朱紹勝，馬憲亭

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安223003）

一種高樓緩降逃生器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

朱紹勝，馬憲亭

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安223003）

根據(jù)機(jī)械摩擦原理和歐拉原理設(shè)計(jì)了應(yīng)對(duì)高樓火災(zāi)等危險(xiǎn)的應(yīng)急逃生工具，使用時(shí)快速固定到陽(yáng)臺(tái)上，逃生者系好安全帶，站立于逃生器內(nèi)，手動(dòng)操作操縱桿，拉動(dòng)繩索使吊籃下降至地面，即可逃生。

機(jī)械設(shè)計(jì)；高樓火災(zāi)；逃生器

近些年，隨著國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)步伐日益加快，各類高層建筑不斷增多，它們結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣、人員密集，安全隱患相對(duì)較多，火災(zāi)危險(xiǎn)性也隨之增加，一旦發(fā)生火災(zāi)將難以控制和逃離。高樓火災(zāi)目前已經(jīng)成為威脅人民群眾生命安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)害。有數(shù)據(jù)表明，2015年全國(guó)共發(fā)生重大火災(zāi)事故63起，造成234人死亡，114人受傷，直接造成財(cái)產(chǎn)損失2.5億元。和樓房相關(guān)的火災(zāi)主要有：廣東惠州義烏小商品批發(fā)市場(chǎng)火災(zāi)事故，共造成17人死亡，4人受傷，其中1人重傷；河南鄭州市金水區(qū)居民樓火災(zāi)，火災(zāi)共造成13人死亡、4人受傷；河南魯山康樂(lè)園老年公寓火災(zāi)，火災(zāi)共造成38人死亡，6人受傷。然而，現(xiàn)有消防救援的裝備能力與高樓的發(fā)展嚴(yán)重失衡，高樓火災(zāi)救援手段往往不能適應(yīng)高樓的建設(shè)發(fā)展。我國(guó)主要將消防水罐車作為消防裝備滅火，但是其噴水遠(yuǎn)射能力僅為8層樓高；消防云梯車則是登高救援的裝備，其舉高救援能力約為50 m，高度相當(dāng)于高層樓房的十五層，如果發(fā)生更高樓層的火災(zāi)，這些消防救援裝備也是無(wú)能為力。同時(shí)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)即便是使用這些裝備，也往往因?yàn)檫@些裝備機(jī)動(dòng)性差、體積龐大和受建筑周邊障礙影響等諸多因素，不能快速發(fā)揮應(yīng)有的作用，從而出現(xiàn)局面失控，消防人員毫無(wú)辦法，隨著火勢(shì)的進(jìn)一步蔓延，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的慘劇。

無(wú)數(shù)高樓火災(zāi)案例表明，提高高樓火災(zāi)防范能力和有效救援與逃生已成為消防部門(mén)和全社會(huì)高度關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題。

因此，選擇自救逃生是遇險(xiǎn)者首先考慮的問(wèn)題，配備必要的逃生器械是非常重要的。

國(guó)內(nèi)外高空逃生器可謂種類繁多，原理各異，其基本原理都是利用緩降器、鋼絲繩、可控器等控制逃生器緩慢下降，達(dá)到下降的目的。共同點(diǎn)基本都是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操控繁瑣、預(yù)先安裝、價(jià)格高。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于高樓逃生器的研究與發(fā)明，主要有以下幾種：

（1）救生氣墊：消防救生氣墊是救助從高處逃生的遇險(xiǎn)人員的充氣軟墊，是消防救生和空中作業(yè)人員人身保護(hù)的安全設(shè)備，它可減少下跳人員在著地時(shí)所受到的沖擊，起到緩沖和保護(hù)作用。但其應(yīng)用高度有限，若使用不當(dāng)，容易誘導(dǎo)跳樓。

（2）緩降器：此類裝備主要用于單人操作，由安全鉤、安全帶、調(diào)速器、鋼絲繩等結(jié)構(gòu)組成，承載能力為100 kg以內(nèi)的單個(gè)人員，使用時(shí)無(wú)需動(dòng)力，安全緩降被困人員到達(dá)地面。該類逃生器的原理主要是增加鋼絲繩與輪鋼絲之間的包角，增加兩者之間的摩擦力。使用時(shí)徒手操作設(shè)備，調(diào)節(jié)下降速度的快慢。

（3）逃生軟梯：逃生軟梯是一種用于營(yíng)救和撤離火場(chǎng)被困人員的移動(dòng)式梯子，可收藏在包裝袋內(nèi)，在樓房建筑物發(fā)生火災(zāi)或意外事故時(shí)，樓梯通道被封閉的危急情況下，是進(jìn)行救生用的有效工具。使用逃生軟梯時(shí)，根據(jù)樓層高度和實(shí)際需要選擇主梯或加掛副梯。將窗戶打開(kāi)后，把掛鉤安放在窗臺(tái)上，同時(shí)要把兩只安全鉤掛在附近牢固的物體上，然后將軟梯向窗外垂放，即可使用。一般的逃生軟梯主梯長(zhǎng)15 m，重量小于15 kg，荷載1 000 kg，最多可載8人。

（4）逃生滑道：逃生滑道是一種內(nèi)部緩慢滑降的逃生用具，適用于許多人從高處順序滑下，其在外層防火并有反光條、中層抗熱輻射隔煙、內(nèi)層導(dǎo)滑，每層均為高抗拉力并經(jīng)靜電處理的布做成，內(nèi)層具有松緊性，讓人的身體經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生一定的阻力緩沖，約以每米一秒的速度安全降下。逃生者以等速緩慢下降，即使有兩位逃生者碰撞亦不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，適于連續(xù)逃生。

綜合分析上面幾種逃生器，一個(gè)優(yōu)良的逃生裝備應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定快速、安全方便、易于操作、可以重復(fù)使用等特點(diǎn)。根據(jù)以上研究，本文設(shè)計(jì)出一種高樓緩降逃生器，此裝置符合高樓逃生裝備的基本要求，同時(shí)創(chuàng)新使用滑輪組和輪，通過(guò)改變摩擦力的大小，具有速度調(diào)節(jié)功能。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、方便、成本低，非常適合于家庭應(yīng)急逃生。

1 高樓緩降逃生器的工作原理

1.1 工作原理

本設(shè)計(jì)主要依據(jù)機(jī)械摩擦學(xué)相關(guān)原理和歐拉韁繩理論（滾輪與繩索圍包角之間的大小可以影響摩擦力的大?。﹣?lái)完成，屬機(jī)械裝置。需要逃生時(shí)，將該裝置快速固定到陽(yáng)臺(tái)上，逃生者系好安全帶，手持操縱桿，站立于逃生器內(nèi)。用手控制鎖放器，一邊下降一邊調(diào)整合適下降速度，從而實(shí)現(xiàn)緩慢下降或者快速下降。如果發(fā)生特殊的情況，可以操作操縱桿并放置于緊急制動(dòng)檔位，這時(shí)可使逃生器緊急懸停于空中，保證受困人員安全。當(dāng)逃生結(jié)束后，打開(kāi)繩的一端，拉動(dòng)繩索使吊籃上升，另一逃生者重復(fù)使用，即可逃生。

1.2 結(jié)構(gòu)原理

逃生器設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高樓緩降逃生器原理圖

此裝置尺寸：支架1長(zhǎng)60 cm，寬50 cm，采用三角支撐形式；吊籃分為兩種：一種是人坐在籃子里面的，籃高100 cm，還有一種是人站在上面的，高180 cm.橢圓護(hù)欄a為25 cm，b為17.5 cm；控制軸4長(zhǎng)53 cm；能使逃生速度控制在4 m/s左右；裝置采用直徑為3mm的鋼絲繩環(huán)繞在控制軸上，根據(jù)樓房高度需要選擇繩子長(zhǎng)度，繩子長(zhǎng)度可以達(dá)到100 m，共三股100 m繩繞在控制軸1上，三股繩分別位于擋繩輪6之間，且中間一股繩與兩邊繞繩的纏繞方向必須要相反。

多人往復(fù)循環(huán)使用功能可以保證許多受困人員的生命安全，裝置具有簡(jiǎn)單而緊湊的結(jié)構(gòu)，下降至地面前卻可以減速降落，效果較好。此逃生器，體積適中，重量輕，可以實(shí)現(xiàn)緊急狀態(tài)下脫離危險(xiǎn)環(huán)境。能滿足10層左右的居民樓、商場(chǎng)、學(xué)校樓使用。

逃生器模型照片見(jiàn)圖2、圖3和圖4所示。

圖2 逃生器總體布置圖

圖3 逃生器定滑輪及支撐裝置

圖4 逃生器手控減速裝置

1.3逃生器使用方法

（1）如圖3所示，在使用緩降逃生器前，將100m長(zhǎng)的繩子環(huán)繞在控制軸4上，同時(shí)注意環(huán)繞方向，手動(dòng)剎死摩擦輪，使用固定裝置將支架1固定在陽(yáng)臺(tái)外面的護(hù)欄上。

（2）受困人員進(jìn)入緩降逃生器中，手動(dòng)操作控制手柄，使摩擦輪5放開(kāi)，因?yàn)槿梭w的重量產(chǎn)生重力，控制軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，繞在其上面的繩子被釋放，吊籃7和受困人員開(kāi)始一起下降。這個(gè)過(guò)程中，可以手動(dòng)操作控制手柄，改變剎皮與摩擦輪5之間的間隙，從而改變兩者之間的摩擦力大小，相應(yīng)改變控制軸4的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)緩慢下降或者快速下降；若遇特殊情況，亦可置操縱桿于緊急制動(dòng)器檔位，手動(dòng)剎死摩擦輪，吊籃7可以緊急懸停于空中，保證人員安全。

（3）隨著控制軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，吊籃7和受困人員的下降，上升控制繩8自動(dòng)環(huán)繞在控制軸上并收起。待第一位受困人員降落至地面后，上升控制繩8環(huán)繞在控制軸上的長(zhǎng)度與所在樓層高度正好相等，這時(shí)，已落地的人員可拉動(dòng)上升控制繩8，因?yàn)榛喗M上繩索的纏繞方向與上升控制繩8相反，上升控制繩8被拉長(zhǎng)，滑輪組繩被重新纏繞在控制軸4上，長(zhǎng)度縮短，吊籃7上升，待上升到起始安裝位置時(shí)，第二位逃生者即可使用，如此循環(huán)往復(fù)，可使多位受困人員脫險(xiǎn)。

（4）緩降逃生器使用完后，收拾固定好繩索。如果滑輪組繩處于收起狀態(tài)，上升控制繩8處于釋放狀態(tài)，此時(shí)需解開(kāi)滑輪上方的繩結(jié)，將滑輪繩纏繞在控制軸4上并固定，不能松動(dòng)，然后旋轉(zhuǎn)控制軸4，重新環(huán)繞上升控制繩8于控制軸4上。如果上升控制繩8處于收起狀態(tài)，滑輪組繩處于釋放狀態(tài)，此時(shí)需先環(huán)繞上升控制繩8并固定，不能松動(dòng)，然后旋轉(zhuǎn)控制軸4，重新環(huán)繞滑輪組繩于控制軸4上。

2 高樓緩降逃生器的參數(shù)計(jì)算

原始資料：

人的重量100 kg，G＝mg＝100×10＝1000 N

2.1 支架橫梁受力計(jì)算

支架橫梁受力圖如圖5所示。

圖5 支架橫梁受力分析圖

∑m（b）＝g/2×0.25-Fy2×0.35＝0

Fy2＝357 N

∑m（c）＝g/2×0.6-Fy1×0.35＝0

Fy1＝857 N

選用2號(hào)角鐵，Wz＝290 mm2，截面積為1.132 ×100 mm2

σmax=Mmax/Wz=125/290=0.43 MPa，符合使用要求。

F壓＝G/2×cosa＝500×4/5＝400 N

σmax＝N/A＝400/113.2＝3.5 MPa，滿足使用要求。

2.2 墊片（即定滑輪9兩側(cè)擋鐵）受力計(jì)算

墊片選用45#鋼，許用應(yīng)力90 MPa.

τ=Q/A=500/3×60×cos45°＝3.93 MPa，滿足使用要求。

2.3 吊籃豎梁的受力分析

材料為45#鋼，許用應(yīng)力為90 MPa，直徑為10 mm.

σmax＝N/A＝（G/2+F）/A＝725/3.14×25＝9.24 MPa，符合要求。

2.4 吊籃橫梁的受力分析

吊籃橫梁的受力分析圖見(jiàn)圖6.

圖6 吊籃橫梁的受力分析圖

σmax=Mmax/Wz=125×32/πd3=1.3 MPa，材料滿足要求。

2.5 控制軸的受力分析[1]

控制軸的受力分析見(jiàn)圖7所示。

圖7 控制軸的受力分析圖

軸的直徑取25 mm，則繩的拉力F=1/4G=250 N；

2.5.1 軸的彎曲強(qiáng)度校核

σmax=Mmax/Wz=32.5/πd3=0.5 MPa，符合使用要求。

2.5.2 軸的扭矩校核

功率：P=FV=500×4=2000 W=2kW

轉(zhuǎn)速：V=πdn/1000=3.14×0.06n/1000=4 m/s

n≈335 r/min

T=9 550×P/n=9 550×2/355=53.8 Nm

式中，T為扭矩（Nm）；P為軸所傳遞的功率（kW）；n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）.

τ=T/Wp=53.8/0.2d3

=53.8/0.2×253=0.017 MPa

符合使用要求。

2.6 鋼繩的選擇[2]

選擇3 mm的鋼絲繩，其最小破斷力為5.58 kN，符合使用要求。

3 高樓緩降逃生器設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)

總結(jié)以往逃生器的不足，經(jīng)過(guò)多方面的改進(jìn)與完善，設(shè)計(jì)了新的高樓緩降逃生器，該方案的特點(diǎn)主要有：

（1）調(diào)速方便。改變了傳統(tǒng)緩降機(jī)構(gòu)的笨重，逃生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕巧，不笨重。安裝方便，操作簡(jiǎn)單。整個(gè)過(guò)程耗時(shí)短，一般五分鐘就可搞定。該裝置在逃生者下降的過(guò)程中手動(dòng)操作控制桿，非常方便地調(diào)節(jié)下降速度，應(yīng)用自如。

（2）裝置勻速下滑的最快速度可達(dá)4 m/s.裝置中的帶式阻尼系統(tǒng)，可以緩慢改變下降速度，同時(shí)具有緩沖作用，而且，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，任何人使用時(shí)都可以使下滑速度勻速保持在4 m/s.

（3）落地前緩沖，保證安全。該裝置的手控減速裝置，可以使受困人員在落地前10 m減速，將速度從4 m/s逐漸減到0 m/s，剎車系數(shù)高，性能可靠。安全系數(shù)高，制動(dòng)效果好。

（4）往復(fù)式升降，滿足多人使用。該裝置特有的往復(fù)拉繩機(jī)構(gòu)，能滿足多人循環(huán)使用。繩子的長(zhǎng)度可根據(jù)樓層的高低進(jìn)行選擇。

（5）適用于人群廣，坐式籃12歲以上兒童可使用，站式籃，身高1.5~1.8 m，體重100 kg以下的成人均可使用。

（6）逃生器成本低廉，加工成本低，費(fèi)用不高，適合大眾購(gòu)買。逃生器有兩種規(guī)格，坐式和站式兩種可供選擇，適合人群廣。

[1]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]編寫(xiě)組．鋼絲及鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

Innovative Design of High-Rise Buildings Slow Drop Escape Device

ZHU Shao-sheng，MA Xian-ting
（Huaian College of Information Technology，Huaian Jiangsu 223003，China）

According to the principle of mechanical friction and the Euler principle，the emergency escape tool to deal with high-rise fire and other dangerous is designed.When using，use a quick fix to the balcony，survivor fasten safety belt，stand in an escape device，operate control lever by hand，the basket is pulled the rope down to the ground，and you are saved.

machine design；high-rise fire；escape device

TH122

B

1672-545X（2016）11-0105-04

2016-08-18

朱紹勝（1975-），男，江蘇淮安人，副教授，主要從事金屬切削加工、先進(jìn)制造技術(shù)的教學(xué)與科研工作。