單軌車輛高空快速逃生系統(tǒng)技術(shù)研究

石芳，孫瑋光，陶春華

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266109；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266112）

0 引言

近年來，跨座、空軌等單軌車輛憑借其緩堵效果好、地形適應(yīng)性強(qiáng)、建設(shè)周期短、線路造價(jià)低、景觀效果好等特點(diǎn)，被越來越多的城市及旅游景區(qū)所選用。單軌車輛的軌道梁一般以高架等形式敷設(shè)，車輛運(yùn)行高度在地面以上3～10 m，沿線周邊不易設(shè)置疏散平臺，緊急情況時人員逃生和地面救援比地面軌道車輛難以實(shí)現(xiàn)。本文借鑒航空應(yīng)急逃生梯工作原理，將充氣式逃生系統(tǒng)引入軌道交通領(lǐng)域，通過對其關(guān)鍵技術(shù)開展深入研究，打破傳統(tǒng)的功能界限，開發(fā)出一種簡單、快速、可自主逃生且適合大批量人員的逃生系統(tǒng)。

1 現(xiàn)有逃生方式分析

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)有逃生方式

目前單軌車輛高空應(yīng)急逃生體系尚不完善，國內(nèi)現(xiàn)有的垂向逃生方式主要有緩降裝置和吊掛式機(jī)械逃生裝置，國際上基本采用非自主撤離，主要有滑索逃生和滑筒逃生。

逃生緩降裝置：采用掛鉤、吊帶、繩索、滑輪及速度控制裝置等，逃生人員需提前穿戴好工裝，采用單次單人的方式進(jìn)行自降逃生。緩降裝置逃生準(zhǔn)備時間較長，不適合大批量人員的快速逃生。

機(jī)械吊掛裝置：主要由金屬坡道、收放控制系統(tǒng)、傳動滑輪等組成，裝置安裝于車體底部，車廂地板開設(shè)專用逃生洞口，逃生人員由車底應(yīng)急出口至逃生裝置滑道滑下，進(jìn)行撤離逃生。吊掛裝置配重較大，與車輛接口復(fù)雜，目前尚未裝車運(yùn)用。

滑索逃生：在車內(nèi)固定好應(yīng)急逃生滑索一端，從車門放下滑索，并由地面工作人員將滑索斜向拉緊。逃生人員做好安全防護(hù)措施，通過滑索滑降方式逃生。

滑筒逃生：從列車側(cè)面應(yīng)急出口或下部逃生口放下滑筒，逃生人員在做好相應(yīng)安全防護(hù)措施后，滑降逃生，滑筒地面端須有專業(yè)人員配合逃生。

1.2 逃生方式對比

現(xiàn)有垂向逃生方式對比分析如表1所示。

表1 現(xiàn)有垂向逃生方式對比

綜上，國內(nèi)外現(xiàn)有垂向逃生裝置在準(zhǔn)備時間、逃生效率、安全性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，以及是否自主逃生等方面均有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合評價(jià)均非最優(yōu)，亟待開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、安全、快速的逃生方式。

2 技術(shù)指標(biāo)要求

以單軌車輛3節(jié)車廂編組為例，每節(jié)車廂乘客人數(shù)最大為105人[2]，載客數(shù)量最大為315人；列車底部距離地面高度不大于8 m。結(jié)合單軌車輛故障模式及逃生需求，充氣式逃生滑梯應(yīng)滿足表2所示技術(shù)指標(biāo)要求。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 設(shè)計(jì)原理

充氣式逃生滑梯使用耐磨、氣密的織物經(jīng)熱粘接或高頻焊接形成密閉氣囊，氣囊平時排空內(nèi)部氣體，壓縮折疊后放置于存儲空間內(nèi)。充氣系統(tǒng)主要包括高壓氣瓶及引射器，引射器[1]位于氣囊進(jìn)氣口處，充氣系統(tǒng)利用文丘里原理，可在數(shù)秒時間內(nèi)快速將高壓氣體及周圍空氣充入氣囊至可承受人體重力的狀態(tài)。

在車輛遇緊急情況發(fā)生時，需將裝置移到門口并將其從車門推下，裝置在掉落過程中高壓氣瓶將在重力作用下自動充氣，同時引射器啟動，加快充氣速度，極短時間內(nèi)在車輛與地面之前形成氣囊式滑梯，便于車廂內(nèi)乘客快速撤離，滑梯展開狀態(tài)如圖1所示。

3.2 防滑技術(shù)研究

撤離人員以合理的速度著地，是逃生滑梯設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。著地速度過快，會增加撤離人員的二次傷害，著地速度過慢，會降低撤離效率，甚至出現(xiàn)多人滯留在滑道上的情況，超出滑梯結(jié)構(gòu)或車廂連接裝置的承力極限，從而導(dǎo)致滑梯結(jié)構(gòu)性永久破壞，產(chǎn)生災(zāi)難性后果。

滑道面與地面的夾角及滑道與逃生人員的摩擦系數(shù)是撤離時著地速度的決定性因素。將撤離人員的下滑運(yùn)動看作初速度為0的勻加速直線運(yùn)動。如圖2所示，可得如下公式：

圖3 逃生高度與著地速度關(guān)系

式中：G為撤離人員重力，N為滑道對撤離人員支持力，f為摩擦力，θ為接地角，H為逃生高度，L為滑道長度，μ為摩擦因數(shù)，V為落地速度，t為下滑時間，a為加速度。

通過對兩種常用的滑道材料進(jìn)行測試，在相同滑道長度不同逃生高度情況下，對兩種摩擦因數(shù)分別為0.17和0.42的材料做對比分析，計(jì)算出著地速度，如表3所示。

分析表明，逃生高度越大，隨著滑梯傾角增加，著地速度對摩擦因數(shù)越不敏感。摩擦因數(shù)越小，在不同逃生高度下的著地速度離散性越小。為了適應(yīng)列車不同的運(yùn)行高度，所選滑道材料的摩擦因數(shù)應(yīng)該盡量小, 而隨著摩擦因數(shù)減小，傾角范圍會相應(yīng)減小，需要相應(yīng)增加滑梯長度。

3.3 抗側(cè)風(fēng)技術(shù)研究

逃生滑梯需要在比較嚴(yán)酷的氣象條件下工作，由于其充氣結(jié)構(gòu)體積大、質(zhì)量輕，因此側(cè)風(fēng)對逃生滑梯的影響不可忽視。逃生過程中，滑梯自身的剛度、撤離人員的重量足夠穩(wěn)定滑梯，所以防側(cè)風(fēng)控制只需考慮從滑梯開始拋放到完全展開這一過程，防止側(cè)風(fēng)致使滑梯翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致無法正常展開。

試驗(yàn)表明，逃生滑梯的抗側(cè)風(fēng)能力主要受滑梯剛度及受風(fēng)面積影響，而滑梯剛度由氣囊內(nèi)部壓強(qiáng)決定。防側(cè)風(fēng)的主要技術(shù)手段是降低受風(fēng)面積、提高充氣速度。為此設(shè)計(jì)了滑梯分段展開控制裝置，可將滑梯從上到下分成3段折疊，并使用易斷繩等展開控制裝置。在滑梯剛掉落并開始充氣時，第一段先充氣，而后兩段仍處于折疊狀態(tài)，一方面大幅降低受風(fēng)面積，另一方面氣體先進(jìn)入第一段，能加速氣囊的膨脹，增大氣囊內(nèi)壓強(qiáng)，提升抗側(cè)風(fēng)能力。待一段氣囊壓強(qiáng)達(dá)到限界值時，易斷繩拉斷，第二段氣囊開始充氣，依此類推，滑梯最終成型并完全展開，分級控制示意如圖4所示。

圖4 氣囊分級控制示意

3.4 充氣技術(shù)研究

充氣系統(tǒng)能將氣囊在短時間內(nèi)充到正常工作所需氣壓。前述分析表明，充氣時間越短就能爭取到更多的撤離時間，也能提高滑梯的抗側(cè)風(fēng)能力。

充氣系統(tǒng)包含了引射器、高壓軟管、高壓氣瓶等部分，如圖5所示。

圖5 充氣系統(tǒng)示意圖

引射器基于文丘里原理工作，即在高速流動的氣體附近會產(chǎn)生低壓，從而產(chǎn)生吸附作用。高壓氣體由高壓氣瓶高速流出，通過引射器噴管形成的低壓，將外界空氣大量吸入，形成高速混合氣體充入滑梯氣囊?？蛇_(dá)到使用較小的氣瓶、少量高壓氣體在短時間內(nèi)快速充氣的目的。引射器氣流如圖6所示。

圖6 引射器氣流示意圖

實(shí)驗(yàn)證明不同氣壓的高壓氣瓶對氣囊的最終壓強(qiáng)有直接影響。采用不同壓力的高壓氣瓶對滑梯氣囊進(jìn)行充氣試驗(yàn)，氣囊壓強(qiáng)及充氣時間變化規(guī)律如圖7、圖8所示。試驗(yàn)中，環(huán)境溫度為20 ℃；高壓氣瓶體積為12 L；混合氣體為二氧化碳和氮?dú)?；有效充氣時長指進(jìn)氣時引射器開啟時長。

圖7 氣瓶壓強(qiáng)與氣囊壓強(qiáng)曲線

圖8 高壓氣瓶與有效充氣時長曲線

圖9 滑梯拋放試驗(yàn)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)及曲線規(guī)律，由于引射器作用，氣囊壓強(qiáng)與高壓氣瓶壓強(qiáng)并不成正比，隨著高壓氣瓶壓強(qiáng)的增加，氣囊內(nèi)壓強(qiáng)的增量明顯在減小，氣瓶壓強(qiáng)在2400 psi時，有效充氣時長及氣囊壓強(qiáng)均達(dá)到最優(yōu)，將此氣壓確定為標(biāo)準(zhǔn)工作氣壓，驗(yàn)證滑梯的最大承載，可通過增加滑道厚度及背部支撐氣柱的方式提高滑梯剛度，保證滑道上至少不低于2人的承載能力。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

逃生滑梯的關(guān)鍵性能及指標(biāo)需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果能夠有效驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性及安全性，并可作為后續(xù)設(shè)計(jì)迭代、優(yōu)化的依據(jù)。

4.1 模擬拋放及展開時間測定

將打包狀態(tài)的逃生滑梯從模擬車輛正常使用高度的臺架上推下，滑梯掉落并展開，充氣至可使用的狀態(tài)。觀測滑梯是否分段展開，測量滑梯充氣時間。

4.2 氣囊剛性及使用高度測定試驗(yàn)

將逃生滑梯在模擬車輛正常使用高度的臺架上充氣展開，達(dá)到正常工作狀態(tài)（氣囊壓力不小于2400 psi）。為保證安全，可先使用120 kg沙袋模擬人員從滑梯上下滑，觀察滑梯是否有明顯變形、沙袋能否正?；洌谠囼?yàn)場地做好充足防護(hù)的情況下由真人下滑。

4.3 撤離率測定

將逃生滑梯在模擬車輛正常使用高度的臺架充氣展開，達(dá)到正常工作狀態(tài)。組織30名試驗(yàn)人員，人員可循環(huán)滑落，有序地從滑梯頂端滑至地面，試驗(yàn)過程滑道面保證停留人數(shù)不大于2人，記錄1 min內(nèi)滑下的人數(shù)，測定實(shí)際撤離速率。

5 結(jié)語

1）本文從技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面進(jìn)行論證，驗(yàn)證了充氣式逃生系統(tǒng)的可行性。

2）充氣式逃生系統(tǒng)比現(xiàn)有垂向逃生方式具有明顯的優(yōu)勢：逃生高度可達(dá)3～10 m；逃生準(zhǔn)備時間縮短到1 min；逃生速度不低于30 人/min；簡化了車輛接口，車輛不用專設(shè)逃生口，利用現(xiàn)有車門逃生。

3）充氣式逃生系統(tǒng)有效地解決了單軌車輛的高空逃生問題，結(jié)構(gòu)簡單、安全、快速，適合大批量人員的應(yīng)急疏散，具有較好的市場應(yīng)用前景。