《火灾救生逃逸装置》－第五届－中国宋庆龄基金会少年儿童发明奖

《火灾救生逃逸装置》

来源：发布时间：2007-12-29 浏览次数：738

铜奖

作品名称：《火灾救生逃逸装置》
新疆朱榕

作品说明

 方案一：
最初确定的方案如图1所示，升降机构主要由导绳轮、摩擦装置、交流电机等组成。该方案的基本思想是：在导绳轮的转轴上，一端安装一个可调摩擦装置，另一端安装一个交流电机，导绳轮上缠绕一定长度的绳索，绳索的长度由该装置安装的高度决定；可调摩擦装置能够产生一定的摩擦力，该摩擦力可根据逃逸人员的重量进行调节，摩擦力的大小应该和逃逸人员的重量相等；交流电机可以驱动导绳轮旋转，如果火灾导致电网断电，可以利用人体自重带动导绳轮旋转；当导绳轮旋转时，可逐渐向下释放绳索并把乘坐在绳索末端的逃逸人员缓降至地面。
图1 方案一
    根据该方案设计制作的火灾救生逃逸装置，经过安装调试和实际验证后，发现存在以下缺点：
    ①交流电机转速过高，导致导绳轮旋转太快，"模拟逃逸人员"下降速度太快，缺乏安全性。
    ②当模拟人体自重带动导绳轮旋转实验时，如果摩擦力调的大于"人体自重"，则"人体自重"无法克服摩擦力而使"模拟逃逸人员"自行下降；如果摩擦力调的等于或小于"人体自重"，则"模拟逃逸人员"一旦开始下降，静摩擦力立刻转化为动摩擦力，"模拟逃逸人员"不断加速下降，下降速度越来越快，仍然缺乏安全性和实用性。
    方案二
    根据方案一存在的缺点，重新确定方案如图2所示。
    该方案以方案一为基础，在交流电机和导绳轮之间增加减速装置，同时在导绳轮轴上增加棘轮棘爪机构。减速装置可有效降低"模拟逃逸人员"的下降速度，并提高输出扭据。在导绳轮轴上增加棘轮棘爪机构，可将摩擦力调的大于"人体自重"，由逃逸人员通过棘轮棘爪机构驱动导绳轮旋转并向下释放绳索，不会出现"模拟逃逸人员"不断加速下降的局面，安全性有所提高，但任然存在以下缺陷：
火灾往往伴随停电，因此采用交流电机驱动，一旦断电，则电机无法工作，驱动的可靠性很差；如果完全依靠逃逸人员通过棘轮棘爪机构驱动导绳轮旋转进行逃逸，对逃逸人员的心里素质要求很高，实用性较差。
    图2 方案二
    方案三
    在方案二的基础上经过进一步改进，将交流电机更换为直流电机，采用充电蓄电池对直流电机进行供电，如图3所示。该方案的特点是：即便火灾造成电网停电，只要蓄电池平时充满电，则不会受电网停电的影响，由蓄电池对直流电机进行供电，驱动导绳轮旋转，保证逃逸人员正常逃逸， 
采用充电蓄电池和直流电机的组合驱动后，棘轮棘爪机构就完全成为一种后备手段，以防直流电机供电系统出现故障时，仍然有一种后备手段进行逃逸。采用充电蓄电池和直流电机的组合驱动，需要解决蓄电池的充电问题，通过查阅资料，选用开关电源进行交直流转换，并对蓄电池进行充电。一旦发生火灾，在电网还未中断供电时，可先由开关电源向直流电机供电，当电网中断供电时，再自动切换成蓄电池供电，这样该装置就具备了三重驱动的功能，提高了该装置的总体性能，实用性大为增加。
    图3 方案三
    3.2基本构成与工作原理
根据方案三确定的火灾救生逃逸装置机械原理图如图4所示，电器原理图如图5所示。
该装置由机体、旋转支架、开关电源、充电蓄电池、双刀双掷开关以及升降机构等组成，而升降机构又由直流减速电机、传动装置、棘轮棘爪机构、导绳轮、绳索、V形带（或乘椅）、安全带（图中未示出）等组成。整个装置可通过机体安装在房间墙壁上，升降机构通过旋转支架与机体相联。升降机构平时可借助于旋转支架收回到房间内并紧靠墙壁，当发生火灾需要使用时，可转动旋转支架使其旋状180度并将升降机构伸出窗外，伸出窗外的升降机构恰好处于工作位置。
    在图4所示的原理图中，升降机构的导绳轮上缠绕着一定长度的绳索，伸缩的长度由该装置安装的房间高度决定，并留有一定余量；安全带长度的是考虑可将逃逸人员降至距离地面30mm～50mm时的长度设计的，如果导绳轮上的逃逸绳索断裂时，安全带可保证逃逸人员不会直接被摔至地面。安全带同时兼作棘轮棘爪机构的驱动绳索。手轮是与棘轮棘爪机构配套使用的，如果直流电机失去电力来源改由棘轮棘爪机构驱动导绳轮向下释放绳索时，手轮可实现伸缩的收回，以保证其他人员的逃逸。摩擦装置可向导绳轮提供一定的阻力，防止逃逸人员因为自重高速下滑，其摩擦力可调。传动装置通过摩擦轮传递扭据，当采用棘轮棘爪机构驱动导绳轮时，可将传动装置的传动连接断开。
    图4 火灾救生逃逸装置机械原理图
    升降机构具有三重驱动功能，既可采用220V交流电驱动、又可采用后备24V充电电池驱动，同时还可采用后备手动驱动。在图5所示的电路中，虚线框内是一个具有三个档位的双刀双掷开关的结构示意图，其中a、b、c、d、e、f是双刀双掷开关的6个接线柱，在图示空档情况下，6个接线柱之间是相互绝缘的。当闸刀合到上侧时，可使接线柱a与c，b与d接通，直流电机正转；当闸刀合到下侧时，可使接线柱a与e，b与f接触，直流电机反转。开关电源的输入是220V交流，输出是24V直流，输入端与220V交流电源相连，输出端端与充电蓄电池以及双刀双掷开关相连，平时双刀双掷开关处于空档位置，将直流电机与开关电源以及蓄电池的电路连接断开，开关电源的输出直流24V电压给蓄电池充电。
当发生火灾时，只要合上双刀双掷开关,就可接通直流电机与开关电源以及蓄电池的电路连接，首先由开关电源向直流电机供电，如果火灾致使电网断电，则由充电蓄电池继续向直流电机供电，以保证直流电机的正常工作。不论是开关电源供电还是蓄电池供电，如果向上合上双刀双掷开关，直流电机正转并通过传动装置驱动导绳轮旋转释放绳索，将乘坐在绳索末端V形带（或乘椅）上的逃逸人员缓降至地面；如果向下合上双刀双掷开关，直流电机反转并通过传动装置驱动导绳轮向上收回绳索，以保证其他遇险人员继续逃逸。如果蓄电池电量耗尽或出现供电故障时，切换装置可断开电机和导绳轮的传动连接，改由遇险逃逸人员手动驱动棘轮棘爪机构使导绳轮旋转，继续进行逃逸。
图5 火灾救生逃逸装置电器原理图
    3.3	结构设计
    根据方案三以及机械原理图4设计的火灾救生逃逸装置，其结构如图6所示。整个升降机构通过旋转支架与机体相连，机体可通过膨胀螺栓安装在房间墙壁上，旋转支架通过铰接轴与机体相连，可相对机体自由转动。升降机构和直流电安装在升降机构底座上，在升降机构底座上有三道支架，两道支架用于支撑导绳轮转轴，一道支架用于支撑直流电机。导绳轮转轴通过滑动轴承安装在两道支架上，在转轴上除装有导绳轮外、还装有棘轮棘爪机构、手轮、摩擦传动轮等。直流电机的安装采可调结构，通过可调结构调节，能够使电机上的主动轮与导绳轮转轴上的被动轮脱离接触，以便在采用棘轮棘爪机构驱动时，可将直流电机与导绳轮之间的传动断开。直流电机选购的是带有机械减速器的直流减速电机，降速比大，输出转矩大、并具有自锁功能，不能反向传动。在逃生乘椅底部安装有缓冲弹簧，以防出现意外时，可起到缓冲保护作用。
在逃逸过程中，直流减速电机的自锁功能和升降机构的安全带以及缓冲装置可为逃逸人员提供三重安全保护。
    3.4制作安装及调试
在完成结构设计的基础上，本人自己动手制作了一些简单的零部件，大部分复杂零部件因为本人操作机床的能力有限，只好进行外协加工。所有零部件到位后，在指导教师的指导下，本人进行了安装调试工作。通过安装调试本人发现，很多问题并不想原来想象的那样简单，要经过不断的反复调试才能获得成功。
    4项目的创新之处
  （1）具有后备功能的三种工作状态。该装置升降机构既可采用220V交流电驱动、又可采用后备24V充电电池驱动，同时还可采用后备手动驱动，对出现交流以及直流供电故障时的适应性强。
  （2）具有三重安全保护功能。采用电动驱动下降逃逸时，减速电机具有自锁功能，可防止断电自然下滑；采用机械驱动下降逃逸时，采用棘轮棘爪机构人为控制下降，防止高速下滑；另外设有安全带和地面接触缓冲装置，当装置出现意外而高速下降时，可起到安全保护作用。
  （3）具有工位切换功能。该装置具有一个180度的转转支架，平时升降机构处于房间收起位置，当发生火灾需要使用时，将旋转支架转动180度即可伸出窗外，实现救生逃逸。
    5研究结果和结论
该项目自从出现想法后，经过不断思索、请教、查阅资料，经过了不同的方案实验和论证，最终确定了目前使用的方案和结构。经过安装调试，该装置可以在220V交流电驱动、24V充电蓄电池驱动，手动驱动三种情况下，模拟完成遇险逃逸人员的救生逃逸，实现预定的基本功能。特别是该装置所具有的三重工作状态，既充分考虑到了利用电能，有考虑到了火灾可能造成的多种险情，为火灾遇险人员逃逸提供了更多的机会。
    该装置经过模拟实验证明，其基本功能是可行的，达到了选题预定的目标。但是要将其转化为产品，还有很多路要走，不但要进一步的完善其功能，还要得到有关监管部门的鉴定和批准，还需要付出更多的劳动和心血。
    6收获和体会 
    该项目从出现想法，一直到付诸实施，本人经历了技术咨询、资料查阅、方案实验和论证、设计制作以及安装调试等过程。通过这一活动，本人收获很大，学到了很多知识，创新意识有了进一步的提高。通过该项目的实施，本人进一步加深了对牛顿第二定律的认识，加深了对动摩擦和静摩擦的认识，对力的平衡的本质有了更深入的了解；学会了开关电源的用法，利用物理学知识设计了双刀双掷开关对电机正反转的控制电路，了解了棘轮棘爪机构的工作原理等，学会了简单的计算机绘图，电脑应用能力进一步提高，同时学会了简单零部件制作和装置安装调试工作。
经过该项目的亲身实践，本人深深的感到要做成一件事情，没有渊博的学识是不行的，感到了我国航天等科学家的伟大，感到了本人知识的匮乏，感到要学的东西还很多，这进一步激发了本人的求知欲，激发了本人的学习热情，对本人今后的人生具有非常深远的影响。

发明小故事

 我在电视上好几次看到有关火灾逃生的宣传片，当高楼发生火灾而造成楼道或楼梯被浓烟封锁而无法逃生时，一般都要求身处火灾环境中的被困人员，躲在房间中用棉被等物品封堵门窗防止有害烟气进入房间，同时报警并等待救援人员前来救援。我就想，如果救援人员因为各种原因不能及时赶到实施救援，而无情的大火又决不会因为救援人员未及时赶到而停止燃烧，那么身处火灾困境中的被困人员不是仍然存在生命危险吗？他们应该怎么办？难道只能眼睁睁的看着熊熊燃烧的大火吞噬他们的宝贵生命吗？难道只有跳楼一条路可以选择吗？面对火灾到底有多少人因为等不到救援而死于非命？于是我上网进行了查询，其结果令我感到震惊，我国因为火灾造成人员伤亡的案例比比皆是，比如2004年2月15日, 吉林市中百商厦发生特大火灾，当浓烟顺楼梯间进入各楼层后, 二层商场、三楼浴池和四楼舞厅人员因为找不到逃离通道，或者在浓烟中窒息或者选择跳楼,结果造成54人死亡70人受伤的惨重后果。
    我想，当火灾发生时，当遇险人员既找不到逃离通道又得不到及时救援时，如果房间中能有一种救生逃逸装置帮助被困人员自救逃逸，不就可以避免跳楼悲剧的发生了吗？不就可以在救援人员无法及时赶到实施救援之前主动逃生了吗？不就可以改变跳楼或等待救援的被动局面为自救逃生的主动局面了吗？这就是该项目选题的出发点所在。