一種高樓緩降逃生器的創新設計

朱紹勝，馬憲亭

（淮安信息職業技術學院，江蘇淮安223003）

一種高樓緩降逃生器的創新設計

朱紹勝，馬憲亭

（淮安信息職業技術學院，江蘇淮安223003）

根據機械摩擦原理和歐拉原理設計了應對高樓火災等危險的應急逃生工具，使用時快速固定到陽臺上，逃生者系好安全帶，站立于逃生器內，手動操作操縱桿，拉動繩索使吊籃下降至地面，即可逃生。

機械設計；高樓火災；逃生器

近些年，隨著國家現代化建設步伐日益加快，各類高層建筑不斷增多，它們結構復雜、功能多樣、人員密集，安全隱患相對較多，火災危險性也隨之增加，一旦發生火災將難以控制和逃離。高樓火災目前已經成為威脅人民群眾生命安全和社會發展的主要災害。有數據表明，2015年全國共發生重大火災事故63起，造成234人死亡，114人受傷，直接造成財產損失2.5億元。和樓房相關的火災主要有：廣東惠州義烏小商品批發市場火災事故，共造成17人死亡，4人受傷，其中1人重傷；河南鄭州市金水區居民樓火災，火災共造成13人死亡、4人受傷；河南魯山康樂園老年公寓火災，火災共造成38人死亡，6人受傷。然而，現有消防救援的裝備能力與高樓的發展嚴重失衡，高樓火災救援手段往往不能適應高樓的建設發展。我國主要將消防水罐車作為消防裝備滅火，但是其噴水遠射能力僅為8層樓高；消防云梯車則是登高救援的裝備，其舉高救援能力約為50 m，高度相當于高層樓房的十五層，如果發生更高樓層的火災，這些消防救援裝備也是無能為力。同時，火災發生時即便是使用這些裝備，也往往因為這些裝備機動性差、體積龐大和受建筑周邊障礙影響等諸多因素，不能快速發揮應有的作用，從而出現局面失控，消防人員毫無辦法，隨著火勢的進一步蔓延，造成重大人員傷亡和財產損失的慘劇。

無數高樓火災案例表明，提高高樓火災防范能力和有效救援與逃生已成為消防部門和全社會高度關注的社會問題。

因此，選擇自救逃生是遇險者首先考慮的問題，配備必要的逃生器械是非常重要的。

國內外高空逃生器可謂種類繁多，原理各異，其基本原理都是利用緩降器、鋼絲繩、可控器等控制逃生器緩慢下降，達到下降的目的。共同點基本都是結構復雜、操控繁瑣、預先安裝、價格高。

目前國內外關于高樓逃生器的研究與發明，主要有以下幾種：

（1）救生氣墊：消防救生氣墊是救助從高處逃生的遇險人員的充氣軟墊，是消防救生和空中作業人員人身保護的安全設備，它可減少下跳人員在著地時所受到的沖擊，起到緩沖和保護作用。但其應用高度有限，若使用不當，容易誘導跳樓。

（2）緩降器：此類裝備主要用于單人操作，由安全鉤、安全帶、調速器、鋼絲繩等結構組成，承載能力為100 kg以內的單個人員，使用時無需動力，安全緩降被困人員到達地面。該類逃生器的原理主要是增加鋼絲繩與輪鋼絲之間的包角，增加兩者之間的摩擦力。使用時徒手操作設備，調節下降速度的快慢。

（3）逃生軟梯：逃生軟梯是一種用于營救和撤離火場被困人員的移動式梯子，可收藏在包裝袋內，在樓房建筑物發生火災或意外事故時，樓梯通道被封閉的危急情況下，是進行救生用的有效工具。使用逃生軟梯時，根據樓層高度和實際需要選擇主梯或加掛副梯。將窗戶打開后，把掛鉤安放在窗臺上，同時要把兩只安全鉤掛在附近牢固的物體上，然后將軟梯向窗外垂放，即可使用。一般的逃生軟梯主梯長15 m，重量小于15 kg，荷載1 000 kg，最多可載8人。

（4）逃生滑道：逃生滑道是一種內部緩慢滑降的逃生用具，適用于許多人從高處順序滑下，其在外層防火并有反光條、中層抗熱輻射隔煙、內層導滑，每層均為高抗拉力并經靜電處理的布做成，內層具有松緊性，讓人的身體經過時產生一定的阻力緩沖，約以每米一秒的速度安全降下。逃生者以等速緩慢下降，即使有兩位逃生者碰撞亦不會發生危險，適于連續逃生。

綜合分析上面幾種逃生器，一個優良的逃生裝備應該具有結構簡單、價格經濟、穩定快速、安全方便、易于操作、可以重復使用等特點。根據以上研究，本文設計出一種高樓緩降逃生器，此裝置符合高樓逃生裝備的基本要求，同時創新使用滑輪組和輪，通過改變摩擦力的大小，具有速度調節功能。本設計結構緊湊、方便、成本低，非常適合于家庭應急逃生。

1 高樓緩降逃生器的工作原理

1.1 工作原理

本設計主要依據機械摩擦學相關原理和歐拉韁繩理論（滾輪與繩索圍包角之間的大小可以影響摩擦力的大小）來完成，屬機械裝置。需要逃生時，將該裝置快速固定到陽臺上，逃生者系好安全帶，手持操縱桿，站立于逃生器內。用手控制鎖放器，一邊下降一邊調整合適下降速度，從而實現緩慢下降或者快速下降。如果發生特殊的情況，可以操作操縱桿并放置于緊急制動檔位，這時可使逃生器緊急懸停于空中，保證受困人員安全。當逃生結束后，打開繩的一端，拉動繩索使吊籃上升，另一逃生者重復使用，即可逃生。

1.2 結構原理

逃生器設計方案結構如圖1所示。

圖1 高樓緩降逃生器原理圖

此裝置尺寸：支架1長60 cm，寬50 cm，采用三角支撐形式；吊籃分為兩種：一種是人坐在籃子里面的，籃高100 cm，還有一種是人站在上面的，高180 cm.橢圓護欄a為25 cm，b為17.5 cm；控制軸4長53 cm；能使逃生速度控制在4 m/s左右；裝置采用直徑為3mm的鋼絲繩環繞在控制軸上，根據樓房高度需要選擇繩子長度，繩子長度可以達到100 m，共三股100 m繩繞在控制軸1上，三股繩分別位于擋繩輪6之間，且中間一股繩與兩邊繞繩的纏繞方向必須要相反。

多人往復循環使用功能可以保證許多受困人員的生命安全，裝置具有簡單而緊湊的結構，下降至地面前卻可以減速降落，效果較好。此逃生器，體積適中，重量輕，可以實現緊急狀態下脫離危險環境。能滿足10層左右的居民樓、商場、學校樓使用。

逃生器模型照片見圖2、圖3和圖4所示。

圖2 逃生器總體布置圖

圖3 逃生器定滑輪及支撐裝置

圖4 逃生器手控減速裝置

1.3逃生器使用方法

（1）如圖3所示，在使用緩降逃生器前，將100m長的繩子環繞在控制軸4上，同時注意環繞方向，手動剎死摩擦輪，使用固定裝置將支架1固定在陽臺外面的護欄上。

（2）受困人員進入緩降逃生器中，手動操作控制手柄，使摩擦輪5放開，因為人體的重量產生重力，控制軸4轉動，繞在其上面的繩子被釋放，吊籃7和受困人員開始一起下降。這個過程中，可以手動操作控制手柄，改變剎皮與摩擦輪5之間的間隙，從而改變兩者之間的摩擦力大小，相應改變控制軸4的轉動速度，實現緩慢下降或者快速下降；若遇特殊情況，亦可置操縱桿于緊急制動器檔位，手動剎死摩擦輪，吊籃7可以緊急懸停于空中，保證人員安全。

（3）隨著控制軸4轉動，吊籃7和受困人員的下降，上升控制繩8自動環繞在控制軸上并收起。待第一位受困人員降落至地面后，上升控制繩8環繞在控制軸上的長度與所在樓層高度正好相等，這時，已落地的人員可拉動上升控制繩8，因為滑輪組上繩索的纏繞方向與上升控制繩8相反，上升控制繩8被拉長，滑輪組繩被重新纏繞在控制軸4上，長度縮短，吊籃7上升，待上升到起始安裝位置時，第二位逃生者即可使用，如此循環往復，可使多位受困人員脫險。

（4）緩降逃生器使用完后，收拾固定好繩索。如果滑輪組繩處于收起狀態，上升控制繩8處于釋放狀態，此時需解開滑輪上方的繩結，將滑輪繩纏繞在控制軸4上并固定，不能松動，然后旋轉控制軸4，重新環繞上升控制繩8于控制軸4上。如果上升控制繩8處于收起狀態，滑輪組繩處于釋放狀態，此時需先環繞上升控制繩8并固定，不能松動，然后旋轉控制軸4，重新環繞滑輪組繩于控制軸4上。

2 高樓緩降逃生器的參數計算

原始資料：

人的重量100 kg，G＝mg＝100×10＝1000 N

2.1 支架橫梁受力計算

支架橫梁受力圖如圖5所示。

圖5 支架橫梁受力分析圖

∑m（b）＝g/2×0.25-Fy2×0.35＝0

Fy2＝357 N

∑m（c）＝g/2×0.6-Fy1×0.35＝0

Fy1＝857 N

選用2號角鐵，Wz＝290 mm2，截面積為1.132 ×100 mm2

σmax=Mmax/Wz=125/290=0.43 MPa，符合使用要求。

F壓＝G/2×cosa＝500×4/5＝400 N

σmax＝N/A＝400/113.2＝3.5 MPa，滿足使用要求。

2.2 墊片（即定滑輪9兩側擋鐵）受力計算

墊片選用45#鋼，許用應力90 MPa.

τ=Q/A=500/3×60×cos45°＝3.93 MPa，滿足使用要求。

2.3 吊籃豎梁的受力分析

材料為45#鋼，許用應力為90 MPa，直徑為10 mm.

σmax＝N/A＝（G/2+F）/A＝725/3.14×25＝9.24 MPa，符合要求。

2.4 吊籃橫梁的受力分析

吊籃橫梁的受力分析圖見圖6.

圖6 吊籃橫梁的受力分析圖

σmax=Mmax/Wz=125×32/πd3=1.3 MPa，材料滿足要求。

2.5 控制軸的受力分析[1]

控制軸的受力分析見圖7所示。

圖7 控制軸的受力分析圖

軸的直徑取25 mm，則繩的拉力F=1/4G=250 N；

2.5.1 軸的彎曲強度校核

σmax=Mmax/Wz=32.5/πd3=0.5 MPa，符合使用要求。

2.5.2 軸的扭矩校核

功率：P=FV=500×4=2000 W=2kW

轉速：V=πdn/1000=3.14×0.06n/1000=4 m/s

n≈335 r/min

T=9 550×P/n=9 550×2/355=53.8 Nm

式中，T為扭矩（Nm）；P為軸所傳遞的功率（kW）；n為軸的轉速（r/min）.

τ=T/Wp=53.8/0.2d3

=53.8/0.2×253=0.017 MPa

符合使用要求。

2.6 鋼繩的選擇[2]

選擇3 mm的鋼絲繩，其最小破斷力為5.58 kN，符合使用要求。

3 高樓緩降逃生器設計方案的特點

總結以往逃生器的不足，經過多方面的改進與完善，設計了新的高樓緩降逃生器，該方案的特點主要有：

（1）調速方便。改變了傳統緩降機構的笨重，逃生器結構簡單，輕巧，不笨重。安裝方便，操作簡單。整個過程耗時短，一般五分鐘就可搞定。該裝置在逃生者下降的過程中手動操作控制桿，非常方便地調節下降速度，應用自如。

（2）裝置勻速下滑的最快速度可達4 m/s.裝置中的帶式阻尼系統，可以緩慢改變下降速度，同時具有緩沖作用，而且，結構簡單，操作方便，任何人使用時都可以使下滑速度勻速保持在4 m/s.

（3）落地前緩沖，保證安全。該裝置的手控減速裝置，可以使受困人員在落地前10 m減速，將速度從4 m/s逐漸減到0 m/s，剎車系數高，性能可靠。安全系數高，制動效果好。

（4）往復式升降，滿足多人使用。該裝置特有的往復拉繩機構，能滿足多人循環使用。繩子的長度可根據樓層的高低進行選擇。

（5）適用于人群廣，坐式籃12歲以上兒童可使用，站式籃，身高1.5~1.8 m，體重100 kg以下的成人均可使用。

（6）逃生器成本低廉，加工成本低，費用不高，適合大眾購買。逃生器有兩種規格，坐式和站式兩種可供選擇，適合人群廣。

[1]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]編寫組．鋼絲及鋼絲繩標準匯編[M].北京：中國標準出版社，1997.

Innovative Design of High-Rise Buildings Slow Drop Escape Device

ZHU Shao-sheng，MA Xian-ting
（Huaian College of Information Technology，Huaian Jiangsu 223003，China）

According to the principle of mechanical friction and the Euler principle，the emergency escape tool to deal with high-rise fire and other dangerous is designed.When using，use a quick fix to the balcony，survivor fasten safety belt，stand in an escape device，operate control lever by hand，the basket is pulled the rope down to the ground，and you are saved.

machine design；high-rise fire；escape device

TH122

B

1672-545X（2016）11-0105-04

2016-08-18

朱紹勝（1975-），男，江蘇淮安人，副教授，主要從事金屬切削加工、先進制造技術的教學與科研工作。