СПАСАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭВАКУИРУЕМЫХ ЛЮДЕЙ С ВЫСОТНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2000 года по МПК A62B1/22 

Изобретение относится к спасательным устройствам, применяемым для приема прыгающих или падающих с высоты людей при чрезвычайных ситуациях в зданиях и сооружениях, преимущественно для аварийной эвакуации людей из верхних этажей горящих зданий.

Пожары в зданиях повышенной этажности в большинстве случаев сопровождаются большими человеческими жертвами. Поэтому во всех странах уделяется значительное внимание разработке новейших стационарных и передвижных средств экстренной эвакуации людей из многоэтажных зданий.

Одними из таких средств, разработанных и внедренных в практическую деятельность пожарной охраны являются амортизирующие воздушные подушки.

Сущность спасения заключается в следующем. Подушки, выполненные из эластичного материала, доставляются к месту пожара, выкладываются вблизи стен и подключаются к источнику сжатого воздуха. В течение 40 - 60 с происходит наполнение подушки воздухом и она приобретает рабочую форму.

При падении человека на подушку происходит прогиб верхней амортизирующей мембраны и за счет этого плавно гасится кинетическая энергия, приобретенная телом человека в процессе его свободного падения с высоты. После схода человека с подушки она в течение 10 - 15 с приводится в первоначальную готовность.

Предмет предлагаемого изобретения относится к типу амортизирующих воздушных подушек, которые принимают рабочую форму за счет наполнения сжатым воздухом надувного пневмокаркаса, расположенного внутри подушки. Прогиб мембраны у таких подушек происходит частично за счет упругой деформации каркаса, наполненного сжатым воздухом, частично - за счет деформации самой подушки, сопровождаемой дозированным выпуском воздуха из нее через воздухопропускные калиброванные отверстия. Устройство должно обеспечивать такой режим амортизации, чтобы перегрузка, действующая на человека, не превышала допустимой величины.

Основными учитываемыми факторами, определяющими эффективную эксплуатацию подушек и правильный выбор параметров, являются величина и длительность действия перегрузки, возникающей при падении, степень и характер прогиба амортизирующей мембраны, при которых исключался бы удар человека о землю и выброс его вверх после падения на подушку. Имеют значение также размеры и масса подушки, скорость приведения ее в рабочее состояние, устойчивость от опрокидывания и др.

Значение параметров для конкретного варианта использования спасательного устройства зависит от технических решений, принимаемых при создании подушек. Так, величина и длительность действия перегрузки, возникающей при падении, зависит от величины прогиба амортизирующей мембраны и уменьшения скорости ее движения на различных фазах прогиба. Степень и характер прогиба амортизирующей мембраны зависит от размеров мембраны, объема и давления воздуха в каркасе и подушке, скорости выхода его через калиброванные отверстия, наличия дополнительных устройств, препятствующих прогибу. Скорость приведения подушки в рабочее состояние зависит от скорости наполнения каркаса сжатым воздухом и определяется главным образом его объемом и производительностью средств для наполнения. Устойчивость подушки от опрокидывания зависит от соотношения ее габаритных размеров. Большинство параметров подушки взаимосвязаны и изменение одних приводит к улучшению или ухудшению других.

Поскольку разработка универсального спасательного устройства, эффективного для всех возможных в практике случаев эксплуатации, представляет значительные трудности и вряд ли целесообразна, то проектировщики и изготовители пошли по пути создания набора разнообразных спасательных средств, решающих частные задачи спасения.

Известно, например, по а. с. 373006, МПК A 62 B 1/22 "Устройство для спасения выпрыгивающих из горящих зданий". Устройство представляет собой пневматическую камеру, образованную торообразным надувным каркасом, натянутыми на нем сверху амортизирующей мембраной и снизу - днищем с расположенными на нем клапанами для дозированного выпуска воздуха. Управлять гашением скорости при падении спасаемого на амортизирующую мембрану позволяет упругое вращение корпуса баллона, натяжение мембраны, степень наполнения баллона сжатым воздухом, что позволяет в известных пределах регулировать натяжение мембраны.

Устройство имеет тот недостаток, что объем каркаса в нем составляет значительную часть от общего объема камеры. При этом прогиб мембраны устройства происходит главным образом за счет упругой деформации каркаса и дозированный выпуск из подмембранного пространства небольшого объема воздуха не оказывает существенного влияния на характер прогиба. Это приводит к повышению перегрузки при падении и выбросу спасаемого при упругом восстановлении каркаса устройства. Кроме того, требуется много времени для наполнения каркаса воздухом и, следовательно, приведения устройства в рабочее положение. Увеличение относительного объема подмембранного пространства за счет увеличения ширины устройства снижает допустимую нагрузку на мембрану, при которой она прогибается до дна устройства. Это ограничивает возможность применения устройства для приема спасаемых с больших высот во избежание удара спасаемого о землю. Также в этом случае увеличился бы объем каркаса, время его наполнения, масса и габаритные размеры устройства.

Известен также по патенту ФРГ N 3838994, МПК A 62 B 1/22 "Аппарат для спасения при прыжке". Аппарат оборудован образованной из надувных рукавов, имеющей каркасную конструкцию опорой, которая снабжена прочной на растяжение тканью, а сбоку и снизу - чехлом. Чехол имеет несколько отверстий для прохода воздуха. Диаметр отверстий составляет 40 - 80 мм, преимущественно 60 мм, и на каждый кубометр воздуха предусмотрено 4-7 отверстий, преимущественно 5,5. Аппарат в плане имеет форму многогранника, в частности прямоугольника или квадрата. В углах расположены примерно вертикальные шлангообразные стойки в качестве составных частей опоры, соединенные с верхним и нижним основаниями каркаса многогранника. Согласно фиг. 1, приведенной в патенте, в средней части по высоте аппарата внутри него расположена дополнительная горизонтальная мембрана.

Прогиб амортизирующей мембраны аппарата происходит главным образом за счет сжатия объема воздуха в чехле, сопровождающегося дозированным выпуском его через воздухопропускные отверстия, а опора служит для возвращения чехла в исходное положение после прыжка.

Недостатком является то, что при оптимальном для аппарата соотношении габаритных размеров, объема, площади отверстий для выпуска воздуха, расположении дополнительной горизонтальной мембраны величина прогиба амортизирующей мембраны в значительной степени зависит от веса падающего человека и высоты падения. При этом для человека с большим весом должна быть ограничена высота, с которой возможно осуществлять прием человека на аппарат при падении из-за опасности прогиба мембраны до дна аппарата и удара человека о землю.

Уменьшение прогиба мембраны за счет уменьшения размеров отверстий в чехле и сокращения при этом объема выпускаемого воздуха увеличивает его давление в подмембранном пространстве и приводит к подбросу человека после падения. Кроме того, увеличивается перегрузка при падении на аппарат человека.

Прототипом предлагаемого решения является "Спасательное устройство" по патенту ФРГ N 3516676, МПК A 62 B 1/22. Устройство включает в себя гибкое, прочное на растяжение натянутое полотно, под которым находится опора из надувных шлангов, образующих надувной каркас, включающий верхнее и нижнее основания многогранника и соединяющие их стойки, заключенная в гибкий чехол. При этом опора под действием прыжка упруго деформируется и возвращает затем чехол с поверхностью для прыжка в первоначальное положение. Чехол снабжен одним или несколькими воздухопропускными отверстиями, дросселирующими поток воздуха.

В отличие от конструкции аппарата по патенту ФРГ N 3838994 согласно варианту, изображенному на фиг. 2, в центральной части по высоте устройства вместо дополнительной горизонтальной мембраны расположены дополнительные горизонтальные эластичные стяжки, расходящиеся лучами от центра устройства к соответствующим стойкам и выполняющие ту же роль, что и дополнительная горизонтальная мембрана.

По сравнению с аппаратом для спасения при прыжке по патенту N 3838994 устройство имеет меньшую материалоемкость и массу, обладает более простой в изготовлении конструкцией, но вместе с тем сохраняет все недостатки аппарата.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в устранении недостатков прототипа, в расширении диапазона разнообразных конструкций спасательных средств и создании эффективного спасательного устройства для приема эвакуируемых людей с объектов высотой до 30 метров, обеспечивающего безопасный спуск человека, например при пожарах, за счет такого режима амортизации, при котором перегрузки, действующие на человека, не превышали бы допустимой величины при минимальной высоте отскока и вероятности выброса спасаемого после падения его на амортизирующую мембрану независимо от веса спасаемого. Кроме того, спасательное устройство должно обладать повышенным быстродействием с минимальным временем подготовки его к работе, иметь возможность подвести его основание максимально близко к месторасположению спасаемого человека для совершения на него прыжка даже при ограниченной площади перед стеной здания, а гашение скорости падения должно происходить на оптимальном пути торможения даже при приеме спасаемого с высот от 20 до 30 метров. При этом за счет управляемой жесткости пневматического каркаса и всего устройства приземляющийся на амортизирующую мембрану человек в любом случае должен направляться к ее центру.

Технический результат достигается тем, что в известном спасательном устройстве для эвакуируемых людей с высотных объектов, состоящем из пневматического каркаса из эластичных труб, образующих контуры верхнего и нижнего оснований пневмокаркаса, соединенные рядом стоек из эластичных труб и охватывающей пневмокаркас гибкой прочной на растяжение натянутой оболочки-чехла с верхней горизонтальной амортизирующей мембраной и воздухопропускными отверстиями на боковой части оболочки-чехла, дросселирующими поток воздуха, причем под оболочкой-чехлом в центральной части по высоте устройства расположены дополнительные эластичные стяжки, расходящиеся лучами от центра спасательного устройства и присоединенные к соответствующим стойкам по направлению лучей, согласно изобретению к дополнительным эластичным стяжкам в центральной части прикреплено донышко внутренней эластичной емкости стаканообразной формы, открытая часть ее по кромке периметра негерметично соединена с днищем оболочки-чехла спасательного устройства.

Открытая часть внутренней эластичной емкости соединена с днищем оболочки-чехла с помощью гибких связей.

Контуры верхнего и нижнего оснований пневмокаркаса выполнены в виде правильного восьмиугольника.

Донышко внутренней эластичной емкости выполнено в виде правильного восьмиугольника и прикреплено к эластичным стяжкам с разворотом в горизонтальной плоскости на угол α = 22,5^o относительно контура верхнего и нижнего оснований пневнокаркаса устройства.

Основные размерные параметры устройства выбраны из соблюдения следующих соотношений: S₁ : S₂ = (25 - 35) : 1; V₁ : V₂ = (50 - 70) : 1; S₁ : S_отв = (15 - 25) : 1; S₁ : S_с = (30 - 40) : 1,
где S₁ - площадь верхней горизонтальной амортизирующей мембраны, м²;
S₂ - площадь донышка внутренней эластичной емкости, м²;
V₁ - внутренний объем наружной оболочки-чехла, м³;
V₂ - внутренний объем внутренней эластичной емкости, м³;
S_отв - площадь сечения всех воздухопропускных отверстий, м³;
S_с - площадь сечения всех вертикальных стоек пневмокаркаса, м².

Сущность предлагаемого изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг. 1 изображен вид устройства сбоку, на фиг. 2 - вид устройства сверху, на фиг. 3 - узел соединения стяжки со стойкой каркаса, на фиг. 4 - узел соединения внутренней эластичной емкости с днищем, на фиг. 5 - условное изображение первой стадии прогиба амортизирующей мембраны спасательного устройства при падении на нее спасаемого человека, на фиг. 6 - условное изображение второй стадии прогиба амортизирующей мембраны спасательного устройства при падении на нее спасаемого человека, на фиг. 7 - условное изображение третьей стадии прогиба амортизирующей мембраны спасательного устройства при падении на нее спасаемого человека.

Спасательное устройство содержит опору в виде надувного каркаса, выполненную из эластичных труб 1 и имеющую форму многогранника с верхним и нижним основаниями, замкнутые эластичные трубы которых образуют восьмиугольники. Верхний и нижний ярусы многогранника пневмокаркаса соединены между собой с помощью ряда надувных стоек 2. Пневмокаркас охватывает со всех сторон гибкая оболочка-чехол 3, образующая сверху горизонтальную амортизирующую мембрану 4 и имеющая на боковых поверхностях воздухопропускные отверстия 5 для дозированного выпуска воздуха. Под оболочкой-чехлом в центральной части по высоте устройства расположены горизонтальные эластичные стяжки 6, направленные от центра спасательного устройства к вертикальным стойкам каркаса. Стяжки крепятся ориентировочно в средней части по высоте к стойкам каркаса и чехлу-оболочке с помощью шнура 7. К горизонтальным эластичным стяжкам в центральной части устройства прикреплено донышко внутренней эластичной емкости 8 стаканообразной формы. Поскольку в изображенном варианте контуры верхнего и нижнего оснований пневмокаркаса выполнены в виде правильного восьмиугольника, хотя практически они могут иметь и другую форму многогранника, например квадрата, прямоугольника и т.п. и даже форму окружности, а стойки, соединяющие основания, с учетом технологичности изготовления расположены на серединах сторон восьмиугольника, то донышко внутренней эластичной емкости, выполненное также в виде правильного восьмиугольника, прикреплено к эластичным стяжкам с разворотом в горизонтальной плоскости на угол α = 22,5^o относительно контура верхнего и нижнего оснований, так как крепление лучей стяжек технологичнее выполнить от углов многогранника донышка в направлении стоек. Открытая часть этой эластичной емкости негерметично по кромке периметра соединена с днищем оболочки-чехла с помощью гибких связей 9. Устройство имеет штуцер 10 для наполнения каркаса сжатым воздухом.

Для расчета параметров пневмокаркасного амортизирующего спасательного устройства исходят из следующих соображений. Кинетическая энергия, запасенная телом человека в процессе свободного падения, при попадании его на устройство полностью переходит в работу по обжатию устройства и на пути торможения (прогиба амортизирующей мембраны) скорость тела человека изменяется от максимального значения до нуля.

Задаваясь, по имеющимся примерным графикам переносимости человеком перегрузок в зависимости от времени действия, величиной допустимой перегрузки, определяют путь торможения, то есть основной конструктивный параметр, определяющий высоту пневмокаркасного спасательного устройства.

Переносимые человеком перегрузки определяются не только их величиной, но и временем действия, которое рассчитывается. Поскольку кинетическая энергия тела человека при торможении на пневматическом устройстве частично переходит в кинетическую энергию вытесняемого воздуха, устройство должно обеспечить выпуск воздуха за расчетное время.

Теоретические расчеты показывают, что технически возможно создать такие устройства для спасения людей с высоты до 100 м. Однако с увеличением высоты эффективность применения этих устройств будет уменьшаться из-за боязни высоты спасаемыми. Не случайно площадь амортизирующей мембраны спасательных устройств составляет 12 м² и более.

Теоретически расчетным путем и проведенными практическими испытаниями выработаны общие определенные математические зависимости между отдельными геометрическими параметрами спасательных устройств. Так, отношение высоты к ширине "подушки" должно быть не менее 1:2 - 1:3, отношение объема надувного каркаса к объему "подушки" составляет примерно 1:15, суммарная площадь отверстий на один кубометр воздуха в "подушке" составляет от 5000 до 35000 мм², преимущественно 15500 мм². В ФРГ, США и других странах разрабатываются и внедряются в практическую деятельность пожарной охраны амортизирующие воздушные подушки с площадью до 42 м² и высотой 2 - 3 м.

Кроме перечисленных выше соотношений размерных параметров наружной оболочки-чехла, применяемых в практике проектирования подобных спасательных устройств, для обеспечения эффективной работы предложенного конструктивного решения с дополнительной внутренней эластичной емкостью важное значение имеет выбор соотношения отдельных размерных параметров оболочки-чехла и эластичной емкости. Так, экспериментальным и расчетным путем установлено, что высота внутренней эластичной емкости не должна быть более половины высоты наружной оболочки-чехла, чтобы обеспечить вступление в работу внутренней емкости только на определенном этапе прогиба верхней амортизирующий мембраны, максимальный размер по ширине для этой емкости должен быть менее половины максимальной ширины наружной оболочки-чехла, так как донышко внутренней емкости не должно иметь большую стрелу прогиба, а должно как бы управляемо подтормаживать прогиб амортизирующей мембраны наружной оболочки. В этом случае оптимальное соотношение S₁ : S₂ = 25:1, где S₁ - площадь верхней горизонтальной амортизирующей мембраны, а S₂ - площадь донышка внутренней эластичной емкости, и V₁ : V₂ = 50:1, где V₁ - внутренний объем наружной оболочки-чехла, а V₂ - внутренний объем внутренней эластичной емкости.

Удовлетворительные результата эффективной работы амортизирующего спасательного устройства получены и при проведении модельных испытаний вариантов при S₁ : S₂ = (25 ^o 35) : 1 и V₁ : V₂ = (50 - 70) : 1.

Мягкое амортизирующее воздействие на спасаемого оказывает предложенная конструкция спасательного устройства не только при выбранных оптимальных соотношениях S₁ : S₂ и V₁ : V₂, но и при определенной площади отверстий S_отв на боковой поверхности наружной оболочки-чехла, обеспечивающей управляемое дросселирование воздуха, и при оптимальном соотношении площади сечений всех стоек S_с пневмокаркаса с площадью верхней амортизирующей мембраны, так как степень деформирования стоек оказывает также воздействие на прогиб мембраны. Работоспособно спасательное устройство при S₁ : S_отв = (15 - 25) : 1 и S₁ : S_с = (30 - 40) : 1, причем преимуществен оптимальный вариант S₁ : S_отв = 21 : 1 и S₁ : S_с = 38 : 1.

Общая площадь отверстий для выпуска воздуха составляет 27000 мм² на каждый кубометр объема оболочки-чехла.

Принцип действия спасательного устройства.

Устройство разворачивают на подготовленной площадке. Заполняют пневматический каркас устройства сжатым воздухом, который подают, например, от баллона со сжатым газом через штуцер.

По мере наполнения каркаса сжатым воздухом спасательное устройство приобретает рабочую форму. При этом оболочка-чехол устройства наполняется воздухом из атмосферы через воздухопропускные отверстия, натягиваются эластичные стяжки, расположенные внутри, в средней части устройства, и внутренняя эластичная емкость расправляется в рабочее состояние. Воздух при ее расправлении проходит через зазор между нижней кромкой ее боковой поверхности и днищем оболочки-чехла спасательного устройства.

Прогиб амортизирующей мембраны спасательного устройства при падении на него спасаемого человека имеет стадии, изображенные условно на фиг, 5, 6, 7.

На первой стадии происходит прогиб мембраны до касания ее с горизонтальными эластичными стяжками, расположенными в средней части устройства. Боковая поверхность оболочки-чехла выгибается наружу за счет создаваемого внутри нее избыточного давления и натягивает закрепленные к ней в средней части и к стойкам каркаса эластичные стяжки, воздух выходит через отверстия оболочки-чехла.

На второй стадии происходит совместный прогиб амортизирующей мембраны и горизонтальных эластичных стяжек. Внутренняя дополнительная эластичная емкость, прикрепленная донышком к эластичным стяжкам, начинает прижиматься к днищу и деформируется по высоте.

На третьей стадии на совместный прогиб амортизирующей мембраны и эластичных стяжек оказывает дополнительное тормозящее усилие внутренняя емкость, деформируемая по высоте по мере нарастания прогиба. При этом избыточное давление в емкости, определяющее величину оказываемого ею сопротивления, зависит от веса спасаемого и высоты падения, т.е., чем больше запас кинетической энергии, приобретенный при падении спасаемым, тем большая доля ее гасится на последней стадии прогиба мембраны.

Применение дополнительной внутренней эластичной емкости (оболочки) исключает полный прогиб мембраны и удар спасаемого о землю, т.к. величина деформации внутренней емкости и, значит, прогиб мембраны на третьей стадии сохраняются примерно постоянными независимо от величины гасимой при этом кинетической энергии спасаемого. Это объясняется тем, что увеличение нагрузки на донышко емкости увеличивает избыточное давление воздуха в ней, но одновременно делает более плотным зазор между нижней кромкой емкости и дном оболочки-чехла и наоборот, сохраняя скорость выпуска воздуха из емкости через зазор примерно постоянной.

Предлагаемая конструкция спасательного устройства исключает также вероятность выброса спасаемого после падения, т.к. увеличенная площадь воздухопропускных отверстий в оболочке-чехле предотвращает создание в ней значительного избыточного давления на конечной стадии прогиба мембраны, а конструкция дополнительной емкости внутри устройства не позволяет сохранить в ней избыточное давление для создания усилия, достаточного для выброса. Кроме того, из-за значительной разницы в объемах восстанавливающие силы упругости оболочки-чехла и дополнительной емкости находятся в различных фазах по времени и при любых условиях не создают суммарной силы, достаточной для выброса.

Изготовление предложенной конструкции спасательного устройства производится промышленным способом с использованием существующего оборудования, существующей традиционной технологии, серийных материалов и без привлечения дополнительной оснастки и приспособлений. Устройство, ввиду простоты конструкции, не требует дополнительной специальной квалификации и знаний персонала для его сборки и эксплуатации.

Опытный образец предлагаемой конструкции спасательного устройства изготовлен промышленным способом и прошел заводские испытания методом эвакуации на него грузомакетов массой от 20 до 110 кг с высоты до 30 м с положительным результатом.

Устройство предназначено для спасения людей при чрезвычайных ситуациях и позволяет повысить эффективность спасательных работ. Донышко внутренней эластичной емкости имеет стаканообразную форму. Открытая часть емкости негерметично соединена с днищем оболочки-чехла спасательного устройства. Эластичные трубы образуют контуры верхнего и нижнего оснований пневмокаркаса. Пневмокаркас охватывает гибкая прочная на растяжение оболочка-чехол с верхней горизонтальной амортизирующей мембраной. На боковой части оболочки выполнены воздухопропускные отверстия, дросселирующие поток воздуха. Открытая часть внутренней эластичной емкости может быть соединена с днищем оболочки-чехла с помощью гибких связей. Контуры верхнего и нижнего оснований пневмокаркаса могут быть выполнены в виде правильного восьмиугольника. Донышко внутренней емкости может быть выполнено в виде правильного восьмиугольника и прикреплено к эластичным стяжкам под углом 22,5° к горизонтальной плоскости. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Спасательное устройство для эвакуируемых людей с высотных объектов, состоящее из пневматического каркаса из эластичных труб, образующих контуры верхнего и нижнего оснований пневмокаркаса, соединенные рядом стоек из эластичных труб и охватывающей пневмокаркас гибкой прочной на растяжение натянутой оболочки-чехла с верхней горизонтальной амортизирующей мембраной и воздухопропускными отверстиями на боковой части оболочки-чехла, дросселирующими поток воздуха, причем под оболочкой-чехлом в центральной части по высоте устройства расположены дополнительные эластичные стяжки, расходящиеся лучами от центра спасательного устройства и присоединенные к соответствующим стойкам по направлению лучей, отличающееся тем, что к дополнительным эластичным стяжкам в центральной части прикреплено донышко внутренней эластичной емкости стаканообразной формы, открытая часть ее по кромке периметра негерметично для обеспечения дросселирования воздуха через этот узел соединена с днищем оболочки-чехла спасательного устройства. 2. Спасательное устройство по п.1, отличающееся тем, что открытая часть внутренней эластичной емкости соединена с днищем оболочки-чехла с помощью гибких связей. 3. Спасательное устройство по п.1, отличающееся тем, что контуры верхнего и нижнего оснований пневмокаркаса выполнены в виде восьмиугольника. 4. Спасательное устройство по п.1, отличающееся тем, что донышко внутренней эластичной емкости выполнено в виде правильного восьмиугольника и прикреплено к эластичным стяжкам с разворотом в горизонтальной плоскости на угол α = 22,5^o относительно контура верхнего и нижнего оснований пневмокаркаса устройства. 5. Спасательное устройство по п.1, отличающееся тем, что основные размерные параметры устройства выбраны из соблюдения следующих соотношений:
S₁ : S₂ = (25 - 35) : 1, V₁ : V₂ = (50 - 70) : 1, S₁ : S_отв = (15 - 25) : 1, S₁ : S_с = (30 - 40) : 1,
где S₁ - площадь верхней горизонтальной амортизирующей мембраны, м²;
S₂ - площадь донышка внутренней эластичной емкости, м²;
V₁ - внутренний объем наружной оболочки-чехла, м³;
V₂ - внутренний объем внутренней эластичной емкости, м³;
S_отв - площадь сечения всех воздухопропускных отверстий, м²;
S_с - площадь сечения всех вертикальных стоек пневмокаркаса, м².