基于摩擦原理研制防恐慌可调速逃生器

摘要：缘起杭州保姆纵火案，思索河南许昌紧急抛孩事件，求解小孩火场逃生问题。论述防恐慌可调速火场逃生器1的科学创新性，通过思考探究、观察联想、细节优化和试验检测的方法，并对其创新部件的安全可靠性进行缓降、受力分析、检测和实验来验证逃生器在安全缓降、适应不同体重人群、可2人同时逃生、可直观省力简便地调速、消除恐慌的创新作用。

关键词：逃生器;安全;防恐慌;可调速

在火灾发生时，受困者不必坐等施救，可以自己利用逃生器，从自家窗户、阳台逃离火场，安全、简便、迅速地缓降到地面。而且，小孩也可以自助、省力地逃生。

1 防恐慌可调速火场逃生器创新部件及对比优势

防恐慌可调速逃生器基于摩擦原理制造，由本体的逃生绳，及创新设计的缓降装置、制动装置、调速装置、收绳组件及安全连裆裤等组成。

1.1 创新结构部件及功能

缓降装置由一个固定凹槽和七个金属套环（1环焊接+X环可快速装卸）组成来增加缓降阻力。可根据逃生者体重，以蛇行穿绳装上若干个金属套环，用以增加摩擦阻力。重点解决适应不同体重人群需要，解决普通缓降器因小孩重量不够不能下降，而体胖、或大人携带小孩超重致下坠过快造成恐慌及伤害等问题。

制动装置则借用摩托车涨闸来制动和减速。通过刹车线、弹簧、涨闸总成等，使之先行处于制动状态，逃生者跨出窗户时不会立即下降，做到防恐慌。下降中，以改变涨闸摩擦力大小来减速和使之停止。

调速装置借用摩托车把柄来调节速度。以松紧刹车线来减少或调节涨闸摩擦力。通过直观简便、小孩也可以省力地握松把柄来控速;可随时制动，便于从高楼架空层逃生;可悬停、及避免落地跌倒、伤害。

收绳组件包括绕线轮、同步轴承、收线手柄等，能快捷回收逃生绳后供后续逃生者立即使用。

安全连裆裤用耐磨布体制成，成三角裤形状，便于快速穿着，而且实现防恐慌作用;两套装便于2人一同逃生等功能效果。

1.2 技术、功能创新说明及对比优势

（1）下降的多重安全保护：以缓降装置产生摩擦阻力抵消大部分重力，7圈全部穿绕可抵消质量150kg物体下降产生的重力。以高摩擦制动的摩托车涨闸来增强缓降效果和有效实现制动、减速。

（2）创新简便省力调速和制动：采用足够的刹车弹簧拉力使制动滑块竖立迫使涨闸内蹄块组两边撑开，逃生器处于制动状态。在缓降状态时，以握松把柄带动刹车线，利用杠杆刹车原理放大拉力来使另一条弹性系数更大的释放弹簧来反向改变滑块拉力，松驰涨闸内蹄块，实现下降缓降。通过蹄块微量抵靠、部分抵靠或离开摩擦盘，从而调节和控制缓降过程的慢、快、使其停止（下降速度可控制在0～1.47m/s，国家标准为下降限速1.5m/s），以把柄、弹簧等结构部件解决初速度过快或费力控制下降等问题。

（3）安全连裆裤的创新功能：创新设计包臀、高腰、三角短裤状的耐磨、阻燃、强拉力安全整体布体，让逃生者以日常穿裤的习惯动作，不须专业训练即可快速穿着;既能让逃生者（特别是小孩）重心稳固，不让臀部和腰部受勒紧、悬空，有实在安全感。上下承接环设置腹部前，下降扯紧时可稍微倾斜逃生者的重心使身体后仰、眼睛向上，不会面对“高楼悬崖”，能消除恐慌;承接环又可视逃生者胖瘦情况使用，或腾出另一个承接环与小孩安全带连接，可方便携带小孩一同逃生。该安全带已广泛应用于攀岩、高空（清洗、电工）作业等领域。

（4）对比其它类缓降器，更适应多人群使用并快速逃生。目前市场上尚且没有考虑学龄儿童使用、2人共同逃生和省力简便操作的器械类逃生缓降器。本逃生器只需逃生者根据自身体重装上套环，再穿好安全连裆裤，扣上逃生器固定金属扣;逃生绳头部安全钩挂上锚栓即可，解决操作上麻烦;下降时，只需像骑自行车那样省力地握松手柄。纯粹器具产生摩擦阻力作用，可直观省力调速，结构简单、不需要用电、电池和液压等动力，完全不会发生机械电动碰上没有电源、液压阻尼环密封不保证泄漏造成的安全问题，又彻底解决其它类或国外缓降器速度过快不可调节，或手劲不够无法控制问题。或因速度过快而又无能为力，有“吓死”感觉，且落地时常跌倒伤害。

（5）实用功能拓展多，物美价廉、易推广。既可作为安全、快速、简便逃生器，又可作为高空作业人员安全保险装备。整机制造成本仅300元左右，安全可靠，易于在农村、普通和低楼层家庭推广。

2 逃生器的受力、缓降性能、省力分析

防恐慌可调速逃生器结构及受力分析图

缓降性能分析：为使下降速度不超过1.5m/s，减速度a=v22ssx=（1.5）22×20≈0.057 m/s2

根据逃生者体重，加穿不同数量的金属环。为保证初速度为0，即跨出窗户、阳台为制动状态，我们将F3调节为400N。

金属环数量、G与F4的计算：

由以上a=100μF410μF3+Gfxm

得出F4=10μF3﹝Gfx﹞+ma100μ

3 创新部件的安全可靠性能检测

（1）缓降装置检测：经拉力机测试金属套环及吊起水泥包40公斤、70公斤、90公斤、150公斤以20米高度下降，秒表计算下降时间，验证不同金属套环的承受阻力、是否实现缓降、以及缓降速度，探究摩擦阻力与套环数的大约配比，负荷对下降速度的变化，验证因重力差别的下降速度，以适应不同体重逃生者的需要。见下表。

逃生绳蛇行穿繞“1环固定+加穿X环”金属套环下降试验表

逃生绳蛇行穿绕金属圈圈数加穿3圈加穿4圈加穿5圈加穿6圈

悬挂40公斤重物20米下降时间（秒）12.816.522.833.8

悬挂70公斤重物20米下降时间（秒）9.613.118.528.6

悬挂90公斤重物20米下降时间（秒）5.56.813.220.2

悬挂150公斤重物20米下降时间（秒）体重超级胖或携带小孩推荐加穿6圈13.6

（2）制动装置检测：让涨闸内蹄块组撑开，使逃生器处于制动状态，吊重物（水泥）150公斤并时长12小时，进行静制动性能和耐久性能试验，试验得出可以有效制动和长时制动。

（3）调速装置检测：实验者借助工厂行车升高5米，在下降过程握松把柄。对刹车把柄分别施加10N、15N、20N、40N（轻勾、轻握、半紧握、全握）力气，试验其制动灵敏性。试验得知，小于40N的握闸力，均可以轻微控制速度下降，全握速度会明显加快。除去此握把柄力后，马上复位，只轻微抖动、但无卡滞现象。

（4）安全连裆裤快速穿着和消除恐慌作用检验：以秒表测算实验者穿着时间，大人和小孩5次平均时间分别为8秒、12秒;穿着安全连裆裤，使用逃生器从5层楼20米进行携带小孩下降试验，询问实验者，反映因臂部整体包裹扎实，不会产生虚空感和绳带锁紧、勒痛的感觉;而且，因承接环设置腹部前，稍微倾斜后仰，致眼睛向上，不会向地面望，确实可以有效消除恐慌心理。

（5）真人试验总体情况：遇火灾状况时，逃生者在“装套环、穿与扣、挂锚栓”三步骤后，即可跨出阳台，面向墙壁，以握松把柄下降安全逃生。经试验，逃生者在下降过程平稳缓慢，不会发生突然下坠，实现缓降效果;下降过程中，只用轻微的手劲（约施加20N左右）即省力把柄握力即可控制，整个逃生过程近似匀速下降（半紧握状态时，大约在1.13m/s;全部握紧状态时，即最快1.47m/s;中途松开刹车把柄时可完成制动和悬停），不会突然受力，逃生绳没有甩动，呈竖直状态。样机检验结果判定合格。

参考文献：

[1]GB/21976.22012建筑火灾逃生避难器材.第2部分：逃生缓降器.

[2]该逃生器获2018年第33届全国青少年科技创新大赛三等奖、第18届“明天小小科学家”奖励活动二等奖.

作者简介：刘元锟（2002），男，福建永春县人，现系福建省永春第一中学高二年学生，热爱科学和文学创作。