CC BY
13УДК 614.842.4 DOI 10.25257/FE.2019.1.75-80
ХАРИСОВ Гаяз Харисович
Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: harisov46@mail.ru
СТРЕЛЬНИКОВ Александр Анатольевич Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: A.Strelnikov@academygps.ru
ОБОСНОВАНИЕ ВЫСОТЫ СБРОСА КОНТРОЛЬНОГО ГРУЗА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ДИНАМИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ УСТРОЙСТВ КАНАТНО-СПУСКНЫХ ПОЖАРНЫХ
По регламенту действующего стандарта при проверке прочности устройств канатно-спускных пожарных (УКСП) испытания проводят путём сброса контрольного груза весом 100 кг с высоты 2 м. На основании теоретического и экспериментального анализов динамических характеристик УКСП в статье обоснована высота падения указанного груза, равная 0,6 м. Уменьшение высоты с 2 м до 0,6 м даёт возможность смягчить требования на прочностные характеристики каната и всех других деталей УКСП, что приведёт к сокращению расхода материалов при его изготовлении и, как следствие, к удешевлению УКСП.
Ключевые слова: динамическая прочность, ударная нагрузка, материалоёмкость, стоимость УКСП.
n:
I о многолетним статистическим данным I в Российской Федерации при пожарах ежегодно погибает около 25 % от общего числа погибших в зданиях и сооружениях на втором и выше этажах [1-8]. В численном выражении это составляет около 2 000 человек, из которых примерно половина могла быть спасена при помощи устройств канатно-спускных пожарных [1]. Внедрение указанных УКСП в практику спасательного дела сдерживается их высокой стоимостью не только для организаций, но и для населения. Одним из факторов, влияющих на стоимость УКСП, является слишком жёсткое требование стандарта, регламентирующее прочность устройства при воздействии на него динамической нагрузки.
В соответствии с п. 5.4 ГОСТ Р 53272-2009 УКСП в рабочем положении должно без разрушения выдерживать воздействие энергии, возникающей при падении груза массой т = 100 кг (±1 кг) с высоты И = 2 м (± 0,05 м). На рисунке 1 представлена схема испытания УКСП на динамическую прочность.
Согласно п. 9.6.1 ГОСТ Р 53272-2009, УКСП устанавливают на испытательном стенде и подготавливают его к работе в соответствии с требованиями Руководства по эксплуатации. Нижний конец каната УКСП соединяют с контрольным грузом массой т = 100 кг (± 1 кг), при этом должно выполняться условие, обеспечивающее свободное падение груза с высоты И = 2 м (± 0,05 м). Крепление УКСП на испытательном стенде должно соответствовать требованию Руководства по эксплуатации на изделие. Испытание проводят путём сброса контрольного груза. Как только контрольный груз освободится
от крепления расцепляющего устройства /, он начнёт падать с ускорением g = 9,8 м/с2.
Рисунок 1. Схема испытания УКСП на динамическую прочность: 1 - расцепляющее устройство; 2 - УКСП; 3 - контрольный груз
© Харисов Г. Х., Стрельников А. А., 2019
75
1
3
К тому моменту, когда тормозной механизм УКСП включится в работу по торможению контрольного груза 3, скорость последнего достигнет V:
500 тах
V = д/^Л = 72-9,8 м/с2-2 м =6,3 м/с.
(1)
В соответствии с п. 5.1 ГОСТ Р 53272-2009 УКСП должно обеспечивать возможность спуска людей массой от 40 кг (± 1 кг) до 120 кг (± 1 кг) со скоростью от V1 = 0,5 м/с до V2 = 3,0 м/с.
Импульс P1 контрольного груза 3 при его скорости V1 = 0,5 м/с:
P1 = mV1 = 100 кг • 0,5 м/с = 50 кг • м/с. (2)
Импульс P2 контрольного груза 3 при его скорости V2 = 3,0 м/с:
P2 = mVг = 100 кг • 3,0 м/с = 300 кг • м/с.
Импульс P контрольного груза 3 при его скорости V = 6,3 м/с:
P = mV = 100 кг • 6,3 м/с = 630 кг • м/с.
Разность импульсов ЛP контрольного груза 3 со скоростью V = 6,3 м/с:
- при V1 = 0,5 м/с:
ЛР1 = P - P1 = 630 кг • м/с - 50 кг • м/с = = 580 кг • м/с;
- при V2 = 3 м/с:
ЛP2 = P - P2 = 630 кг • м/с - 300 кг • м/с =
= 330 кг • м/с.
Если разность импульсов ЛP разделить на время в течение которого они воздействуют на канат и все детали УКСП, то получится сила F, выраженная в ньютонах (Н), воздействующая на все детали УКСП в виде удара:
- при V1 = 0,5 м/с:
F1 = ЛP1/tc = 580 кг • м/с/д
- при V2 = 3 м/с:
F2 = ЛРД = 330 кг • м/сЛс.
\\ч\\\Ч\\\\\\\\\
^5)
У
От
(3)
(4)
Следовательно, сила удара F зависит от времени за которое контрольный груз 3 снизит свою скорость с V = 6,3 м/с до V1 = 0,5 м/с или до V2 = 3 м/с на участке каната 1, разматываемого с катушки УКСП
Рисунок 2. Схема испытаний УКСП на динамическую прочность
(момент после сброса контрольного груза): 1 - расцепляющее устройство; 2 - УКСП; 3 - контрольный груз
в результате срабатывания тормозного механизма (рис. 2).
На рисунке 2 сплошной линией показан контрольный груз 3 в тот момент, когда он имеет скорость V = 6,3 м/с и когда тормозной механизм УКСП начинает включаться в работу. Пунктирной линией обозначен контрольный груз 3 в тот момент, когда он имеет скорость V1 = 0,5 м/с или V2 = 3 м/с, то есть когда динамическая нагрузка превратилась в статическую весом 100 кг (вес контрольного груза 3). Длина участка 1 (см. рис. 2), которую проходит контрольный груз 3 за время зависит от индивидуальных тактико-технических характеристик УКСП. Так как силы F1 и F2 в соответствии с формулами (3) и (4) зависят от времени t, за которое контрольный груз 3 проходит участок 1, определим указанные силы F1 и F2 для всех мыслимых диапазонов времени t, которые могут встречаться на практике. Полученные значения представлены в таблице 1.
Из таблицы 1 следует, что максимальная сила F1 почти в два раза превышает силу F2: 1 934 кг > 1 100 кг. Следовательно, при испытаниях УКСП нужно ориентироваться на силу F1 ~ 1 900 кг.
3
F
Таблица 1
Значения сил F1 и F2 в зависимости от времени ^
Время tc, с, в формулах (3), (4) 0,5 0,3 0,1 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03
Сила F1 ньютон 1 160 1933 5 800 7 250 8 286 9 660 11 600 14 500 19 336
килограмм 116 193 580 725 829 966 1 160 1 450 1 934
Сила F2 ньютон 660 1 100 3 300 4 125 4 714 5 500 6 600 8 252 11000
килограмм 66 110 330 413 471 550 660 825 1 100
В настоящее время в мире зарегистрировано свыше тысячи патентов на конструкции УКСП, примерно половина из которых представляет собой конструкции с автоматическим приводом тормозного механизма, а другая половина - с ручным приводом. Индивидуальные тактико-технические характеристики указанных УКСП (см. участок l на рис. 2) могут варьироваться в широких пределах. Так, сила F1 может быть в диапазоне от 116 кг до 1 934 кг (см. табл. 1). Чем больше сила F1, тем дороже оказывается УКСП, так как его прочностные характеристики, при прочих равных условиях, зависят от размеров каната и других деталей.
Вместе с тем в соответствии с п. 5.2 ГОСТ Р 53272-2009 УКСП должно сохранять работоспособность после статической нагрузки, равной утроенному значению предельно допустимой нагрузки, то есть 360 кг. В соответствии с п. 5.3 вышеуказанного ГОСТа УКСП должно удерживать без разрушения в течение 180 с (± 5 с) статическую нагрузку не менее 1000 кг.
ВЕРОЯТНЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ УКСП
Многочисленные эксперименты с применением УКСП с автоматическим (38 экспериментов) и ручным регулированием скорости спуска (45 экспериментов), при условии, что спасаемый человек умеет обращаться с УКСП, показали, что при покидании здания через окно и последующем зависании человека на УКСП свободного падения не происходит.
Спасаемый человек при экспериментах, держась за подоконник и канат, пытается равномерно перекладывать свой вес на спасательный пояс и через него на УКСП так, что свободного падения человека не происходит.
Эксперименты с применением УКСП с автоматическим регулированием скорости (28 экспериментов), при условии, что спасаемый человек не умеет обращаться с УКСП, показали, что при покидании здания через окно и последующем зависании человека на УКСП свободное падение человека произошло восемь раз (29 %), причём высота свободного падения не превышала 0,3 м. Спасаемый человек при экспериментах в большинстве случаев интуитивно держался за подоконник и канат, старался равномерно перекладывать свой вес на спасательный пояс и через него на УКСП так, чтобы не произошло свободного падения.
Эксперименты с применением УКСП с автоматическим регулированием скорости спуска (18 экспериментов), при условии, что спасаемый человек недееспособен (ребенок, престарелый человек, потерявший сознание пострадавший и т. п.), показали, что при перемещении спасаемого человека при помощи двух человек из здания через окно и последующем его вываливании на спасательный пояс, прикреплённый к УКСП, свободное падение спасаемого человека произошло 18 раз (100 %), причём высота свободного падения не превышала 0,3 м (спасаемого человека имитировали грузом весом 80 кг).
Таким образом, эксперименты показали, что в условиях, максимально приближенных к наблюдаемым при реальных пожарах, свободное падение человека происходит на расстоянии не более 0,3 м. Дело в том, что все конструкции УКСП таковы, что спасаемый человек при покидании здания через окно или балкон может свободно падать на расстоянии не более 2L = 0,3 м, где L - расстояние от крепежного элемента спасательного пояса до крепежного элемента УКСП, которое перекрывается чаще всего при помощи карабина. Тогда получается, что требование п. 5.4 ГОСТ Р 53272-2009 «УКСП в рабочем положении должно без разрушения выдерживать воздействие энергии, возникающей при падении груза массой 100 кг (± 1 кг) с высоты 2,00 (± 0,05 м)» (см. рис. 1,2) является слишком жестким и несоответствующим реальным нагрузкам, которым могут подвергаться УКСП.
В связи с этим представляется целесообразным сократить указанную высоту с 2 м до 0,6 м.
При этом к моменту, когда тормозной механизм УКСП включится в работу по торможению контрольного груза 3, скорость последнего в соответствии с формулой (1) достигнет V:
V = м/с2 • 0,6 м = 3,4 м/с.
По формуле (2) импульс контрольного груза 3 при его скорости V1 = 0,5 м/с:
P1 = mV1 = 100 кг • 0,5 м/с = 50 кг-м/с.
Импульс контрольного груза 3 при его скорости V = 3,4 м/с:
P = mV = 100 кг • 3,4 м/с = 340 кг-м/с.
Значения силы ударной нагрузки Р1 в зависимости от времени ^
Таблица 2
Время tc, с, в формуле (5) 0,5 0,3 0,1 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03
Сила Т7, Ньютон 580 967 2900 3625 4143 4 833 5800 7 250 9 667
Килограмм 58 97 290 363 414 483 580 725 967
Значения Р1 в зависимости от высоты свободного падения груза 3 и времени ^
Таблица 3
Свободное падение
Сила р, кг, в зависимости от времени tc, с, после срабатывания тормозного механизма УКПС
груза 3 с высоты 0,5 0,3 0,1 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03
2 м (±0,05 м) 116 193 580 725 829 966 1 160 1450 1934
0,6 м (±0,02 м) 56 97 290 363 414 483 580 725 967
Р,, кМ
0,5 с
829
414
0,07
I
0,5 с
Гг кг 1934
967
--11
0 0,03
Рисунок 3. Значения Р в зависимости от высоты свободного падения груза 3 и времени 1 - свободное падение груза 3 с высоты 2 м; 2 - свободное падение груза 3 с высоты 0,6
—I-*
0,5 с
Разность импульсов контрольного груза 3 при V = 3,4 м/с и 1/, = 0,5 м/с:
АР=Р-Р^ = 340 кг-м/с - 50 кг-м/с = 290 кг-м/с.
Силу ударной нагрузки Рр воздействующей на канат и все детали УКСП, выраженную в ньютонах, можно определить по формуле (3):
АР,Дс = 290 кг-м/сДс. (5)
Сила ударной нагрузки Р зависит от времени t, за которое контрольный груз 3 снизит свою скорость с V = 3,4 м/с до У, = 0,5 м/с на участке каната /, разматываемого с катушки УКСП в результате срабатывания тормозного механизма (см. рис. 2). В таблице 2 представлены значения силы ударной нагрузки Р для всех мыслимых диапазонов времени tc,
которые могут встречаться на практике, вычисленные по формуле (5).
В таблице 3 и на рисунке 3 представлены значения Р в зависимости от высоты свободного падения груза 3 и времени tc срабатывания тормозного механизма УКПС, которое зависит от его индивидуальных тактико-технических характеристик.
Из таблицы 3 следует, что при свободном падении груза 3 с высоты 0,6 м сила Р1 в два раза меньше, чем при свободном падении груза 3 с высоты 2 м. Если принять во внимание, что в соответствии с п. 9.5.2 ГОСТ Р 53272-2009 проверка прочности УКПС при воздействии статической нагрузки предусматривает испытание устройства статической нагрузкой, равной 1000 кг, и его выдержкой под этой нагрузкой в течение 180 с (± 5 с), то проверку его прочности при воздействии динамической нагрузки путём сброса контрольного груза 3 с высоты 0,6 м (+0,02 м)
можно признать обоснованной. Сила F1 в этом случае может принимать максимальное значение, равное 967 кг, что согласуется с указанной статической нагрузкой, равной 1 000 кг.
Проверка прочности УКПС при воздействии динамической нагрузки путём сброса контрольного груза 3 с высоты 0,6 м вместо 2 м, даёт возможность смягчить требования на прочностные характеристи-
ки каната и всех других деталей УКПС. Это приведёт к сокращению расхода материалов при изготовлении УКПС и, как следствие, удешевлению устройства.
Результаты исследования позволяют авторам сделать вывод о необходимости пересмотреть пункт 9.6.1 ГОСТ Р 53272-2009 и регламентировать испытания путём сброса контрольного груза с высоты 0,6 м (± 0,02 м) вместо 2 м.
ЛИТЕРАТУРА
1. Харисов Г. Х, Фирсов А. В. Обоснование нормативного значения и расчётной величины индивидуального пожарного риска в зданиях и сооружениях. Монография. М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. 225 с.
2. Климкин В. И., Копылов Н. П. Обзор направлений научного обеспечения пожарной безопасности // Материалы конференции Национальной академии наук пожарной безопасности «Фундаментальные и прикладные проблемы в научном обеспечении пожарной безопасности». М.: ВНИИПО МЧС России, 2012. С. 4-15.
3. Пожары и пожарная безопасность в 2002 году. Статистический сборник / под общ. ред. Е. А. Серебренникова, А. В. Матюшина. М.: ВНИИПО МЧС России, 2002. 150 с.
4. Пожары и пожарная безопасность в 2011 году. Статистический сборник / под общ. ред. В. И. Климкина. М.: ВНИИПО МЧС России, 2012 .137 с.
5. Brushlinsky N. N, Hall J. R, Sokolov S. V, Wagner P. World Fire statistics // Information Bulletin of the World Fire statistic Centre. № 27. October, 2011. 20 p.
6. Brushlinsky N. N, Hall J. R, Sokolov S. V, Wagner P. World Fire statistics. Report № 17 // Center of Fire statistics. International Association of Fire and Rescue services. 2012. 59 p.
7. Харисов Г. Х. Аварийно-спасательные работы. Курс лекций. М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. 111 с.
8. Харисов Г. Х, Мирзаянц А. В. Обоснование самоспасания людей при пожаре со второго и выше этажей при помощи спасательной веревки // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2018. № 4. С. 87-90. DOI: 10.25257/FE.2018.4.87-90
Материал поступил в редакцию 25 июня 2018 года.
Gayaz KHARISOV
Grand Doctor in Engineering, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: harisov46@mail.ru
Aleksander STRELNIKOV
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: A.Strelnikov@academygps.ru
SUBSTANTIATION OF THE TEST LOAD RELEASE ALTITUDE IN DYNAMIC STRENGTH TESTS OF EMERGENCY DESCENDING DEVICES
ABSTRACT
Purpose. The article substantiates the test load release altitude in dynamic strength tests of emergency descending devices.
Methods. The theoretical and experimental studies of the dynamic and kinematic properties of the rope and other parts of emergency descending devices have been carried out.
Findings. It is determined that the test load release altitude, equal to two meters, in dynamic strength tests of the emergency descending device regulated by the standard overestimates the actually observed dynamic loads which this device exposedto. On the basis of the experimental technical research it is shown that the test load release altitude in dynamic strength testing will be sufficient at 0.6 meters.
Research application field. It is recommended to make changes to the standard concerning the dynamic strength tests of emergency descending devices in terms
of regulating the altitude of dropping a test load onto the device rope. Testing the strength of the emergency descending device when exposed to dynamic effects by dropping a load from the height of 0.6 meters instead of 2 meters makes it possible to soften the requirements for the strength characteristics of the rope and all the other parts of the device.
Conclusions. When testing the strength of emergency descending devices exposed to a dynamic load, regulated by the standard, it is advisable to reduce the height of a free fall of a test load from 2 meters to 0.6 meters. This will lead to a decrease in material consumption of the device and, as a result, to a decrease in its price.
Key words: dynamic strength, load impact, material consumption, device cost.
REFERENCES
1. Kharisov G.H., Firsov A.A. Obosnovanie normativnogo znacheniya i raschetnoy velichiny individualnogo pozharnogo riska v zdaniyakh i sooruzheniyakh [Justification of the standard value and the calculated value of the individual fire risk in buildings and structures]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2014. 225 p.
2. Klimkin V.I., Kopylov N.P. Obzor napravleniy nauchnogo obespecheniya pozharnoy bezopasnosti. Materialy konferentsii Natsionalnoy akademii naukpozharnoy bezopasnosti "Fundamentalnye i prikladnye problemy v nauchnom obespechenii pozharnoy bezopasnosti' [Survey of the directions of scientific maintenance of fire safety. Materials of the conference of the National Academy of Sciences of Fire Safety "Fundamental and applied problems in the scientific support of fire safety"]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia Publ., 2012, pp.4-15.
3. Fire and fire safety in 2002. Statistical collections. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia Publ., 2002. 150 p. (in Russ.).
4. Fire and fire safety in 2011. Statistical collections. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia Publ., 2012. 137 p. (in Russ.).
5. Brushlinsky N. N., Hall J. R., Sokolov S. V., Wagner P. World Fire statistics . Information Bulletin of the World Fire statistic Centre, no. 27. October, 2011, 20 p.
6. Brushlinsky N. N., Hall J. R., Sokolov S. V., Wagner P. World Fire statistics. Report № 17. Center of Fire statistics. International Association of Fire and Rescue service, 2012, 59 p.
7. Kharisov G.H. Avariyno-spasatelnye raboty. [Rescue work]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2005. 111 p.
8. Kharisov G.H., Mirzayants A.V. Substantiation of self-rescue of people in case of fire from the second and higher floors with the help of a rescue rope. Pozhary i chrezvychaynye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiia, 2018, no. 4, pp. 87-90. DOI: 10.25257/FE.2018.4.87-90. (in Russ.).
80
© Kharisov G., Strelnikov A., 2019
