一种高楼缓降逃生器的创新设计

朱绍胜，马宪亭

（淮安信息职业技术学院，江苏淮安223003）

一种高楼缓降逃生器的创新设计

朱绍胜，马宪亭

（淮安信息职业技术学院，江苏淮安223003）

根据机械摩擦原理和欧拉原理设计了应对高楼火灾等危险的应急逃生工具，使用时快速固定到阳台上，逃生者系好安全带，站立于逃生器内，手动操作操纵杆，拉动绳索使吊篮下降至地面，即可逃生。

机械设计；高楼火灾；逃生器

近些年，随着国家现代化建设步伐日益加快，各类高层建筑不断增多，它们结构复杂、功能多样、人员密集，安全隐患相对较多，火灾危险性也随之增加，一旦发生火灾将难以控制和逃离。高楼火灾目前已经成为威胁人民群众生命安全和社会发展的主要灾害。有数据表明，2015年全国共发生重大火灾事故63起，造成234人死亡，114人受伤，直接造成财产损失2.5亿元。和楼房相关的火灾主要有：广东惠州义乌小商品批发市场火灾事故，共造成17人死亡，4人受伤，其中1人重伤；河南郑州市金水区居民楼火灾，火灾共造成13人死亡、4人受伤；河南鲁山康乐园老年公寓火灾，火灾共造成38人死亡，6人受伤。然而，现有消防救援的装备能力与高楼的发展严重失衡，高楼火灾救援手段往往不能适应高楼的建设发展。我国主要将消防水罐车作为消防装备灭火，但是其喷水远射能力仅为8层楼高；消防云梯车则是登高救援的装备，其举高救援能力约为50 m，高度相当于高层楼房的十五层，如果发生更高楼层的火灾，这些消防救援装备也是无能为力。同时，火灾发生时即便是使用这些装备，也往往因为这些装备机动性差、体积庞大和受建筑周边障碍影响等诸多因素，不能快速发挥应有的作用，从而出现局面失控，消防人员毫无办法，随着火势的进一步蔓延，造成重大人员伤亡和财产损失的惨剧。

无数高楼火灾案例表明，提高高楼火灾防范能力和有效救援与逃生已成为消防部门和全社会高度关注的社会问题。

因此，选择自救逃生是遇险者首先考虑的问题，配备必要的逃生器械是非常重要的。

国内外高空逃生器可谓种类繁多，原理各异，其基本原理都是利用缓降器、钢丝绳、可控器等控制逃生器缓慢下降，达到下降的目的。共同点基本都是结构复杂、操控繁琐、预先安装、价格高。

目前国内外关于高楼逃生器的研究与发明，主要有以下几种：

（1）救生气垫：消防救生气垫是救助从高处逃生的遇险人员的充气软垫，是消防救生和空中作业人员人身保护的安全设备，它可减少下跳人员在着地时所受到的冲击，起到缓冲和保护作用。但其应用高度有限，若使用不当，容易诱导跳楼。

（2）缓降器：此类装备主要用于单人操作，由安全钩、安全带、调速器、钢丝绳等结构组成，承载能力为100 kg以内的单个人员，使用时无需动力，安全缓降被困人员到达地面。该类逃生器的原理主要是增加钢丝绳与轮钢丝之间的包角，增加两者之间的摩擦力。使用时徒手操作设备，调节下降速度的快慢。

（3）逃生软梯：逃生软梯是一种用于营救和撤离火场被困人员的移动式梯子，可收藏在包装袋内，在楼房建筑物发生火灾或意外事故时，楼梯通道被封闭的危急情况下，是进行救生用的有效工具。使用逃生软梯时，根据楼层高度和实际需要选择主梯或加挂副梯。将窗户打开后，把挂钩安放在窗台上，同时要把两只安全钩挂在附近牢固的物体上，然后将软梯向窗外垂放，即可使用。一般的逃生软梯主梯长15 m，重量小于15 kg，荷载1 000 kg，最多可载8人。

（4）逃生滑道：逃生滑道是一种内部缓慢滑降的逃生用具，适用于许多人从高处顺序滑下，其在外层防火并有反光条、中层抗热辐射隔烟、内层导滑，每层均为高抗拉力并经静电处理的布做成，内层具有松紧性，让人的身体经过时产生一定的阻力缓冲，约以每米一秒的速度安全降下。逃生者以等速缓慢下降，即使有两位逃生者碰撞亦不会发生危险，适于连续逃生。

综合分析上面几种逃生器，一个优良的逃生装备应该具有结构简单、价格经济、稳定快速、安全方便、易于操作、可以重复使用等特点。根据以上研究，本文设计出一种高楼缓降逃生器，此装置符合高楼逃生装备的基本要求，同时创新使用滑轮组和轮，通过改变摩擦力的大小，具有速度调节功能。本设计结构紧凑、方便、成本低，非常适合于家庭应急逃生。

1 高楼缓降逃生器的工作原理

1.1 工作原理

本设计主要依据机械摩擦学相关原理和欧拉缰绳理论（滚轮与绳索围包角之间的大小可以影响摩擦力的大小）来完成，属机械装置。需要逃生时，将该装置快速固定到阳台上，逃生者系好安全带，手持操纵杆，站立于逃生器内。用手控制锁放器，一边下降一边调整合适下降速度，从而实现缓慢下降或者快速下降。如果发生特殊的情况，可以操作操纵杆并放置于紧急制动档位，这时可使逃生器紧急悬停于空中，保证受困人员安全。当逃生结束后，打开绳的一端，拉动绳索使吊篮上升，另一逃生者重复使用，即可逃生。

1.2 结构原理

逃生器设计方案结构如图1所示。

图1 高楼缓降逃生器原理图

此装置尺寸：支架1长60 cm，宽50 cm，采用三角支撑形式；吊篮分为两种：一种是人坐在篮子里面的，篮高100 cm，还有一种是人站在上面的，高180 cm.椭圆护栏a为25 cm，b为17.5 cm；控制轴4长53 cm；能使逃生速度控制在4 m/s左右；装置采用直径为3mm的钢丝绳环绕在控制轴上，根据楼房高度需要选择绳子长度，绳子长度可以达到100 m，共三股100 m绳绕在控制轴1上，三股绳分别位于挡绳轮6之间，且中间一股绳与两边绕绳的缠绕方向必须要相反。

多人往复循环使用功能可以保证许多受困人员的生命安全，装置具有简单而紧凑的结构，下降至地面前却可以减速降落，效果较好。此逃生器，体积适中，重量轻，可以实现紧急状态下脱离危险环境。能满足10层左右的居民楼、商场、学校楼使用。

逃生器模型照片见图2、图3和图4所示。

图2 逃生器总体布置图

图3 逃生器定滑轮及支撑装置

图4 逃生器手控减速装置

1.3逃生器使用方法

（1）如图3所示，在使用缓降逃生器前，将100m长的绳子环绕在控制轴4上，同时注意环绕方向，手动刹死摩擦轮，使用固定装置将支架1固定在阳台外面的护栏上。

（2）受困人员进入缓降逃生器中，手动操作控制手柄，使摩擦轮5放开，因为人体的重量产生重力，控制轴4转动，绕在其上面的绳子被释放，吊篮7和受困人员开始一起下降。这个过程中，可以手动操作控制手柄，改变刹皮与摩擦轮5之间的间隙，从而改变两者之间的摩擦力大小，相应改变控制轴4的转动速度，实现缓慢下降或者快速下降；若遇特殊情况，亦可置操纵杆于紧急制动器档位，手动刹死摩擦轮，吊篮7可以紧急悬停于空中，保证人员安全。

（3）随着控制轴4转动，吊篮7和受困人员的下降，上升控制绳8自动环绕在控制轴上并收起。待第一位受困人员降落至地面后，上升控制绳8环绕在控制轴上的长度与所在楼层高度正好相等，这时，已落地的人员可拉动上升控制绳8，因为滑轮组上绳索的缠绕方向与上升控制绳8相反，上升控制绳8被拉长，滑轮组绳被重新缠绕在控制轴4上，长度缩短，吊篮7上升，待上升到起始安装位置时，第二位逃生者即可使用，如此循环往复，可使多位受困人员脱险。

（4）缓降逃生器使用完后，收拾固定好绳索。如果滑轮组绳处于收起状态，上升控制绳8处于释放状态，此时需解开滑轮上方的绳结，将滑轮绳缠绕在控制轴4上并固定，不能松动，然后旋转控制轴4，重新环绕上升控制绳8于控制轴4上。如果上升控制绳8处于收起状态，滑轮组绳处于释放状态，此时需先环绕上升控制绳8并固定，不能松动，然后旋转控制轴4，重新环绕滑轮组绳于控制轴4上。

2 高楼缓降逃生器的参数计算

原始资料：

人的重量100 kg，G＝mg＝100×10＝1000 N

2.1 支架横梁受力计算

支架横梁受力图如图5所示。

图5 支架横梁受力分析图

∑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

选用2号角铁，Wz＝290 mm2，截面积为1.132 ×100 mm2

σmax=Mmax/Wz=125/290=0.43 MPa，符合使用要求。

F压＝G/2×cosa＝500×4/5＝400 N

σmax＝N/A＝400/113.2＝3.5 MPa，满足使用要求。

2.2 垫片（即定滑轮9两侧挡铁）受力计算

垫片选用45#钢，许用应力90 MPa.

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

2.3 吊篮竖梁的受力分析

材料为45#钢，许用应力为90 MPa，直径为10 mm.

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

2.4 吊篮横梁的受力分析

吊篮横梁的受力分析图见图6.

图6 吊篮横梁的受力分析图

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

2.5 控制轴的受力分析[1]

控制轴的受力分析见图7所示。

图7 控制轴的受力分析图

轴的直径取25 mm，则绳的拉力F=1/4G=250 N；

2.5.1 轴的弯曲强度校核

σmax=Mmax/Wz=32.5/πd3=0.5 MPa，符合使用要求。

2.5.2 轴的扭矩校核

功率：P=FV=500×4=2000 W=2kW

转速：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为扭矩（Nm）；P为轴所传递的功率（kW）；n为轴的转速（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 钢绳的选择[2]

选择3 mm的钢丝绳，其最小破断力为5.58 kN，符合使用要求。

3 高楼缓降逃生器设计方案的特点

总结以往逃生器的不足，经过多方面的改进与完善，设计了新的高楼缓降逃生器，该方案的特点主要有：

（1）调速方便。改变了传统缓降机构的笨重，逃生器结构简单，轻巧，不笨重。安装方便，操作简单。整个过程耗时短，一般五分钟就可搞定。该装置在逃生者下降的过程中手动操作控制杆，非常方便地调节下降速度，应用自如。

（2）装置匀速下滑的最快速度可达4 m/s.装置中的带式阻尼系统，可以缓慢改变下降速度，同时具有缓冲作用，而且，结构简单，操作方便，任何人使用时都可以使下滑速度匀速保持在4 m/s.

（3）落地前缓冲，保证安全。该装置的手控减速装置，可以使受困人员在落地前10 m减速，将速度从4 m/s逐渐减到0 m/s，刹车系数高，性能可靠。安全系数高，制动效果好。

（4）往复式升降，满足多人使用。该装置特有的往复拉绳机构，能满足多人循环使用。绳子的长度可根据楼层的高低进行选择。

（5）适用于人群广，坐式篮12岁以上儿童可使用，站式篮，身高1.5~1.8 m，体重100 kg以下的成人均可使用。

（6）逃生器成本低廉，加工成本低，费用不高，适合大众购买。逃生器有两种规格，坐式和站式两种可供选择，适合人群广。

[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]编写组．钢丝及钢丝绳标准汇编[M].北京：中国标准出版社，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

朱绍胜（1975-），男，江苏淮安人，副教授，主要从事金属切削加工、先进制造技术的教学与科研工作。