研究高楼逃生装置设计方案

研究高楼逃生装置设计方案

1 绪言

1.1 课题的背景及研究意义

随着世界经济的发展，各个城市高楼林立。而高楼火灾、爆炸、地震等事故时有发生，高楼逃生自救就成为了迫切需要解决的问题。一般多功能的高层建筑，部通道错综复杂，一旦发生火灾，楼通风口会迅速扩大火势和烟雾，很快就会扩散到各个角落，一旦浓烟覆盖就会寸步难行。进而困在楼上无法脱身。当突如其来的灾难来临时，电梯会因为电力中断而不能用，楼梯又被人群堵死，一般的地面救援装备在高度上可能不够，而且还会因为装备的笨重而不能迅速快捷的实施救援[1]。从而延误抢救时机，有很多人都因此而丢掉了宝贵的生命或则留下终身残疾。因此如何快速而有效的逃离起火大楼成了一个生死攸关的问题。高楼逃生装置就在这样的环境应运而生。

本设计要求在高层建筑发生火灾等其他突发情况时，设计一种可以帮助人们方便，快捷的逃生工具。要求设计的逃生装置在各种结构的建筑物都可以适用，操作简单自动化，可以在一个人可以操作的尺寸和重量的围使用和运送,多次重复往返高楼大厦进行施救。因此，它可以最大限度地减少火灾伤亡。通过分析现有的一些高楼逃生装置，虽然大部分设备可以实现高楼逃生此功能，但其复杂的结构原理和操作系统，昂贵的价格和偏低的安全性对高楼逃生自救还是很有限的。一些设备还需要电源控制，但当地震或火灾很可能无电力供应。复杂的操作使得有些人可能有自救装置因为不会使用而葬生。因此，本次设计高楼逃生装置是基于负反馈回路系统设计的一种结构简单、操作方便，并且不需要电力或其他能源驱动的纯机械结构的逃生装置。其原理是当逃脱人员因为重力下落时通过机构转换，产生阻碍逃生人员快速下落的阻力，随着逃生人员下降，阻力能够随之增大，使逃生人员在下降过程中依次经历加速、匀速、减速三个阶段，最终以一个安全的速度到达地面，实现成功自救。该装置仰角人工可调，不用的仰角合适不同的高度围。当从动轴和绳索之间的摩擦系数以及绳索的直径发生变化时，还可以通过改变该装置的仰角来恢复该装置的正常使用，适应于各种环境。

1.2 国外研究现状

在我们国家，主要的救生设备是缓降逃生器和空气救生垫。

缓降逃生器[2]主要用于普通家庭和个人，它是由调速器，安全带，安全钩，绳索等组成。可携带100公斤左右个人自由单向滑动，以每秒1.5米左右的速度下降。从建筑物的30楼逃生，需要花费超过60秒的时间，根据体重的不同，稍微有所差异。虽然平时60秒看似不起眼，但在分秒必争的灾难逃生的现场下或稍显较长。现在使用这种

逃生缓降器的情况并不理想，除了家庭消防意识弱，经济因素的原因。还因为这种逃生缓降器适用围不高，老年儿童及病残都不能有效操作使用，可能还会出现多家庭同时使用产生交织安装问题，而且需要定期维护。以上种种因素导致它难以进入普通人们的家庭。

空气救生垫是利用充气膨胀而产生缓冲效果的高空救生设备。大部分都是由高强度纤维材料缝纫、粘合制成。使用时用高压气瓶充气即可，但救生气垫的安全性随着楼层的高度增加而降低。在3-4层建筑物使用效果还是非常可观的，但是随着高度的增加，其缓冲效果和逃生人员落地的准确性都得不到保障。因此空气救生垫应用围非常有限，对于楼层过高的高楼下跳是非常危险的。本来可能还有生路，这样纵身一跃把唯一的生路都无意间放弃了，如果跳下来没有落在救生垫上，结果肯定会很惨。

目前，国外高楼逃生装置有以下几种形式：

间歇冲击：间歇性冲击式逃生装置是由间歇性的撞击消耗能源[3]。就和一个时钟的擒纵叉和擒纵轮的道理一样，达到消耗能量的目的。

液体流动阻尼：液体流阻尼逃生装置[4]是根据液体流经小孔时会产生稳定阻尼来降低速度的原理。其主要特点是由于液体阻尼器的尺寸依赖于外部负载，所以不管体重大小都能使用，而且效果良好。

此外，据《新科学家》杂志报道，美国国防部高级研究计划局正在研究弹射飞人。该研究的现实用途非常特殊，可以在紧急情况下可以把将警方或消防人员发送到高楼，从而迅速完成各项任务的。一种斜轨是以一个与地面斜坡成80的姿态靠近目标位置，执行任务的人员坐在椅子上——类似于飞行员驾驶舱的弹射座椅。压缩气瓶中的空气从中迅速排出，则沿滑轨弹射座椅，到达滑轨顶部的时停止，身体由于惯性飞到屋顶，安全到达指定位置。正确计算抛物线轨迹是此方案成功与否的关键。因此如果有一台能够精准控制发射角度和速度的电脑，此方案必定可行。据报道，确实有这样一台电脑能够两秒把人安全送到5楼。

1.3 高楼逃生装置的类型

确保安全可靠的机械运动是必要的，而限制机械运动的速度是确保安全可靠的首要任务。目前，国有不少自动限速装置的类型，主要包括包括间歇性、离心调速器和液体阻尼。

1.3.1 凸轮式高楼逃生装置

凸轮自动限速器，如图1.1,它包括一个外径为200mm的固定凸轮，其中，把凸轮支架设置在凸轮型腔，中央导轨支架的横向的设置是有滑动阀芯的，多个依序连续并沿着同一圆周的弧形凸轮面均匀分布在凸轮型腔，就组成了凸轮型腔的周壁，两个相邻的弧形凸轮面的结合处到凸轮中心连线的延长线与延长方向所对的弧形凸轮面的顶点相交，通过径向凸轮的中心的腔的凸轮的芯的滑动阀的长度等于设置有油室的导轨托架主体，滑动芯是固定连接与位于阻尼器的油室的上部和下部侧的阀。

图1.1 凸轮式模型

当该凸轮滑动型芯在气门驱动用作往复横向移动，从而使从油腔从一侧通过间隙流动阻尼片的油室的另一侧，然后用缓冲室的另一侧回油油侧的初级侧，此过程中产生极大的阻尼，是为了限制凸轮的速度。凸轮构件与任何需要限速的回转件联接，可以实现自动限制旋转部件转动的速度。

优点：体积小，无噪音，成本低，易于安装和维护的制作，坚固耐用，实用性高。

缺点：复杂的，多部件，生产耗费时间和劳动力，下降速度不稳定，安全系数比较低。

1.3.2 涡轮蜗杆式高楼逃生装置

原理：利用自锁式蜗轮蜗杆可以驱动蜗轮，但该蜗轮不能驱动蜗杆，使人们在逃生疏散过程中，掌握自己的命运。

优点：结构简单，具有自锁，安全性，制造成本低廉。

缺点：摩擦磨损大，物料需求比较高，操作程序复杂，一般人是不容易操作。1.3.3 心摩擦式高楼逃生装置

原理：人的重力驱动着卷轴的转动，当卷轴的活动很快时，会因为离心力而产生正压力，这样摩擦片与外壳产生的摩擦力就成为了逃生人员下降的阻力[5] ，并在下落速度达到一定值时，各项指标达到平衡，人逃生人员就匀速下降。

优点：逃亡下降过程中不需要人员控制。

缺点：局限性大，对最大和最小的重力都有限制，重力越大掉在地上的速度越大，若不能以安全速度降落，则达不到最初的目的。而且最小使用重力为200N。