一種家用可折疊高樓逃生裝置的創(chuàng)新設計與應用

張學東， 任仲賀， 蘇逸婷， 章程， 王訓堂， 謝家學， 謝家安， 田常錄

（1.江南大學機械工程學院，江蘇無錫214122；2.江蘇雄宇重工科技股份有限公司，江蘇無錫214125）

0 引 言

如何及時、有效、便捷地進行高樓緊急情況下的脫險，已經(jīng)成為當今世界關注的重要話題。目前，隨著我國城市化進程的不斷加快，建筑物高度不斷增加，隨之帶來的是高樓緊急情況下不能及時逃離危險的隱患。一旦高樓內發(fā)生火災爆炸等緊急情況，人們的生命安全將會受到嚴重的威脅，受時間、空間等諸多因素的限制，緊急情況下被困人員的自救逃生將成為保障生命安全的最有效方法。針對這一問題，目前國內外已研發(fā)出多種用于自救的高樓逃生裝置，這些逃生裝置采用的逃生方法多種多樣，多數(shù)裝置存在高度受限、結構復雜、操作繁瑣、可靠性低、適用范圍小等問題，部分逃生裝置還需要提供電力支持。在火災等緊急情況發(fā)生時，該類裝置受環(huán)境因素局限性大，不能完全保證裝置能夠安全運行，缺乏安全保障，且一般逃生裝置只適用于單人逃生，老人和兒童等難于操作，不能及時逃離危險。因而研究和開發(fā)一種安全、穩(wěn)定、可靠、易于操作，且能夠同時轉移多人的高樓逃生裝置具有十分重要的意義。

1 裝置結構設計

本逃生裝置的整體結構主要由三大部分組成，分別為可折疊載人平臺、可折疊吊籃及手控緩降器，其他輔助部件還包括繩索、固定銷及固定環(huán)等。裝置整體結構展開狀態(tài)示意圖如圖1所示。

圖1 裝置展開狀態(tài)示意圖

1.1 可折疊載人平臺的設計

可折疊載人平臺用于協(xié)助逃生人員由室內通過窗臺進入逃生吊籃。其主要結構由平臺固定板、載人平臺、護欄、滑動短梯等組成。平臺固定板用于固定整個平臺，在其下部分布有3個呈三角形布置的圓孔，銷釘可穿過3個圓孔將平臺固定于窗體內側；載人平臺與平臺固定板通過銷軸連接，二者可旋轉展開或折疊，在載人平臺前部有一個可容納一位成人大小的矩形開口，逃生人員可通過此開口由載人平臺沿著滑動短梯進入逃生吊籃；滑動短梯通過平臺開口處的銷軸固定于平臺開口處，短梯兩側開有沿短梯方向的滑槽，其可沿銷軸實現(xiàn)上下滑動；平臺開口處兩側分別設有一U型凹槽，固定于墻體內側的2根繩索繞過載人平臺，跨過U型槽與緩降器相連接；為保證逃生人員安全，在載人平臺邊緣處安裝有3片護欄，3片護欄分別通過合頁與載人平臺相連接，可方便地打開或折起，為避免折起時3片護欄相互干涉，2片側護欄的安裝高度高于前部護欄1個護欄厚度；由于窗戶橫梁的存在會使載人平臺不能水平跨過橫梁，所以，在載人平臺的下部安裝有2塊平衡墊塊，兩墊塊可以通過調節(jié)前后高度，使載人平臺跨過窗戶橫梁，水平固定于窗臺上表面。可折疊載人平臺的折疊狀態(tài)結構示意圖如圖2所示。

圖2 可折疊載人平臺折疊狀態(tài)示意圖

1.2 固定方式設計和緩降器選用

本逃生裝置有2個固定部分，分別為固定2根繩索的固定環(huán)及固定載人平臺的固定銷。其中2根繩索用于將吊籃內的逃生人員降落到地面，其承受的拉力較大，故將2根繩索通過固定環(huán)固定于室內混凝土地面的銷釘上；載人平臺只需承受1個人的重量，受力較小，故將載人平臺通過3根銷釘固定于窗體內側。通過地面及窗體兩大固定部分實現(xiàn)對整個裝置的安全固定。

本逃生裝置所使用的緩降器為純機械式手控緩降器。緊急情況下電力供給難以保障，電力控制類緩降器局限性大、安全性能低、適用范圍小。而純機械式手控緩降器穩(wěn)定可靠、易于操作、適用范圍廣，且為避免人為操作失誤。該類緩降器可實現(xiàn)失速自鎖，為設備提供了安全保障，同時通過手動操作，逃生人員可自行控制吊籃的下降速度，從而安全穩(wěn)定地下降到地面。

2 受力情況計算分析

為確保裝置的安全可靠，對裝置的載人平臺及繩索部分進行受力分析，分別校核逃生人員進入吊籃時和吊籃下降時兩種情況下平臺的受力變形情況。

2.1 平臺載人分析

逃生人員順次進入逃生吊籃，此時載人平臺只承受一個人的重量（N=800 N），其受力情況及各部分尺寸如圖3所示。

圖3 平臺載人受力簡圖

根據(jù)平臺尺寸分別求得各點的力為：FA=2000 N；FO=1200 N；FB=FC=FD=400 N。

1）A點（危險點）彎曲強度校核。

取材料的安全系數(shù)nst=15，平臺材料（Q235）的許用應力［σ］=235MPa，則得安全系數(shù)為 n=［σ］/σA=44.1＞nst=15。

故平臺彎曲強度度符合安全要求。

2）P點變形分析。根據(jù)平臺的受力簡圖，可將平臺簡化為如圖4、圖5所示的簡支梁OA、懸臂梁AP。

圖4 簡支梁OA受力示意圖

圖5 懸臂梁AP受力示意圖

平臺在P點的形變可看作Me與N對平臺分別作用時變形的疊加。

則得P點產(chǎn)生的總撓度為w=wM+wN=0.35 mm。

平臺形變量微小，符合安全要求。

2.2 吊籃下降分析

吊籃下降時，懸掛吊籃的繩索跨過平臺，對平臺的端點O和P產(chǎn)生作用力，此時平臺的受力情況如圖6所示。

圖6 下放吊籃過程平臺的受力簡圖

取吊籃搭載3人（2400 N）為例進行分析計算，可得：FA=4243 N；FO=3787 N；FB=FC=FD=563N。

同理分別校核A點彎曲強度并分析P點變形。

1）A點（危險點）彎曲強度校核。

通過計算分析可得，下放吊籃時平臺的彎曲強度及形變量均符合安全要求。

3 基本操作及應用前景

當緊急情況發(fā)生時，快速將本裝置取出，將折起的平臺及吊籃打開，先將打開的載人平臺安放于窗臺上，用3根銷釘將載人平臺固定于墻體上，然后用固定環(huán)將懸掛吊籃的繩索固定于地面的固定鉤上，整個裝置完成固定，最后將帶有緩降器的吊籃放到窗外并將其固定于載人平臺上，逃生人員順次通過滑動短梯進入吊籃，全部逃生人員進入吊籃后，松開固定吊籃的鎖扣，通過控制緩降器將吊籃安全穩(wěn)定地降落到地面，完成逃生。

本裝置可作為家庭逃生備用裝置，尤其適用于有老人及兒童的家庭，在家庭成員協(xié)助下，老人兒童等弱勢群體可及時快速地逃離危險；同時該裝置也可作為學校、公司、工廠、賓館等場合的備用逃生設備。

4 結 語

本逃生裝置實現(xiàn)了由單人逃生到多人同時逃生的突破，提高了逃生的效率，同時解決了存放吊籃占用空間大的問題，純機械式手控緩降器為整個裝置提供了安全保障。本裝置應用前景廣闊，市場發(fā)展?jié)撃芫薮螅ㄟ^不斷地完善，可真正走進人民的生活，成為保障人民生命安全的可靠設備，且能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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