劉自范，于永民

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

高樓集體自主逃生裝置研究

劉自范，于永民

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

介紹了高樓集體自主逃生裝置的市場需求背景，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，分析了主要材料的性能．該裝置能實現(xiàn)高層建筑物人群在火災(zāi)第一時間內(nèi)從建筑物中自主、安全、快速逃離．它彌補了市場上逃生裝置的不足之處，能使消防人員盡快接近火點，應(yīng)用前景可觀．

高樓；集體；自主逃生；轉(zhuǎn)速穩(wěn)定器

據(jù)消防部門統(tǒng)計，僅在鄭州市區(qū)，24 m以上的高層建筑就有3 000余幢，但是消防部門最先進的登高車僅能達到54 m．因此，位于高層建筑物上層的居民在發(fā)生火災(zāi)、地震、恐怖行為、匪徒進攻等緊急情況被困后就會束手無策［1］．這就使得人們非常關(guān)注個人和家人在事故發(fā)生時，是否能夠安全快速地逃離出去．而目前的逃生裝置大多都是單人使用的，這就影響了在火災(zāi)發(fā)生第一時間內(nèi)可逃生的人數(shù)．且這些逃生裝置通常安全系數(shù)不高，但操控要求卻很高，這就使得老人、孩子等無法使用，也無法避免人們在著地過程中經(jīng)過下面著火層時可能受到二次傷害．因此，逃生裝置需要解決的問題，一是保證在緊急狀態(tài)下處于高層建筑物上層的人群，特別是幼兒、孕婦、老人和能夠自主移動的殘疾人等，盡可能多地在第一時間內(nèi)從建筑物中自主、安全、快速地逃離出去；二是能使前來滅火的消防人員盡快接近著火點而無建筑物高度的限制，從而不錯過滅火的黃金時間［2］．

大量試驗證明，建筑高度超過100 m的公共建筑，雖然已設(shè)有防煙樓梯間等安全疏散設(shè)施，但發(fā)生火災(zāi)時，樓內(nèi)人員卻很難迅速地疏散到地面［3］．從調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，盡管現(xiàn)在國內(nèi)存在幾種集體逃生設(shè)備，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、產(chǎn)品昂貴，且大多數(shù)針對人員密集型場合．針對以上問題，我們設(shè)計了一種高樓集體自主逃生裝置．

1 逃生裝置總體設(shè)計

本逃生裝置采用純機械方法實現(xiàn)，而且占用空間小，所以選擇容易疊合的桿機構(gòu)．本裝置包括可容納多人的逃生艙、繩索、滑輪、可伸縮桿、轉(zhuǎn)動速度穩(wěn)定器、光滑小鋼環(huán)、對心曲柄滑塊機構(gòu)、四桿機構(gòu)等，如圖1所示．下面介紹該裝置的主要組成部分．

圖1 高樓集體自主逃生裝置總體結(jié)構(gòu)圖

（1）逃生艙：發(fā)生緊急狀況時用于房間（住宅、賓館房間、辦公室、醫(yī)院病房等）疏散人員乘坐的帶有防火材料（防火布）的設(shè)施．

（2）可伸縮桿：依靠傾斜時的重力自動展開，借助它將逃生艙通過窗戶傳輸出去．

（3）初始鎖定器：在登艙結(jié)束前用于鎖定可伸縮桿，使其處于不可展開狀態(tài)．

（4）啟動套筒：釋放鎖死機構(gòu)，向上移動后，由于左邊重量較大，系統(tǒng)自動傾覆，轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)．

（5）對心曲柄滑塊機構(gòu)［4］：存放于房間內(nèi)，該機構(gòu)的曲柄上端用錨拴固定在樓層的天花板上，而滑道則固定在地面的樓板上．

（6）轉(zhuǎn)動速度穩(wěn)定器：通過滑輪上的繩索連接逃生艙，保證逃生艙以平穩(wěn)的速度下降，直至與地面接觸．

（7）光滑小鋼環(huán)：在逃生人員著地后，消防人員可利用其組成定滑輪，從而運載消防人員靠近受災(zāi)地點．

（8）其他導(dǎo)向機構(gòu)和承載桿．

本逃生裝置的上座和底座、轉(zhuǎn)動速度恒定器分別固定于天花板和地面．由于現(xiàn)代建筑物可以不設(shè)外墻，而用密封的窗孔代替，甚至不設(shè)內(nèi)墻，以擴大內(nèi)部使用空間，因此，逃生艙的支架只能固定在樓層之間的樓板上．本裝置約占1．4 m×1．2 m×3．0 m大的空間，可預(yù)先安裝和安放在衣柜、壁櫥或其他盒狀物內(nèi)，從而能充分利用空間，且不影響建筑物的美觀性和正常使用．

當(dāng)該裝置存放時，桿機構(gòu)折疊在一起，滑塊1與滑塊2皆位于下方．因逃生艙的內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)不影響伸縮桿擠壓其外部柔軟的防火布，所以逃生艙可位于如圖2所示位置．

圖2 自主逃生裝置存放時示意圖

啟動逃生裝置的具體方法為：啟動套筒上的手柄向上推，解開存放狀態(tài)的鎖死機構(gòu)，因左邊重量相對較大，系統(tǒng)力偶矩矢量和為正值，整體以拉力桿1和可伸縮桿的鉸接處為牽連點逆時針轉(zhuǎn)動；與此同時，滑塊2上滑，直至與擋板接觸而停止相對運動，隨后與拉力桿2在滑塊1的約束下共同斜向上運動；當(dāng)滑塊1與限位銷接觸后，系統(tǒng)停止轉(zhuǎn)動，進入工作狀態(tài)（即待登艙狀態(tài)）．當(dāng)逃生人員進入逃生艙并關(guān)上艙門后，其中一人拉動通過逃生艙上表面中心的小孔伸入其內(nèi)的啟鎖懸繩，初始鎖定器即打開，可伸縮桿因受到逃生艙巨大重力在欲運動方向上的分力而牽引各段自行展開，直到因相應(yīng)的位置限定卡的限位作用而逐段停止，此時逃生艙已伸出窗外到達預(yù)定地點（距離），如圖3所示．與此同時，與掛鉤相連的繩索張緊，使得掛鉤以其上端鉸接處為旋轉(zhuǎn)中心逆時針轉(zhuǎn)動，到達極限點時逃生艙上端與掛鉤脫離，逃生艙進入近似勻速下降狀態(tài)，逃生人員順利逃生．

圖3 自主逃生裝置工作后示意圖

當(dāng)逃生艙著地后，消防人員可以把儲繩盒里的繩子的末端由上而下從逃生艙上、下面的近似中心孔中穿過，此時，與逃生艙相連的繩索、可伸縮桿末端固定的滑輪2、光滑小鋼環(huán)和已伸開的儲繩盒里的繩子共同組成一個定滑輪系統(tǒng)，攜帶隨身器械的消防人員可在逃生艙里面拉動繩子隨逃生艙向上運動，直到接近著火點并實施救援．

其中速度恒定器采用的是摩擦式和流體阻尼式結(jié)合的方式．摩擦式速度恒定器通過齒輪加速，進而使得摩擦體因離心力作用于摩擦槽而降低轉(zhuǎn)速，但因為長時間的磨合，摩擦系數(shù)會有所改變，性能不太穩(wěn)定．而流體阻尼式速度恒定器是利用液體流動阻尼把人體勢能轉(zhuǎn)化成液體熱能，以達到降低速度的目的；其主要特點是由于液體阻尼的大小取決于外負載，所以不論人體質(zhì)量大小，逃生艙均能以比較恒定的速度（本設(shè)計下降速度為4 m／s）下降．2種方式相結(jié)合，不但能承受高負載，而且提高了逃生裝置的穩(wěn)定性，如圖4所示．

圖4 速度恒定器部分機構(gòu)圖

其中流體阻尼系統(tǒng)如圖5所示．

圖5 流體阻尼系統(tǒng)圖

在流體阻尼系統(tǒng)中，曲柄的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成活塞的直線運動，能量借助流體轉(zhuǎn)化為熱能和流體的動能．該系統(tǒng)有2個液缸，其位置呈90°角，如圖6所示．這樣的設(shè)計，既能減小單個液缸承受的負載，也可使液缸做得很小，同時也解決了曲柄在旋轉(zhuǎn)到極限位置時的速度波動．而加速部分的多級傳遞使輕微的速度波動大大化解，勻速效果更加明顯．

2 設(shè)計分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB5824－86，逃生艙按常用窗戶尺寸設(shè)計，如圖7所示．

一個逃生艙能夠容下4名成年人，每名成年人按75 kg計算，4人共300 kg．桿的材料選用45＃鋼，彎曲許用應(yīng)力［σ］＝100 MPa．伸縮桿的受力分析如圖8所示．

F2＝3000 N，由靜力平衡方程［5］求出F3、F4：

式中：F2—2點處的支反力，N；F3—3點處的支反力，N；F4—4點處的支反力，N．

3個支反力作用到截面上的彎矩分別是M2、M3、M4：

在3個支反力作用下伸縮桿上各點的彎矩分布如圖9所示．從圖9可知，3點處的彎矩最大．

圖9 伸縮桿彎矩圖

即M3點處為危險截面．對該點進行強度校核：式中：σ表示應(yīng)力；σ3表示3點處的實際應(yīng)力．

顯然，伸縮桿滿足強度要求，且有較大的安全儲備．

拉力桿1的受力分析如圖10所示．

圖10 拉力桿1受力分析

式中：F3x為F3沿拉力桿軸線的分力，N．

由以上分析可知，拉力桿1滿足強度要求．

用同樣方法對拉力桿2以及壓力桿進行受力計算：

式中：F4y為F4垂直于拉力桿2軸線的分力，N．

由以上分析可知，拉桿2滿足強度要求．

式中：F1為1點處所受的力，N；F1x為F1沿x方向所受的分力，N．

由以上分析可知，壓力桿滿足強度要求．

故得主要桿材料及尺寸如表1所示．

表1 主要桿材料及尺寸

3 結(jié) 語

本文設(shè)計的自主逃生裝置操控難度低，平穩(wěn)度高，具有一個容量很大的逃生艙，能較好地實現(xiàn)高樓層人群的集體自主逃生，解決了老人、孩子等的自主逃生問題．其純機械桿機構(gòu)不受停電的干擾，容易疊合，基本不占用建筑物空間，平時可儲存貴重物品．在火災(zāi)發(fā)生時，老人、孩子等可不依賴任何外界人員援助，第一時間內(nèi)自主安全逃生；逃生艙為防火材料，保障人們在使用時免受下層著火層的火災(zāi)傷害；消防人員可借助已經(jīng)著地的此裝置快速接近受災(zāi)點，無高度限制．它填補了市場的空白，成本較低，具有較高的應(yīng)用價值．

［1］盧兆明，陸君安，黃崇超，等．高層建筑火災(zāi)風(fēng)險綜合評估［C］／／．CSIAM第五屆年會論文集．北京：北京大學(xué)出版社，2000．

［2］本書編委會．中華人民共和國消防法實施與消防安全檢查實務(wù)全書［M］．北京：北京中體音像出版中心，2009．

［3］清華大學(xué)美國應(yīng)急平臺考察團．應(yīng)急救援特刊［EB／OL］．（2009－07－28）．http：／／wenku．baidu．com／view／e967f52ded630b1c 59eeb588．html．

［4］孫桓，陳作模，葛文杰．機械原理［M］．第7版．北京：高等教育出版社，2006．

［5］劉鴻文．材料力學(xué)［M］．第3版．北京：高等教育出版社，1992．

Research of the High－rise Collective Independent Escape Device

LIU Zi－fan，YU Yong－min
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

This paper introduces market demand background of this equipment．Overall project design of system is given，and performances of the primary materials are verified．When the fire occurs，the device guarantees crowd in upper high－rise buildings，particularly vulnerable groups，to enable the people as many as possible to independently，safely，quickly escape from building at the first time．It makes up the shortage of escape devices in the market，which allows firefighters to approach fire point as soon as possible，so the prospect of the application is very considerable．

tower；collective；independent escape；rotational speed stabilizer

TH122

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．02．020

1671－6906（2011）02－0074－05

2010－12－08

劉自范（1976－），男，河南寧陵人，工程師．