一种可自动报警的铝合金旋转式逃生梯设计与可行性分析
时间：2023-04-10 17:10:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李海洋，张继国，唐鸿洋，刘述崇，王乐洋
(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)
随着城市化进程的推进，高层建筑数量逐年增多，高层建筑火灾频繁发生[1]。高层建筑人员密集，一旦发生火灾，将严重危害人们的生命及财产安全[2]。而国内高层火灾的逃生救援能力较弱，针对高层建筑火灾的逃生装置研究较少[3-5]。目前市面上的高层建筑逃生装置，主要有高楼逃生舱，其利用空气阻尼技术实现上下往复运动，但结构复杂，导轨安装困难[6]；
柔性逃生滑道利用摩擦限速原理，使人从其内部缓慢滑下，但滑道容易损坏并且容易对逃生者的身体造成碰伤[7]；
固定式逃生梯是将铁架焊接于建筑外部，形成逃生梯，发生火灾时，极易造成人员拥挤踩踏，延长疏散时间，错过逃生时机[8,9]。目前的高层逃生装置存在安装困难、容易对使用者造成伤害等问题。
铝合金具有良好的耐蚀性，质量轻且加工性能良好[10]。本文结合铝合金自身特点，设计一款具有自动报警功能的铝合金旋转式逃生梯，可自动报警，轻便易安装，操作简单，安全可靠。其安装于高层建筑外墙，未开启时折叠起来作为窗户护栏使用，发生火灾时，可迅速向下旋转展开形成逃生通道，同时向业主、小区物业以及消防局自动发送报警信号，帮助人们安全撤离，利于火情的控制。
可自动报警的铝合金旋转式逃生梯是一个开启时无需外接动力源，仅需本身自带弹簧和自重即可沿着垂直方向旋转式展开，形成特殊台阶，同时自动向业主、小区物业及消防局发送报警信息，供人们快速躲避火灾疏散至安全区域的装置。铝合金旋转式逃生梯折叠和展开状态如图1所示。
图1 铝合金旋转式逃生梯折叠与展开状态Fig.1 Folding and unfolding state of aluminum alloy rotary escape ladder
1.1 结构设计
铝合金旋转式逃生梯主要由开启机构总成、框架总成、扶梯总成、踏步总成及扶手总成五部分组成。铝合金旋转式逃生梯结构如图2所示。开启机构总成包括警报装置、开启把手、限位销、安装杆、固定销、撞击板、限位叉臂及弹簧。框架总成包括框架横梁、框架纵梁、滑动导轨及安装块，其分为固定框和活动框两部分，固定框通过安装块固定于楼体外，活动框可向外移动。扶梯总成包括扶梯框架、扶手、连接板、滑块及撞击锤。踏步总成包括踏板、踏步框架、横拉机构、铰链及滑块。扶手总成包括扶手框架、扶手及铰链，扶手外轮廓设计为波浪形，增大接触表面摩擦力，防止滑脱。
A-开启机构总成；
A1-固定框；
A2-活动框；
B-框架总成；
C-扶梯总成；
D-踏步总成；
E-扶手总成；
1-撞击板；
2-报警装置；
3-限位销；
4-开启把手；
5-安装杆；
6-固定销；
7-限位叉臂；
8-框架横梁；
9-框架纵梁；
10-弹簧；
11-滑块；
12-滑动导轨；
13-扶梯框架；
14-连接板；
15-扶手；
16-铰链；
17-撞击锤；
18-踏板；
19-踏步框架；
20-横拉机构；
21-扶手框架；
22-安装块图2 铝合金旋转式逃生梯结构示意图Fig.2 Structural diagram of aluminum alloy rotary escape ladder
1.2 开启原理
铝合金旋转式逃生梯的开启无需外接动力源，当发生火灾时，使用人员打开警报装置盖板，拔出安全销，解锁开启把手，拉开开启把手推动限位销，然后固定销从活动框中退出，在弹簧的作用下，活动框向外侧移动，扶手总成展开，踏步总成和扶梯总成在重力的作用下，自动向下旋转展开。逃生梯完全打开后，扶梯总成上的撞击锤撞击在下层逃生梯的撞击板上，使下层逃生梯被动打开，其余层逃生梯依次打开，形成逃生通道。铝合金旋转式逃生梯开启过程如图3所示。
1.3 报警系统
高层建筑发生火灾时，足够的疏散时间是逃生人员能够成功疏散的重要因素，发生火灾时，为了保障人们能够迅速了解火灾情况，争取宝贵逃生时间，每层铝合金旋转式逃生梯均配备一个报警器，报警器通过电缆将报警信息传送至数据控制中心，再传送至云平台，最后通过无线网络将报警信息发送到住户、小区物业和消防局。
报警系统设计了三级报警功能。一级报警功能：为防止误开逃生梯，当警报装置盖板被打开时，向住户报警；
二级报警功能：当发生火灾情况时，警报装置的安全销被拔掉，开启把手解锁，向小区物业发送报警信号，使小区物业可以及时采取措施控制火情和疏散人员；
三级报警功能：开启把手打开，铝合金旋转式逃生梯开启，向住户、小区物业和消防局报警，帮助人们快速撤离，同时保障小区物业和消防局及时了解火情信息。
1-盖板；
2-安全销；
3-限位销；
4-固定销；
5-开启把手；
6-弹簧；
7-撞击锤；
8-撞击板图3 铝合金旋转式逃生梯开启过程示意图Fig.3 Schematic diagram of opening process of aluminum alloy rotary escape ladder
本文对铝合金旋转式逃生梯的三种工况进行分析。(1)工况1。分析踏步总成、扶手总成和扶梯总成强度，固定梯处于锁止状态，对踏步总成、扶手总成和扶梯总成，施加载荷2943N，载荷垂直于地面并均匀地分布受试区域上。(2)工况2。分析踏步总成、扶手总成和扶梯总成对转轴的剪切力，固定梯处于锁止状态，对踏步总成、扶手总成和扶梯总成施加载荷2943N，载荷垂直于地面并均匀地分布在紧靠转轴100mm范围内的受试区域上。(3)工况3。分析逃生梯展开后踏步总成、扶梯总成等自由落体对整体的冲击性能，踏步总成完全展开前角速度为4.79rad/s，扶梯总成完全展开前角速度为4.38rad/s。三种工况的模拟分析模型如图4所示。
2.1 材料选择
参照以往设计经验，铝合金逃生梯材料选择6082-T6工业用铝，6082-T6铝合金是一种热处理可强化合金、具有良好的抗腐蚀性以及机械性能。6082合金的材料属性为，弹性模量70000MPa，泊松比0.3，屈服强度250MPa，密度2.7g/cm3。
图4 模拟分析模型Fig.4 Simulation analysis model
2.2 模拟结果
通过模拟软件进行分析，三种工况应力变形均未超过最大许用应力250MPa，均满足要求。由此可见，铝合金旋转式逃生梯各部分的强度满足要求，方案可行。三种工况的模拟分析结果见表1。
表1 铝合金旋转式逃生梯三种工况模拟结果
铝合金旋转式逃生梯的各部分零件主要采用铝合金型材加工而成，型材挤压材料选用6082铝合金，为保证强度满足要求，将型材人工时效至T6状态。完成挤压后，通过机加、表面处理以及焊接等工序，完成了铝合金旋转式逃生梯的试制，验证了设计方案的可行性。铝合金旋转式逃生梯实物如图5所示。
图5 铝合金旋转式逃生梯实物图Fig.5 Physical picture of aluminum alloy rotary escape ladder
本文结合铝合金材料质量轻、耐腐蚀等优势，通过结构设计、运用自动报警技术，设计了一种可自动报警的铝合金旋转式逃生梯，并进行模拟分析，完成试制，验证了设计方案的可行性。铝合金旋转式逃生梯的优势在于折叠时作为护栏使用，不占用空间，使用时可快速展开形成逃生通道，并且质量轻、方便安装；
防腐蚀，不需后期维护；
使用寿命长；
操作简单，无需接受培训即可使用；
安全可靠，可及时报警。有效解决高层疏散装置安装困难、对使用者造成伤害等问题，为高层建筑火灾疏散逃生提供一种有效途径。
