一種可自動(dòng)報(bào)警的鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯設(shè)計(jì)與可行性分析

李海洋，張繼國(guó)，唐鴻洋，劉述崇，王樂(lè)洋

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，高層建筑數(shù)量逐年增多，高層建筑火災(zāi)頻繁發(fā)生[1]。高層建筑人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，將嚴(yán)重危害人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全[2]。而國(guó)內(nèi)高層火災(zāi)的逃生救援能力較弱，針對(duì)高層建筑火災(zāi)的逃生裝置研究較少[3-5]。目前市面上的高層建筑逃生裝置，主要有高樓逃生艙，其利用空氣阻尼技術(shù)實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)軌安裝困難[6]；柔性逃生滑道利用摩擦限速原理，使人從其內(nèi)部緩慢滑下，但滑道容易損壞并且容易對(duì)逃生者的身體造成碰傷[7]；固定式逃生梯是將鐵架焊接于建筑外部，形成逃生梯，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，極易造成人員擁擠踩踏，延長(zhǎng)疏散時(shí)間，錯(cuò)過(guò)逃生時(shí)機(jī)[8,9]。目前的高層逃生裝置存在安裝困難、容易對(duì)使用者造成傷害等問(wèn)題。

鋁合金具有良好的耐蝕性，質(zhì)量輕且加工性能良好[10]。本文結(jié)合鋁合金自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款具有自動(dòng)報(bào)警功能的鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯，可自動(dòng)報(bào)警，輕便易安裝，操作簡(jiǎn)單，安全可靠。其安裝于高層建筑外墻，未開啟時(shí)折疊起來(lái)作為窗戶護(hù)欄使用，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可迅速向下旋轉(zhuǎn)展開形成逃生通道，同時(shí)向業(yè)主、小區(qū)物業(yè)以及消防局自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，幫助人們安全撤離，利于火情的控制。

1 設(shè)計(jì)方案

可自動(dòng)報(bào)警的鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯是一個(gè)開啟時(shí)無(wú)需外接動(dòng)力源，僅需本身自帶彈簧和自重即可沿著垂直方向旋轉(zhuǎn)式展開，形成特殊臺(tái)階，同時(shí)自動(dòng)向業(yè)主、小區(qū)物業(yè)及消防局發(fā)送報(bào)警信息，供人們快速躲避火災(zāi)疏散至安全區(qū)域的裝置。鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯折疊和展開狀態(tài)如圖1所示。

圖1 鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯折疊與展開狀態(tài)Fig.1 Folding and unfolding state of aluminum alloy rotary escape ladder

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯主要由開啟機(jī)構(gòu)總成、框架總成、扶梯總成、踏步總成及扶手總成五部分組成。鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯結(jié)構(gòu)如圖2所示。開啟機(jī)構(gòu)總成包括警報(bào)裝置、開啟把手、限位銷、安裝桿、固定銷、撞擊板、限位叉臂及彈簧?？蚣芸偝砂蚣軝M梁、框架縱梁、滑動(dòng)導(dǎo)軌及安裝塊，其分為固定框和活動(dòng)框兩部分，固定框通過(guò)安裝塊固定于樓體外，活動(dòng)框可向外移動(dòng)。扶梯總成包括扶梯框架、扶手、連接板、滑塊及撞擊錘。踏步總成包括踏板、踏步框架、橫拉機(jī)構(gòu)、鉸鏈及滑塊。扶手總成包括扶手框架、扶手及鉸鏈，扶手外輪廓設(shè)計(jì)為波浪形，增大接觸表面摩擦力，防止滑脫。

A-開啟機(jī)構(gòu)總成；A1-固定框；A2-活動(dòng)框；B-框架總成；C-扶梯總成；D-踏步總成；E-扶手總成；1-撞擊板；2-報(bào)警裝置；3-限位銷；4-開啟把手；5-安裝桿；6-固定銷；7-限位叉臂；8-框架橫梁；9-框架縱梁；10-彈簧；11-滑塊；12-滑動(dòng)導(dǎo)軌；13-扶梯框架；14-連接板；15-扶手；16-鉸鏈；17-撞擊錘；18-踏板；19-踏步框架；20-橫拉機(jī)構(gòu)；21-扶手框架；22-安裝塊圖2 鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of aluminum alloy rotary escape ladder

1.2 開啟原理

鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯的開啟無(wú)需外接動(dòng)力源，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，使用人員打開警報(bào)裝置蓋板，拔出安全銷，解鎖開啟把手，拉開開啟把手推動(dòng)限位銷，然后固定銷從活動(dòng)框中退出，在彈簧的作用下，活動(dòng)框向外側(cè)移動(dòng)，扶手總成展開，踏步總成和扶梯總成在重力的作用下，自動(dòng)向下旋轉(zhuǎn)展開。逃生梯完全打開后，扶梯總成上的撞擊錘撞擊在下層逃生梯的撞擊板上，使下層逃生梯被動(dòng)打開，其余層逃生梯依次打開，形成逃生通道。鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯開啟過(guò)程如圖3所示。

1.3 報(bào)警系統(tǒng)

高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，足夠的疏散時(shí)間是逃生人員能夠成功疏散的重要因素，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為了保障人們能夠迅速了解火災(zāi)情況，爭(zhēng)取寶貴逃生時(shí)間，每層鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯均配備一個(gè)報(bào)警器，報(bào)警器通過(guò)電纜將報(bào)警信息傳送至數(shù)據(jù)控制中心，再傳送至云平臺(tái)，最后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息發(fā)送到住戶、小區(qū)物業(yè)和消防局。

報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三級(jí)報(bào)警功能。一級(jí)報(bào)警功能：為防止誤開逃生梯，當(dāng)警報(bào)裝置蓋板被打開時(shí)，向住戶報(bào)警；二級(jí)報(bào)警功能：當(dāng)發(fā)生火災(zāi)情況時(shí)，警報(bào)裝置的安全銷被拔掉，開啟把手解鎖，向小區(qū)物業(yè)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，使小區(qū)物業(yè)可以及時(shí)采取措施控制火情和疏散人員；三級(jí)報(bào)警功能：開啟把手打開，鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯開啟，向住戶、小區(qū)物業(yè)和消防局報(bào)警，幫助人們快速撤離，同時(shí)保障小區(qū)物業(yè)和消防局及時(shí)了解火情信息。

1-蓋板；2-安全銷；3-限位銷；4-固定銷；5-開啟把手；6-彈簧；7-撞擊錘；8-撞擊板圖3 鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯開啟過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic diagram of opening process of aluminum alloy rotary escape ladder

2 模擬分析

本文對(duì)鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯的三種工況進(jìn)行分析。(1)工況1。分析踏步總成、扶手總成和扶梯總成強(qiáng)度，固定梯處于鎖止?fàn)顟B(tài)，對(duì)踏步總成、扶手總成和扶梯總成，施加載荷2943N，載荷垂直于地面并均勻地分布受試區(qū)域上。(2)工況2。分析踏步總成、扶手總成和扶梯總成對(duì)轉(zhuǎn)軸的剪切力，固定梯處于鎖止?fàn)顟B(tài)，對(duì)踏步總成、扶手總成和扶梯總成施加載荷2943N，載荷垂直于地面并均勻地分布在緊靠轉(zhuǎn)軸100mm范圍內(nèi)的受試區(qū)域上。(3)工況3。分析逃生梯展開后踏步總成、扶梯總成等自由落體對(duì)整體的沖擊性能，踏步總成完全展開前角速度為4.79rad/s，扶梯總成完全展開前角速度為4.38rad/s。三種工況的模擬分析模型如圖4所示。

2.1 材料選擇

參照以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，鋁合金逃生梯材料選擇6082-T6工業(yè)用鋁，6082-T6鋁合金是一種熱處理可強(qiáng)化合金、具有良好的抗腐蝕性以及機(jī)械性能。6082合金的材料屬性為，彈性模量70000MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度250MPa，密度2.7g/cm3。

圖4 模擬分析模型Fig.4 Simulation analysis model

2.2 模擬結(jié)果

通過(guò)模擬軟件進(jìn)行分析，三種工況應(yīng)力變形均未超過(guò)最大許用應(yīng)力250MPa，均滿足要求。由此可見(jiàn)，鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯各部分的強(qiáng)度滿足要求，方案可行。三種工況的模擬分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯三種工況模擬結(jié)果

3 試制

鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯的各部分零件主要采用鋁合金型材加工而成，型材擠壓材料選用6082鋁合金，為保證強(qiáng)度滿足要求，將型材人工時(shí)效至T6狀態(tài)。完成擠壓后，通過(guò)機(jī)加、表面處理以及焊接等工序，完成了鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯的試制，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯實(shí)物如圖5所示。

圖5 鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯實(shí)物圖Fig.5 Physical picture of aluminum alloy rotary escape ladder

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合鋁合金材料質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)用自動(dòng)報(bào)警技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)報(bào)警的鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯，并進(jìn)行模擬分析，完成試制，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。鋁合金旋轉(zhuǎn)式逃生梯的優(yōu)勢(shì)在于折疊時(shí)作為護(hù)欄使用，不占用空間，使用時(shí)可快速展開形成逃生通道，并且質(zhì)量輕、方便安裝；防腐蝕，不需后期維護(hù)；使用壽命長(zhǎng)；操作簡(jiǎn)單，無(wú)需接受培訓(xùn)即可使用；安全可靠，可及時(shí)報(bào)警。有效解決高層疏散裝置安裝困難、對(duì)使用者造成傷害等問(wèn)題，為高層建筑火災(zāi)疏散逃生提供一種有效途徑。