一種可控速高層逃生裝置的設計

□蔡漢明 □常瑞鵬

青島科技大學機電工程學院 山東青島 266061

高層樓房發生火災等災害時，人們從樓道成功逃生的機會并不多，即使能逃生，也時常發生踩踏事件。目前，國內外現有的高層逃生裝置主要為機械電動式、往復式等，存在體積質量較大、需要動力、安裝困難和適應高度有限等缺陷[1-3]。針對這一現狀，筆者基于摩擦原理，設計了一種可控速高層逃生裝置，可以使人們直接從陽臺或窗戶逃生。這一裝置具有結構簡單可靠、無需動力、操作便捷、質量輕、體積小、安裝方便和不受高度限制等優點。

1 結構組成

可控速高層逃生裝置結構如圖1所示[4-5]。人系上安全帶或坐在安全籃里，安全帶或安全籃的搭扣鎖在U形吊環的承重螺桿上，這樣人便可以在重力的作用下安全、勻速地滑落到地面。裝置主體包括承重螺桿、U形吊環、控速環、滾花螺母、定位板、控速操縱桿和控制板等部件。U形吊環焊接于定位板上，定位板通過銷軸與控制板連接，撥動控速操縱桿可以改變定位板與控制板之間的相對位置。定位板結構如圖2所示。

2 工作原理

可控速高層逃生裝置采用摩擦原理[6]，根據逃生者自身重力調節控制板與定位板之間的相對位置，基于控速環控制繩索與U形吊環之間的摩擦阻力，使U形吊環在不同載荷作用下得到合適的滑落速度，進而使逃生者安全降落。可控速高層逃生裝置實物如圖3所示。

3 設計計算

可控速高層逃生裝置材料選用45號鋼，調質處理后強度極限[σb]=650 MPa，U形吊環的橫截面直徑和承重螺桿光桿直徑D均為22 mm，設計最大承重F=4 kN。

3.1 U形吊環強度校核

▲圖1 可控速高層逃生裝置結構示意圖

U形吊環如圖4、圖5所示，其上部彎曲應力由于彎曲力臂較承重螺桿小而比承重螺桿小，因此僅需校核其抗拉強度[7-8]。根據U形吊環的特點，其危險截面AA截面可通過計算比較獲得。

光桿處截面積A0=πD2/4=379.94 mm2，截面積A1=123.11 mm2，截面積A2=40.07 mm2，A-A截面處截面積A=2（A1+A2）=326.36 mm2。

▲圖2 定位板結構示意圖

▲圖3 可控速高層逃生裝置實物圖

由此，可確認危險截面在A-A截面部位?？紤]到下落時有可能重力滑向一側，因此A-A截面的抗拉強度 σ=F/A=12.26MPa＜[σb]?？梢?，危險截面安全。

▲圖4 U形吊環結構示意圖

▲圖5 A-A截面示意圖

3.2 承重螺桿強度校核

式中：M為固定端的彎矩；W為桿件橫截面的抗彎截面模量。

取許用抗剪強度[τ-1]=155 MPa，螺紋小徑 d1=17.835 mm，則承重螺桿抗剪強度τ為：

承重螺桿材料采用45號鋼調質處理，取許用彎曲應力[σ0]=95 MPa。承重螺桿可能破壞的情況是當重力位于其中位時，由于彎矩過大而彎斷或重力滑向一側時而剪斷。

承重螺桿彎曲強度σω為：

可見，承重螺桿強度滿足要求。

4 分析驗證

為了驗證U形吊環與承重螺桿組合部件的受力和變形量，應用ANSYS軟件進行分析和驗證。根據圖4和圖5所示尺寸，在SolidWorks軟件中進行三維繪圖建模，然后導入ANSYS進行分析[9]。設置材料為45號鋼，調質處理，承重載荷為4 000 N，位于中間位置，應力分析如圖6所示。

▲圖6 U形吊環與承重螺桿組合部件應力分析圖

由圖6可見，最大受力處的應力為76.981 MPa，遠小于強度極限[σb]，所以強度符合要求。

5 結束語

筆者設計的可控速高層逃生裝置不需動力[10]，安全可靠，一條繩索可供相同或不同樓層的多人共同使用，大大提升了逃生速度。整個裝置結構簡單可靠、質量輕、體積小、占用空間小、維護和使用操作方便，可簡便快捷地拆卸和安裝，適用于高樓內的人員逃生及物品轉移，也可用于野外高處的降落逃離。