устройство для спуска людей из зданий и сооружений при пожарах и других чрезвычайных ситуациях

Формула изобретения

Устройство для спуска людей из зданий и сооружений при пожарах и других чрезвычайных ситуациях, содержащее фал, пропущенный сквозь корпус устройства, и тормозной механизм, включающий тормозной элемент, опирающийся через фал на корпус, винт, прижимающий тормозной элемент к фалу, и средства крепления спасательного пояса, отличающееся тем, что, с целью автоматической стабилизации безопасной скорости спуска спасаемого человека, тормозной элемент расположен с возможностью смещения параллельно и перпендикулярно фалу, причем между тормозным элементом и винтом размещена пружина, а два средства крепления спасательного пояса симметрично расположены на краях тормозного элемента с возможностью сжатия пружины силой веса спасаемого человека через тормозной элемент.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к спасательным средствам, а именно к индивидуальным спасательным средствам многоразового использования, применяемым для спасания одного за другим людей при пожарах и других чрезвычайных ситуациях в зданиях и сооружениях.

Известны устройства для спуска людей с высоты с автоматической стабилизацией безопасной скорости спуска спасаемого человека, то есть спасаемый человек спускается с заранее заданной, безопасной скоростью, причем он может быть недееспособным или даже потерявшим сознание (А.С. СССР: № 931192; А62В 1/08; № 931193, А62В 1/08; № 931194, А62В 1/14; № 946560, А62В 1/12; № 978875, А62В 1/08; № 978876, А62В 1/14; № 1012924, А62В 35/00; патенты США: № 3850262, 182/5; № 4088201, 182/5; № 3861496, 182/5; № 3834671, 182/5; патент Великобритании № 1483177, А5А 44; патент Германии № 200281, 61 a 8/01; патенты ФРГ: № 2242101, 61 а 8/01; № 2417797, А62В 1/08; № 2528410, А62В 1/08; № 3142146, А62В 1/12; патенты Франции: № 2169419, А62В 1/00; № 2153701, А62В 1/00; № 2286662, А62В 1/12; № 2185930, А62В 1/12; патенты Швеции: № 403049, А62В 1/14; № 148529, 61 а 8/01; патенты Японии: № 16039/70, 652, 95 с2; № 594/67, 459, 95 с2; № 14598/67, 480, 95 с2; № 19880 (1975 г.), 63555, 5(2)-226, 95 с2, А62В 1/08; патент Италии № 604155, А62В). Эти устройства имеют сложную конструкцию, а кроме того, большинство из них (за исключением А.С. СССР № 931194; патенты: США № 3850262; ФРГ № 2528410; Японии № 16039/70) являются устройствами одноразового применения при пожаре. Для их повторного использования необходимо произвести техническое обслуживание, на что уходит длительное время, требуется квалифицированный рабочий и инструмент.

Этот недостаток устранен в устройствах, в которых фал проходит прямолинейно через подвижный элемент и сжимается с двух сторон с силой, достаточной для обеспечения безопасной скорости спуска спасаемого человека (А.С. СССР № 931194, А62В 1/14; № 1581328, А62В 1/14; патенты США: № 3765507, 182/5; № 3834489, 182/5; № 4056166, 182/5; № 4448281, 182/5; № 4603755, 182/5; № 4778030, 182/5; патенты Великобритании: № 1260083, А5А; № 1397064, А5А 44; № 2022408, А62В 1/14; патент ФРГ № 2427750, А62В 1/14; патенты Германии: № 68573, 61 а 8/02; № 392329, 61 а 8/02; патент Швейцарии: № 457150, 61 а 8/02).

Первое из указанных устройств представляет собой сложную конструкцию, которая включает вращающиеся ролики, заполненные жидкостью, второе предусматривает использование фала только в виде металлической ленты. Изобретения по патентам США включают две шарнирно соединенные металлические пластины, сжимаемые посредством резьбового соединения, причем пластины снабжены желобами, через которые пропущен фал. После соприкосновения пластин по всей плоскости дальнейшее сжатие фала не представляется возможным. Для расширения диапазона сил сжатия фала глубину желобов в этих устройствах предусматривают размером меньше половины диаметра фала. Однако в этом случае появляется опасность выхода фала из желобов с его последующим заклиниванием между пластинами, так как центр тяжести спасаемого человека не совпадает по вертикали с центром окружности фала и с центром окружности, образуемой двумя желобами. Первое изобретение по патенту Великобритании включает тормозной элемент с малой площадью контакта с фалом, в результате чего последний испытывает в этом месте высокое напряжение сжатия, приближающееся к напряжению среза; прочность фала в этом месте снижается. Второе изобретение не может быть использовано для спасания недееспособного человека: ребенка, физически слабого человека, потерявшего сознание человека и т.п. Третье изобретение предусматривает использование фала только в виде металлической ленты. Изобретение по патенту ФРГ (оно же запатентовано в США, патент № 3861497, 182/5) предусматривает сжимание с большой силой круглого тормозного элемента, через который пропущен фал. Это устройство предназначено для ограниченного контингента, например для солдат, обитателей мужского общежития и т.п. Первое изобретение по патенту Германии в качестве фала предусматривает только ленту. Второе включает тормозной механизм, предусматривающий большое контактное напряжение сжатия на малой площади фала, в результате чего его прочность в этом месте снижается. Недостаток изобретения по патенту Швейцарии аналогичен недостатку второго изобретения по патенту Германии.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению (прототипом) является изобретение по патенту США № 4778030, 182/5, А62В 1/14, под названием «Спасательное устройство зажимного типа» (Escape line clamp assembly). Оно представляет собой корпус с размещенным внутри него фалом, пропущенным через сквозное отверстие в корпусе, который состоит из двух частей, соединенных между собой болтами. В одной из частей вырезано окно, через которое вставлен тормозной элемент, прилегающий к фалу. Корпус в середине охвачен зажимом, к которому крепится спасательный пояс. В зажиме просверлено отверстие, через которое посредством резьбового соединения тормозной элемент прижимает фал ко второй половине корпуса. Чем больше вес спасаемого человека, тем сильнее затягивают болт резьбового соединения, который прижимает тормозной элемент к фалу. Устройство приспособлено для последовательного спасания людей одного за другим. После спасания первого человека второй спасаемый выбирает фал к себе вместе с устройством и спасательным поясом, прикрепленным к нему, привязывает нижнюю часть фала к прочной конструкции здания, отвязывает верхнюю часть фала и бросает ее в окно или за балкон, надевает спасательный пояс, затягивает резьбовое соединение в соответствии со своим весом и через окно или балкон покидает здание.

Недостатком прототипа является то, что по мере затягивания резьбового соединения желоба сжимают фал и приближаются друг к другу, при наличии фала средней жесткости или мягкого фала они деформируются (сжимаются) так, что боковые поверхности тормозного элемента по краям его желоба упираются в боковые поверхности второй половины корпуса по краям его желоба и дальнейшее сжатие фала для снижения скорости спуска, если она по какой либо причине окажется опасной для спасаемого человека, не представляется возможным. Другой недостаток этого изобретения заключается в том, что при внезапном и резком увеличении скорости спуска спасающегося человека снизить и далее стабилизировать безопасную скорость спуска представляет собой трудную задачу даже для подготовленного спасающегося человека. Дело в том, что для снижения скорости спуска необходимо увеличить усилие сжатия фала путем завинчивания винта 23. В условиях пожара, паники, воздействующих на человека продуктов горения, общем хаосе на месте пожара спасающийся человек, во-первых, при резком увеличении скорости спуска среагирует на это с запозданием, во-вторых, может совершить ошибку - не в ту сторону начнет вращать винт 23, усугубляя при этом ситуацию, так как скорость спуска в этом случае увеличится еще больше.

Ниже представлены данные, взятые из учебного пособия: Харисов Г.Х. Основы обеспечения безопасности жизнедеятельности человека. М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. - 89 с.

Показатели надежности оператора при выполнении различных операций
Ошибка	Вероятность ошибки
Неверно выбрана величина открытия вентиля	0,002
Открыт не тот вентиль	0,002
Неправильные действия тумблером, кнопкой	0,001
Неправильное действие поворотным выключателем	0,002

Заметим, что указанные показатели соответствуют оператору (т.е. подготовленному для выполнения перечисленных операций человеку), выполняющему операции в нормальных или даже в комфортабельных условиях, когда нет пожара, паники и т.п. Нет сомнений, что в условиях пожара, паники и т.п. спасающийся человек будет ошибаться намного вероятнее.

Внезапное и резкое увеличение скорости спуска спасаемого человека может произойти в результате смачивания фала: дождем; падающим на фал с последующим таянием снегом; водой, льющейся с верхних этажей, где пожарные или обитатели здания тушат пожар. Внезапное и резкое увеличение скорости спуска произойдет и в том случае, когда ниже спасающегося человека его же фалом воспользуется другой человек с нижележащего этажа. Как показывает опыт, человек, терпящий бедствие при пожаре, не спрашивает, чей фал висит напротив его окна или балкона, и тем более не спрашивает разрешения воспользоваться им. В таком случае диаметр фала от места зависания второго человека и вверх до самого места крепления фала к прочной конструкции здания уменьшается в результате его удлинения. В информационном листе оперативно-спасательного центра «Эдельвейс» (193231, г.Санкт-Петербург, а/я 253, тел. 166-98-76, факс (812) 584 - 96-42) представлены технические характеристики 28 видов веревок, канатов, фалов, шнуров, из которых следует, что при нагрузке 100 кгс их удлинение составляет в среднем 5%. Рассмотрим это более подробно. От места зависания второго человека вверх до места зависания человека, использующего прототип, объем фала равен:

где Д_l - диаметр фала после зависания второго человека;

l - длина фала между рассматриваемыми участками до зависания второго человека;

1,05 - удлинение фала на 5% после зависания второго человека

А до зависания второго человека объем фала на этом участке был равен:

где Д - диаметр фала до зависания второго человека.

Объем рассматриваемых участков фала остается одним и тем же как до зависания второго человека, так и после:

откуда

Таким образом, например, термостойкая (пожарная) веревка СПАСОС «200» (ТУ 8121-002-23129813-94) диаметром 8 мм, разрывное усилие которой составляет 1800 кгс (данные из информационного листа), после зависания на ней второго человека уменьшится в диаметре до:

Уменьшение диаметра фала приводит к тому, что сила, сжимающая фал, уменьшается, сила трения фала по желобам в пластинах прототипа также уменьшается и, как результат, скорость спуска спасаемого человека увеличивается. Для снижения скорости спуска необходимо увеличить силу сжатия фала путем выбора зазора 0,2 мм (8 мм-7, 8 мм). Для этого спасаемый человек должен быстро повернуть винт 23 прототипа, а делая это, он, как описано выше, может совершить ошибку.

Цель изобретения - автоматическая стабилизация безопасной скорости спуска спасаемого человека.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для спуска людей, содержащем фал, пропущенный сквозь корпус устройства, и тормозной механизм, включающий тормозной элемент, опирающийся через фал на корпус, винт, прижимающий тормозной элемент к фалу, и средства крепления спасательного пояса, тормозной элемент расположен с возможностью смещения параллельно и перпендикулярно фалу, причем между тормозным элементом и винтом расположена пружина, а два средства крепления спасательного пояса размещены на краях тормозного элемента симметрично к пружине.

На фиг.1 представлен вид устройства со стороны спасающегося человека; на фиг.2 - продольный разрез; на фиг.3 - продольный разрез устройства со вторым вариантом исполнения тормозного элемента 3; на фиг.4 - вид справа; на фиг.5 - вид сверху; на фиг.6 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.7 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.8, 9, 10 - увеличенные фрагменты разреза Б-Б на фиг.2 с различной формой исполнения рабочей поверхности тормозного элемента 3; на фиг.11 - кинематическая схема устройства.

Устройство содержит фал 1, пропущенный через корпус, выполненный из двух штампованных половин 2, 8. Под фалом понимается канат, трос, веревка, шнур, лента и т.п., выполненные из растительных или синтетических материалов, а также металлические - проволока, трос, жесткий стержень, по которому предложено соскальзывать (заявка Великобритании № 1420035, А62В 1/20; А5А), обхватив его руками. Тормозной элемент 3 снабжен окнами 10, 13, которые позволяют ему смещаться на несколько миллиметров параллельно и перпендикулярно фалу 1 относительно осей 9, 14. Последние жестко закрепляют в корпусе 2, 8 известными средствами, например, посредством резьбового соединения, как это показано на фиг.6. Средства крепления спасательного пояса выполнены в виде отверстий 4, 6, симметрично расположенных на тормозном элементе 3. Пружина 11 расположена между тормозным элементом 3 и винтом 5. Гайка 12 жестко прикреплена к корпусу 2, 8 известными средствами. Карабин 7 пропущен через средство крепления спасательного пояса 6. Спасательный пояс (не показан) крепится либо непосредственно к карабину 7, либо через промежуточные звенья. На фиг.2-7 тормозной элемент упирается своей вогнутой поверхностью к фалу 1 средней жесткости. Последний представляет собой большинство выпускаемых как в нашей стране, так и за рубежом синтетических пожарных спасательных веревок. На фиг.8 тормозной элемент 3 упирается в жесткий фал 1. Последний представляет собой стальной трос, проволоку или жесткий металлический стержень, закрепленный с одной или с двух сторон. Для жесткого фала 1 конфигурация рабочей поверхности тормозного элемента 3 и рабочей поверхности корпуса 2, 8 выполнена вогнутой, так как жесткий фал практически несжимаем и по этой причине отсутствует возможность того, что острые края вогнутой поверхности тормозного элемента упрутся в корпус 2, 8 при любом усилии сжатия пружины 11. На фиг.9 тормозной элемент 3 упирается в фал 1 средней жесткости. Последний при сжатии со всех сторон в радиальном направлении сжимается, и при его сжатии рабочим элементом 3 с вогнутой конфигурацией рабочей поверхности (как на фиг.8) острые края вогнутой рабочей поверхности тормозного элемента 3 при некотором усилии сжатия пружиной 11 упираются в корпус 2, 8, препятствуя дальнейшему сжатию фала 1. Для фала 1 средней жесткости конфигурация рабочей поверхности тормозного элемента 3 выполнена плоской. Такая конфигурация позволяет сжимать фал 1 до полукруга его поперечного сечения. Если фал 1 представляет собой ленту, то рабочая поверхность корпуса 2, 8, к которой прижимается лента, также выполняется плоской (на фиг.9 не показана) в соответствии с конфигурации рабочей поверхности тормозного элемента 3. На фиг.10 тормозной элемент 3 с выпуклой поверхностью упирается в мягкий фал 1. Последний представляет собой трос, канат, веревку, шнур, изготовленный из растительных материалов (манила, сизаль, кокос, пенька, хлопок, джут, лен) или из современных синтетических мягких материалов, например плетеная кевларовая веревка. Выпуклая конфигурация рабочей поверхности тормозного элемента 3 и вогнутая конфигурация рабочей поверхности корпуса 2, 8, к которой прижимается мягкий фал 1, позволяют сжимать последний до самого предела, т.е. до тех пор, пока он сжимается, так как выпуклая поверхность тормозного элемента 3 неограниченно сближается с вогнутой рабочей поверхностью корпуса 2, 8.

Работает устройство следующим образом. При хранении устройства винт 5 вывинчивают из гайки 12 до такой степени, чтобы пружина 11 не была сжата. При пожаре спасаемый человек прикрепляет верхнюю часть фала 1 к прочной конструкции здания (батарея отопления, балконную конструкция и т.п.), если она заранее не была прикреплена, надевает спасательный пояс, прикрепляет его к карабину 7, протягивает устройство по фалу 1 за пределы здания (за подоконник или за балкон), завинчивает винт 5 до заранее определенного предела, который может быть отмечен на винте (или на корпусе, как это сделано в прототипе), перелезает через окно или балкон, зависает на устройстве, занимая при этом удобную позицию, и медленно отвинчивает винт 5. Как только сила веса спасаемого человека превысит силу трения фала 1 о рабочую поверхность корпуса 2, 8 и тормозного элемента 3, устройство вместе со спасаемым человеком начнет с постоянной скоростью опускаться по фалу 1. Скорость спуска зависит от того, насколько сила веса спасаемого человека превышает силу трения фала 1 о рабочую поверхность корпуса 2, 8 и тормозного элемента 3. Силу трения можно регулировать путем сжатия пружины 11, завинчивая винт 5. Рассмотрим кинематику устройства (фиг.11). В начальный момент, когда спасаемый человек завис на устройстве и находится в покое, когда он еще не отвинтил винт 5, на устройство действуют следующие силы:

F - сила трения фала 1 о рабочую поверхность корпуса 2, 8 и тормозного элемента 3.

Сила трения F равна:

F=kR,

где k - коэффициент трения фала 1 о рабочую поверхность корпуса 2, 8 и тормозного элемента 3;

R - сила, с которой пружина 11 прижимает тормозной элемент 3 через фал 1 к корпусу 2, 8 - сила реакции рабочей поверхности корпуса 2, 8 от силы (P₁-P₃).

R=Р₁ -Р₃,

где Р₁ - сила пружины 11, передаваемая на тормозной элемент 3;

P ₂ - сила веса спасаемого человека;

P ₃ - сила, противодействующая силе пружины Р₁ и направленная ей навстречу:

Условие покоя устройства на фале 1, т.е. условие, при котором устройство вместе со спасаемым человеком не начнет двигаться по фалу 1:

F>P₂ ; F=kR=k(P₁-P₃); K(P₁-P ₃)>Р₂, откуда Р₁>(P₂ /K)+P₃.

Коэффициент трения k можно менять в широком диапазоне. В данном случае коэффициент k можно увеличить путем нанесения фрикционного или абразивного материала (типа наносимого на наждачную бумагу) на рабочие поверхности корпуса 2, 8 и тормозного элемента 3, или наносить на указанные поверхности накатку или насечку, как у напильников. В этом случае ресурс фала 1 снижается, то есть фал изнашивается быстрее. Например, в паспорте - инструкции на веревку пожарную спасательную ВПС-50 диаметром 11 мм, назначенный ресурс составляет 100 циклов. Если ее пропустить через рабочие поверхности корпуса 2, 8 и тормозного элемента 3 с нанесенным на их поверхности абразивным материалом, то ее ресурс снизится, так как она будет изнашиваться быстрее, чем гладкими поверхностями.

Однако необходимо принять во внимание назначение устройства. Оно находится в режиме ожидания пожара и никто его не использует в других целях. То есть устройство предназначено для спасения жизни человека и снижение ресурса фала вполне оправдывается назначением устройства. Тем более что, как показывают расчеты, большинство устройств закончат свой срок службы так и не включившись в работу (не будет пожара).

Рассмотрим работу устройства на конкретном примере.

Если аб=ав (фиг.11), то

При k=0,5 и весе спасаемого человека Р ₂=784 H (80 кгс):

Таким образом, чтобы устройство со спасаемым человеком весом 784 Н не скользило вниз по фалу 1, пружину 11 необходимо сжать с усилием не менее 2352 Н (240 кгс). В прототипе указано, что тормозной элемент сжимается с силой до 500 фунтов (227 кгс).

Пусть спасаемый человек отвинтил винт 5 так, что сила P₁ стала равной 2305 Н, а для того, чтобы он оставался в покое, необходимо Р₁, равное не менее 2352 Н. Устройство вместе со спасаемым человекам сдвинется с места и начнет опускаться с заранее заданной безопасной скоростью примерно 1 м/с.

Если по описанным выше причинам устройство начнет опускаться с ускорением, набирая таким образом опасную для спасаемого человека скорость спуска, то сила веса человека P₂ относительно устройства станет равной:

P₂=m(g-a),

где m - масса спасаемого человека, кг (80 кг);

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с²);

а - ускорение, с которым опускается спасаемый человек.

В этом случае (при движении вниз с ускорением а) для того, чтобы остановить устройство, необходимо, чтобы:

P ₁>P₂/k+P₂=m(g-a)/k+m(g-а)

Пусть а=3 м/с², тогда:

P₁ >80(9,8-3)/0,5+80(9,8-3)=1632 Н,

а пружина 11 уже! сжата до усилия Р₁=2305 Н.

Таким образом, внезапное и резкое увеличение скорости спуска спасаемого человека, которое в любом случае сопровождается ускорением, благодаря пружине 11 мгновенно приводит к торможению и дальнейшей стабилизации скорости спуска спасаемого человека до безопасного, заранее предусмотренного значения.

Первый способ использования устройства заключается в том, что на один фал устанавливают столько устройств, сколько планируется спасать людей при пожаре, т.е. по одному устройству на каждого спасаемого человека. В этом случае люди покидают здание один за другим, предварительно выполнив описанные выше подготовительные действия. Количество людей, одновременно спускающихся по одному и тому же фалу, ограничивается только прочностью фала. Другой способ использования устройства заключается в том, что на группу людей в одном помещении предусматривается одно устройство на одном фале. Люди спасаются последовательно один за другим, как это предусмотрено в прототипе. После спуска на землю первого спасаемого человека второй выбирает фал к себе вместе с устройством и спасательным поясом, прикрепленным к нему, привязывает нижнюю часть фала к прочной конструкции здания, отвязывает верхнюю часть фала и бросает ее в окно или за балкон, надевает спасательный пояс, вынимает карабин 7 из отверстия 6 и продевает его через отверстие 4, отвинчивает винт 5, чтобы фал свободно проходил через устройство, протягивает устройство по фалу за окно или за балкон, завинчивает винт 5 в соответствии со своим весом, перелезает через окно или балкон, зависает на устройстве 4 и медленно отвинчивает винт 5, пока устройство не сдвинется с места и не начнет опускаться с заранее запланированной безопасной скоростью спуска. Аналогичным образом остальные люди спасаются один за другим.

Размещение тормозного элемента 3 с возможностью одновременного смещения параллельно и перпендикулярно к фалу 1 с установкой пружины 11 между тормозным элементом 3 и винтом 5 и расположение средств крепления 4, 6 спасательного пояса на тормозном элементе симметрично пружине 11 дают возможность автоматически стабилизировать безопасную скорость спуска спасаемого человека без его вмешательства и спасать недееспособных людей.