一種可控速高層逃生裝置的設(shè)計(jì)

□蔡漢明 □常瑞鵬

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

高層樓房發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)，人們從樓道成功逃生的機(jī)會(huì)并不多，即使能逃生，也時(shí)常發(fā)生踩踏事件。目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的高層逃生裝置主要為機(jī)械電動(dòng)式、往復(fù)式等，存在體積質(zhì)量較大、需要?jiǎng)恿?、安裝困難和適應(yīng)高度有限等缺陷[1-3]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，筆者基于摩擦原理，設(shè)計(jì)了一種可控速高層逃生裝置，可以使人們直接從陽臺(tái)或窗戶逃生。這一裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、無需動(dòng)力、操作便捷、質(zhì)量輕、體積小、安裝方便和不受高度限制等優(yōu)點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)組成

可控速高層逃生裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示[4-5]。人系上安全帶或坐在安全籃里，安全帶或安全籃的搭扣鎖在U形吊環(huán)的承重螺桿上，這樣人便可以在重力的作用下安全、勻速地滑落到地面。裝置主體包括承重螺桿、U形吊環(huán)、控速環(huán)、滾花螺母、定位板、控速操縱桿和控制板等部件。U形吊環(huán)焊接于定位板上，定位板通過銷軸與控制板連接，撥動(dòng)控速操縱桿可以改變定位板與控制板之間的相對(duì)位置。定位板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 工作原理

可控速高層逃生裝置采用摩擦原理[6]，根據(jù)逃生者自身重力調(diào)節(jié)控制板與定位板之間的相對(duì)位置，基于控速環(huán)控制繩索與U形吊環(huán)之間的摩擦阻力，使U形吊環(huán)在不同載荷作用下得到合適的滑落速度，進(jìn)而使逃生者安全降落。可控速高層逃生裝置實(shí)物如圖3所示。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

可控速高層逃生裝置材料選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后強(qiáng)度極限[σb]=650 MPa，U形吊環(huán)的橫截面直徑和承重螺桿光桿直徑D均為22 mm，設(shè)計(jì)最大承重F=4 kN。

3.1 U形吊環(huán)強(qiáng)度校核

▲圖1 可控速高層逃生裝置結(jié)構(gòu)示意圖

U形吊環(huán)如圖4、圖5所示，其上部彎曲應(yīng)力由于彎曲力臂較承重螺桿小而比承重螺桿小，因此僅需校核其抗拉強(qiáng)度[7-8]。根據(jù)U形吊環(huán)的特點(diǎn)，其危險(xiǎn)截面AA截面可通過計(jì)算比較獲得。

光桿處截面積A0=πD2/4=379.94 mm2，截面積A1=123.11 mm2，截面積A2=40.07 mm2，A-A截面處截面積A=2（A1+A2）=326.36 mm2。

▲圖2 定位板結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖3 可控速高層逃生裝置實(shí)物圖

由此，可確認(rèn)危險(xiǎn)截面在A-A截面部位?？紤]到下落時(shí)有可能重力滑向一側(cè)，因此A-A截面的抗拉強(qiáng)度 σ=F/A=12.26MPa＜[σb]?？梢?，危險(xiǎn)截面安全。

▲圖4 U形吊環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖5 A-A截面示意圖

3.2 承重螺桿強(qiáng)度校核

式中：M為固定端的彎矩；W為桿件橫截面的抗彎截面模量。

取許用抗剪強(qiáng)度[τ-1]=155 MPa，螺紋小徑 d1=17.835 mm，則承重螺桿抗剪強(qiáng)度τ為：

承重螺桿材料采用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理，取許用彎曲應(yīng)力[σ0]=95 MPa。承重螺桿可能破壞的情況是當(dāng)重力位于其中位時(shí)，由于彎矩過大而彎斷或重力滑向一側(cè)時(shí)而剪斷。

承重螺桿彎曲強(qiáng)度σω為：

可見，承重螺桿強(qiáng)度滿足要求。

4 分析驗(yàn)證

為了驗(yàn)證U形吊環(huán)與承重螺桿組合部件的受力和變形量，應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行分析和驗(yàn)證。根據(jù)圖4和圖5所示尺寸，在SolidWorks軟件中進(jìn)行三維繪圖建模，然后導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析[9]。設(shè)置材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，承重載荷為4 000 N，位于中間位置，應(yīng)力分析如圖6所示。

▲圖6 U形吊環(huán)與承重螺桿組合部件應(yīng)力分析圖

由圖6可見，最大受力處的應(yīng)力為76.981 MPa，遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限[σb]，所以強(qiáng)度符合要求。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的可控速高層逃生裝置不需動(dòng)力[10]，安全可靠，一條繩索可供相同或不同樓層的多人共同使用，大大提升了逃生速度。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、質(zhì)量輕、體積小、占用空間小、維護(hù)和使用操作方便，可簡(jiǎn)便快捷地拆卸和安裝，適用于高樓內(nèi)的人員逃生及物品轉(zhuǎn)移，也可用于野外高處的降落逃離。