Моделирование временных характеристик устройства спасения падающих с высоты людей Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

В. Л. МУРЗИНОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры пожарной и промышленной безопасности Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84; e-mail: dr.murzinov@yandex.ru)

УДК 614.821.3

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВА СПАСЕНИЯ ПАДАЮЩИХ С ВЫСОТЫ ЛЮДЕЙ

Рассмотрено запатентованное спасательное устройство, представляющее собой пневматический спасательный мат. Указаны достоинства этого устройства, такие как простота установки и малое время приведения его в рабочее состояние. Описан механизм заполнения воздухом внутренней полости спасательного устройства. Получена аналитическая зависимость для определения времени заполнения воздухом объема внутренней полости.

Ключевые слова: пожар; устройство спасения падающих с высоты людей; спасательные средства; пневматические спасательные маты; расход воздуха; время заполнения объема.

Спасение жизни человека в условиях пожара является одной из основных задач спасательных команд. Наиболее опасны пожары в многоэтажных зданиях и сооружениях, которые к тому же не всегда оборудованы средствами эвакуации с верхних этажей. В этом случае используют прыжковые спасательные средства [1].

На сегодняшний день выбор этих средств небольшой. Например, пожарными и службами спасения применяется натяжное спасательное полотно, которое удерживается 16 бойцами. Надежность спасения этим средством мала, так как натянутое полотно имеет небольшую площадь и натягивается на небольшой высоте от земли. Кроме того, путь торможения падающего человека очень мал. Используются также относящиеся к прыжковым спасательным средствам пневматические спасательные маты, которые бывают двух типов — бескаркасные и с надувным каркасом. Например, спасательная подушка включает подкачку надувных мешков и требует многочисленного персонала. Наличие на приемной поверхности жестких крышек может привести к травмам спасаемых людей. Для спасения из зданий небольшой этажности используется спасательное средство "Куб жизни", содержащее надувное основание, выполненное из изолированных, соединенных между собой надувных подушек (изолированных секций), сгруппированных в два яруса. На верхней стороне его основания по периметру сгруппированных подушек закреплено приемное полотно. Гашение кинетической энергии падающего человека наиболее эффективно, если высота надувного основания превышает 2 м. Кроме того, вследствие равной деформации подушек приземление спасаемого в периферийной части приемного полотна может привести к скатыванию его с полотна и трав© Мурзинов В. Л., 2013

мированию. Все эти прыжковые средства спасения имеют массу недостатков, которые при их использовании дают высокий риск получения смертельной травмы спасаемого человека. Основными недостатками являются:

• малая площадь приемной поверхности;

• наличие дополнительных устройств для нагнетания воздуха во внутреннюю полость;

• значительные временные затраты на подготовку

к работе.

Этих недостатков лишено устройство спасения падающих с высоты людей, представленное на рис. 1 [2]. Разработка относится к области деятельности служб МЧС России и предназначена для спасения людей и различных объектов при их эвакуации из высотных зданий и сооружений.

Устройство спасения падающих с высоты людей содержит пневмокамеру 1, выполненную из прочного гибкого эластичного материала и имеющую форму призмы. В боковых стенках пневмокамеры 1 находятся клапаны 2 с возможностью пропускания воздуха только вовнутрь пневмокамеры 1. Внутри последней установлены поворотные подпружиненные штанги 3, соединенные через шарнир 4 с опорными штангами 5. К свободному концу поворотной

подпружиненной штанги 3 прикреплен тяговый фал 6 (трос, служащий для подъема), свободный конец которого выведен из пневмокамеры 1 наружу.

Устройство спасения падающих с высоты людей работает следующим образом. По прибытии подразделения МЧС к месту чрезвычайной ситуации для спасания людей, находящихся на высоте, бойцы подразделения разворачивают устройство в положение, показанное на рис. 2.

На каждую опорную штангу 5 становится один боец и берет в руки тяговый фал 6. Затем по команде они натягивают фалы 6, поворачивая тем самым поворотные подпружиненные штанги 3 вокруг шарниров 4. Внутренняя полость пневмокамеры 1 начнет увеличиваться и за счет образующегося в ней разрежения через клапаны 2 начнет поступать воздух из окружающей атмосферы. Натяжение фалов 6 продолжается до тех пор, пока стенки пневмокамеры 1 не натянутся (рис. 3).

Фалы 6 освобождают от натяжения, и поворотные подпружиненные штанги 3 за счет упругого соединения с шарниром 4 и под действием собственного веса перейдут в исходное положение, исключая травмирование падающего человека.

Давление в пневмокамере 1 под действием веса ее стенок станет несколько больше атмосферного, что обеспечит гарантированное уплотнение клапанов 2 и сохранение формы пневмокамеры 1 перед падением на него тела (рис. 4).

Кинетическая энергия падающего человека будет расходоваться на деформацию объема пневмо-

Рис. 2. Исходное положение устройства спасения падающих с высоты людей

Рис. 3. Последняя фаза процесса установки спасательного средства

Рис. 4. Принцип работы устройства спасения падающих с высоты людей

камеры 1 (рис. 4,а), что приведет к плавному торможению скорости его падения (рис. 4,6).

Одним из важных показателей эффективности работы спасательного устройства является время его развертывания, включающее доставку спасательного средства, подготовительные операции и, собственно, наполнение внутренней полости спасательного средства воздухом. Время первых двух этапов для всех типов спасательных средств практически одинаковое. Для определения времени заполнения воздухом внутренней полости спасательного средства рассмотрим расчетную схему (рис. 5).

Время заполнения т может быть определено из соотношения, учитывающего изменение объема V внутренней полости:

а v/d т= Q, (1)

где Q — действительный мгновенный расход воздуха в процессе заполнения, м3/с;

Q = т 2 а2л[ДР = к14ДР; (2)

4 \р

, П 2 ,2

к1 = л — т. — а ; 4 Ур

Рис. 5. Расчетная схема для определения временных характеристик

{БвИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 ТОМ 22 №9

45

■Л — коэффициент расхода;

т — количество каналов для подачи воздуха в

полость;

р — плотность воздуха, кг/м3; й — диаметр канала для подачи воздуха в полость, м;

АР — перепад давления, обеспечивающий движение воздуха в каналах, Па. Перепад давления АР может быть определен на основе расчетной схемы (см. рис. 5):

F F AP = _ü = _L = sin а,

S o S o

(3)

где FT1 — усилие, поворачивающее штангу, Н; FT1 = F1 sin а;

F1 — усилие, развиваемое одним бойцом, Н; а — угол между штангой и линией действия усилия бойца, рад;

£о — площадь поверхности спасательного средства, которую боец перемещает, преодолевая сопротивление перепада давления АР, м2;

S o =л/ Px(Px - a)(Px - b)(px - с); (4)

Px =

a + b + c 1 Г~2

-; a=-VA +B

2 2

b = ~^4H2 + B 2; c

= 1V4H2 + A 2.

2 ' 2 Учитывая геометрические соотношения (рис. 6), выразим sin а через угол Р поворота штанги. Из расчетной схемы (см. рис. 6) имеем:

А

у = р - а; tgу =

L + H cos р

; A= Hsin р- h;

tg(P - а) = HSinP h или tg(p - а) = к2, (5) H cos p + L

где L — расстояние бойца до поворотной штанги, м;

h — высота расположения точки приложения

усилий, развиваемых бойцом, м;

. H sin P - h

к 2 =---.

2 H cos р+ L

После преобразований (5) получим:

tg P- к 2

tg а =

k2tg р + 1

(6)

Угол а в процессе установки спасательного сред-стваменьше 30°, поэтому, не превышая 5 %-ной погрешности, можно произвести замену: sin а « tg а . Тогда соотношение (3) будет иметь вид:

_ L sin р + h cos P

AP =

S o H - h sin р + L cos р

(7)

Из уравнения (7) видно, что перепад давления, создающий поток воздуха во внутреннюю полость

Рис. 6. Расчетная схема для определения перепада давлений АР

спасательного средства, существенно зависит от угла поворота штанги, поэтому расходная характеристика также будет функцией угла поворота р. Уравнение (2) с учетом (7) примет вид:

о (р) = к _М L sin р + h cos р Q(р) к1 S л H - h sin р + L cos р

(8)

Средний расход Qcр для интервала изменения р = = [0, ..., я/2] выразится как

2 V 2

Ocp =- Í о(р) ¿р.

r — J

(9)

По уравнению (8) построен график, показанный на рис. 7.

Решением уравнения (1) будет:

йУ

Í d-

(10)

где С = 0 при У = 0 и т = 0.

Тогда время наполнения воздухом внутренней полости устройства то для спасения падающих с высоты людей представим в виде

o dV

ш

(11)

Определим связь между объемом спасательного средства и углом поворота штанги. Для этого рас-

б(Р),м3/с

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 р,рад

Рис. 7. Расходная характеристика подачи воздуха Q(P) во внутреннюю полость устройства спасения падающих с высоты людей при следующих параметрах: А = 8, В = 5, Н = 3, ^ = 300, т = 4, й = 0,5, л = 0,7

0

t o =

0

Время развертывания устройства спасения падающих с высоты людей (без учета подготовительных операций)

№ п/п Геометрические характеристики объема Vo, м Время развертывания xc, с, по (15) Усилие F1, развиваемое бойцом, Н Средний расход воздуха наполнения Qcр, м3/с, по (9)

А в Н

1 6 3 2,5 9 300 5,7

2 6 3 2,5 11 200 4,65

3 6 3 2,5 15 100 3,29

4 6 4 3 16 300 4,63

5 6 4 3 20 200 3,78

6 6 4 3 28 100 2,67

7 8 5 3 34 300 3,91

8 8 5 3 41 200 3,19

9 10 5 3 47 300 3,56

10 10 5 3 57 200 2,90

11 8 5 3 58 100 2,26

12 10 5 3 82 100 2,06

смотрим изменяющийся объем спасательного средства как усеченную пирамиду с прямоугольным основанием. Объем усеченной пирамиды определим по формуле

1

v = -(s! + vs1s7 + s 2) нр,

(12)

где S1 = A х B; S2 = S1k2; k = 1 - ^ cos P; ^ =

2H

VA

2 + B2

Hp = H sin p. Примем допущения: H > A, B ;

объем спасательного средства изменяется от нуля до максимального значения ¥о = A х B х H; форма спасательного средства в конце фазы наполнения — куб, в общем случае — призма; промежуточная форма спасательного средства — пирамида усеченная, высота которой изменяется от нуля до Н. Введем относительный объем

Vx = V/Vo.

(13)

Тогда

Vx = 1(1 + k + k 2)sin p

или

Vx (P) =

1 cos P+ 1 ^2(cos P)2

sin p. (14)

Соотношение (11) запишем с учетом (2), (8), (14) при следующей замене пределов интегрирования:

V = 0 ^р = 0 1

V = V, ^ р = п 21;

х o = Vo J

d Vx (p)

Q (P)

V 2 d

Vo J-

1 cos P + 1 ^2(cos P)2 | sin P

или

л/ 2

Xo = V0 J

o

Q(P)

(cos P)3 - | cos PU2 +

+ (1 - 2(cosP)2)£ + cosP

л 2 2 ^ L sin P+ h cos P 4]¡ p m }¡soi H - h sin P + L cos P

dP. (15)

Формула (15) позволяет определить время наполнения воздухом внутренней полости устройства спасения падающих с высоты людей по заданным параметрам этого устройства (см. таблицу).

Преимущества предлагаемого устройства спасения падающих с высоты людей обусловлены тем, что повышается надежность и автономность работы спасательного устройства, так как отсутствует необходимость в источнике сжатого воздуха. Спасательное устройство может быть приведено достаточно быстро (десятки секунд) и с минимальным количеством бойцов в рабочее состояние неограниченное число раз. При длительном хранении спасательное устройство до момента его использования сохраняет свою работоспособность и при хранении не нуждается в дополнительной проверке работоспособности.

o

o

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Средства индивидуальной защиты и спасения людей при пожаре. Нормы и правила размещения и применения. — М. : ВНИИПО МЧС России, 2009. — 16 с.

2. Пат. 2335312 Российская Федерация, МПК А62В 1/22. Устройство для спасения падающих с высоты тел / Мурзинов В. Л., Асминин В. Ф.; заявитель и патентообладатель: Воронежская государственная лесотехническая академия. — № 2007104643/12; заявл. 06.02.2007 г.; опубл. 10.10.2008 г., Бюл. № 28. — 4 с.

Материал поступил в редакцию 10 июня 2013 г.

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 ТОМ 22 №9

47

MODELLING OF TIME CHARACTERISTICS OF THE DEVICE OF RESCUE OF PEOPLE FALLING FROM HEIGHT

MURZINOV V. L., Doctor of Technical Sciences, Professor of Fire and Industrial Department, Voronezh State University of Architecture and Construction (20-letiya Oktyabrya St., 84, Voronezh, 394006, Russian Federation; e-mail address: dr.murzinov@yandex.ru)

ABSTRACT

The patented saving device representing pneumatic escape-mat is considered. This class of saving means is the most effective and possesses the big throughput. This saving device is used at occurrence of a fire in buildings and the constructions which have been not equipped with means of evacuation is more often. It is possible to attribute a small amount of fighters to advantages of this device for preparation of means for work, simplicity of installation and small time of reduction of the saving device in a working condition. In this saving device are absent delivery fans as the original method of submission of air is used. The mechanism of filling is shown by air of an internal cavity of the saving device. Analytical dependence for definition of time of filling by air of volume of an internal cavity is received. This formula can be used at designing pneumatic saving mats.

Keywords: fire; device of rescue of people falling from height; saving means; pneumatic escape-mats; the charge of air; time of filling of volume.

REFERENCES

1. Means of an individual defence and rescue ofpeople at a fire. Norms and rules of accommodation and application. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2009. 16 p. (in Russian).

2. Murzinov V. L., Asminin V. F. Ustroystvo dlya spaseniyapadayushchikh s vysoty tel [The device for rescue of bodies falling from heigh]. Patent RF, no. 2335312, 2009. 4 p.

Издательство «П0ЖНАУКА»

Представляет книгу

ОГНЕТУШИТЕЛИ. УСТРОЙСТВО. ВЫБОР. ПРИМЕНЕНИЕ

Д. А. Корольченко, В. Ю. Громовой

В учебном пособии приведены классификация огнетушителей и конструкции основных их типов, средства тушения, используемые для зарядки огнетушителей, виды огнетушителей и правила их применения для ликвидации загораний различных веществ, рекомендации по расчету необходимого количества огнетушителей для разных объектов, по их размещению, хранению и техническому обслуживанию.

Рекомендации, содержащиеся в книге, разработаны на основе современных нормативных документов, регламентирующих конструкцию, условия применения, правила эксплуатации и технического обслуживания огнетушителей.

Учебное пособие рассчитано на широкий круг читателей: инженерно-технических работников предприятий и организаций, ответственных за оснащение объектов огнетушителями, поддержание их в работоспособном состоянии и своевременную перезарядку; преподавателей курсов пожарно-технического минимума и дисциплины "Основы безопасности жизнедеятельности" в средних и высших учебных заведениях; частных лиц, выбирающих огнетушитель для обеспечения безопасности квартиры, дачи или автомобиля.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru

Д, A.*oponL.'.<H-'»a,e КЗ (ромоюй

Огнетушители

Устройство - Выбор ' Применение