一种高楼安全应急逃生器的研究设计
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科技信息 ０高校讲坛０ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１３年第７期
一种高楼安全应急逃生器的研究设计
董达善雷斌滕媛媛
（上海海事大学物流工程学院，中国上海２０１３０６）
【摘要】针对社会市场对高楼救援的需求，通过分析市场现有的几种高楼逃生器，从能量转换的角度设计了一种以人体下降势能为动力 的新型高楼逃生器。该逃生器具有价格低、下降平稳、使用安全、操作简单、体积小、可同时供多人逃生等显著特点。
【关键词１高楼逃生器；波形轮；缓降
Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａ Ｎｅｗ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ Ｈｉｇｈ Ｂｕｌｉｄｉｎｇ Ｅｓｃａｐｅ Ｄｅｖｉｃｅ
Ｄ０ＮＧ Ｄａ－ｓｈａｎ ＬＥＩ Ｂｉｎ ＴＥＮＧ Ｙｕａｎ－ｙｕａｎ
（Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０１３０６，Ｃｈｉｎａ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｓｏｃｉａｌ ｍａｒｋｅｔ ｔｏ ｒｅｓｃｕｅ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔａｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｓｏｍｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｅｓｃａｐｅｄ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｎ ｆｒｏｍ
ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｄｅｓｉｇｎ ａ ｎｅｗ ｈｉｇｈ ｂｕｌｉｄｉｎｇ ｅｓｃａｐｅｄ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｆａｌｌｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌｏｗ ｏｆ ｃｏｓｔ，Ｓｍｏｏｔｈ ｗｈｅｒｅａｂｏｕｔｓ，Ｓａｆｅｔｙ ｉｎ ｕｓｅ，ｓｉｍｐｌｉｃｉｔｙ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｓｍａｌｌ ｉｎ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｆｏｒ ｍａｎｙ ｐｅｏｐｌｅ ｅｓｃａｐｅ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．
【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】｝ｈｇｈ ｂｕｌｉｄｉｎｇ ｅｓｃａｐｅ ｄｅｖｉｃｅ；Ｗａｖｅｆｏｒｍ ｒｏｕｎｄ；Ｓｌｏｗｌｙ ｄｅｓｃｅｎｔ
０前言
调查发现．目前我国消防应急救援装备能力与高层建筑的快速发
展严重失衡．遇上高楼火灾．不能满足现场实际救援需要。随着我国工 业化、城市化进程的不断加快，我国一些发达城市高层建筑火灾事故
已经呈现加速上升态势 如何在高层建筑发生火灾时应急逃生已成为
人们高度关注的社会问题 目前．市场上已有的高楼逃生器有的存在 下降不顺畅．无法控制下降速度的快慢；有的操作复杂，在紧急情况下
很容易造成误操作 因此．如何在最短的时间内安全地逃离火灾现场
是目前高楼逃生装置急需解决的问题
针对现有的逃生器存在的技术缺陷．本文设计了一种新型逃生 器．它具有下降平稳、使用安全、操作简单、体积小，便于存放、可同时
供多人逃生等显著特点 可广泛运用于高层楼房遭遇火灾的情况，适
用于学生宿舍、公寓、旅店、宾馆、高层建筑或住宅，具有较强的实用性 和较好的市场拓展前景
１ 总体结构设计及工作原理
１．１逃生器的结构设计 逃生器的总体设计如下图所示：其中图１为平面设计图．图２为
三维建模图及实物拍摄图
１．２逃生器的工作原理 逃生器机构基本原理如下所述：
工作时．人通过背带１８与逃生器相连．并与逃生器一起沿绳索
１６从高处下降．绳索由上波形轮１３和下波形轮６夹紧．两个波形轮 通过各自的轴与箱体１连接．通过两根轴的中心距调节使两个波形轮 夹紧绳索形成纯滚动，从而通过摩擦消耗人体下降的能量。人体下降
的速度通过调节下波形轮的转动速度来控制．下波形轮通过螺栓与夹 板２（两块）固定．夹板的下部斜面与摩擦片１１的斜面接触，摩擦片与
制动块１２连接．制动块通过压缩弹簧１Ｏ与螺母９和螺杆８连接．而
螺杆８与把手７连接．通过人转动把手７带动螺杆８的转动．经过压
缩弹簧的传力使制动块在滚珠导轨１７上缓慢的上下移动，通过调节 摩擦片与夹板间的正压力．从而控制夹板转动速度．以达到控制波形
轮转动速度的目的．这样就能使人下降时自己调节下降速度。
图２模型及实物图
为了在下降过程中需要在空中停留时可确保安全．防止因误操作
手柄或其它原因导致意外降落。本装置设置了安全保险。该安全保险 由销４和预紧弹簧５组成：销４贯设在与夹板２相对的箱体１的箱壁
上．同时预紧弹簧５设置在销４上，对其提供相应的预紧力。而在相应
的夹板２上均匀分布的开设有三个与销４相配合的销孔（为腰形孔）。
保险装置不工作时由定位销３卡住制动销轴４．需要紧急制动时，只 需转动定位销则销４．由于预紧力的作用销会插入夹板上的腰形孔
１．箱体；２夹板；３定位销；４．制动销轴；５．预紧弹簧；６下波形轮；７．把手；８螺杆；９．螺母；ｌＯ．压缩弹簧 １１摩擦片；１２．制动块；１３上波形轮；１４．导向螺钉；１５．钩锁；ｌ６．绳索；１７壤珠导轨；１８．承重背带
图１平面设计图 中．达到制动的目的。
２ 内部结构设计及主要结构的强度
校核
２．１轴的强度校核 ２．１．１上轴的强度校核
上轴受力如图３所示．
取人体重为１００ｋｇ计算．则ＦＮ＝５００Ｎ。
最大弯矩计算为 ＝１３７５０Ｎ・ｍｍ（水平方
＿， 【ｌ】 向上的弯矩忽略），计算可得上轴 ＝！
＝１３７．５Ｍｐ０≤『 ］＝２７０Ｍｐａ 上轴满足强度
要求
２．１－２下轴的强度校核 下轴受力及弯矩如图４所示
初定‰＝１０００Ｎ， ｌ＝ ＝３６３．１Ｎ，
＝ ，＝３２６．７Ｎ，两个夹板中间的轴受扭矩为
Ｔ－－９８０１Ｎ・ｍｍ
可算出：
作者简介：董达善（１９５６一），男，汉族，浙江人，上海海事大学物流工程学院，教授，硕士研究生导师，研究方向为现代设计理论与方法、焊接结构分析与疲劳设计。
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＝ ＝８１６．７Ｎ， ｌ＝ ＝１３６．９Ｎ
Ｍｌ ＝１８３７５．７５Ｎ・ｍｍ，Ｍｌ ＝３０８０．２５Ｎ・ｍ／ｎ
Ｍ ＝２４４９９．４８Ｎ・ｍｍ，Ｍ ＝９３３０．２５Ｎ‘ｍｍ
Ｍｌ＝、／Ｍｌ ＋Ｍ１ ＝１８６３２．１３Ｎ・ｍｍ
眠＝、／ ＋‰＝２６２１６．０８Ｎ・ｍｍ
则可算出直径为１７ｒａｍ到１６ｒａｍ的过渡轴处（危险截面）的最大 弯矩为：
＝Ｍｌ＋（Ｍｏ－ＭＩ）× （Ⅳ・ｍｍ）＝２２８７９．１４Ⅳ
根据轴的弯矩合成强度条件为：
Ｖ（ １）＋４（ ）＝ ＿１＿寺＝
＝９０Ｍｐａ
其中： ＝２２８７９．７６Ｎ・ｍｍ， ：９８０１Ｎ・ｍｍ， Ｏ．６，Ｗ＝Ｏ．１ｄ 安全因
数Ａ＝３， 一ｌ＝２７０Ｍｐａ， ＝８６．１Ｍｐａ＜￣［ １］＝９０Ｍｐａ
下轴满足强度要求
图３上轴受力图
● 一Ｆｍ
Ｆ
Ｊ２ ２２ Ｓ
ＦｙＩ ／
。
● ｒ ７ Ｆ Ｆ雌 ，
图４下轴受力及弯矩圈
２．２波形轮的设计及强度校核
波形轮直径设计依据：人下降速度为０．７～１．５ｍ／ｓ。为起到增大摩
擦的作用将波形轮的轮廓做成波状的轮廓
因为本逃生器载重小．与齿轮相比．该波形轮的六个齿尺寸大．可
知其失效形式为齿面磨损．而不存在断齿．又因为齿面磨损不影响逃 生器的效果．故不用强度校核
２．３安全制动装置设计及强度校核
２．３．１制动销的设计 取公称直径ｄ：６ｒａｍ．长度２＝３２ｒａｍ材料为高强度不锈钢
ＺＧ０６Ｃｒｌ３Ｎｉ４Ｍｏ１３１。 ２．３．２制动销的强度校核
最危险强度为弯曲强度．弯曲强度校核如下： 按最不利情况考虑．即重力完全压在销上．取人重１００ｋｇ进行计
算
１８４ 危险截向在制动销与箱壁接触处
Ｍ＝ＧｘＳ＝１４．７Ｎ・１７２
Ｗｚ－罟＝
＝６９３．２肘 ＜［ Ｊ＝７４０ＭＰａ
制动销满足强度要求
２．４夹板的设计及强度校核 参考Ｖ型带传动将夹板做成契形．厚度为１０ｒａｍ．如图５所示
＝ｒ。
Ｆ
｜ Ｎ
图５夹板设计及受力图
把所有的均布力等效为集中力分析：
外力 １０６１・６Ｎ，因为两夹板中间夹下波形轮ｄｏ＝４０ｍｍ，
而力 的作用点所在的圆直径为ｄ＇ｏ＝６０ｒａｍ，即 作用点到波轮的边
缘的距离为１０ｒａｍ， 的水平分力为
ＦＮｘ＝ＦＮＸＣＯＳ２０ｏ＝９９７．５８Ｎ。
所以在 作用点处产生的弯矩最大为 ： ｘ１０＝９９７５．８Ｎ・
ｍｍ０ 由此可见，夹板的结构本身尺寸不大，且受力小，是安全的。 ２．５压缩弹簧的设计
压缩弹簧的设计参数如表１所示：
２．６螺杆与螺母的设计 采用单头梯形螺纹，螺旋具有自锁性，螺杆材料选用４５，调制处
理，螺母材料选用４５钢。具体设计参数如下表所示：
直径ｄ １小径ｄ３ 中径ｄ２（Ｄ２１ 小径Ｄ１
ｌＯ ７．５ ９ ８
３创新－眭与市场性
市场上现有的一些逃生器如图６所示 大径Ｄ４ 螺距Ｐ
１０．５ ２
图６现有市场逃生器
目前．国外用得最多的逃生器材是各式各样的消防梯．防火梯的
优点是使用安全．可靠．结构简单．使用寿命长。其缺点是使用高度太
底，最高为１５ｍ，在使用上也不方便。据报道，国外有一种高度可达到
４５０米的逃生器 ＿引．但售价高（ＲＭＢ６，７００．００—７，５００．００），重量大
（１５．７ｋｇ）。 国内市场也有不少高楼逃生装置，但分别存在一些问题，归纳起 来可分两类：１）结构复杂，部件多，操作难度大，制造费工费时，用材较
多．成本高：２）Ｔ降绳索大多缠绕在逃生器上，造成逃（下转第２１１页）
科技信息 ０高校讲￣２ ０ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１３年第７期
３研究结果
根据表１，本文对假设检验结果讨论如下。
３．１ 就传统教学模式与本科生研究能力关系的检验结果而言．传
统教学模式的接受学习式（ｂ＝－０．１９７，ｔ＝一３．４９１）和五环节教学式
（ｂ：一０．１４３，ｔ＝－５．１７８）对研究能力都有显著的负向影响，假设Ｈｌ 与Ｈ２获得支持．表示接受学习模式或五环节教学模式在课堂中
应用的越多，越不利于研究能力的提高。掌握学习模式对本科生研 究能力也有显著的负向影响（ｂ＝一０．２９７，ｔ一３．６０７），Ｈ３获得支持。
表１ 结构方程模型分析结果
标准化路径 假设检验结 假设 自变量 ｔ值 系数 果
Ｈ１ 接受学习式 一０．１９７ －３．４９１ 支持
Ｈ２ 五环节教学式 一Ｏ．１４３ －５．１７８ 支持
ｆ Ｈ３ 掌握学习式 －０．２９７ －３．６Ｏ７ 支持
ｉ Ｈ４ 发现学习式 ０．１１７ ２．９２２ 支持
Ｈ５ 支架式 ０．１９１ ９．１０５ 支持
Ｈ６ 抛锚式 ０．１６２ ｌ１．４４３ 支持
Ｈ７ 随机进入式 ０．４２５ ６．４７４ 支持
Ｈ８ 启发式 Ｏ．２ｏｏ ２．６２９ 支持
３．２就研究型教学模式与本科生研究能力关系的检验结果而言，发现
学习式（ｂ＝Ｏ．１１７，ｔ＝２．９２２），支架式（ｂ＝Ｏ．１９１，ｔ＝９．１０５）￣Ｉ１抛锚式（ｂ＝０．１６２， ｔ＝ｌ１．４４３）对研究能力具有正向影响，Ｈ４、Ｈ５和Ｈ６得到支持。
而启发式（ｂ＝Ｏ．２００，ｔ＝２．６２９）和随机进入式（ｂ＝Ｏ．４２５，ｔ＝６．４７４）对知识 共享都有正向影响且更加显著，Ｈ７和Ｈ８得到支持。
