高楼集体自主逃生装置研究

刘自范，于永民

（中原工学院，郑州450007）

高楼集体自主逃生装置研究

刘自范，于永民

（中原工学院，郑州450007）

介绍了高楼集体自主逃生装置的市场需求背景，给出了系统的总体设计方案，分析了主要材料的性能．该装置能实现高层建筑物人群在火灾第一时间内从建筑物中自主、安全、快速逃离．它弥补了市场上逃生装置的不足之处，能使消防人员尽快接近火点，应用前景可观．

高楼；集体；自主逃生；转速稳定器

据消防部门统计，仅在郑州市区，24 m以上的高层建筑就有3 000余幢，但是消防部门最先进的登高车仅能达到54 m．因此，位于高层建筑物上层的居民在发生火灾、地震、恐怖行为、匪徒进攻等紧急情况被困后就会束手无策［1］．这就使得人们非常关注个人和家人在事故发生时，是否能够安全快速地逃离出去．而目前的逃生装置大多都是单人使用的，这就影响了在火灾发生第一时间内可逃生的人数．且这些逃生装置通常安全系数不高，但操控要求却很高，这就使得老人、孩子等无法使用，也无法避免人们在着地过程中经过下面着火层时可能受到二次伤害．因此，逃生装置需要解决的问题，一是保证在紧急状态下处于高层建筑物上层的人群，特别是幼儿、孕妇、老人和能够自主移动的残疾人等，尽可能多地在第一时间内从建筑物中自主、安全、快速地逃离出去；二是能使前来灭火的消防人员尽快接近着火点而无建筑物高度的限制，从而不错过灭火的黄金时间［2］．

大量试验证明，建筑高度超过100 m的公共建筑，虽然已设有防烟楼梯间等安全疏散设施，但发生火灾时，楼内人员却很难迅速地疏散到地面［3］．从调查中发现，尽管现在国内存在几种集体逃生设备，但是结构复杂、产品昂贵，且大多数针对人员密集型场合．针对以上问题，我们设计了一种高楼集体自主逃生装置．

1 逃生装置总体设计

本逃生装置采用纯机械方法实现，而且占用空间小，所以选择容易叠合的杆机构．本装置包括可容纳多人的逃生舱、绳索、滑轮、可伸缩杆、转动速度稳定器、光滑小钢环、对心曲柄滑块机构、四杆机构等，如图1所示．下面介绍该装置的主要组成部分．

图1 高楼集体自主逃生装置总体结构图

（1）逃生舱：发生紧急状况时用于房间（住宅、宾馆房间、办公室、医院病房等）疏散人员乘坐的带有防火材料（防火布）的设施．

（2）可伸缩杆：依靠倾斜时的重力自动展开，借助它将逃生舱通过窗户传输出去．

（3）初始锁定器：在登舱结束前用于锁定可伸缩杆，使其处于不可展开状态．

（4）启动套筒：释放锁死机构，向上移动后，由于左边重量较大，系统自动倾覆，转到工作状态．

（5）对心曲柄滑块机构［4］：存放于房间内，该机构的曲柄上端用锚拴固定在楼层的天花板上，而滑道则固定在地面的楼板上．

（6）转动速度稳定器：通过滑轮上的绳索连接逃生舱，保证逃生舱以平稳的速度下降，直至与地面接触．

（7）光滑小钢环：在逃生人员着地后，消防人员可利用其组成定滑轮，从而运载消防人员靠近受灾地点．

（8）其他导向机构和承载杆．

本逃生装置的上座和底座、转动速度恒定器分别固定于天花板和地面．由于现代建筑物可以不设外墙，而用密封的窗孔代替，甚至不设内墙，以扩大内部使用空间，因此，逃生舱的支架只能固定在楼层之间的楼板上．本装置约占1．4 m×1．2 m×3．0 m大的空间，可预先安装和安放在衣柜、壁橱或其他盒状物内，从而能充分利用空间，且不影响建筑物的美观性和正常使用．

当该装置存放时，杆机构折叠在一起，滑块1与滑块2皆位于下方．因逃生舱的内部骨架结构不影响伸缩杆挤压其外部柔软的防火布，所以逃生舱可位于如图2所示位置．

图2 自主逃生装置存放时示意图

启动逃生装置的具体方法为：启动套筒上的手柄向上推，解开存放状态的锁死机构，因左边重量相对较大，系统力偶矩矢量和为正值，整体以拉力杆1和可伸缩杆的铰接处为牵连点逆时针转动；与此同时，滑块2上滑，直至与挡板接触而停止相对运动，随后与拉力杆2在滑块1的约束下共同斜向上运动；当滑块1与限位销接触后，系统停止转动，进入工作状态（即待登舱状态）．当逃生人员进入逃生舱并关上舱门后，其中一人拉动通过逃生舱上表面中心的小孔伸入其内的启锁悬绳，初始锁定器即打开，可伸缩杆因受到逃生舱巨大重力在欲运动方向上的分力而牵引各段自行展开，直到因相应的位置限定卡的限位作用而逐段停止，此时逃生舱已伸出窗外到达预定地点（距离），如图3所示．与此同时，与挂钩相连的绳索张紧，使得挂钩以其上端铰接处为旋转中心逆时针转动，到达极限点时逃生舱上端与挂钩脱离，逃生舱进入近似匀速下降状态，逃生人员顺利逃生．

图3 自主逃生装置工作后示意图

当逃生舱着地后，消防人员可以把储绳盒里的绳子的末端由上而下从逃生舱上、下面的近似中心孔中穿过，此时，与逃生舱相连的绳索、可伸缩杆末端固定的滑轮2、光滑小钢环和已伸开的储绳盒里的绳子共同组成一个定滑轮系统，携带随身器械的消防人员可在逃生舱里面拉动绳子随逃生舱向上运动，直到接近着火点并实施救援．

其中速度恒定器采用的是摩擦式和流体阻尼式结合的方式．摩擦式速度恒定器通过齿轮加速，进而使得摩擦体因离心力作用于摩擦槽而降低转速，但因为长时间的磨合，摩擦系数会有所改变，性能不太稳定．而流体阻尼式速度恒定器是利用液体流动阻尼把人体势能转化成液体热能，以达到降低速度的目的；其主要特点是由于液体阻尼的大小取决于外负载，所以不论人体质量大小，逃生舱均能以比较恒定的速度（本设计下降速度为4 m／s）下降．2种方式相结合，不但能承受高负载，而且提高了逃生装置的稳定性，如图4所示．

图4 速度恒定器部分机构图

其中流体阻尼系统如图5所示．

图5 流体阻尼系统图

在流体阻尼系统中，曲柄的旋转运动转变成活塞的直线运动，能量借助流体转化为热能和流体的动能．该系统有2个液缸，其位置呈90°角，如图6所示．这样的设计，既能减小单个液缸承受的负载，也可使液缸做得很小，同时也解决了曲柄在旋转到极限位置时的速度波动．而加速部分的多级传递使轻微的速度波动大大化解，匀速效果更加明显．

2 设计分析

根据国家标准GB5824－86，逃生舱按常用窗户尺寸设计，如图7所示．

一个逃生舱能够容下4名成年人，每名成年人按75 kg计算，4人共300 kg．杆的材料选用45＃钢，弯曲许用应力［σ］＝100 MPa．伸缩杆的受力分析如图8所示．

F2＝3000 N，由静力平衡方程［5］求出F3、F4：

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

3个支反力作用到截面上的弯矩分别是M2、M3、M4：

在3个支反力作用下伸缩杆上各点的弯矩分布如图9所示．从图9可知，3点处的弯矩最大．

图9 伸缩杆弯矩图

即M3点处为危险截面．对该点进行强度校核：式中：σ表示应力；σ3表示3点处的实际应力．

显然，伸缩杆满足强度要求，且有较大的安全储备．

拉力杆1的受力分析如图10所示．

图10 拉力杆1受力分析

式中：F3x为F3沿拉力杆轴线的分力，N．

由以上分析可知，拉力杆1满足强度要求．

用同样方法对拉力杆2以及压力杆进行受力计算：

式中：F4y为F4垂直于拉力杆2轴线的分力，N．

由以上分析可知，拉杆2满足强度要求．

式中：F1为1点处所受的力，N；F1x为F1沿x方向所受的分力，N．

由以上分析可知，压力杆满足强度要求．

故得主要杆材料及尺寸如表1所示．

表1 主要杆材料及尺寸

3 结 语

本文设计的自主逃生装置操控难度低，平稳度高，具有一个容量很大的逃生舱，能较好地实现高楼层人群的集体自主逃生，解决了老人、孩子等的自主逃生问题．其纯机械杆机构不受停电的干扰，容易叠合，基本不占用建筑物空间，平时可储存贵重物品．在火灾发生时，老人、孩子等可不依赖任何外界人员援助，第一时间内自主安全逃生；逃生舱为防火材料，保障人们在使用时免受下层着火层的火灾伤害；消防人员可借助已经着地的此装置快速接近受灾点，无高度限制．它填补了市场的空白，成本较低，具有较高的应用价值．

［1］卢兆明，陆君安，黄崇超，等．高层建筑火灾风险综合评估［C］／／．CSIAM第五届年会论文集．北京：北京大学出版社，2000．

［2］本书编委会．中华人民共和国消防法实施与消防安全检查实务全书［M］．北京：北京中体音像出版中心，2009．

［3］清华大学美国应急平台考察团．应急救援特刊［EB／OL］．（2009－07－28）．http：／／wenku．baidu．com／view／e967f52ded630b1c 59eeb588．html．

［4］孙桓，陈作模，葛文杰．机械原理［M］．第7版．北京：高等教育出版社，2006．

［5］刘鸿文．材料力学［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

刘自范（1976－），男，河南宁陵人，工程师．