МОДЕЛИРОВАНИЕ ВРЕМЕНИ ПОДГОТОВКИ ПРЫЖКОВОГО СПАСАТЕЛЬНОГО СРЕДСТВА

УДК 614.821.3

Мурзинов В. Л.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВРЕМЕНИ ПОДГОТОВКИ ПРЫЖКОВОГО СПАСАТЕЛЬНОГО СРЕДСТВА

В статье рассматривается спасательное устройство, представляющее собой пневматическую замкнутую полость, которое используется при возникновении пожара в зданиях и сооружениях, не оборудованных средствами эвакуации. Для подготовки спасательного средства к работе требуется минимальное количество человек из личного состава и немного времени для приведения его в рабочее состояние. Построена математическая модель времени наполнения внутренней полости спасательного средства воздухом.

Ключевые слова: пожар, прыжковые спасательные средства, пневматические спасательные маты, расход воздуха, математическое моделирование, время заполнения объёма.

Пожарная опасность в жизни людей является внезапным и труднопрогнозируемым явлением, поэтому защитные средства и мероприятия должны быть эффективными и быстро приводимыми в готовность. Наиболее опасны пожары в зданиях и сооружениях с трудно преодолеваемыми подъездными путями, не всегда оборудованными средствами эвакуации с верхних этажей. В настоящее время существуют различные средства спасения, среди которых востребованными считаются прыжковые спасательные средства, различающиеся по эффективности и удобству применения [1].

На сегодняшний день набор этих средств небольшой. Например, пожарными и службами спасения применяется натяжное спасательное полотно, которое удерживается личным составом в количестве 16 человек. Надёжность спасения этим средством мала, так как площадь натянутого полотна не может быть большой и располагается на небольшой высоте от земли. Также нужно учитывать, что путь торможения падающего тела человека очень мал. Применяться могут и архитектурно-планировочные решения [2, 3, 4]: установка дополнительных вышек около зданий [5, 6], применение канатно-спусковых, рукавных устройств, лестниц и т. д. Возможно использование пневматических спасательных матов двух типов (бескаркасные и с надувным каркасом), относящихся к прыжковым спасательным средствам [7, 8]. Все эти средства имеют высокий риск получения травмы или требуют дополнительных материально-технических затрат.

Принцип работы прыжкового спасательного средства. Одним из эффективных прыжковых спасательных средств, относящихся к разряду пневматических спасательных бескаркасных матов, является патентованное устройство для спасения падающих с высоты тел [9]. Схематично это устройство показано на рисунке 1.

Достоинство этого прыжкового спасательного средства обусловлено автономностью его работы при согласованных действиях спасательной бригады. Спасательное устройство может быть приведено в рабочее состояние неограниченное количество раз достаточно быстро (десятки секунд) с минимальным количеством человек из личного состава. Наполнение воздухом внутренней полости устройства происходит без использования газо-дувок или других нагнетательных машин, а только за счёт усилий личного состава спасательной бригады. При длительном хранении спасательное устройство до момента его использования сохраняет свою работоспособность и при хранении не нуждается в необходимости проведения дополнительной проверки работоспособности.

Устройство спасения падающих с высоты людей содержит замкнутую полость 5, выполненную из прочного гибкого эластичного материала и имеющую форму призмы. В боковой стенке замкнутой полости 5 выполнен клапан 6 с возможностью пропускания воздуха только вовнутрь. Внутри этой полости установлены поворотные подпружиненные штанги 4, соединённые через шарнир 3 с опорными штангами 2. К свободному концу поворотной подпружиненной штанги 4 прикреплён

тяговый фал 1 (трос, служащий для подъёма), свободный конец которого выведен наружу [9].

Принцип работы устройства. По прибытии подразделения МЧС к месту чрезвычайной ситуации для спасания людей, находящихся на высоте, личный состав подразделения разворачивает устройство. На каждую опорную штангу 2 становится один пожарный-спасатель, берёт в руки тяговый фал 1 и с усилием натягивает его. Замкнутая внутренняя полость устройства начнёт увеличиваться, и за счёт образующегося в ней разрежения через клапан 6 начнёт поступать воздух из окружающей атмосферы. Натяжение фалов 1 продолжается до полного наполнения воздухом внутренней полости. После этого фалы 1 освобождают от натяжения, и поворотные подпружиненные штанги 4 за счёт упругого соединения с шарниром 3 и под действием собственного веса перейдут в исходное положение. Устройство готово к использованию для спасения падающих с высоты людей.

Математическая модель времени наполнения воздухом внутренней полости спасательного средства. Одним из важных показателей эффективности работы спасательного устройства является время его развёртывания, включающее доставку спасательного средства, подготовительные операции и, собственно, наполнение внутренней полости спасательного средства воздухом. Время первых двух этапов для всех типов спасательных средств практически одинаковое. Для определения времени заполнения воздухом внутренней полости спасательного средства необходимо рассмотреть расчётную схему (рис. 2).

Используя методику расчёта времени наполнения воздухом внутренней полости устройства спасения, показанную в работе [10], можно определить время установки устройства спасения падающих с высоты людей.

Изменение объёма внутренней полости спасательного средства под действием натяжения фалов и создания перепада давлений может быть записано таким образом:

с/т

где Q - действительный, мгновенный расход воздуха в процессе заполнения, м3/с; V - объём внутренней полости, м3; т - время, с.

Условие равновесия клапана 6 (см. рис. 1 и 2) опирается на следующие величины, входящие в соотношения, показанные ниже:

- условие равновесия клапана при действии силы тяжести и перепада давлений: APd2 = G sin cp;

- проходное сечение для подачи воздуха: x = d sin cp;

- скорость поступающего воздуха во внут-

2АР

реннюю полость спасательного устройства: w -

Расход воздуха, поступающего во внутреннюю полость через клапан 6, определяется из соотношения

d4 Í2 ^ Q = xdw =—J-AP2,

— 1 2 3

Рисунок 2. Расчётная схема для определения расходных характеристик: 1 - линия обрыва, ограничивающая часть внутренней полости спасательного средства; 2 - внутренняя полость спасательного средства; 3 - боковая стенка замкнутой полости, в которой установлен клапан; Рд - давление окружающего воздуха; Рв - давление во внутренней полости спасательного средства; Ф - угол поворота клапана; м - скорость поступающего воздуха во внутреннюю полость устройства; d - размер клапана для подачи воздуха в полость; в - вес клапана; х - величина проходного сечения для подачи воздуха

где р - плотность воздуха, кг/м3; d - характерный размер клапана для подачи воздуха в полость, м; АР = Ра - Рв - перепад давлений, обеспечивающий движение воздуха во внутреннюю полость устройства спасения, Па, где Ра - давление окружающего воздуха, Па; Рв - давление во внутренней полости спасательного средства, Па; ф - угол поворота клапана; б - вес клапана, Н.

Перепад давлений АР создаётся силой натяжения фалов и может быть определён на основе расчётной схемы (рис. 3) и вывода необходимого соотношения, представленного в работе [10].

Перепад давлений, создающий поток воздуха во внутреннюю полость спасательного средства, существенно зависит от угла р поворота штанги и силы Р1 натяжения фалов:

р

Lsinp + Acosp H-/jsinp + ¿cosp

поэтому величина расхода воздуха через клапан во внутреннюю полость спасательного средства

г/4 (2

I ¿этр + Лсоэр IБ0 \ Я-Лзтр + 1со8Р

Решением уравнения (1) будет следующее математическое равенство:

сN

С?

= +С,

где С = 0 при V = 0 и т = 0, тогда время наполнения воздухом т0 внутренней полости устройства спасения можно представить в виде

'0

ф/

ют)

где ^ = АВ, S2 = S1k2, k = 1 - ^еоэ р, £ =

Я = H б1п р.

Тогда соотношение (5) можно записать с учётом формул (2) и (4) при следующей замене пределов интегрирования:

У = 0->р = 0

У=У^Р=2

Рисунок 3. Внешние геометрические характеристики спасательного устройства: А - ширина устройства; В - глубина устройства; Н - высота устройства; F1 - сила натяжения фалов; С - размер клапана для подачи воздуха в полость устройства; а - расстояние между серединами ребер спасательного средства; Ь - расстояние между серединой ребра и вершиной спасательного средства; с - расстояние между серединой ребра и вершиной спасательного средства

будет функцией угла поворота р силы Тогда уравнение (2) с учётом соотношения (3) примет следующий вид:

при этом необходимо учесть следующее:

или

Следовательно, соотношение (5) примет вид

о

или с учётом формулы (6) связь между силой натяжения и временем наполнения внутренней полости спасательного средства может быть представлена соотношением (5) в развёрнутом виде:

=созр+ 1

2 Н

. соэр

ЛВНвтр

с/р.

¿этр + Лсоэр Н-Л8тр+1совр I

Для определения связи между объёмом спасательного средства и углом р поворота штанги необходимо рассмотреть изменяющийся объём спасательного средства как усеченную пирамиду с прямоугольным основанием. Объём усечённой пирамиды определяется по формуле [10]:

К

2 Я

В подынтегральном выражении соотношения (7) в числителе записан комплекс, от которого необходимо взять производную по р. Если выполнить эту операцию, то выражение получается очень громоздким, поэтому для сокращения объёма записи этот интеграл представлен в компактном виде.

Анализ результатов моделирования. Соотношение (7) позволяет определить время наполнения воздухом внутренней полости устройства спасения падающих с высоты людей. Это соотношение связывает время наполнения и параметры спасательного устройства (геометрические размеры, вес клапана и усилия, развиваемые личным составом). Для проверки адекватности полученной математической модели были проведены натурные испытания с макетом спасательного устройства (рис. 4; геометрические характеристики макета А = 2,5 м; В = 2,5 м; Н = 1,5 м; ^ = 0,5 м), разработанного и изготовленного в объединённом Воронежском

F

4,5

4 -

3,5 -

3 -

2,5

100 150 200 250 Сила натяжения фалов, H

300

Рисунок 4. Макет спасательного средства на этапе подготовки к натурным испытаниям

Рисунок 5. Временная характеристика наполнения объёма пневматической камеры макета устройства спасения

2

Результаты натурных испытаний

Номер опыта 1 2 3 4 5

Усилие, развиваемое одним бойцом, Н 100 150 200 250 300

Время наполнения внутренней полости спасательного средства воздухом, с 3,8 2,7 2,6 2,2 2,3

Теоретическое время наполнения внутренней полости спасательного средства воздухом, с 3,7 3,0 2,6 2,4 2,2

Дополнительный приём Дг[л] - 50 63 79 99

государственном техническом университете (бывший архитектурно-строительный университет).

Четверо курсантов последовательно прикладывали к фалам усилия величиной 100 Н, 150 Н, 200 Н, 250 Н и 300 Н, при этом фиксировалось время наполнения внутренней полости макета спасательного средства. Результаты испытаний показаны в таблице. Кроме того, по соотноше-

нию (7) были вычислены теоретические значения времени наполнения внутренней полости спасательного средства (рис. 5). Математическая модель (7) демонстрирует удовлетворительные расчётные и экспериментальные данные при определении временного показателя процесса подготовки макета устройства спасения людей, падающих с высоты.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Патент 2301179. Российская Федерация, МПК7 В 64 Э 17/72, А62В 1/20, А62В 1/22. Устройство для спуска в высоты / Н. Н. Петухов; заявитель и патентообладатель Н. Н. Петухов. - заявл. 08.12.2005; опубл. 20.06.2007.

3. Патент 2306964. Российская Федерация, МПК7 А62В 1/00. Комплекс для спасения людей из зданий большой высотности / Майсов И. А.; заявитель и патентообладатель И. А. Майсов. - заявл. 27.02.2006; опубл. 27.09.2007.

4. Патент 2346715. Российская Федерация, МПК7 А62В 1/06. Спасательное устройство / В. А. Зубарев, О. И. Прокопов; заявитель и патентообладатель В. А. Зубарев. - заявл. 18.06.2007; опубл. 20.02.2009.

5. Мурзинов В. Л., Сушкова О. В. Пневматическое средство эвакуации людей из горящего здания // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2014. - № 2 (11). - С. 13-17.

6. Мурзинов В. Л., Сушкова О. В. Инновационные средства спасения падающих с высоты тел в условия техногенных опас-

ностей // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. -2013. - № 3 (8). - С. 9-13.

7. Патент 373006. Российская Федерация, МПК7 А 62 В 1/22. Устройство для спасения выпрыгивающих из горящих зданий / А. А. Воробьев; заявитель и патентообладатель А. А. Воробьев. -№ 1463434; заявл. 24.07.1970; опубл. 12.03.1973.

8. Патент 2193905. Российская Федерация, МПК7 А 62 В 1/22. Устройство для спасения людей с высоких объектов в экстремальных ситуациях / Г. И. Шайдурова и др.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение «Искра» - № 2001114795; заявл. 29.05.2001; опубл. 10.12.2002.

9. Патент 2335312. Российская Федерация, МПК7 А 62 В 1/22. Устройство для спасения падающих с высоты тел / В. Л. Мурзинов и др.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная лесотехническая академия. - № 2007104643; заявл. 06.02.2007; опубл. 10.10.2008.

10. Мурзинов В. Л. Моделирование временных характеристик устройства спасения падающих с высоты людей // Пожаро-взрывобезопасность. - 2013. - Т. 22. - № 9. - С. 44-48.

Материал поступил в редакцию 31 октября 2016 года.

Murzinov V.

MODELING TIME FOR GETTING INFLATABLE SPRING RESCUE MATTRESSES READY

ABSTRACT

Purpose. Fire hazard is a sudden phenomenon which is difficult to predict. The most dangerous fires are those occurring in buildings and structures which have formidable driveways. Such buildings and structures are not always equipped with means of evacuation from upper floors. Nowadays inflatable spring rescue mattresses which differ in efficiency and operability are considered to be popular.

Methods. The time for filling the inner space of inflatable spring rescue mattresses is determined by the method of mathematical modeling of the air flow.

Findings. A mathematical model has been constructed including a ratio between the filling time

and the parameters of the rescue means (geometrical size, valve weight and the efforts made by the staff).

Research application field. The results of this study can be used while designing inflatable spring rescue mattresses.

Conclusions. The obtained mathematical model allows determining possible time of its preparation for work at the stage of designing inflatable spring rescue means.

Key words: fire, inflatable spring rescue mattresses, pneumatic rescue mats, air consumption, mathematical modeling, mat filling time.

REFERENCES

1. Code of rules "Means of individual protection and rescue of people in case of fire. Norms and rules of placement and application". Moscow, EMERCOM of Russia Publ., 2009. 16 p.

2. Petukhov N.N. Device for descent in altitude. Patent for invention no. 2301179. (in Russ.).

3. Maisov I.A. System for rescuing people from buildings of great height. Patent for invention no. 2306964. (in Russ.).

4. Zubarev V.A., Prokopov O.I. Rescue device. Patent for invention no. 2346715. (in Russ.).

5. Murzinov V.L., Sushkova O.V. Pneumatic tool evacuation of people from a burning building. Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChSRossii, 2014, no. 2 (11), pp. 13-17. (in Russ.).

6. Murzinov V.L., Sushkova O.V. Innovative survival equipment of bodies falling from height in conditions of technogenic dangers.

Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChS Rossii, 2013, no. 3 (8), pp. 9-13. (in Russ.).

7. Vorobiev A.A. A device for rescuing jumping out of burning buildings. Patent for invention no. 373006. (in Russ.).

8. Shaidurova G.I. Device for rescue of people from high objects in extreme situations. Patent for invention no. 2193905. (in Russ.).

9. Murzinov V.L. Device for saving falling from the height of bodies. Patent for invention no. 2335312. (in Russ.).

10. Murzinov V.L. Modelling of time characteristics of the device of rescue of people falling from height. Pozharovzryvobezopasnost', 2013, vol. 22, no. 9, pp. 44-48. (in Russ.).

Valery Murzinov I Doctor of Technical Sciences, Associate Professor

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia