够选择更多的方式安全逃离建筑物，比如可以在窗口安装缓降器，方便人员从高楼逃生。

现有的用于高楼缓降逃生的装置主要有摩擦类、液压类等，但是摩擦类的摩擦装置容易失效，稳定性差。液压类一般利用液压阻尼来平衡人下降的重力，其内部液压油体积会改变，会产生空程或者卡死现象，降低了装置的稳定性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置，该装置采用磁流变液(MRF)， 在无外加磁场时,表现为流动良好的液体状态，但在外加强磁场作用下可产生磁流变效应, 即表观粘度可在毫秒级内增加几个数量级, 磁流变液变为类似固体的状态。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置，由旋转式磁流变液阻尼器、永磁直流发电机、绞盘组成，所述绞盘通过齿轮传动组与永磁直流发电机连接，永磁直流发电机通过发电机支架安装在旋转式磁流变液阻尼器上，由旋转式磁流变液阻尼器根据人或重物的下降速度，提供适配的制动力矩，使人或重物保持匀速下降，实现人或重物的高空缓降。

所述永磁发电机与旋转式磁流变阻尼器连接，使永磁发电机产生的电流供给旋转式磁流变阻尼器，使磁流变液阻尼器产生制动力矩,且制动力矩随人或重物的下降速度作相应变化，实现下降人或物体速度的自适应控制。

所述旋转式磁流变阻尼器包括箱体、端盖、固定盘、第一旋转盘、第二旋转盘、转轴，端盖与箱体固定连接，固定盘固定连接在箱体的环槽内，固定盘的方形凹槽内缠绕有励磁线圈，固定盘两侧分别置有第一旋转盘和第二旋转盘，第一旋转盘和第二旋转盘固定连接在绞盘的转轴上，固定盘与第一旋转盘、第二旋转盘之间具有轴向间隙，第一旋转盘、第二旋转盘与箱体之间具有轴向和径向间隙，所述间隙内填充有磁流变液。

所述绞盘上缠绕绳索，绳索一端固定在绞盘中间圆柱位置上，绳索另一端连接有安全带，绞盘与转轴固定连接，绞盘的外侧设有防滑垫片，绞盘的内侧设有齿轮，所述齿轮与绞盘为一体式结构，随绞盘同步转动。

所述箱体的外侧设有一圆柱形凸台，且凸台上开有通孔，所述通孔两端均设有轴承，用于支撑从所述通孔穿过的转轴，在该圆柱形凸台与箱体之间设有四个加强肋板，用于提高装置的结构强度；箱体的外侧与圆柱形凸台之间还设有发电机支架，箱体的外端面开有四个圆形凹槽，四个圆形凹槽与永磁直流发电机末端端盖在径向过渡配合连接；箱体的上部开有用于注入磁流变液的圆柱形通孔，圆柱形通孔上用塞子密封，所述塞子上设有通孔，通孔中引入与固定盘上的励磁线圈连接的导线。

所述固定盘、第一旋转盘和第二旋转盘均为软铁磁性材料，所述箱体、端盖、转轴均为非导磁材料，用于减少漏磁现象的发生，提高磁流变液的工作效率。

所述绞盘的齿轮与四个永磁直流发电机转子头部齿轮啮合传动连接，并且具有满足旋转式磁流变阻尼器的工作电流的传动比。

所述磁流变阻尼器中磁流变液的磁流变效应为毫秒级，具有快速的制动响应性能、平稳的缓降效果。

本发明的有益效果是：该装置利用人或重物从高空下降时产生的动能，通过永磁发电机转化为电能，再把永磁发电机产生的电流供给旋转式磁流变阻尼器，磁流变阻尼器中的励磁线圈根据电流的大小产生不同的磁场强度，使磁流变液阻尼器中固定盘和旋转盘间隙中的磁流变液剪切应力产生制动力矩,且制动力矩随人或重物的下降速度作相应变化，实现了下降人或物体速度的自适应控制。该装置结构简单、稳定性好、响应速度快、安全可靠，适用于高层建筑中的人员自救、消防高空作业等，可保障人民的生命安全，提高自救和他救的效率。

附图说明

图1为本发明的高空缓降装置的结构剖视图；

图2为绞盘的结构立体示意图；

图3为箱体的结构立体示意图；

图4为端盖的结构立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，一种基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置，由旋转式磁流变液阻尼器、四个永磁直流发电机、绞盘组成。它包括六角螺母1、防松垫圈2、绞盘3、轴套4、轴承5、永磁直流电机6、转轴7、轴承8、轴套9、第一旋转盘10、励磁线圈11、固定盘12、第二旋转盘13、轴套14、轴承15、轴承端盖16、六角螺钉17、端盖18、六角螺钉19、塞子20、箱体21、 螺钉22等。

绞盘通过齿轮传动组与永磁直流发电机连接，永磁直流发电机通过发电机支架安装在旋转式磁流变液阻尼器上，由旋转式磁流变液阻尼器根据人或重物的下降速度，提供适配的制动力矩，使人或重物保持匀速下降，实现人或重物的高空缓降。永磁发电机连接旋转式磁流变阻尼器，使永磁发电机产生的电流供给旋转式磁流变阻尼器，使磁流变液阻尼器产生制动力矩,且制动力矩随人或重物的下降速度作相应变化，实现下降人或物体速度的自适应控制。

旋转式磁流变阻尼器由箱体21、端盖18、固定盘12、第一旋转盘10、第二旋转盘13、转轴7组成，端盖18与箱体21固定连接，固定盘12固定连接在箱体21的环槽内，固定盘12的方形凹槽内缠绕有励磁线圈，固定盘12两侧分别置有第一旋转盘10和第二旋转盘13，第一旋转盘10和第二旋转盘13固定连接在绞盘的转轴上，固定盘12与第一旋转盘10、第二旋转盘13之间具有轴向间隙，第一旋转盘10、第二旋转盘13与箱体21之间具有轴向和径向间隙，间隙内填充有磁流变液。

绞盘上缠绕绳索，绳索一端固定在绞盘中间圆柱位置上，绳索另一端连接有安全带，绞盘与转轴固定连接，绞盘的外侧设有防滑垫片，绞盘的内侧设有齿轮，所述齿轮与绞盘为一体式结构，随绞盘同步转动。

如图3所示，箱体的外侧设有一圆柱形凸台2101，且凸台2101上开有通孔2106，所述通孔2106两端均设有轴承，用于支撑从所述通孔2106穿过的转轴，在该圆柱形凸台2101与箱体之间设有四个加强肋板2102，用于提高装置的结构强度；箱体的外侧与圆柱形凸台之间还设有发电机支架2105，箱体的外端面开有四个圆形凹槽2103，四个圆形凹槽2103与永磁直流发电机末端端盖在径向过渡配合连接；箱体的上部开有用于注入磁流变液的圆柱形通孔，圆柱形通孔上用塞子20密封，所述塞子20上设有通孔，通孔中引入与固定盘上的励磁线圈连接的导线。

固定盘、第一旋转盘和第二旋转盘均为软铁磁性材料，所述箱体、端盖、转轴均为非导磁材料，用于减少漏磁现象的发生，提高磁流变液的工作效率。

绞盘的齿轮与四个永磁直流发电机转子头部齿轮啮合传动连接，并且具有满足旋转式磁流变阻尼器的工作电流的传动比。

本发明采用的旋转式磁流变液的阻尼器是基于剪切工作模式设计的，磁流变液作为工作介质填充固定盘与第一、第二旋转盘、箱体、端盖之间的轴向间隙中（如图1），旋转盘正是利用间隙中的磁流变液剪切应力产生制动力矩实现缓降的目的,且制动力矩随外加磁场的变化迅速变化。在没有磁场作用的情况下,磁流变液处于液体状态，所能传递的力矩仅为很小的粘性阻力矩，此时旋转盘所受阻尼力很小，可以自由转动。

当励磁线圈通电时，磁流变液会受到外加磁场的作用，磁流变液中的磁性粒子立刻被磁化，并沿着磁力线方向成链柱状分布，这种链柱状结构使得磁流变液的剪切应力增大，该链柱状结构将旋转盘与固定盘连接起来，对旋转盘产生磁致剪切制动力矩。通过调节励磁线圈中的电流大小来改变磁场强度，进而可以调节磁流变液的剪切应力，从而能够调节该阻尼器固定盘与旋转盘之间的制动力矩，且磁流变效应为毫秒级，响应速度快。

本发明的装配顺序依次为：首先将绕有励磁线圈11的固定盘12空套在转轴7的大轴径上，然后根据转轴7大轴径两侧的轴肩做轴向定位，分别将第一旋转盘10和第二旋转盘13通过键固定在转轴7大轴颈两侧，并与转轴7过盈配合连接。再将轴套9、14和轴承8、15从转轴7两端分别按间隙配合和过盈配合依次装入第一旋转盘10和第二旋转盘13的外侧。然后将转轴7穿入箱体21通孔2106中，轴承8外圈固定在通孔2106右端的大孔内，固定盘12的左端通过箱体21的端面A进行定位安装，塞子20通过螺纹连接固定在箱体上的通孔。然后将端盖18通过箱体21的端面B装入箱体中，并用六角螺钉19将端盖18与箱体21固定连接，且确保端盖凸台1801能够压紧固定盘12，轴承15的外圈固定在端盖18的内孔中，然后将轴承端盖16通过六角螺钉17固定在端盖18上，使轴承15的轴向位置确定，完成旋转式磁流变液阻尼器的装配。然后将四个永磁直流发电机6安装在箱体21上的发电机支架2105上，箱体21的外端面与发电机支架2105对应位置开有四个圆形凹槽2103，并与发电机末端端盖在径向过渡配合连接，使永磁直流发电机6在径向的安装位置确定，两根细长螺钉22穿过永磁直流发电机6的壳体并固定在箱体21上，使永磁直流发电机6的轴向位置确定。然后将轴承5和轴套4从转轴7左端依次装在转轴7上，使轴承5外圈固定在通孔2106左端的大孔内，轴承5内圈与转轴7过盈配合连接，轴套4与转轴7间隙配合连接。再将缠绕有绳索的绞盘3通过键从左端装在转轴7上，并使绞盘3与转轴7过盈配合连接，在绞盘3装入转轴7的过程中应注意绞盘齿轮301不要与永磁直流发电机头部齿轮发生碰撞，以免对齿轮造成损伤，然后使用防松垫圈2和六角螺母1固定绞盘3，完成装配工作。

为了防止阻尼器中的磁流变液泄漏，在轴承的一侧均安装有密封圈。在箱体21和端盖18圆周对应位置分别设有四个圆柱形通孔2104、1802，可以使用螺栓穿过该通孔将该装置安装固定在阳台或窗户一侧的墙面上。

在磁流变阻尼器设计中, 工作间隙内必须保证有足够强的磁场强度以产生磁流变制动力矩。由于间隙中的磁场强度随间隙增加急剧下降, 且小的间隙有利于获得更均匀的磁场强度, 所以磁流变阻尼器固定盘与旋转盘之间的工作间隙理论上是越小越好。但考虑到制造与装配等因素,设计中工作间隙一般应取值在0.5～2mm之间，所以该装置的固定盘与第一旋转盘和第二旋转盘之间的工作间隙为1.5±0.1mm。

磁流变液的工作温度范围很宽，温度由-40℃上升到150℃时，其动态屈服应力仅下降10％，工作中的温度上升对磁流变液性能的影响也是很有限的，所以该装置在相当宽的温度范围内可以正常工作，保证了该装置工作的稳定性。

本发明的工作过程：

当紧急情况发生时，人员或者重物首先使用绳索一端的安全带把自己或者重物安全固定，然后从高空跳下或者释放，通过人或物体自身的重力带动绳索拉动绞盘转动，绞盘又通过绞盘齿轮分别与四个永磁直流发电机的转子头部齿轮啮合传动，此时永磁直流发电机会产生感应电流，该电流通过控制器被输送到磁流变液阻尼器中的励磁线圈上。

由于一开始人或重物下降速度较快，使绞盘和发电机转子转动速度加快，永磁直流发电机能够产生更大的电流，随着励磁线圈中的电流的增加，其产生的磁场强度更强，使磁流变液的粘度瞬时增大，流动性变差，磁流变液变为类固体，磁流变液中的磁性粒子在外加磁场的作用下立刻被磁化，并沿着磁力线方向成链柱状分布，这种链柱状结构使得磁流变液的剪切应力增大，该链柱状结构将旋转盘与固定盘连接起来，对旋转盘产生磁致剪切制动力矩，在制动力矩的作用下会抑制磁流变液阻尼器转轴的转速，从而降低了绞盘随转轴的转速，使人或物体的下降速度降低。

当人或物体的下降速度较慢时，绞盘和发电机转子的转速较低，永磁直流发电机能够产生的电流较小，所以励磁线圈产生的磁场很弱，磁流变液处于液体状态，所能传递的力矩仅为很小的粘性阻力矩，此时旋转盘所受阻尼力很小，人或重物的下降速度会加快。

所以该装置能够根据人或重物的下降速度自动调节旋转式磁流变液阻尼器的制动力矩，使人或重物保持匀速下降，实现了缓降的目的。

Claims (6)

1.一种基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置，由旋转式磁流变液阻尼器、永磁直流发电机(6)、绞盘(3)组成，其特征在于：所述绞盘（3）通过齿轮传动组与永磁直流发电机（6）连接，永磁直流发电机（6）通过发电机支架（2105）安装在旋转式磁流变液阻尼器上，由旋转式磁流变液阻尼器根据人或重物的下降速度，提供适配的制动力矩，使人或重物保持匀速下降，实现人或重物的高空缓降；所述旋转式磁流变阻尼器包括箱体(21)、端盖(18)、固定盘(12)、第一旋转盘(10)、第二旋转盘(13)、转轴(7)，端盖(18)与箱体(21)固定连接，固定盘(12)固定连接在箱体(21)的环槽内，固定盘(12)的方形凹槽内缠绕有励磁线圈（11），固定盘(12)两侧分别置有第一旋转盘(10)和第二旋转盘(13)，第一旋转盘(10)和第二旋转盘(13)固定连接在转轴（7）上，固定盘(12)与第一旋转盘(10)、第二旋转盘(13)之间具有轴向间隙，第一旋转盘(10)、第二旋转盘(13)与箱体(21)之间具有轴向和径向间隙，所述间隙内填充有磁流变液；所述箱体(21)的外侧设有一圆柱形凸台(2101)，且凸台(2101)上开有通孔(2106)，所述通孔(2106)两端均设有轴承，用于支撑从所述通孔(2106)穿过的转轴(7)，在圆柱形凸台(2101)与箱体(21)之间设有四个加强肋板(2102)，用于提高装置的结构强度；箱体(21)的外侧与圆柱形凸台之间还设有发电机支架(2105)，箱体(21)的外端面开有四个圆形凹槽（2103），四个圆形凹槽（2103）与永磁直流发电机末端端盖在径向过渡配合连接；箱体(21)的上部开有用于注入磁流变液的圆柱形通孔，圆柱形通孔上用塞子（20）密封，所述塞子（20）上设有通孔，通孔中引入与固定盘上的励磁线圈（11）连接的导线。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置，其特征在于：所述永磁直流发电机(6)连接旋转式磁流变阻尼器，使永磁直流发电机(6)产生的电流供给旋转式磁流变阻尼器，使磁流变液阻尼器产生制动力矩,且制动力矩随人或重物的下降速度作相应变化，实现下降人或物体速度的自适应控制。

3.根据权利要求1所述的基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置，其特征在于：所述绞盘(3)上缠绕绳索，绳索一端固定在绞盘(3)中间圆柱位置上，绳索另一端连接有安全带，绞盘(3)与转轴(7)固定连接，绞盘(3)的外侧设有防滑垫片，绞盘(3)的内侧设有齿轮(301)，所述齿轮(301)与绞盘(3)为一体式结构，随绞盘(3)同步转动。

4.根据权利要求1所述的基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置，其特征在于：所述绞盘(3)的齿轮(301)与四个永磁直流发电机(6)转子头部齿轮啮合传动连接，并且具有满足旋转式磁流变阻尼器工作电流的传动比。

5.根据权利要求1所述的基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置，其特征在于：所述磁流变阻尼器中磁流变液的磁流变效应为毫秒级，具有快速的制动响应性能、平稳的缓降效果。

6.根据权利要求1所述的基于磁流变液阻尼器的高空缓降装置，其特征在于：所述固定盘(12)、第一旋转盘(10)和第二旋转盘(13)均为软铁磁性材料，所述箱体(21)、端盖(18)、转轴（7）均为非导磁材料，用于减少漏磁现象的发生，提高磁流变液的工作效率。