高楼自救逃生装置

第6卷第2期2010年6月三江学院学报JournalofSanjiangUniversityVol．6，No．2Jun．，2010收稿日期:2010-05-20作者简介:柳凤斌(1988－)，女，三江学院机械工程学院学生。研究方向:机械设计制造及自动化。宜沈平(1952－)，女，三江学院机械工程学院教师。研究方向:机械设计制造及自动化。高楼自救逃生装置柳凤斌，宜沈平(三江学院机械工程学院江苏南京210012)摘要:随着建筑高度的增加和日趋密集，建筑的安全隐患也越来越多。研发高楼自救逃生装置一直是备受关注的问题，很多人都致力于研究简单高效又便宜的逃生装置。本文从总体结构、作品创新和使用方法等方面，论述了新型高楼自救逃生装置的设计。该装置共有三个部分组成，即高楼下降装置、高楼出窗装置和多用车。该装置采用纯机械式结构，且结构简单，使用方便，安全可靠性高。关键词:高楼逃生;自救装置;技术创新中图分类号:TH128文献标识码:B文章编号:JS-S265(2010)02-0038-006一、引言随着建筑高度的增加和日趋密集，建筑的安全隐患也越来越多。即使在发达国家的高楼遇有火灾爆炸等事件时，虽上有救援直升飞机，下有救援云梯车，但因时间、空间等诸多因素的限制，仍难发挥理想的作用，屡屡造成伤亡。其中，震惊世界的美国“9．11事件”就是一例。美国9．11事件中几百名消防员丧生的原因之一就是不能及时有效地脱离现场［1］。因此，如果有在灾难发生时供受困者进行自救的设备，相信可以挽救很多生命。二、国内外研究概况研发高楼自救逃生装置一直是备受关注的问题，很多人都致力于研究简单高效又便宜的逃生装置。目前国内外高楼逃生器主要有以下几种形式:(1)包角加手控式［2］:该类逃生器通过增加钢丝绳与轮之间的包角，使得钢丝绳与钢丝轮之间的摩擦力增加。另外，再利用手控装置，进一步调节下降速度的快慢。(2)间歇冲击式:间歇冲击式逃生器是通过间歇冲击能来消耗能量［3］。(3)液体流动阻尼式:液体流动阻尼式是利用液体流动阻尼把人体势能转化成液体热能，以达降低速度的目的。其主要特点是由于液体阻尼的大小取决于外负载，所以不论人体质量的大小均能以比较恒定的速度下降。(一)国内研究成果国内目前的成果有:以基于弹簧的新型高楼逃生器、全自动不间断高楼自救逃生装置、离心摩擦式高楼安全逃生器、流动液体阻尼式高楼逃生器等为代表的专业学术人员的研究方案;还有以巧力夹高楼自救逃生装置、小学生发明的高楼逃生楼梯、老人发明的高楼逃生桌等为代表的普通群众百姓通过日常生活的经验累积而创造出的逃生自救方法。83(二)国外研究成果美国人凯文·斯通在9．11事件之后以鱼竿上的鱼线轮为基础设计了一款新型设备。其作用高度取决于绳索的长度。逃生者所要做的就是打开一个抽屉大小的容器，将钢索钩在一个坚固的物体或是连接点上(如门框合页)，然后他们只要钻进能适合各种身材人士的吊具，抓住绳子翻出窗外，沿着绳子到地面。通过对现有的国内外高楼自救逃生装置的分析发现，所有高楼下降装置都只注重逃生者从高楼到地面的这个过程从而忽略了逃生者从房间内到建筑物外墙的过程。另外，有一些高楼下降装置中需要将绳索一端固定在建筑物内某坚固物体上，但是如果当时现场的条件没有这个坚固物体怎么办?下降装置就无法施救了。三、高楼自救逃生装置(一)应用背景在高楼林立的现代化都市里，火灾频频发生，每次灾害的降临都会危及很多人的生命。那些在高楼大厦生活、工作、娱乐的城市居民一旦遭遇火灾，仅仅依靠消防队员的援救远远不够。如果没有一种简单有效的自救逃生工具，其后果将不堪设想。(二)方案描述本文设计的高楼自救逃生装置主要由三部分组成:高楼下降装置、高楼出窗装置和多用车。1逃生衣2八字环3防火绳图1高楼下降装置1．高楼下降装置高楼下降装置主要由防火绳、逃生衣、八字环、主锁等组成。主锁与防火绳的一端相连，并扣在出窗装置的主锁拉杆上，这样做可以保持建筑物的完整性，同时也避免了逃生时找不到挂主锁地方的情况。逃生衣可根据逃生者身材不同进行适当调节，其最大的特点是在下降过程中不会有绳子勒到身体的感觉。除此之外，逃生衣上的减震坐垫也能很好的起到减震作用，直至逃生者安全降落至地面都不会有不舒适的感觉。一般用逃生绳逃生的速度都不易调节，逃生是否成功依赖于逃生者的技巧。再次，我们利用八字环的减速特点很好地解决了这个问题。八字环使用方便，只要稍微用力拉紧下端的绳索就能停止下降动作。2．高楼出窗装置根据我们搜集到的资料显示，一般的高楼自救逃生装置并未专门设计“出窗工具”。因此，我们设计了高楼出窗装置。该装置结构简单，能很好的解决瘦小体弱的逃生者出窗困难的问题。该出窗装置不仅能提高出窗的安全性，减轻逃生者的心理压力，降低出窗难度，能有效提高逃生的成功率，而且提供了一个供高楼下降装置连接的连接点。图2出窗装置结构高楼出窗装置的结构如图2所示，它包括一个旋转短梯，一个导向滑轮，两个可卸式扶手，一根主锁拉杆，一个出窗架和一套锁紧机构。出窗架是连接窗内窗外的“迷你桥梁”，锁紧机构与出窗架的配合使整个出窗装置在使用过程中不会发生位移，并能适应93第2期宜沈平，柳凤斌:高楼自救逃生装置第6卷不同厚度的墙体。扶手的作用是让逃生者在出窗时有一个着力点，也在逃生者转身过程中起保护作用。主锁拉杆可供下降装置绳索一端固定连接。导向滑轮是为了固定绳索，限制其左右滑动，减少磨损，在回收绳索的时候还能增快回收速度。旋转短梯下连接一段1m长的绳梯，两截梯子的组合是为了使逃生者在脱离出窗装置做下降动作之前做好充分准备，提高逃生的成功几率。3．多用车在初始状态时，多用车起存储物品的作用。将高楼下降装置和高楼出窗装置都收放于多用车内，这样可以使两者都规则有序。其次，高楼出窗装置需要架到窗台上，瘦弱矮小者无法顺利完成这个动作。有了多用车内的翻转架，则可轻松翻转出窗装置并将其安放到位，省时省力。最后，在逃生者下降时，出窗装置与多用车连为一体，多用车的自身重量可以保护逃生者实现顺利下降。此时，多用车还能起配重作用。图3高楼自救逃生装置内部图(三)设计与制作1．设计过程整套高楼自救逃生装置的设计都是围绕如何保证逃生者安全逃离危险地带，降低逃生者的心理害怕程度，以及保护其在逃生过程中不受或少受伤害而展开的。目前国内外用得最多的逃生器材是各式各样的消防梯和逃生绳，消防梯的优点是使用安全、可靠、结构简单、使用寿命长，缺点是使用高度受限制且使用不够方便。而逃生绳的优点是安全性好，其作用高度取决于绳索的长度，灵活性强，缺点是速度不可调节，逃生是否成功依赖于逃生者的技巧。通过对这两种逃生器材的比较，我们综合利用了他们的优点。选择逃生绳作为下降器材，并选定了简单实用的八字环作为速度控制器。八字环的体积小，没有复杂的机械结构，在使用时也不会出现机械故障，更重要的是它的限速功能显著。只要轻轻一拉八字环下端的绳索即可停止整个下降动作，效果立竿见影。在高楼出窗装置的旋转短梯处连接了一段绳梯，这样逃生者在脱离出窗装置开始下降那一瞬间不会因为冲击力过大而碰到墙体。设计逃生衣的目的是让逃生者更容易实现逃生，降低其心理害怕程度，也让其在整个下降过程感觉更加舒适。逃生衣的主要特点有:(1)在逃生衣的肩带、腰带等处都设置了调节扣，可以适应各种不同身材的人群;(2)采用缓冲减震坐垫，使受力集中在臀部，此外在落地时，减震坐垫还可起到保护作用;(3)使用保险绳，在腰间两侧固定，保证了逃生者身体的平衡，并将臀部的部分受力分解至肩部和背部，使身体更加舒适。出窗装置则是基于对目前国内外高楼逃生器材的研究而设计的一种高楼逃生辅助装置。逃生者通过高楼出窗装置可降低出窗难度;可提高出窗的安全性;可减轻逃生者的心理压力;可有效提高逃生的成功率。以下是出窗装置主要受力零件的强度校核:根据出窗装置的结构，选择出窗装置上两根受力最大的杆件进行校核，即主锁拉杆和旋转短梯处的旋转轴。以下是对这两个杆件的具体分析计算:假设逃生者体重为100kg，有实验得出初始速度V0为2。则人在脱离出窗装置时刻的加速度a=v0t=20．4=5m/s21．1主锁拉杆的强度校核:主锁拉杆是一根直径为22，壁厚为3，长度为240mm的钢管，两端焊接连接。其材料04第2期三江学院学报第6卷是Q235。(1)外力分析由动静法T－mg－ma=0得:主锁拉杆所受拉力T=mg+ma=100×(9．8+5)=1480N(2)内力分析由杆件焊接连接特点，可将主锁拉杆简化为一根简支梁:在拉杆中心处所受最大弯矩Mmax=14TL=14×1480×0．24=88．8N·m抗弯截面模量Wz=πD3321－d()D[]4=3．14×(0．022)3321－16()22[]4=7．67×10－7m3(3)应力分析主锁拉杆所受最大正应力σmax=MmaxWz=88．87．67×10－7=115．7Mpa(4)强度校核极限应力σs=235Mpa取安全系数n=2σmax＜［σ］=σsn=2352=117．5Mpa通过校核，证明主锁拉杆的强度符合要求。1．2旋转短梯旋转轴的强度校核:旋转轴是一根直径为22，壁厚为5，长度为400mm的钢管，其材料是45钢。因为旋转轴空套在两根长度均为150mm的套管内，所以其实际作用长度为150mm。(1)外力分析旋转轴所受的力F=T2+T2+2T2cos90槡°=T=槡2×1480=2092．7N(2)内力分析由杆件焊接连接特点，可将旋转轴简化为一根简支梁:在旋转轴中心处最大弯矩Mmax=14FL=14×2092．7×0．25=130．79N·m抗弯截面模量Wz=πD3321－d()D[]4=3．14×(0．022)3321－14()22[]4=8．9×10－7m3(3)应力分析旋转轴所受最大正应力σmax=MmaxWz=130．798．9×10－7=146．96Mpa(4)强度校核45钢的极限应力σs=335Mpa取安全系数n=2σmax＜［σ］=σsn=3352=167．5Mpa通过校核，证明旋转轴的强度符合要求。通过以上计算证明，出窗装置两个薄弱地方的强度满足要求，即可证明高楼出窗装置是安全的。2．制作过程14第2期宜沈平，柳凤斌:高楼自救逃生装置第6卷整套高楼自救逃生装置中，除了高楼下降装置中的逃生衣是找专门厂家定制的，八字环、防火绳、防火毯、高楼出窗装置中的绳梯是外购的之外，其余的都是我们自己加工制作的。高楼出窗装置和多用车的材料都选用了普通的角钢、槽钢、圆管、方管等。由于学校加工条件有限，为了更好地完成制作，我们去了一家机械厂进行加工制作。所有零件的加工都是从下料开始的，根据图纸，将所需要的材料都准备齐全，然后开始进行零件的加工。我们所采用的加工方式主要以钳工、焊接和机加工为主。由于高楼出窗装置和多用车的结构都很简单，并没有复杂的机构，所以制作中没有遇到大的问题。两种机构的制作都是按照下料→零件加工(以钳工、机加工为主)→部件制作(以焊接为主)→装配→调试这个流程进行的。高楼出窗装置有旋转短梯、支撑梯两个部件。在制作时先用焊接的方法将这两个部件加工完成。其次是踏板的制作，踏板上要割槽、钻孔，还要焊接扶手套管和螺母。先用画针画出要割掉的槽的位置及形状，用样冲打出钻孔的中心点。再用铣床加工踏板上的槽，用钻床钻孔。然后用焊接的方法将螺母与扶手套管焊接在固定位置。踏板制作完成之后将支撑梯与踏板焊起来，要保证两者之间的垂直度。最后是旋转短梯与踏板的连接。加工完成之后要检验旋转短梯是否能在我们需要的角度内旋转。多用车的制作难点在于两道导滑槽，不仅要保证两道槽与水平面的垂直度，还要保证这两根槽钢安装到小车上之后两道槽的中心线在同一平面内。其次是车底部连接轮子的两根槽钢的钻孔问题，安装同一个轮子的四个小孔之间的相对位置要保证好，不然轮子可能装不上去。这就要求在用样冲打钻孔中心点的时候就要保证小孔的位置精度。(四)特色及创新本高楼自救逃生装置是一种在高楼发生火灾等紧急情况时使用的免动力的逃生装置，其结构简单，使用方便，安全可靠，并能实现多次救人。高楼下降装置采用了防火绳，防火毯等防火材料制作，下降时采用八字环