基于摩擦原理研制防恐慌可調(diào)速逃生器

摘要：緣起杭州保姆縱火案，思索河南許昌緊急拋孩事件，求解小孩火場逃生問題。論述防恐慌可調(diào)速火場逃生器1的科學(xué)創(chuàng)新性，通過思考探究、觀察聯(lián)想、細節(jié)優(yōu)化和試驗檢測的方法，并對其創(chuàng)新部件的安全可靠性進行緩降、受力分析、檢測和實驗來驗證逃生器在安全緩降、適應(yīng)不同體重人群、可2人同時逃生、可直觀省力簡便地調(diào)速、消除恐慌的創(chuàng)新作用。

關(guān)鍵詞：逃生器;安全;防恐慌;可調(diào)速

在火災(zāi)發(fā)生時，受困者不必坐等施救，可以自己利用逃生器，從自家窗戶、陽臺逃離火場，安全、簡便、迅速地緩降到地面。而且，小孩也可以自助、省力地逃生。

1 防恐慌可調(diào)速火場逃生器創(chuàng)新部件及對比優(yōu)勢

防恐慌可調(diào)速逃生器基于摩擦原理制造，由本體的逃生繩，及創(chuàng)新設(shè)計的緩降裝置、制動裝置、調(diào)速裝置、收繩組件及安全連襠褲等組成。

1.1 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)部件及功能

緩降裝置由一個固定凹槽和七個金屬套環(huán)（1環(huán)焊接+X環(huán)可快速裝卸）組成來增加緩降阻力?？筛鶕?jù)逃生者體重，以蛇行穿繩裝上若干個金屬套環(huán)，用以增加摩擦阻力。重點解決適應(yīng)不同體重人群需要，解決普通緩降器因小孩重量不夠不能下降，而體胖、或大人攜帶小孩超重致下墜過快造成恐慌及傷害等問題。

制動裝置則借用摩托車漲閘來制動和減速。通過剎車線、彈簧、漲閘總成等，使之先行處于制動狀態(tài)，逃生者跨出窗戶時不會立即下降，做到防恐慌。下降中，以改變漲閘摩擦力大小來減速和使之停止。

調(diào)速裝置借用摩托車把柄來調(diào)節(jié)速度。以松緊剎車線來減少或調(diào)節(jié)漲閘摩擦力。通過直觀簡便、小孩也可以省力地握松把柄來控速;可隨時制動，便于從高樓架空層逃生;可懸停、及避免落地跌倒、傷害。

收繩組件包括繞線輪、同步軸承、收線手柄等，能快捷回收逃生繩后供后續(xù)逃生者立即使用。

安全連襠褲用耐磨布體制成，成三角褲形狀，便于快速穿著，而且實現(xiàn)防恐慌作用;兩套裝便于2人一同逃生等功能效果。

1.2 技術(shù)、功能創(chuàng)新說明及對比優(yōu)勢

（1）下降的多重安全保護：以緩降裝置產(chǎn)生摩擦阻力抵消大部分重力，7圈全部穿繞可抵消質(zhì)量150kg物體下降產(chǎn)生的重力。以高摩擦制動的摩托車漲閘來增強緩降效果和有效實現(xiàn)制動、減速。

（2）創(chuàng)新簡便省力調(diào)速和制動：采用足夠的剎車彈簧拉力使制動滑塊豎立迫使?jié)q閘內(nèi)蹄塊組兩邊撐開，逃生器處于制動狀態(tài)。在緩降狀態(tài)時，以握松把柄帶動剎車線，利用杠桿剎車原理放大拉力來使另一條彈性系數(shù)更大的釋放彈簧來反向改變滑塊拉力，松馳漲閘內(nèi)蹄塊，實現(xiàn)下降緩降。通過蹄塊微量抵靠、部分抵靠或離開摩擦盤，從而調(diào)節(jié)和控制緩降過程的慢、快、使其停止（下降速度可控制在0～1.47m/s，國家標準為下降限速1.5m/s），以把柄、彈簧等結(jié)構(gòu)部件解決初速度過快或費力控制下降等問題。

（3）安全連襠褲的創(chuàng)新功能：創(chuàng)新設(shè)計包臀、高腰、三角短褲狀的耐磨、阻燃、強拉力安全整體布體，讓逃生者以日常穿褲的習(xí)慣動作，不須專業(yè)訓(xùn)練即可快速穿著;既能讓逃生者（特別是小孩）重心穩(wěn)固，不讓臀部和腰部受勒緊、懸空，有實在安全感。上下承接環(huán)設(shè)置腹部前，下降扯緊時可稍微傾斜逃生者的重心使身體后仰、眼睛向上，不會面對“高樓懸崖”，能消除恐慌;承接環(huán)又可視逃生者胖瘦情況使用，或騰出另一個承接環(huán)與小孩安全帶連接，可方便攜帶小孩一同逃生。該安全帶已廣泛應(yīng)用于攀巖、高空（清洗、電工）作業(yè)等領(lǐng)域。

（4）對比其它類緩降器，更適應(yīng)多人群使用并快速逃生。目前市場上尚且沒有考慮學(xué)齡兒童使用、2人共同逃生和省力簡便操作的器械類逃生緩降器。本逃生器只需逃生者根據(jù)自身體重裝上套環(huán)，再穿好安全連襠褲，扣上逃生器固定金屬扣;逃生繩頭部安全鉤掛上錨栓即可，解決操作上麻煩;下降時，只需像騎自行車那樣省力地握松手柄。純粹器具產(chǎn)生摩擦阻力作用，可直觀省力調(diào)速，結(jié)構(gòu)簡單、不需要用電、電池和液壓等動力，完全不會發(fā)生機械電動碰上沒有電源、液壓阻尼環(huán)密封不保證泄漏造成的安全問題，又徹底解決其它類或國外緩降器速度過快不可調(diào)節(jié)，或手勁不夠無法控制問題。或因速度過快而又無能為力，有“嚇死”感覺，且落地時常跌倒傷害。

（5）實用功能拓展多，物美價廉、易推廣。既可作為安全、快速、簡便逃生器，又可作為高空作業(yè)人員安全保險裝備。整機制造成本僅300元左右，安全可靠，易于在農(nóng)村、普通和低樓層家庭推廣。

2 逃生器的受力、緩降性能、省力分析

防恐慌可調(diào)速逃生器結(jié)構(gòu)及受力分析圖

緩降性能分析：為使下降速度不超過1.5m/s，減速度a=v22ssx=（1.5）22×20≈0.057 m/s2

根據(jù)逃生者體重，加穿不同數(shù)量的金屬環(huán)。為保證初速度為0，即跨出窗戶、陽臺為制動狀態(tài)，我們將F3調(diào)節(jié)為400N。

金屬環(huán)數(shù)量、G與F4的計算：

由以上a=100μF410μF3+Gfxm

得出F4=10μF3﹝Gfx﹞+ma100μ

3 創(chuàng)新部件的安全可靠性能檢測

（1）緩降裝置檢測：經(jīng)拉力機測試金屬套環(huán)及吊起水泥包40公斤、70公斤、90公斤、150公斤以20米高度下降，秒表計算下降時間，驗證不同金屬套環(huán)的承受阻力、是否實現(xiàn)緩降、以及緩降速度，探究摩擦阻力與套環(huán)數(shù)的大約配比，負荷對下降速度的變化，驗證因重力差別的下降速度，以適應(yīng)不同體重逃生者的需要。見下表。

逃生繩蛇行穿繞“1環(huán)固定+加穿X環(huán)”金屬套環(huán)下降試驗表

逃生繩蛇行穿繞金屬圈圈數(shù)加穿3圈加穿4圈加穿5圈加穿6圈

懸掛40公斤重物20米下降時間（秒）12.816.522.833.8

懸掛70公斤重物20米下降時間（秒）9.613.118.528.6

懸掛90公斤重物20米下降時間（秒）5.56.813.220.2

懸掛150公斤重物20米下降時間（秒）體重超級胖或攜帶小孩推薦加穿6圈13.6

（2）制動裝置檢測：讓漲閘內(nèi)蹄塊組撐開，使逃生器處于制動狀態(tài)，吊重物（水泥）150公斤并時長12小時，進行靜制動性能和耐久性能試驗，試驗得出可以有效制動和長時制動。

（3）調(diào)速裝置檢測：實驗者借助工廠行車升高5米，在下降過程握松把柄。對剎車把柄分別施加10N、15N、20N、40N（輕勾、輕握、半緊握、全握）力氣，試驗其制動靈敏性。試驗得知，小于40N的握閘力，均可以輕微控制速度下降，全握速度會明顯加快。除去此握把柄力后，馬上復(fù)位，只輕微抖動、但無卡滯現(xiàn)象。

（4）安全連襠褲快速穿著和消除恐慌作用檢驗：以秒表測算實驗者穿著時間，大人和小孩5次平均時間分別為8秒、12秒;穿著安全連襠褲，使用逃生器從5層樓20米進行攜帶小孩下降試驗，詢問實驗者，反映因臂部整體包裹扎實，不會產(chǎn)生虛空感和繩帶鎖緊、勒痛的感覺;而且，因承接環(huán)設(shè)置腹部前，稍微傾斜后仰，致眼睛向上，不會向地面望，確實可以有效消除恐慌心理。

（5）真人試驗總體情況：遇火災(zāi)狀況時，逃生者在“裝套環(huán)、穿與扣、掛錨栓”三步驟后，即可跨出陽臺，面向墻壁，以握松把柄下降安全逃生。經(jīng)試驗，逃生者在下降過程平穩(wěn)緩慢，不會發(fā)生突然下墜，實現(xiàn)緩降效果;下降過程中，只用輕微的手勁（約施加20N左右）即省力把柄握力即可控制，整個逃生過程近似勻速下降（半緊握狀態(tài)時，大約在1.13m/s;全部握緊狀態(tài)時，即最快1.47m/s;中途松開剎車把柄時可完成制動和懸停），不會突然受力，逃生繩沒有甩動，呈豎直狀態(tài)。樣機檢驗結(jié)果判定合格。

參考文獻：

[1]GB/21976.22012建筑火災(zāi)逃生避難器材.第2部分：逃生緩降器.

[2]該逃生器獲2018年第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽三等獎、第18屆“明天小小科學(xué)家”獎勵活動二等獎.

作者簡介：劉元錕（2002），男，福建永春縣人，現(xiàn)系福建省永春第一中學(xué)高二年學(xué)生，熱愛科學(xué)和文學(xué)創(chuàng)作。