Тренажер самоспасателя для горнодобывающей промышленности Российский патент 2024 года по МПК A63B23/18 G09B9/00 A62B7/00 

Предлагаемое изобретение относится к области учебных моделей или тренажеров, в частности к имитаторам дыхательных аппаратов для спасения жизни, а также тренировочным устройствам, специально предназначенным для улучшения функции дыхания, причем используются электрические и магнитные эффекты, в особенности эффект Пельтье.

Горнодобывающая промышленность - одна из важнейших составляющих как отечественной, так и мировой экономики. К сожалению, эта отрасль связана с повышенными рисками для жизни и здоровья занятых в ней людей. Дело в том, что при строительстве производственных объектов для приборостроительной, станкостроительной, автомобильной, медицинской, химической, текстильной и большинства других отраслей промышленности, как правило, выбираются наиболее удобные участки местности, с низкими рисками природных катастроф, приемлемыми климатическими условиями, развитыми транспортными путями, близлежащими объектами здравоохранения и т.п. При расположении объектов горнодобывающей промышленности определяющий фактор - это география распределения полезных ископаемых, в связи с чем добыча часто ведется в относительно безлюдной местности, с плохим климатом, ограниченными возможностями эвакуации и оказания медицинской помощи. В такой ситуации, особо актуальны средства экстренной индивидуальной защиты органов дыхания при авариях, связанных с образованием непригодной для дыхания атмосферы в подземных объектах или наземных помещениях со сложной планировкой, малым количеством входов/выходов, возможными скрытыми очагами горения и т.п. Такие технические средства обобщенно называют самоспасателями. Массовое грамотное использование самоспасателей при авариях на объектах горнодобывающей промышленности резко повышает шансы персонала на выживание. Поскольку самоспасатели серийно производятся во многих странах, массовость их использования обеспечить не сложно. Гораздо сложнее обстоят дела с тренировками персонала по их корректному использованию. В условиях учебной аудитории довольно сложно одновременно воссоздать условия дыхания (температуру, влажность, сопротивление каждому вдоху и выдоху и т.п.), физическую нагрузку (стандартные протоколы предусматривают оперативное самостоятельное покидание зоны аварии, либо движение к пунктам общей эвакуации, либо, в крайних случаях, неподвижное пережидание аварии) и окружающее пространство (ограниченная освещенность, задымленность, завалы переменной проходимости и т.п.).

По патенту RU 126496 U1, МПК G09B 9/00, опубликованному 27.03.2013г. известен комплекс мобильных средств обучения в области безопасности жизнедеятельности, состоящий из проекционных и мультимедийных средств, тренажера сердечно-легочной и мозговой реанимации, учебных экспонатов средств индивидуальной защиты органов дыхания, медицинских средств защиты, соединительных проводов, кабелей и транспортных кейсов, проекционное и мультимедийное оборудование с экраном проекционным в собранном виде, которое может работать автономно, без подключения к источникам электрической энергии, перевозится на любых видах транспорта и обеспечивает мультимедийное сопровождение процесса обучения населения в области безопасности жизнедеятельности, формирования навыков по оказанию первой помощи пострадавшим в чрезвычайных ситуациях и использованию индивидуальных средств защиты, отличающийся тем, что транспортные кейсы включают в себя три кейса с ложементами, соответствующими размещаемому оборудованию: первый кейс - для транспортировки мобильного стенда, акустической системы, источника бесперебойного питания, манипулятора «мышь», портативного компьютера (ноутбука), микропроектора, мультимедиаплеера, комплекта проводов и кабелей к микропроектору и мультимедиаплееру, сетевого адаптера к микропроектору, сетевого адаптера к мультимедиаплееру, второй кейс - для транспортировки электронного табло тренажера сердечно-легочной и мозговой реанимации, например, модель Т12К «Максим III-01», аптечки универсальной противоожоговой, комплекта имитаторов ранений и поражений, комплекта проводов и кабелей тренажера сердечно-легочной и мозговой реанимации, сетевого адаптера пульта контроля-управления тренажера сердечно-легочной и мозговой реанимации, самоспасателя изолирующего, сумки санитарной с укладкой, аптечки промышленной, аптечки коллективной, пожарно-спасательного комплекта, например, «Шанс-2-Е», пульта контроля-управления тренажера сердечно-легочной и мозговой реанимации, третий кейс - для транспортировки торса с головой тренажера сердечно-легочной и мозговой реанимации, левая рука тренажера сердечно-легочной и мозговой реанимации, левая нога тренажера сердечно-легочной и мозговой реанимации, правая рука тренажера сердечно-легочной и мозговой реанимации, правая нога тренажера сердечно-легочной и мозговой реанимации, одежда тренажера сердечно-легочной и мозговой реанимации, гигиенические салфетки для отработки проведения искусственного дыхания. Известен вариант комплекса мобильных средств обучения в области безопасности жизнедеятельности, отличающийся тем, что оборудование комплекса для хранения и транспортировки размещается в кейсах, имеющих водонепроницаемый ударопрочный корпус, индивидуальную укладку, ложемент, который соответствует форме размещаемого оборудования и выполнен из поропласта, надежно фиксирует его внутри корпуса кейса, обеспечивая сохранность во время эксплуатации и транспортировки. Техническим результатом использования комплекса мобильных средств обучения в области безопасности жизнедеятельности является сокращение времени подготовки для проведения занятий и улучшение процесса получения знаний, а также снижение затрат на обучение выездным методом для небольших групп населения, расположенных на расстоянии друг от друга.

Недостатком комплекса мобильных средств обучения в области безопасности жизнедеятельности является низкая эффективность его использования, вызванная отсутствием конструктивных элементов, программного обеспечение, интерфейсов, режимов и т.п. для реализации эффекта присутствия (имеется в виду погружение пользователя посредством интерфейса виртуальной реальности в моделируемую ситуацию с учетом задымлений, подтоплений, неравномерной освещенности, искр, частичного изменения рельефа и характера местности, вызванного пожаром или завалом, и самое главное динамическим изменением всего вышеперечисленного с течением времени) с сопутствующим ему стрессом, вызванным аварией на оборудовании, пожаром, завалом и т.п.

По патенту RU 61139 U1, МПК A62B 7/08, опубликованному 27.02.2007г. известно устройство для охлаждения дыхательной газовой смеси в средствах индивидуальной защиты органов дыхания, работающих на химически связанном кислороде, включающее вкладыш, установленный на пути движения дыхательной смеси, внутри которого помещен хладагент, отличающееся тем, что в качестве хладагента используют неорганические соли, способные образовывать кристаллогидраты, нанесенные на волокна. Известны варианты устройства для охлаждения дыхательной газовой смеси в средствах индивидуальной защиты органов дыхания отличающиеся тем что: в качестве неорганических солей используют соли кальция и магния, индивидуальные и смешанные соли трехвалентного железа, алюминия, редкоземельных элементов и др.; используют неорганические волокна из стекла, кварца, базальта, оксида алюминия и др.; вкладыш снабжен удерживающими сетками, размещенными с обеих сторон хладагента. Техническим результатом устройства для охлаждения дыхательной газовой смеси в средствах индивидуальной защиты органов дыхания является увлажнение дыхательной газовой смеси и повышение эффективности охлаждения ее.

Недостатком устройства для охлаждения дыхательной газовой смеси в средствах индивидуальной защиты органов дыхания является низкая эффективность его использования, вызванная отсутствием конструктивных элементов, программного обеспечение, интерфейсов, режимов и т.п. специально предназначенных для осуществления тренировок персонала (с использованием интерфейса виртуальной реальности, учебных режимов, имитаторов физической нагрузки и т.п.) по корректному применению вышеуказанного устройства (или комплекса в состав которого будет входить вышеуказанное устройство) в условиях аварийных ситуаций.

По патенту CN 109448488 B, МПК G09B 9/00, опубликованному 16.10.2020г. известны способ и система для виртуального моделирования и обучения аварийному выходу из шахты при возникновении пожара по внешней причине. Способ виртуального моделирования и обучения аварийному выходу из шахты при возникновении пожара по внешней причине включает в себя: определение набора основных параметров, однозначно характеризующих зону возможного возгорания по внешней причине, проведение численного моделирования типичного для данной шахты пожара с оценкой зоны воздействия огня, проведение численного моделирования для наиболее вероятных вариантов пожара с различными скоростью выделения тепла и концентрациями монооксида углерода (угарного газа, CO), моделирование процесса теплопереноса и переноса монооксида углерода в шахте, оценка зоны воздействия пожара с использованием правила распределения температуры и концентрации монооксида углерода, построение виртуальной модели, учитывающей проложенные в шахте тоннели и расположенное в ней оборудование, причем виртуальная модель строится в соответствии с определенным набором основных параметров горючей зоны шахты, построение базовой сцены виртуальной реальности шахты с пожаром, вызванным внешними факторами, инициализация характеристик пожара, которые будут визуализированы с помощью технологии виртуальной реальности с использованием редактора виртуальной реальности, инициализация характеристик, по которым оценивается выживаемость и скорость эвакуации рабочих, учет возможности выполнения виртуального аварийного бурения, учет среднего уровня подготовленности персонала к оперативной эвакуации, оценка эффективности воздействия виртуального аварийного бурения и оценка текущего уровня обученности персонала процедуре эвакуации при пожаре, вызванном внешней причиной. Известны варианты способа виртуального моделирования и обучения аварийному выходу из шахты при возникновении пожара по внешней причине в которых: набор основных параметров, однозначно характеризующих зону возможного возгорания включает в себя геометрическую модель шахты; под расположенным в шахте оборудованием подразумеваются угледобывающие машины, скребковый конвейер, проходческие комбайны, емкости со сжатым воздухом, лента-транспортер, гусеничные машины, датчики концентрации монооксида углерода, аварийная система вещания, пневматическая самоспасательная станция, камера-убежище и воздуховод (воздухозаборная магистраль); дополнительно учитываются все опоры шахты и расположенного в ней оборудования, а также выработанный к моменту начала эвакуации уголь; для каждого подлежащего эвакуации рабочего учитывается время выживаемости с учетом концентрации монооксида углерода в воздухе; уровень обучения оценивается с использованием баллов соответствия, причем как для каждого отдельного рабочего, так и для всей смены; строится совокупность графиков эвакуации персонала, оценивается был ли выбран оптимальный маршрут для эвакуации; оценивается выживаемость при эвакуации по каждому из маршрутов; виртуальная модель учитывает расположение пневматической самоспасательной станции, размер и место расположения камеры-убежища; результаты всех численных экспериментов сохраняются в базу данных для вычисления оптимального расположения пневматической самоспасательной станции, размера и места расположения камеры-убежища; строятся и визуализуются высокоточные пространственные распределения теплового поля во всех туннелях шахты через 5 мин, 10 мин, 20 мин, 40 минут, 1 час, 1,5 часа и 2 часа после возгорания; на основании концентрации моноксида углерода вычисляются и визуализируются мертвая зона, зона высокого риска, зона среднего риска, зона низкого риска и зону минимального ущерба здоровью; при вычислении вышеуказанных зон используются предустановленные справочные или введенные вручную пользователем параметры; мертвой зоной считается область пространства с температурой выше 120°C или мольной концентрацией монооксида углерода выше 10000 миллионных долей в которой человек умирает в течение 3 минут, а видимость не более 1 м ограничивает скорость эвакуации 0.5 м/с. Система для виртуального моделирования и обучения аварийному выходу из шахты при возникновении пожара по внешней причине, отличается тем, что имеет модульную структуру, работает в строгом соответствии с одноименным вышеописанным способом и включает в себя, модуль базы данных основных параметров моделируемого объекта (шахты по добыче угля), модуль численного моделирования возгораний по внешней причине, модуль построения базовой сцены виртуальной реальности объемного пожара в шахте, модуль обучения аварийному бурению, модуль обучения эвакуации, модуль оценки эффекта, модуль оптимизации улучшений. Известны варианты системы для виртуального моделирования и обучения аварийному выходу из шахты при возникновении пожара по внешней причине, в которых: модуль базы данных основных параметров моделируемого объекта (шахты по добыче угля) содержит в своем составе подмодуль схемы тоннелей и ключевых элементов оборудования, подмодуль параметров датчика концентрации монооксида углерода, подмодуль параметров символов для упрощения ориентации в пространстве (указатели направлений, символьные обозначения туннелей и т.п.) и аварийных сигналов (звуковых, визуальных и т.п.), подмодуль параметров пневматической станции самоспасения и подмодуль параметров камеры-убежища; подмодуль параметров датчика концентрации монооксида углерода содержит сведения о размере, местоположении и режимах работы датчика противопожарного мониторинга шахты; противопожарная сигнализации срабатывает после того как мольная концентрация монооксида углерода в воздухе превышает 24 миллионных доли; подмодуль параметров аварийного вещания используется для определения размера, места установки и рабочего состояния системы аварийного вещания шахтной выработки; подмодуль параметров пневматической самоспасательной станции содержит информацию о ее габаритах и месте расположения; подмодуль параметров камеры-убежища содержит информацию о ее габаритах и месте расположения. Техническим результатом способа и системы для виртуального моделирования и обучения аварийному выходу из шахты при возникновении пожара по внешней причине является повышение уровня противопожарной подготовки спасателей и способности горняков к оперативной эвакуации из аварийной зоны, и как следствие из этого снижение потенциального количества жертв при потенциальной аварии.

Недостатком способа и системы для виртуального моделирования и обучения аварийному выходу из шахты при возникновении пожара по внешней причине является низкая эффективность его использования, вызванная отсутствием конструктивных элементов, программного обеспечение, интерфейсов, режимов и т.п., позволяющих имитировать условия дыхания (температуру вдыхаемого воздуха, его влажность, сопротивление каждому вдоху и выдоху, и т.п.).

Ближайшим аналогом (прототипом) разработанного тренажера самоспасателя для горнодобывающей промышленности является универсальный тренажер, моделирующий работу человека в изолирующих дыхательных аппаратах (патент RU 2597574 C2, МПК A62B 27/00, опубликованный 10.09.2016г.) и состоящий из лицевой части, картриджа, дыхательного мешка, отличающийся тем, что для моделирования условий дыхания используются нагревательный элемент, размещенный в гофрированной трубке или в картридже с клапанами, и управляющие элементы, регулирующие сопротивление дыханию и распределение газовых потоков из атмосферы и дыхательного мешка, а также система управления, регулирующая поддержание параметров дыхания согласно установленным зависимостям. Известны варианты универсального тренажера, моделирующего работу человека в изолирующих дыхательных аппаратах в которых он (тренажер) дополнительно содержит подсистему оценки состояния обучаемого и формируемых им пневмотахограмм для регистрации и физиологического состояния пользователя, датчики артериального давления, частоты пульса, температуры, закрепляемые на обучаемом, и параметров дыхания, датчик регистрации пневмотахограмм, газоанализатор, обеспечивающий анализ состава дыхательной смеси, процессор, обрабатывающий полученные данные; в его (тренажера) состав дополнительно входит подсистема расчета физических нагрузок и визуального представления пространства, состоящая из процессора, обеспечивающего вычисление сцен пространства, панорамного экрана или очков виртуальной реальности для реалистичного отображения рассчитанных сцен, аудиосистема, устройства взаимодействия с пользователем (мышь, джойстик, беговая дорожка), предназначенная для представления основных процессов, протекающих в изолирующих дыхательных аппаратах при их эксплуатации, и оценки действий визуальной демонстрации производственного пространства с возможностью моделирования аварийных ситуаций, взрывов и пожаров, обучаемого. Техническим результатом использования универсального тренажера, моделирующего работу человека в изолирующих дыхательных аппаратах является повышение уровня и качества обучения, сокращение времени освоения изолирующим дыхательным аппаратом, повышение эффективности самого обучения и эффективности применения его результатов на практике, обеспечивающих повышение безопасности эксплуатации изолирующих дыхательных аппаратов. За счет того, что в универсальном тренажере не используются расходные химические материалы, нет необходимости замены картриджа после каждой тренировки и соблюдения строгих правил по их хранению и утилизации.

Недостатком универсального тренажера, моделирующего работу человека в изолирующих дыхательных аппаратах является ограниченная эффективность его использования, вызванная высокими временными затратами на приведение тренажера в исходное состояние после каждого использования (конструкция тренажера предусматривает наличие нагревательного элемента для моделирования условий дыхания, но не предусматривает наличие элементов охлаждения для возвращения к начальной температуре, не предусмотрена возможность быстрой замены, либо автоматической стерилизации загубников и т.п.).

Технической задачей тренажера самоспасателя для горнодобывающей промышленности является повышение эффективности его использование, посредством использования смонтированной на газовом смесителе матрицы элементов Пельтье (для оперативного возвращения температуры дыхательной смеси к начальной температуре), воздушного насоса и дополнительного внутреннего воздухозаборника (для удаления конденсата, который оседает на охлаждаемой стороне матрицы элементов Пельтье), а также быстроразборного крепления и сменных загубников.

Поставленная техническая задача достигается тем, что тренажер самоспасателя для горнодобывающей промышленности, как и устройство, которое является ближайшим аналогом включает в себя изолирующий дыхательный аппарат, подсистему оценки состояния обучаемого, а также подсистему расчета физических нагрузок и визуального представления пространства, причем изолирующий дыхательный аппарат состоит из лицевой части, картриджа, дыхательного мешка, гофрированной трубки, нагревательного элемента, модуля управления, модуль управления сконфигурирован таким образом, чтобы регулировать сопротивление дыханию и распределение газовых потоков из атмосферы и дыхательного мешка, а также регулировать и поддерживать параметры дыхания согласно установленным зависимостям, подсистема оценки состояния обучаемого состоит из датчиков артериального давления, частоты пульса, температуры, регистрации пневмотахограмм и первого процессора, причем первый процессор сконфигурирован на обработку зарегистрированных датчиками подсистемы оценки состояния обучаемого данных о физиологическом состоянии пользователя, подсистема расчета физических нагрузок и визуального представления пространства состоит из модуля взаимодействия с пользователем, модуля визуализации, звукового модуля и второго процессора, причем модуль взаимодействия с пользователем включает в себя беговую дорожку, мышь и джойстик, модуль визуализации включает в себя панорамный экран и очки виртуальной реальности, второй процессор сконфигурирован таким образом, чтобы формировать виртуальную реальность и поддерживать ее нормальное функционирование, используя звуковой модуль для ввода и вывода аудиосигналов, а также модуль визуализации для реалистичного отображения рассчитанных сцен с возможностью моделирования аварийных ситуаций, взрывов и пожаров, представления основных процессов, протекающих в изолирующих дыхательных аппаратах при их эксплуатации, и оценки действий обучаемого,

Новым в разработанном тренажере самоспасателя для горнодобывающей промышленности является то, что картридж изолирующего дыхательного аппарата выполнен полым и содержит в своем составе жестко закрепленный цельнометаллический газовый смеситель с одним входным электромагнитным клапаном и двумя выходными электромагнитными клапанами, входной электромагнитный клапан соединен с внутренним концом гофрированной трубки для обеспечения потоков вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, причем внешний конец гофрированной трубки расположен в лицевой части изолирующего дыхательного аппарата и снабжен загубником, соединение между загубником и гофрированной трубкой является герметичным, но быстроразборным, а внутри гофрированной трубки расположен первый датчик качества воздуха, первый выходной электромагнитный клапан соединен с помощью гибкого герметичного воздушного шланга с дыхательным мешком, причем дыхательный мешок снабжен предохранительным клапаном сброса избыточного давления, второй выходной электромагнитный клапан посредством гибкого герметичного воздушного шланга и первого входа пневматического тройника соединен с жестко закрепленным внутри полого картриджа двухсторонним электрическим воздушным насосом, который посредством гибкого герметичного воздушного шланга соединен с выступающим из лицевой части изолирующего дыхательного аппарата патрубком для всасывания атмосферного воздуха и удаления части отработанного воздуха, второй вход пневматического тройника посредством гибкого герметичного воздушного шланга соединен с внутренним воздухозаборником, причем внутренний воздухозаборник содержит электромагнитный клапан, а также второй датчик качества воздуха, и сконфигурирован таким образом, чтобы обеспечивать замену воздуха внутри полого картриджа, матрица элементов Пельтье смонтирована внутри полого картриджа на внешней поверхности цельнометаллического газового смесителя, причем теплопроводящая паста заполняет пространство между внешней поверхностью газового смесителя и матрицей элементов Пельтье, модуль управления изолирующего дыхательного аппарата соединен с матрицей элементов Пельтье посредством коммутатора электрических сигналов, причем для перехода из режима охлаждающего элемента в режим нагревательного элемента предусмотрена возможность реверсирования полярности матрицы элементов Пельтье, все электромагнитные клапаны газового смесителя и воздухозаборника, воздушный насос, первый и второй датчики качества воздуха также электрически соединены с модулем управления, модуль взаимодействия с пользователем подсистемы расчета физических нагрузок и визуального представления пространства содержит трекер виртуальной реальности для интерактивной смены отображаемых сцен.

Рассмотрим причинно-следственную связь поставленной технической задачи и конструктивных особенностей тренажера самоспасателя для горнодобывающей промышленности, обеспечивающих ее достижение. Одной из важнейших проблем, возникающих при использовании реальных самоспасателей является высокое тепловыделение при протекании совокупности реакций по высвобождению химически связанного кислорода и утилизации избыточной влаги. Ситуации когда температура дыхательной смеси в относительно короткий промежуток времени поднимается с условных начальных 25-30°С до 55-60°С являются абсолютно нормальными для большинства изолирующих дыхательных аппаратов. Такое положение дел усложняет проведение эвакуационных мероприятий в условиях реальных чрезвычайных ситуаций в горнодобывающей промышленности, и повышается потребность в тщательной отработке связанных с этим практических навыков у персонала шахт. Поскольку тренажер самоспасателя должен максимально точно повторять не только внешний вид, но и основные эксплуатационные характеристики оригинала, проблема высокого тепловыделения актуальная и для тренажеров самоспасателей. Но применительно к тренажерам самоспасателей она ограничивает эффективность тренировок персонала (с тренажерами в условиях реальных чрезвычайных ситуаций не эвакуируются). После каждой тренировки приходится тратить значительное количество времени на приведение тренажера самоспасателя в исходное состояние. В связи с этим разработанный тренажер самоспасателя для горнодобывающей промышленности содержит конструктивные элементы для: I) организации как нагрева, так и охлаждения дыхательной смеси; II) быстрой замены воздуха в основных элементах пневматической схемы (в том числе с добавление дезинфицирующих средств) и удаления конденсата; III) оперативной замены загубников.

Касательно использования матрицы элементов Пельтье в тренажере самоспасателя для горнодобывающей промышленности (в соответствии с формулой изобретения) отдельно уточним. Компактные термоэлектрические преобразователи (матрицы из множества элементов или ячеек Пельтье) мощностью от нескольких десятков до нескольких сотен Ватт в последнее время стали коммерчески доступны и относительно дешевы. К тому же, охлаждение одной стороны матрицы элементов Пельтье осуществляется за счет переноса тепла на другую сторону. Причем реверсирование полярности питающего напряжения (для этого формулой изобретения предусмотрен коммутатор электрических сигналов) приводит к тому, что матрица элементов Пельтье работает в обратном порядке, т.е. стороны охлаждения и нагрева меняются местами. Таким образом, один и тот же конструктивный элементом можно использовать и для нагрева и для охлаждения дыхательной смеси. Для организации более эффективного теплообмена газовый смеситель сделан цельнометаллическим, а пространство между внешней поверхностью газового смесителя и матрицей элементов Пельтье заполнено теплопроводящей пастой. Отведение тепла из изолирующего дыхательного аппарата организовано с помощью двухстороннего электрического воздушного насоса, который обеспечивать замену воздуха, как внутри полого картриджа, так и внутри цельнометаллического газового смесителя. Использование двух контуров воздушного охлаждения и двухстороннего насоса (режимы как откачивания, так и закачивания воздуха) обусловлено дополнительной потребностью в удалении конденсата с охлаждаемой стороне матрицы элементов Пельтье (она меняется при реверсировании полярности питающего напряжения) и создании принципиальной возможности для дезинфекции основных внутренних поверхностей изолирующего дыхательного аппарата с целью снижения риска распространения инфекций, передающихся контактным и воздушно-капельным путем. По этой же причине предусмотрена возможность оперативной замена загубников (быстроразборное соединение с гофрированной трубкой). В конкретных реализациях они могут быть одноразовыми или многоразовыми, но дезинфицируемыми.

Отдельно уточним что, тренажер самоспасателя для горнодобывающей промышленности в соответствии с формулой изобретения и устройство, взятое за прототип разработаны в рамках одной научной школы «Теория и методы автоматизированного проектирования и управления химическими и машиностроительными производствами» (НШ 02.2012.08 ТГТУ).

Также следует отметить, что предложенные модификации тренажера самоспасателя для горнодобывающей промышленности в целом справедливы и для имитируемых устройств, т.е. самоспасателей. Лабораторные эксперименты показали, проблема высокого тепловыделения в самоспасателях эффективно компенсируется комбинацией матрицы на основе элементов Пельтье (в этом случае реверсирование полярности питающего напряжения уже не нужно) и электрического насоса для охлаждения нагревающейся стороны.

В конкретной реализации тренажера самоспасателя для горнодобывающей промышленности газовый смеситель был изготовлен из латуни. Для коммутирования воздушных потоков использованы общелабораторные (химически стойкие) прозрачные гибкие микротрубки и миниатюрные электромагнитные клапаны фирмы «Emerson» (США), сходные с теми, что используют в аппаратах для искусственной вентиляции легких с наркозными приставками. Матрица элементов Пельтье была собрана на основе 6-и модулей «TEC1-12703» (по 36 Вт каждый). Их основные характеристики: напряжение 12 В, ток 3 А, габариты 30x30x3.5. Вместо теплопроводящей пасты использован силиконовый теплопроводящий диэлектрический заливной компаунд. В качестве модуля управления использован микрокомпьютер «Raspberry Pi 4 Model B». Вместо двухстороннего электрического воздушного насоса использован универсальный миниатюрный реверсивный поршневой насос для ирригаторов. Дыхательный мешок, загубники, гофрированная трубка, воздухозаборник, патрубок и т.п. были изготовлены из медицинской силиконовой резиновой смеси.

Оценка эффективности предложенного технического решения выполнена посредством анализа результатов серии лабораторных экспериментов. При этом в качестве критерия оценки эффективности использования разработанного тренажера самоспасателя для горнодобывающей промышленности использовался уровень практических навыков, полученных целевой аудиторией. В частности, две группы добровольцев по 15 человек в каждой группе в течение 2-х недель (6 дней в неделю по 6 часов) посменно тренировались с использованием разработанного тренажера самоспасателя для горнодобывающей промышленности и его прототипа. Каждая смена состояла из 5-х человек. Смысловая нагрузка тренировок и уровень их интенсивности были одинаковыми для каждой подгруппы и каждой группы. По истечении срока тренировок (2-х недель) были оценены полученные компетенции и выяснилось, что эффективность использования разработанного тренажера самоспасателя для горнодобывающей промышленности по меньшей мере на 23% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о достижении поставленной технической задачи.

Детальный анализ причин столь высокой эффективности предложенного технического решения показал, что в случае использования прототипа, смена из 5-и человек не укладывалась в 6-и часовую тренировку. Формально на каждого обучающегося нужно около 1 часа, т.е. нужно 5 часов на смену (при наличии 6-и), но реально свободного часа не хватало на по меньшей мере четырехкратное приведение тренажера в исходное состояние. Усредненные временные затраты на приведение разработанного тренажера самоспасателя для горнодобывающей промышленности в исходное состояние после использования в исходное состояние в среднем составило 11 минут, для прототипа это же параметр составил в среднем 19 минут.

Изобретение относится к области учебных моделей или тренажеров, в частности к имитаторам дыхательных аппаратов для спасения жизни, а также к тренировочным устройствам, специально предназначенным для улучшения функции дыхания. Тренажер самоспасателя для горнодобывающей промышленности включает в себя изолирующий дыхательный аппарат, подсистему оценки состояния обучаемого, подсистему расчета физических нагрузок и визуального представления пространства. Изолирующий дыхательный аппарат состоит из лицевой части, картриджа, дыхательного мешка, гофрированной трубки, нагревательного элемента, модуля управления. Модуль управления регулирует сопротивление дыханию и распределение газовых потоков из атмосферы и дыхательного мешка и поддерживает параметры дыхания. Подсистема оценки состояния обучаемого состоит из датчиков артериального давления, частоты пульса, температуры, регистрации пневмотахограмм и первого процессора. Первый процессор сконфигурирован на обработку зарегистрированных датчиками подсистемы оценки состояния обучаемого данных о физиологическом состоянии пользователя. Подсистема расчета физических нагрузок и визуального представления пространства состоит из модуля взаимодействия с пользователем, модуля визуализации, звукового модуля и второго процессора. Модуль взаимодействия с пользователем включает в себя беговую дорожку, мышь и джойстик. Модуль визуализации включает в себя панорамный экран и очки виртуальной реальности. Второй процессор формирует виртуальную реальность и поддерживает ее нормальное функционирование, используя звуковой модуль для ввода и вывода аудиосигналов. Для реалистичного отображения рассчитанных сцен с возможностью моделирования аварийных ситуаций, взрывов и пожаров, представления основных процессов, протекающих в изолирующих дыхательных аппаратах при их эксплуатации, и оценки действий обучаемого использован модуль визуализации. Полый картридж изолирующего дыхательного аппарата содержит жестко закрепленный цельнометаллический газовый смеситель с одним входным электромагнитным клапаном и двумя выходными электромагнитными клапанами. Входной электромагнитный клапан соединен с внутренним концом гофрированной трубки для обеспечения потоков вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Внешний конец гофрированной трубки расположен в лицевой части изолирующего дыхательного аппарата и снабжен загубником. Соединение между загубником и гофрированной трубкой является герметичным, но быстроразборным. Внутри гофрированной трубки расположен первый датчик качества воздуха. Первый выходной электромагнитный клапан соединен с помощью гибкого герметичного воздушного шланга с дыхательным мешком. Дыхательный мешок снабжен предохранительным клапаном сброса избыточного давления. Второй выходной электромагнитный клапан посредством гибкого герметичного воздушного шланга и первого входа пневматического тройника соединен с жестко закрепленным внутри полого картриджа двухсторонним электрическим воздушным насосом, который посредством гибкого герметичного воздушного шланга соединен с выступающим из лицевой части изолирующего дыхательного аппарата патрубком для всасывания атмосферного воздуха и удаления части отработанного воздуха. Второй вход пневматического тройника посредством гибкого герметичного воздушного шланга соединен с внутренним воздухозаборником. Внутренний воздухозаборник содержит электромагнитный клапан, а также второй датчик качества воздуха и обеспечивает замену воздуха внутри полого картриджа. Матрица элементов Пельтье смонтирована внутри полого картриджа на внешней поверхности цельнометаллического газового смесителя. Теплопроводящая паста заполняет пространство между внешней поверхностью газового смесителя и матрицей элементов Пельтье. Модуль управления изолирующего дыхательного аппарата соединен с матрицей элементов Пельтье посредством коммутатора электрических сигналов. Для перехода из режима охлаждающего элемента в режим нагревательного элемента предусмотрена возможность реверсирования полярности матрицы элементов Пельтье. Все электромагнитные клапаны газового смесителя и воздухозаборника, воздушный насос, первый и второй датчики качества воздуха электрически соединены с модулем управления. Модуль взаимодействия с пользователем подсистемы расчета физических нагрузок и визуального представления пространства содержит трекер виртуальной реальности для интерактивной смены отображаемых сцен. Обеспечивается повышение эффективности использования за счет сокращения времени на приведение тренажера самоспасателя в исходное состояние.

Тренажер самоспасателя для горнодобывающей промышленности, включающий в себя изолирующий дыхательный аппарат, подсистему оценки состояния обучаемого, а также подсистему расчета физических нагрузок и визуального представления пространства, причем изолирующий дыхательный аппарат состоит из лицевой части, картриджа, дыхательного мешка, гофрированной трубки, нагревательного элемента, модуля управления, модуль управления сконфигурирован таким образом, чтобы регулировать сопротивление дыханию и распределение газовых потоков из атмосферы и дыхательного мешка, а также регулировать и поддерживать параметры дыхания согласно установленным зависимостям, подсистема оценки состояния обучаемого состоит из датчиков артериального давления, частоты пульса, температуры, регистрации пневмотахограмм и первого процессора, причем первый процессор сконфигурирован на обработку зарегистрированных датчиками подсистемы оценки состояния обучаемого данных о физиологическом состоянии пользователя, подсистема расчета физических нагрузок и визуального представления пространства состоит из модуля взаимодействия с пользователем, модуля визуализации, звукового модуля и второго процессора, причем модуль взаимодействия с пользователем включает в себя беговую дорожку, мышь и джойстик, модуль визуализации включает в себя панорамный экран и очки виртуальной реальности, второй процессор сконфигурирован таким образом, чтобы формировать виртуальную реальность и поддерживать ее нормальное функционирование, используя звуковой модуль для ввода и вывода аудиосигналов, а также модуль визуализации для реалистичного отображения рассчитанных сцен с возможностью моделирования аварийных ситуаций, взрывов и пожаров, представления основных процессов, протекающих в изолирующих дыхательных аппаратах при их эксплуатации, и оценки действий обучаемого, отличающийся тем, что картридж изолирующего дыхательного аппарата выполнен полым и содержит в своем составе жестко закрепленный цельнометаллический газовый смеситель с одним входным электромагнитным клапаном и двумя выходными электромагнитными клапанами, входной электромагнитный клапан соединен с внутренним концом гофрированной трубки для обеспечения потоков вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, причем внешний конец гофрированной трубки расположен в лицевой части изолирующего дыхательного аппарата и снабжен загубником, соединение между загубником и гофрированной трубкой является герметичным, но быстроразборным, а внутри гофрированной трубки расположен первый датчик качества воздуха, первый выходной электромагнитный клапан соединен с помощью гибкого герметичного воздушного шланга с дыхательным мешком, причем дыхательный мешок снабжен предохранительным клапаном сброса избыточного давления, второй выходной электромагнитный клапан посредством гибкого герметичного воздушного шланга и первого входа пневматического тройника соединен с жестко закрепленным внутри полого картриджа двухсторонним электрическим воздушным насосом, который посредством гибкого герметичного воздушного шланга соединен с выступающим из лицевой части изолирующего дыхательного аппарата патрубком для всасывания атмосферного воздуха и удаления части отработанного воздуха, второй вход пневматического тройника посредством гибкого герметичного воздушного шланга соединен с внутренним воздухозаборником, причем внутренний воздухозаборник содержит электромагнитный клапан, а также второй датчик качества воздуха и сконфигурирован таким образом, чтобы обеспечивать замену воздуха внутри полого картриджа, матрица элементов Пельтье смонтирована внутри полого картриджа на внешней поверхности цельнометаллического газового смесителя, причем теплопроводящая паста заполняет пространство между внешней поверхностью газового смесителя и матрицей элементов Пельтье, модуль управления изолирующего дыхательного аппарата соединен с матрицей элементов Пельтье посредством коммутатора электрических сигналов, причем для перехода из режима охлаждающего элемента в режим нагревательного элемента предусмотрена возможность реверсирования полярности матрицы элементов Пельтье, все электромагнитные клапаны газового смесителя и воздухозаборника, воздушный насос, первый и второй датчики качества воздуха также электрически соединены с модулем управления, модуль взаимодействия с пользователем подсистемы расчета физических нагрузок и визуального представления пространства содержит трекер виртуальной реальности для интерактивной смены отображаемых сцен.