家用救生艙的概念設(shè)計(jì)

楊福芹，丁中敏，常德功

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061)

0 引 言

在地震、火災(zāi)發(fā)生的時(shí)候，住宅中的逃生通道往往會(huì)被墜落物、煙霧、大火等因素阻隔，人們無(wú)法從安全通道逃生而被困家中，從而遭受墜落物、有害氣體、高溫的傷害甚至喪生。隨著近些年頻發(fā)的自然災(zāi)害和人為災(zāi)害，人們開(kāi)始越來(lái)越關(guān)注如何能夠在災(zāi)害中保護(hù)自身生命安全、緊急避難并順利逃生。本研究就是針對(duì)家庭(特別是居住在高層建筑中的家庭)設(shè)計(jì)一種緊急避難裝置。

本研究提出一種家用式救生艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該救生艙頂部設(shè)計(jì)為可折疊桌面，在平時(shí)作為家具使用;在災(zāi)難發(fā)生時(shí)，該救生艙可以有效地抵御沖擊、高溫、煙氣等。根據(jù)家用救生艙使用時(shí)的工作條件，本研究利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)其艙體進(jìn)行靜載分析，設(shè)計(jì)出帶有加強(qiáng)筋的艙體結(jié)構(gòu)來(lái)提高其抗沖擊性;并通過(guò)設(shè)計(jì)帶有隔熱支撐的艙壁結(jié)構(gòu)以提高該救生艙耐溫隔熱能力;該救生艙同時(shí)配備有完善的內(nèi)部保障系統(tǒng)為避難人員提供一個(gè)安全可靠的空間。當(dāng)?shù)卣鸹蚧馂?zāi)等發(fā)生時(shí)，家庭成員可以迅速打開(kāi)艙門(mén)，躲入艙內(nèi)，有效躲避來(lái)自外界的墜落物、有害氣體、高溫等的傷害，并隨時(shí)可以向外界呼救，安全地等待救援［1-2］。

1 總體設(shè)計(jì)方案

考慮到家用救生艙如果僅用來(lái)應(yīng)對(duì)各種災(zāi)難，而平時(shí)閑置不用，勢(shì)必會(huì)造成資源浪費(fèi)且占據(jù)住宅有限的使用空間，本研究設(shè)計(jì)一種平時(shí)可作為家具而災(zāi)難發(fā)生時(shí)又可用作避難所的多功能家用救生艙。

在日常生活中，救生艙可用作餐桌、書(shū)桌、電腦桌或者擺放物品。當(dāng)?shù)卣?、火?zāi)發(fā)生后，人們?cè)谘杆倥袛酂o(wú)法逃生后，馬上打開(kāi)救生艙艙門(mén)，進(jìn)入到艙內(nèi)并關(guān)閉艙門(mén)。此時(shí)救生艙為一個(gè)獨(dú)立密閉的空間，能夠抵御一定的外力沖擊和高溫?zé)煔猸h(huán)境。逃生人員在救生艙內(nèi)躲避的時(shí)候，可以打開(kāi)壓縮氣瓶的閥門(mén)來(lái)保證空氣充足，并通過(guò)觀察窗來(lái)觀察外界情況，通過(guò)呼救器向外界傳遞求救信號(hào)［3］。艙內(nèi)儲(chǔ)存有食物、水、醫(yī)藥工具箱等生存物資，可以保證人員在救生艙內(nèi)生存48 h以上，直到救援人員的到來(lái)。

2 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 救生艙外部艙體結(jié)構(gòu)

家用救生艙主要是放置于家中臥室、客廳、書(shū)房等房間內(nèi)，因此不宜占地面積過(guò)大從而影響到日常生活，而其內(nèi)部在容納全部生存設(shè)備后還應(yīng)該容納2～3人進(jìn)行避難。除此之外，家用救生艙在外形和顏色上最好與住宅的裝修風(fēng)格相協(xié)調(diào)。

家用救生艙的簡(jiǎn)圖如圖1所示。

家用救生艙主體外形為柜式結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)計(jì)為可折疊式桌面，如果打開(kāi)折疊板，救生艙上部可變?yōu)橐粋€(gè)橢圓桌，可以容納更多的人用餐或者使用，使用完畢后也可以收起折疊板以減少占用的空間。特別值得注意的是救生艙邊角處一定要采用圓弧過(guò)渡，以避免逃生人員在緊急情況下避難時(shí)磕碰到尖銳的棱角部而產(chǎn)生不必要的傷害。

救生艙艙壁的示意圖如圖2所示。

圖1 家用救生艙簡(jiǎn)圖

救生艙的艙壁從外到內(nèi)依次為外層隔熱防火膜、防護(hù)外壁、隔熱支撐、隔熱層、鍍鋁內(nèi)壁。外層隔熱防火膜貼在救生艙艙壁的最外層，起到防火隔熱的作用。防護(hù)外壁采用低合金高強(qiáng)度鋼板Q345，其良好的強(qiáng)度、塑韌性、焊接性、成形性使艙壁具有足夠的強(qiáng)度來(lái)抵御外界突然的沖擊，并且在防護(hù)外壁的內(nèi)側(cè)焊接上可以加強(qiáng)抗沖擊能力的加強(qiáng)筋。防護(hù)外壁為前、后兩部分，其間用法蘭進(jìn)行連接并且進(jìn)行密封。在外壁與內(nèi)壁之間放置隔熱支撐，以起到支撐內(nèi)外壁和隔熱的作用。在內(nèi)壁與外壁之間還要填充足夠的隔熱材料，例如玻璃纖維棉板作為隔熱層。在內(nèi)壁外側(cè)鍍鋁，使其除了起到支護(hù)作用外鍍鋁層還可以對(duì)向內(nèi)傳遞的熱進(jìn)行反射，減少熱量傳遞到內(nèi)部［4-5］。

本研究在救生艙的艙壁上設(shè)置有換氣孔、觀察窗、艙門(mén)。換氣孔用于安裝單向換氣閥，以保證救生艙內(nèi)的空氣只出不進(jìn)。觀察窗采用雙層防爆玻璃，密封后固定于艙體上。艙門(mén)采用和艙壁同樣的結(jié)構(gòu)，以保證有足夠的抵抗沖擊能力、隔熱能力和氣密性。

圖2 救生艙艙壁示意圖

2.2 救生艙內(nèi)部生存系統(tǒng)

家用救生艙的內(nèi)部擁有生存保障系統(tǒng)，其包括壓縮氧氣瓶、壓縮空氣瓶、空氣凈化箱、傳感器、座椅、座便器、醫(yī)藥工具箱、呼救器、儲(chǔ)存的食物和水等。保障設(shè)備被合理地放置在救生艙艙內(nèi)。

壓縮氧氣瓶和壓縮空氣瓶可以在人員進(jìn)入到救生艙內(nèi)后發(fā)現(xiàn)空氣不足時(shí)提供空氣并保證艙內(nèi)壓力始終大于艙外的正壓狀態(tài);空氣凈化箱內(nèi)部裝有可以吸收二氧化碳和其他泄露進(jìn)入的有害氣體的藥粉;傳感器用于隨時(shí)監(jiān)控救生艙艙內(nèi)的各項(xiàng)生存指數(shù)，以提醒被困人員此時(shí)的生存環(huán)境是否良好，以及時(shí)通報(bào)給外界的救援人員;座椅為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可以作為一個(gè)儲(chǔ)物箱，裝有食物、水、工具醫(yī)藥箱等，在需要的時(shí)候可將座椅上的端蓋打開(kāi)取出;坐便器內(nèi)部放置有糞便收集器，在不使用的情況下可以將端蓋放下供一人作為座椅使用;呼救器可以向外發(fā)送無(wú)線信號(hào)求救和報(bào)告被困人員具體所在位置［6］。

3 解決的關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 救生艙承受墜落物的能力

由于家用救生艙有可能會(huì)面對(duì)地震、火災(zāi)以及火災(zāi)中發(fā)生的爆炸等情況，本研究所設(shè)計(jì)的救生艙艙體必須有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受墜落的重物和垮塌的房體。

本研究將救生艙艙體簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體，利用有限元分析仿真軟件ANSYS Workbench［7-9］對(duì)其進(jìn)行靜載分析。根據(jù)救生艙使用情況提出的要求，救生艙艙體防護(hù)外壁材料選擇低合金高強(qiáng)度鋼Q345，其物理學(xué)參數(shù)為:屈服強(qiáng)度345 MPa;抗拉強(qiáng)度470 MPa;密度7 800 kg/m3;彈性模量210 GPa;泊松比0.3。

在簡(jiǎn)化艙體外表面施加均布載荷后得到的等效應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化艙體等效應(yīng)力云圖

總位移變形云圖如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化艙體總位移形變?cè)茍D

從圖3、圖4中可以明顯看到，簡(jiǎn)化的救生艙艙壁4個(gè)受載面中心處的應(yīng)力和位移變形相對(duì)集中，因此本研究考慮在防護(hù)外壁內(nèi)側(cè)焊接橫向和縱向的加強(qiáng)筋來(lái)提高救生艙艙體的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)可以節(jié)省外壁材料和減輕重量［10-11］。

3.2 救生艙耐溫隔熱能力

在火災(zāi)發(fā)生后，救生艙會(huì)處于高溫?zé)煔猸h(huán)境，救生艙的耐溫隔熱能力對(duì)艙內(nèi)人員生存有著十分重要的意義。

除了救生艙防護(hù)外壁上的隔熱防火膜，還有在內(nèi)壁和外壁之間放置的隔熱支撐、填充的隔熱材料以及內(nèi)壁外側(cè)的鍍鋁層都可以用于提高救生艙的耐溫隔熱能力。

救生艙外壁與內(nèi)壁之間的隔熱支撐不但要起到連接支撐內(nèi)、外兩部分結(jié)構(gòu)的功能，還要保證外壁與內(nèi)壁之間沒(méi)有直接的接觸，否則熱量會(huì)通過(guò)金屬材料迅速傳導(dǎo)到救生艙內(nèi)部，導(dǎo)致艙內(nèi)溫度急劇上升。因此本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)隔熱基座通過(guò)螺栓和隔熱木方連接在一起的隔熱支撐(示意圖如圖2所示)。金屬的隔熱基座焊接到外壁上，不與內(nèi)壁接觸。

3.3 救生艙密封防護(hù)能力

救生艙可能處于火災(zāi)的煙氣環(huán)境中，因此觀察窗和艙門(mén)需要密封嚴(yán)密。門(mén)窗和艙體之間可以采用具有較高的耐磨性、較好的耐熱性以及優(yōu)良的氣密性的丁腈橡膠密封膠條進(jìn)行密封。由于配備有壓縮空氣瓶，通過(guò)打開(kāi)閥門(mén)可以使艙內(nèi)保持一個(gè)高于艙外環(huán)境100 Pa～500 Pa的正壓環(huán)境，艙外的煙氣不易向艙內(nèi)擴(kuò)散。

3.4 救生艙其他保障能力

本研究所設(shè)計(jì)的家用救生艙的一些基本參數(shù)如表1所示。這些基本參數(shù)反映了避難人員在艙內(nèi)的生存條件。

救生艙通過(guò)內(nèi)部的生存保障系統(tǒng)滿(mǎn)足避難人員在艙內(nèi)必備的各項(xiàng)生存條件。例如:避難人員在進(jìn)入到救生艙內(nèi)部后，空氣供給設(shè)備能夠提供生存必須的空氣;空氣凈化設(shè)備可以保證艙體內(nèi)空氣適宜人體生存;環(huán)境監(jiān)控設(shè)備可以準(zhǔn)確監(jiān)控救生艙內(nèi)外環(huán)境溫度、空氣質(zhì)量等參數(shù)并及時(shí)報(bào)告給艙內(nèi)人員;座椅、座便器、醫(yī)藥工具箱、食物和水都可以保證人員的正常生存并且呼救設(shè)備可以向外界傳遞求救信號(hào)。

表1 家用救生艙的基本參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種家用救生艙的概念設(shè)計(jì)。該救生艙在平時(shí)可作為餐桌、書(shū)桌、電腦桌等家具使用，而在地震、火災(zāi)等災(zāi)害事故發(fā)生時(shí)，可為家庭成員提供一個(gè)安全的避難所，以抵御來(lái)自外界的墜落物、有害氣體、高溫等的傷害，并且該家用救生艙系統(tǒng)還可以向外界呼救，以保證受困人員能夠安全地等待救援，從而減少意外傷亡的發(fā)生。但由于該設(shè)計(jì)目前還處于概念設(shè)計(jì)初級(jí)階段，因此后續(xù)還需要進(jìn)行更加深入的研究。

［1］張鴻鶴，王晉波.高層建筑避難間設(shè)置探討［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2012，31(10):1057-1060.

［2］王圓賓，徐德華.一種抗震救生設(shè)施的開(kāi)發(fā)與研究［J］.科技資訊，2012(11):216.

［3］高廣偉，張祿華.煤礦井下移動(dòng)救生艙的設(shè)計(jì)思路［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5(4):162-164.

［4］許 建，李長(zhǎng)錄，王 凱.救生艙的生存溫度保障［J］.煤礦安全，2011，42(8):66-68.

［5］汪 聲，金龍哲，栗 婧.救生艙熱防護(hù)性能研究［J］.煤礦安全，2010，41(11):16-19.

［6］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.礦用可移動(dòng)式救生艙通用技術(shù)條件［R］.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2009.

［7］周小燕，李 兵，孔芬霞，等.基于 ANSYS Workbench柴油機(jī)后處理裝置的模態(tài)分析［J］.機(jī)電工程，2011，28(8):928-930.

［8］金大鵬，李建勇，王 恒，等.基于 ANSYS Workbench的固晶機(jī)構(gòu)柔性動(dòng)力學(xué)分析［J］.機(jī)電工程，2012，29(10):1146-1149.

［9］馬靜靜，胥光申.重要電子設(shè)備機(jī)箱動(dòng)態(tài)特性分析與試驗(yàn)［J］.機(jī)械，2013，40(6):26-29.

［10］王進(jìn)軍，陳光柱，夏小東.煤礦井下救生艙艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［J］.煤礦機(jī)械，2011，32(12):13-15.

［11］梅瑞斌，李長(zhǎng)生，蔡 般，等.爆炸沖擊下煤礦救生艙抗爆能力有限元分析［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，34(1):85-94.