家用救生艙的概念設計

楊福芹，丁中敏，常德功

(青島科技大學機電工程學院，山東青島266061)

0 引 言

在地震、火災發生的時候，住宅中的逃生通道往往會被墜落物、煙霧、大火等因素阻隔，人們無法從安全通道逃生而被困家中，從而遭受墜落物、有害氣體、高溫的傷害甚至喪生。隨著近些年頻發的自然災害和人為災害，人們開始越來越關注如何能夠在災害中保護自身生命安全、緊急避難并順利逃生。本研究就是針對家庭(特別是居住在高層建筑中的家庭)設計一種緊急避難裝置。

本研究提出一種家用式救生艙的結構設計。該救生艙頂部設計為可折疊桌面，在平時作為家具使用;在災難發生時，該救生艙可以有效地抵御沖擊、高溫、煙氣等。根據家用救生艙使用時的工作條件，本研究利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對其艙體進行靜載分析，設計出帶有加強筋的艙體結構來提高其抗沖擊性;并通過設計帶有隔熱支撐的艙壁結構以提高該救生艙耐溫隔熱能力;該救生艙同時配備有完善的內部保障系統為避難人員提供一個安全可靠的空間。當地震或火災等發生時，家庭成員可以迅速打開艙門，躲入艙內，有效躲避來自外界的墜落物、有害氣體、高溫等的傷害，并隨時可以向外界呼救，安全地等待救援［1-2］。

1 總體設計方案

考慮到家用救生艙如果僅用來應對各種災難，而平時閑置不用，勢必會造成資源浪費且占據住宅有限的使用空間，本研究設計一種平時可作為家具而災難發生時又可用作避難所的多功能家用救生艙。

在日常生活中，救生艙可用作餐桌、書桌、電腦桌或者擺放物品。當地震、火災發生后，人們在迅速判斷無法逃生后，馬上打開救生艙艙門，進入到艙內并關閉艙門。此時救生艙為一個獨立密閉的空間，能夠抵御一定的外力沖擊和高溫煙氣環境。逃生人員在救生艙內躲避的時候，可以打開壓縮氣瓶的閥門來保證空氣充足，并通過觀察窗來觀察外界情況，通過呼救器向外界傳遞求救信號［3］。艙內儲存有食物、水、醫藥工具箱等生存物資，可以保證人員在救生艙內生存48 h以上，直到救援人員的到來。

2 主要結構的設計

2.1 救生艙外部艙體結構

家用救生艙主要是放置于家中臥室、客廳、書房等房間內，因此不宜占地面積過大從而影響到日常生活，而其內部在容納全部生存設備后還應該容納2～3人進行避難。除此之外，家用救生艙在外形和顏色上最好與住宅的裝修風格相協調。

家用救生艙的簡圖如圖1所示。

家用救生艙主體外形為柜式結構，頂部設計為可折疊式桌面，如果打開折疊板，救生艙上部可變為一個橢圓桌，可以容納更多的人用餐或者使用，使用完畢后也可以收起折疊板以減少占用的空間。特別值得注意的是救生艙邊角處一定要采用圓弧過渡，以避免逃生人員在緊急情況下避難時磕碰到尖銳的棱角部而產生不必要的傷害。

救生艙艙壁的示意圖如圖2所示。

圖1 家用救生艙簡圖

救生艙的艙壁從外到內依次為外層隔熱防火膜、防護外壁、隔熱支撐、隔熱層、鍍鋁內壁。外層隔熱防火膜貼在救生艙艙壁的最外層，起到防火隔熱的作用。防護外壁采用低合金高強度鋼板Q345，其良好的強度、塑韌性、焊接性、成形性使艙壁具有足夠的強度來抵御外界突然的沖擊，并且在防護外壁的內側焊接上可以加強抗沖擊能力的加強筋。防護外壁為前、后兩部分，其間用法蘭進行連接并且進行密封。在外壁與內壁之間放置隔熱支撐，以起到支撐內外壁和隔熱的作用。在內壁與外壁之間還要填充足夠的隔熱材料，例如玻璃纖維棉板作為隔熱層。在內壁外側鍍鋁，使其除了起到支護作用外鍍鋁層還可以對向內傳遞的熱進行反射，減少熱量傳遞到內部［4-5］。

本研究在救生艙的艙壁上設置有換氣孔、觀察窗、艙門。換氣孔用于安裝單向換氣閥，以保證救生艙內的空氣只出不進。觀察窗采用雙層防爆玻璃，密封后固定于艙體上。艙門采用和艙壁同樣的結構，以保證有足夠的抵抗沖擊能力、隔熱能力和氣密性。

圖2 救生艙艙壁示意圖

2.2 救生艙內部生存系統

家用救生艙的內部擁有生存保障系統，其包括壓縮氧氣瓶、壓縮空氣瓶、空氣凈化箱、傳感器、座椅、座便器、醫藥工具箱、呼救器、儲存的食物和水等。保障設備被合理地放置在救生艙艙內。

壓縮氧氣瓶和壓縮空氣瓶可以在人員進入到救生艙內后發現空氣不足時提供空氣并保證艙內壓力始終大于艙外的正壓狀態;空氣凈化箱內部裝有可以吸收二氧化碳和其他泄露進入的有害氣體的藥粉;傳感器用于隨時監控救生艙艙內的各項生存指數，以提醒被困人員此時的生存環境是否良好，以及時通報給外界的救援人員;座椅為中空結構，內部可以作為一個儲物箱，裝有食物、水、工具醫藥箱等，在需要的時候可將座椅上的端蓋打開取出;坐便器內部放置有糞便收集器，在不使用的情況下可以將端蓋放下供一人作為座椅使用;呼救器可以向外發送無線信號求救和報告被困人員具體所在位置［6］。

3 解決的關鍵問題

3.1 救生艙承受墜落物的能力

由于家用救生艙有可能會面對地震、火災以及火災中發生的爆炸等情況，本研究所設計的救生艙艙體必須有足夠的強度來承受墜落的重物和垮塌的房體。

本研究將救生艙艙體簡化為一個長方體，利用有限元分析仿真軟件ANSYS Workbench［7-9］對其進行靜載分析。根據救生艙使用情況提出的要求，救生艙艙體防護外壁材料選擇低合金高強度鋼Q345，其物理學參數為:屈服強度345 MPa;抗拉強度470 MPa;密度7 800 kg/m3;彈性模量210 GPa;泊松比0.3。

在簡化艙體外表面施加均布載荷后得到的等效應力云圖如圖3所示。

圖3 簡化艙體等效應力云圖

總位移變形云圖如圖4所示。

圖4 簡化艙體總位移形變云圖

從圖3、圖4中可以明顯看到，簡化的救生艙艙壁4個受載面中心處的應力和位移變形相對集中，因此本研究考慮在防護外壁內側焊接橫向和縱向的加強筋來提高救生艙艙體的剛度和強度，同時可以節省外壁材料和減輕重量［10-11］。

3.2 救生艙耐溫隔熱能力

在火災發生后，救生艙會處于高溫煙氣環境，救生艙的耐溫隔熱能力對艙內人員生存有著十分重要的意義。

除了救生艙防護外壁上的隔熱防火膜，還有在內壁和外壁之間放置的隔熱支撐、填充的隔熱材料以及內壁外側的鍍鋁層都可以用于提高救生艙的耐溫隔熱能力。

救生艙外壁與內壁之間的隔熱支撐不但要起到連接支撐內、外兩部分結構的功能，還要保證外壁與內壁之間沒有直接的接觸，否則熱量會通過金屬材料迅速傳導到救生艙內部，導致艙內溫度急劇上升。因此本研究設計了一個隔熱基座通過螺栓和隔熱木方連接在一起的隔熱支撐(示意圖如圖2所示)。金屬的隔熱基座焊接到外壁上，不與內壁接觸。

3.3 救生艙密封防護能力

救生艙可能處于火災的煙氣環境中，因此觀察窗和艙門需要密封嚴密。門窗和艙體之間可以采用具有較高的耐磨性、較好的耐熱性以及優良的氣密性的丁腈橡膠密封膠條進行密封。由于配備有壓縮空氣瓶，通過打開閥門可以使艙內保持一個高于艙外環境100 Pa～500 Pa的正壓環境，艙外的煙氣不易向艙內擴散。

3.4 救生艙其他保障能力

本研究所設計的家用救生艙的一些基本參數如表1所示。這些基本參數反映了避難人員在艙內的生存條件。

救生艙通過內部的生存保障系統滿足避難人員在艙內必備的各項生存條件。例如:避難人員在進入到救生艙內部后，空氣供給設備能夠提供生存必須的空氣;空氣凈化設備可以保證艙體內空氣適宜人體生存;環境監控設備可以準確監控救生艙內外環境溫度、空氣質量等參數并及時報告給艙內人員;座椅、座便器、醫藥工具箱、食物和水都可以保證人員的正常生存并且呼救設備可以向外界傳遞求救信號。

表1 家用救生艙的基本參數

4 結束語

本研究提出了一種家用救生艙的概念設計。該救生艙在平時可作為餐桌、書桌、電腦桌等家具使用，而在地震、火災等災害事故發生時，可為家庭成員提供一個安全的避難所，以抵御來自外界的墜落物、有害氣體、高溫等的傷害，并且該家用救生艙系統還可以向外界呼救，以保證受困人員能夠安全地等待救援，從而減少意外傷亡的發生。但由于該設計目前還處于概念設計初級階段，因此后續還需要進行更加深入的研究。

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