一种可控速高层逃生装置的设计

□蔡汉明 □常瑞鹏

青岛科技大学机电工程学院 山东青岛 266061

高层楼房发生火灾等灾害时，人们从楼道成功逃生的机会并不多，即使能逃生，也时常发生踩踏事件。目前，国内外现有的高层逃生装置主要为机械电动式、往复式等，存在体积质量较大、需要动力、安装困难和适应高度有限等缺陷[1-3]。针对这一现状，笔者基于摩擦原理，设计了一种可控速高层逃生装置，可以使人们直接从阳台或窗户逃生。这一装置具有结构简单可靠、无需动力、操作便捷、质量轻、体积小、安装方便和不受高度限制等优点。

1 结构组成

可控速高层逃生装置结构如图1所示[4-5]。人系上安全带或坐在安全篮里，安全带或安全篮的搭扣锁在U形吊环的承重螺杆上，这样人便可以在重力的作用下安全、匀速地滑落到地面。装置主体包括承重螺杆、U形吊环、控速环、滚花螺母、定位板、控速操纵杆和控制板等部件。U形吊环焊接于定位板上，定位板通过销轴与控制板连接，拨动控速操纵杆可以改变定位板与控制板之间的相对位置。定位板结构如图2所示。

2 工作原理

可控速高层逃生装置采用摩擦原理[6]，根据逃生者自身重力调节控制板与定位板之间的相对位置，基于控速环控制绳索与U形吊环之间的摩擦阻力，使U形吊环在不同载荷作用下得到合适的滑落速度，进而使逃生者安全降落。可控速高层逃生装置实物如图3所示。

3 设计计算

可控速高层逃生装置材料选用45号钢，调质处理后强度极限[σb]=650 MPa，U形吊环的横截面直径和承重螺杆光杆直径D均为22 mm，设计最大承重F=4 kN。

3.1 U形吊环强度校核

▲图1 可控速高层逃生装置结构示意图

U形吊环如图4、图5所示，其上部弯曲应力由于弯曲力臂较承重螺杆小而比承重螺杆小，因此仅需校核其抗拉强度[7-8]。根据U形吊环的特点，其危险截面AA截面可通过计算比较获得。

光杆处截面积A0=πD2/4=379.94 mm2，截面积A1=123.11 mm2，截面积A2=40.07 mm2，A-A截面处截面积A=2（A1+A2）=326.36 mm2。

▲图2 定位板结构示意图

▲图3 可控速高层逃生装置实物图

由此，可确认危险截面在A-A截面部位。考虑到下落时有可能重力滑向一侧，因此A-A截面的抗拉强度 σ=F/A=12.26MPa＜[σb]。可见，危险截面安全。

▲图4 U形吊环结构示意图

▲图5 A-A截面示意图

3.2 承重螺杆强度校核

式中：M为固定端的弯矩；W为杆件横截面的抗弯截面模量。

取许用抗剪强度[τ-1]=155 MPa，螺纹小径 d1=17.835 mm，则承重螺杆抗剪强度τ为：

承重螺杆材料采用45号钢调质处理，取许用弯曲应力[σ0]=95 MPa。承重螺杆可能破坏的情况是当重力位于其中位时，由于弯矩过大而弯断或重力滑向一侧时而剪断。

承重螺杆弯曲强度σω为：

可见，承重螺杆强度满足要求。

4 分析验证

为了验证U形吊环与承重螺杆组合部件的受力和变形量，应用ANSYS软件进行分析和验证。根据图4和图5所示尺寸，在SolidWorks软件中进行三维绘图建模，然后导入ANSYS进行分析[9]。设置材料为45号钢，调质处理，承重载荷为4 000 N，位于中间位置，应力分析如图6所示。

▲图6 U形吊环与承重螺杆组合部件应力分析图

由图6可见，最大受力处的应力为76.981 MPa，远小于强度极限[σb]，所以强度符合要求。

5 结束语

笔者设计的可控速高层逃生装置不需动力[10]，安全可靠，一条绳索可供相同或不同楼层的多人共同使用，大大提升了逃生速度。整个装置结构简单可靠、质量轻、体积小、占用空间小、维护和使用操作方便，可简便快捷地拆卸和安装，适用于高楼内的人员逃生及物品转移，也可用于野外高处的降落逃离。