客車新型逃生窗設(shè)計與研究＊

陳守安，馬運好

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客車新型逃生窗設(shè)計與研究＊

陳守安，馬運好

（宜賓學院物理與電子工程學院，四川 宜賓 644000）

針對客車在緊急情況下乘客逃生不便等問題，通過對現(xiàn)有逃生機構(gòu)的大量類比研究，結(jié)合部分逃生機構(gòu)的機械傳動原理及傳動結(jié)構(gòu)，在原有外推式車窗的基礎(chǔ)上，改裝和添加連桿附屬式結(jié)構(gòu)，并對其進行重新設(shè)計及組裝，試圖制作一種階梯式客車逃生車窗，幫助乘客以更小的力、更短的時間完成逃生，并降低甚至杜絕逃生過程中的二次傷害，保護乘客的安全。

客車；逃生車窗；連桿結(jié)構(gòu)；交通工具

1 概述

客車是各個城市間必不可少的一項交通工具，它對社會影響巨大，推動著城際交通縱橫發(fā)展。現(xiàn)如今，客車行業(yè)發(fā)展速度迅猛，僅2017年，中國客車產(chǎn)銷量達到52.6萬輛和52.7萬輛，其中，長度為5 m以上的客車銷售22.17萬輛。客車銷售量如此巨大，如果發(fā)生緊急情況，車上乘客們的逃生途徑就成為了對客車安全性的新挑戰(zhàn)[1]。

目前，大部分客車都是車窗密閉在車體內(nèi)的空調(diào)車，雖然在車輛設(shè)計時，考慮了舒適性和安全性，發(fā)生緊急情況后乘客可以及時通過手動開啟的方式打開車門逃離，也可以使用安全錘砸開就近的車窗，翻窗逃生。但長途客運大巴高度基本在3.5～4 m之間，車窗底部到地面高度至少為2.5 m，在發(fā)送緊急情況時，很少有人會毫不考慮地打破車窗跳窗逃生[2]。且客車玻璃一般使用汽車級鋼化玻璃（個別還貼有防曬膜紙），價格往往在千元以上，許多乘客因為價格原因往往抱有僥幸心理，不會第一時間打破車窗；甚至有時找不到安全錘或不會正確使用救生錘來打碎車窗玻璃。在發(fā)生緊急情況時，安全錘只能及時敲碎其擺放位置左右兩扇玻璃窗，以至于大部分離這些窗口偏遠的乘客在擁擠的車廂中，來不及從車窗所形成的安全通道逃生而失去生命。所以一款方便、便宜、省時、省力且可重復(fù)使用的安全逃生車窗，是目前所有客車以及乘客所急需的。本設(shè)計通過對現(xiàn)有逃生機構(gòu)的大量類比研究，結(jié)合部分逃生機構(gòu)的機械傳動原理及傳動結(jié)構(gòu)，并對其進行改進與創(chuàng)新設(shè)計研究，從而設(shè)計出一種汽車新型逃生窗，解決乘客們可能會遇到的逃生問題。現(xiàn)有逃生裝置優(yōu)缺點對比分析如表1所示。

表1 現(xiàn)有逃生裝置優(yōu)缺點對比分析

2 設(shè)計方案與運行原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

客車新型安全逃生窗是在現(xiàn)有車窗的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計的，具有打開方便、可重復(fù)使用的功能。當車輛發(fā)生緊急情況時，能夠為逃生者提供一個平穩(wěn)逃生的階梯，接地設(shè)計使逃生者安全、快速離開危險車體，避免二次傷害[3]。逃生窗主要由4部分構(gòu)成：①車窗外框支撐整體構(gòu)架，為定位基準；②三塊大小不一的鋼化玻璃；③組合連桿機構(gòu)；④車

窗蓋子。如圖1所示。

在結(jié)構(gòu)方面采用連桿結(jié)構(gòu)，在長連桿與短連桿之間連接鋼化玻璃，在確保安全的情況下，實現(xiàn)裝置在下滑過程中不會下滑速度太快或卡頓，達到預(yù)期位置形成階梯。連桿展開直接形成三角形結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定、堅固，通過受力分析該裝置可直接承受3個成年人的體重，如圖2所示。開關(guān)在裝置與車體上部分連接部分采用了鉤子和凹槽的結(jié)構(gòu)，在發(fā)生事故需要使用裝置時，只需要按動上部車窗手柄，即可觸發(fā)裝置打開車窗框，并不需要過大的力量推動，便可以使裝置按照預(yù)期的工作原理工作形成階梯，從而達到救援的目的，且開關(guān)上裝有報警器，當按壓的一瞬間開關(guān)同時會發(fā)出報警聲音，提醒乘客有危險，提高逃生者的逃生概率，減少人員傷亡。

1—車窗外蓋；2—長連桿；3—短連桿；4—車窗外框；5—車窗開關(guān)；6—拉桿；7—鋼化玻璃；8—鋼化玻璃夾。

圖2 連桿示意圖

2.2 運行原理

在車輛發(fā)生事故時，乘客只需要打開上部開關(guān)（車窗蓋與車窗外框連接部分）即可將鉤子和鉤槽分離，從而使鋼化玻璃與車體分離，因為重力原因下落，在玻璃下落過程中，四連桿機構(gòu)按照預(yù)定軌跡展開，3塊玻璃依次打開，模型收縮樣式和模型展開樣式分別如圖3和圖4所示。

上部拉桿展開到最長時，連桿與車體形成45°夾角，3塊玻璃錯落水平展開形成階梯，使乘客能夠沿車窗形成的階梯逃出，達到減小傷亡程度、最大限度地節(jié)約乘客的逃生時間和增大逃生概率的目的。實物閉合樣式和實物展開樣式分別如圖5和圖6所示。

圖3 模型收縮圖

圖4 模型展開圖

2.3 開關(guān)安全性

開關(guān)在裝置與車體上部分連接部分采用了鉤子和凹槽的結(jié)構(gòu)，如圖7所示，該結(jié)構(gòu)一方面可方便、快速地打開車窗，在發(fā)生事故需要使用裝置時只需要按動上部車窗手柄，即可以觸發(fā)裝置打開車窗框，并不需要用太大的力量推動，便可以使裝置按照預(yù)期的工作原理工作形成階梯，從而達到救援的目的。另一方面，方便車窗的重復(fù)使用，如果客車發(fā)生突發(fā)緊急情況，乘客不需要破壞車窗，只需推開車窗即可逃生，即使出現(xiàn)恐慌式緊急撤離，也不影響車窗的二次使用。另外應(yīng)急開關(guān)側(cè)面設(shè)置有報警裝置，報警裝置與手柄上的壓力傳感器相連，當手柄有應(yīng)力感應(yīng)時，報警器就會報警，提醒乘客不要隨意打開逃生窗；在緊急情況下，報警器可以提醒周邊乘客及時逃生[4]。開關(guān)報警機構(gòu)如圖8所示。

圖5 實物閉合圖

圖6 實物展開圖

圖7 開關(guān)閉合圖

圖8 開關(guān)報警機構(gòu)圖

3 Ansys有限元分析

3.1 材料選擇

由于該車窗除了需要符合公交汽車日常使用要求外，還需要在車輛發(fā)生事故時，作為階梯承載逃生者。所以，在選材方面除了需要考慮車窗玻璃的最大承受力度外，還需要考慮美觀、經(jīng)濟等因素[5]。所以，需要對材料在預(yù)設(shè)重力時受到的外力和內(nèi)力進行研究和分析，進而確定材料所需要滿足的強度、剛度、穩(wěn)定性。在對內(nèi)力進行分析時，主要分析預(yù)設(shè)重力下材料的應(yīng)力（m）、位移、應(yīng)變、拉伸和壓縮時材料的力學性能等[6]。考慮到材料是置于車輛外的（露天），在選材時，還需要對材料的耐腐蝕度、耐高溫度、耐磨度進行考量。經(jīng)過詳細對比，預(yù)選聚乙烯作為車窗蓋的材料，鋼化玻璃作為階梯的承載材料，結(jié)構(gòu)鋼與鋁合金作為框架材料。

3.2 前置條件

為了評估裝置的承載性能，本文采用Ansys 16.0對裝置核心結(jié)構(gòu)在逃生時所承受的應(yīng)力、應(yīng)變情況進行分析[7]。

受力分析預(yù)設(shè)條件：固定點為車壁，預(yù)設(shè)單塊玻璃承載100 kg（為100 kg成年人的重量），由于裝置為對稱承載構(gòu)件，為了方便分析，對裝置進行了簡化，僅對裝置的一半進行分析[8]。所以，預(yù)設(shè)重量為500 N，滿載為1 500 N。分別分析了頂部鋼化玻璃承重、中部鋼化玻璃承重、底部鋼化玻璃承重、3塊玻璃同時承重等4種受力情況下的形變與應(yīng)力。

3.3 形變量分析

形變量分析如圖9所示。

圖9 形變量分析圖

在圖9中，頂部玻璃承載機構(gòu)承載最大形變量為0.060 6 mm，在最大彈性形變量0.2%之內(nèi)；中部玻璃承載機構(gòu)承載最大形變量為0.452 5 mm，在最大彈性形變量0.2%之內(nèi)；底部玻璃承載機構(gòu)承載最大形變量為0.686 7 mm，在最大彈性形變量0.2%之內(nèi)；滿載機構(gòu)承載最大形變量為1.175 5 mm，在最大彈性形變量0.2%之內(nèi)。

3.4 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析如圖10所示。

圖10 應(yīng)力分析圖

在圖10中，頂部玻璃承載機構(gòu)最大應(yīng)力為13.057 MPa，在許用應(yīng)力235 MPa范圍內(nèi)；中部玻璃承載機構(gòu)最大應(yīng)力為21.545 MPa，在許用應(yīng)力235 MPa范圍內(nèi)；底部玻璃承載機構(gòu)最大應(yīng)力為46.351 MPa，在許用應(yīng)力235 MPa范圍內(nèi)；滿載機構(gòu)最大應(yīng)力為49.501 MPa，在許用應(yīng)力235 MPa范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本外推式階梯型客車逃生窗縮短了逃生窗的打開時間，提高了逃生效率，同時，其連桿式結(jié)構(gòu)便于逃生窗的多次重復(fù)使用，節(jié)約了成本。逃生窗打開的整體結(jié)構(gòu)為階梯式，階梯采用多連桿三角形機構(gòu)，且充分利用了多連桿中的死點特性提高了裝置的承載能力。

經(jīng)計算，逃生窗打開形成的階梯可同時承載3個成人的體重，滿足逃生要求。但選擇鋼化玻璃作為階梯的承載面，存在機構(gòu)過重、成本相對較高的問題，還有待進一步優(yōu)化。階梯式客車新型逃生窗作為一種創(chuàng)新性設(shè)計，可以同時滿足多人在緊急情況下的逃生需求，合理配置逃生窗的數(shù)量可以有效提高客車的逃生效率。

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U463.835

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.061

2095－6835（2018）22－0061－03

宜賓市科技局資助項目（編號：2016ZGY022）；四川省教育廳資助項目（編號：18ZB0656）；宜賓學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項目（編號：201610641017）

陳守安（1988—），碩士研究生，助教，主要研究方向為新型機械傳動。

〔編輯：張思楠〕