Устройство для испытания площадок пожарных наружных лестниц
DEVICE FOR TESTING EXTERIOR FIRE ESCAPE STAIR FOOT

Изобретение относится к устройствам для испытания строительных конструкций, в частности к устройствам испытания лестниц, и может быть использовано при экспертизе площадок наружных пожарных лестниц.
Известно устройство для испытания площадок пожарных лестниц (Техника пожарная. Лестницы пожарные наружные стационарные. Ограждения крыш. Общие технические требования. Методы испытания. ГОСТ Р 53254-2009. - М.: Стандартинформ - 2009. - 14 с., рис. Д.4, приложение Д, с. 11.), содержащее систему тросов, устройство для создания сосредоточенного контрольного усилия, прибора для измерения величины контрольного усилия и траверсу для передачи контрольного усилия на площадку.
Недостатком этого устройства является то, что оно не создает на лестничной площадке пожарной наружной лестницы распределенной нагрузки.
2
В самом деле, если рассмотреть схему нагружения лестничной площадки (рис. Д.4, ГОСТ Р 53254-2009), то можно заметить, что сосредоточенная сила, приложенная со стороны нагружающего устройства с помощью системы тросов, преобразуется в систему из двух невертикальных сил - натяжения тросов, которые приложены к концам траверсы, которая располагается на внешней грани площадки. Поэтому траверса работает на изгиб и сжатие. И так как траверса не обладает бесконечной жесткостью, то, вследствие своей деформации, она не может распределить равномерно контрольное усилие по всей своей длине. Центральная часть внешней грани площадки остается недогруженной или не нагруженной совсем, в зависимости от жесткости траверсы. Таким образом, п. 6.2.12. ГОСТ Р 53254-2009, диктующий приложения к испытуемой лестничной пожарной площадке распределенной нагрузки не выполняется и поэтому снижается достоверность результатов испытания таких площадок. Кроме того, недостатком устройства, описанным в аналоге, является то, что испытанию не подвергается настил испытуемой площадки, который, согласно п. 4.12. ГОСТ Р 53254-2009, должен быть также нагружен контрольной распределенной нагрузкой. Это следует и из описания формулы (3) ГОСТ Р 53254-2009, в которой учитывается нагрузка, создаваемая одним человеком на нормативную площадь в 0,5 м.
Известно устройство для испытания строительных конструкций (Устройство для испытаний строительных конструкций. АС СССР 380977 G01M 5/00, опубл. 15.05.1973, бюл. № 21), принятое нами за прототип, содержащее станину, привод, нагрузочное приспособление с вертикальными толкателями, смонтированных в направляющих роликах, и снабженными огибающими роликами и системами тросов и траверс, обеспечивающих передачу контрольного усилия от системы его создания к подвижным самоустанавливающимся опорам толкателей, которые взаимодействуют с поверхностью испытуемой конструкции.
Недостатком этого устройства является сложность применения его для периодических испытаний при экспертизах уже установленных пожарных лестниц, их площадок, в силу громоздкости всего устройства, невозможности учесть все разнообразие условий, в которых они построены и эксплуатируются.
В самом деле, анализ устройства прототипа показывает, что оно представляет собой механизм с гибкими звеньями. (Куровский Ф.М. Теория плоских механизмов с гибкими звеньями. - М.: Машгиз. 1963. - 204 с.) Причем, согласно описанию устройства, приводом является контрольный груз, величина которого может регулироваться и измеряться. Конкретно, в описании изобретения указывается, что контрольное усилие создается путем наполнения висящего на тросах бака с водой. Очевидно, что системой контроля количества залитой воды контролируется усилие, приложенное к нагрузочному механизму. В нагрузочный механизм необходимо включить следующее.
1. Станину, которая по определению, является стойкой, поскольку при работе механизма остается неподвижной, установленной на двух винтовых опорах, связанных с фундаментом.
2. Толкатели, штанги которых образуют со станиной (стойкой) кинематические соединения, эквивалентные поступательным кинематическим парам, и которые включают блоки и подвижные самоустанавливающиеся опоры. С точки зрения теории механизмов, толкатели являются выходными звеньями нагрузочного механизма, а подвижные самоустанавливающиеся опоры рабочими органами этого механизма.
3. Систему входных гибких звеньев, которая обеспечивает передачу усилия от системы распределительных траверс, образуя кинематические пары огибания с блоками, к выходным звеньям - толкателем. Все гибкие звенья, входящие в нагрузочный механизм, разомкнуты, т.е. их концы не связаны между собой. И гибкие звенья, передающие усилие непосредственно от системы траверс на толкатели, одним концом закреплены на винтовых стяжках, связанных с фундаментом, а вторым концом к станине (стойке).
Систему распределительных траверс, которая вместе с двуплечим рычагом обеспечивает передачу усилия от контрольного груза к входным гибким звеньям, можно рассматривать как вспомогательный промежуточный механизм с гибкими звеньями.
Такое техническое решение приводит к тому, что станина (стойка) при работе нагрузочного механизма воспринимает на себя, согласно третьему закону Ньютона, всю нагрузку, которая прикладывается к испытуемой конструкции, со всеми вытекающими последствиями - прочностные характеристики ее должны удовлетворять этим нагрузкам. Учитывая, что строительные конструкции должны выдерживать очень большие нагрузки, габариты и масса станины (стойки) должны иметь соответствующие им (нагрузкам) значения. Кроме этого, устройство должно быть, согласно рисунку, снабжено массивным основанием, на котором можно было бы разместить опоры всей конструкции, и масса которых обеспечивала бы необходимый уровень ее устойчивости. Кроме того, исследуемое техническое решение при испытании площадок лестниц требует значительного свободного пространства рядом с испытуемым объектом. Таким образом, можно заметить, что применение таких массивных устройств для тестирования площадок пожарных лестниц при экспертизе приводит к необходимости использовать при перевозке и при установке достаточно тяжелую технику, что снижает мобильность устройства в целом. Кроме того, не всегда в наличии имеется свободное пространство вокруг лестницы, чтобы там можно было разместить опоры, на которые потом можно было бы производить монтаж стоек, что приводит к снижению удобства обслуживания устройства в целом.
Техническим результатом изобретения является повышение мобильности устройства и снижение его материалоемкости, а также повышение уровня удобства использования.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для испытания площадок пожарных наружных лестниц, содержащем контрольный груз, устройство для контроля величины усилия, создаваемого контрольным грузом, привод, систему распределительных траверс и нагрузочный механизм, включающий стойку и вертикальные толкатели, расположенные в одной плоскости, каждый из которых содержит блок, самоустанавливающуюся подвижную опору и штангу, которая образует со стойкой кинематические соединение, эквивалентное поступательной кинематической паре, и систему гибких звеньев, согласно изобретению стойка нагрузочного механизма, содержит одну неподвижную регулируемую опору, один ступенчатый блок и установлена на поверхности испытуемой площадки, блоки толкателей выполнены ступенчатыми, а гибкие промежуточные звенья двумя концами закреплены последовательно на блоках внутренних толкателей и блоке стойки и образуют с блоками кинематические пары огибания, входные гибкие звенья одними концами закреплены на блоках внешних толкателей и образуют с ними кинематические пары огибания, а вторыми концами скреплены с гибкими звеньями, соединенными с устройством создания контрольного усилия. Технический результат достигается также тем, что стойка и штанги толкателей выполняются в виде составных регулируемых конструкций; тем, что содержит составную регулируемую распределительную траверсу; тем, что траверса выполнена в виде составной пространственной стержневой регулируемой конструкции; тем, что включает несколько нагрузочных механизмов, установленных параллельно друг другу; тем, что блок стойки образует с промежуточным гибким звеном только кинематическую пару огибания.
Совокупность отличительных и ограничительных признаков предлагаемого технического решения позволяет достичь заявляемого технического результата.
Заявляемое техническое решение свободно от указанных недостатков прототипа. В самом деле, стойка в изобретении не является несущей частью конструкции, не работает при работе нагрузочного механизма на изгиб. Поэтому поперечные размеры и масса ее будут значительно меньшими по величине, по сравнению со станиной (стойкой) прототипа. Кроме того, при составной регулируемой конструкции стойки она может быть разобрана для перевозки. Стойка опирается непосредственно на поверхность испытуемой площадки, и потому нагружающему механизму не требуется дополнительные опоры, связанные с каким-либо основанием, что также весьма существенно облегчает всю конструкцию. Кроме того, контрольный груз может быть расположен под испытуемой площадкой, а составная регулируемая траверса позволяет преобразовать одно сосредоточенное усилие в две параллельных силы, расстояние между линиями действия которых будет соответствовать размерам площадки пожарной лестницы, приложенных к входным гибким звеньям нагрузочного механизма. Выполнение траверсы в виде составной регулируемой стержневой конструкции позволяет повысить ее жесткость и обеспечить ее разбираемость, что также обеспечивает повышение мобильности и удобства эксплуатации всего устройства. Это с одной стороны. С другой стороны, в предлагаемом техническом решении гибкие звенья и ступенчатые блоки толкателей позволяют распределить два усилия, приложенных к входным гибким звеньям со стороны траверсы, на единственную опору стойки и на подвижные самоустанавливающиеся опоры толкателей. Составная и регулируемая конструкция штанг толкателей и стойки позволяет подбирать расположение блоков толкателей и блока стойки по вертикали и по горизонтали. Изменяя расположения центров блоков толкателей и стойки, а также их радиусы и их число, можно получить распределенную нагрузку, прикладываемую к испытуемой площадке, с заданными наперед параметрами. Если расположение блоков выбрано так, что линия действия равнодействующей двух сил, приложенных к блоку стойки и силы тяжести самой стойки, проходила через плоскость подошвы ее опоры, то стойка в целом будет устойчива к опрокидыванию.
Так как опоры толкателей подвижные и самоустанавливающиеся, а штанги толкателей образуют со стойкой подвижные соединения, обеспечивающих возможность перемещения толкателей перпендикулярно площадке, то на стойку передаются только усилия, действующие со стороны гибких звеньев, параллельные площадке. А так как стойка представляет из себя твердое тело, то, при правильном подборе геометрии расположения шкивов стойки и толкателей, все горизонтальные силы, действующие на стойку, будут скомпенсированы ее внутренними силами, а сама стойка в целом будет находиться в равновесии.
Закрепление гибких звеньев на блоках и образование с ними кинематических пар огибания обеспечивает надежность сцепления их между собой, с одной стороны, а с другой, гарантирует постоянство преобразования и передачу силы натяжения с одного гибкого звена на другое. Образование гибкими звеньями кинематических пар огибания с блоками, на которых они закреплены, позволяет обеспечить постоянство геометрии нагрузочного механизма при деформации гибких звеньев. Под нагрузкой гибкие звенья будут деформироваться, и блоки, взаимодействуя с ними, будут поворачиваться. Так как гибкие звенья будут наматываться или сматываться с блоков, геометрия нагружающего механизма в целом изменяться не будет, и параметры распределенной нагрузки, действующей на испытуемую площадку, останутся прежними.
Несмотря на то, что в заявляемом техническом решении нагрузочный механизм представляет собой плоских механизм, площадь подошв подвижных саморегулируемых опор толкателей и стойки может выбираться в зависимости от количества необходимых толкателей, площади лестничной площадки и параметров, обеспечивающих мобильность устройства. Вследствие этого, на поверхность испытуемой площадки прикладывается поверхностная распределенная нагрузка. При испытании широких площадок целесообразно использовать не один, а несколько (два и более) нагрузочных механизмов, в зависимости от ситуации, располагая их параллельно друг другу. В качестве гибких звеньев могут быть использованы цепи, ремни, ленты или тросы.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет обеспечить приложение к поверхности испытуемой площадки пожарной лестницы вертикально направленную распределенную силу, как этого требует п. 4.12. НПБ 245-2001, и достичь цели изобретения - обеспечить повышение мобильности, снизить его материалоемкость и повысить удобство его использования.
Анализ современного состояния уровня техники показывает, что заявляемая совокупность отличительных и ограничительных признаков отсутствует в доступных источниках информации, т.е. обладает признаками новизны.
Анализ современного состояния уровня техники позволяет говорить, что заявляемая совокупность ограничительных и отличительных признаков явно не следует из существующего опыта и потому не очевидна для специалиста, т.е. заявляемые технические решения обладает признаком изобретательский уровень.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана принципиальная схема симметричного устройства для испытания лестничных площадок наружных пожарных лестниц с нагружающим механизмом с четырьмя толкателями.
На фиг. 2 показана простейшая расчетная схема симметричного устройства для испытания лестничных площадок наружных пожарных лестниц с нагружающим механизмом с четырьмя толкателями.
Устройство (фиг. 1) содержит площадку 1, на которой размещен нагружающий механизм, включающий составную регулируемую стойку 2, которая включает блок 3 и регулируемую неподвижную опору 4, которая опирается на площадку 1, и толкатели, включающие ступенчатые блоки 5, 6, 7, 8 и соответствующие им составные регулируемые штанги 9, 10, 11, 12 и соответствующие им подвижные самоустанавливающиеся опоры 13, 14, 15, 16, образующих кинематические пары со подошвами 17, 18, 19, 20, которые опираются неподвижно на площадку 1; штанги 9, 10, 11 и 12 связаны поступательными кинематическими парами со стойкой 2. Блок 3 и блоки 5, 6, 7, 8 связаны между собой промежуточными гибкими звеньями 21, 22, 23, 24 закрепленными обоими концами на блоках (места крепления гибких звеньев на блоках обозначены крестиком) и образующие с ними кинематические пары огибания, а входные гибкие звенья 25 и 26 закреплены одними концами на блоках 4 и 7 (места крепления гибких звеньев на блоках обозначены крестиком), образуя с ними кинематические пары огибания, соответственно, а другими соединены с концами гибких звеньев 27 и 28 соответственно, которые другими концами закреплены на составной регулируемой траверсе 29, к которой посредством гибкого звена 30 прикреплено устройство измерения силы 31, соединенного гибким звеном 32 с устройством создания контрольного усилия 33.
5
6
7
2
21
22
23
24
1
2
1
2
3
5
5
6
6
7
7
8
8
1
2
На расчетной схеме (фиг. 2) изображены ортогональная система координат х0у, ось 0х которой расположена горизонтально, параллельно плоскости исследуемой площадки пожарной лестницы 1 (фиг. 1), ступенчатые блоки 2, 4, 5, 6 и 7, освобожденные от связей, действие которых заменены вертикальными реакциями N и горизонтальными реакциями X, Х, Х, Х, соответственно, а гибкие звенья 21, 22, 23, 24, 25 и 26 их натяжениями, соответственно, Т, Т, Т, Т, F и F. Расстояния между центрами шкивов 3, 5, 6, 7 и 8 по горизонтали равно L. Расстояние между центрами блоков по вертикали h и р, соответственно. Радиусы блоков равны соответственно r, r, R, R, r, R, r, r и R. Углы, которые образуют гибкие звенья 21, 24 с осью 0х, равны α, а углы, которые образуют гибкие звенья 22 и 23 с осью 0х, равны α.
Устройство работает следующим образом. Устройство создания контрольного усилия 33 создает контрольное усилие, которое передается посредством гибкого звена 32 на устройство измерения силы 31, с помощью которого производится контроль за величиной усилия. От устройства измерения силы 31, с помощью гибкого звена 30, усилие передается на составную регулируемую траверсу 29, которая преобразует натяжение гибкого звена 30 в натяжение гибких звеньев 27 и 28. Так как в рассматриваемом варианте гибкие звенья 32, 28 и 27 параллельны, то сумма натяжений гибких звеньев 27 и 28 будет равна натяжению гибкого звена 32. Натяжение гибких звеньев 27 и 28 будет равно натяжению гибких звеньев 25 и 26 соответственно. Кроме того, из рисунка (фиг. 1) видно, что гибкое звено 32 расположено вдоль оси симметрии, проходящей через середину составной регулируемой траверсы 29. Следовательно, силы натяжения гибких звеньев 27 и 28 будут равны. Так как гибкие звенья 27 и 28 соединены с гибкими звеньями 25 и 26, которые расположены вдоль тех же линий, что и гибкие звенья 27 и 28, соответственно, то натяжение гибких звеньев 25 и 26 будут равны натяжению тросов 27 и 28. Гибкие звенья 25 и 26 действуют на блоки 5 и 8, которые преобразуют натяжение гибких звеньев 25 и 26 в натяжения гибких звеньев 21 и 24 соответственно (фиг. 2). Если параметры блоков 5 и 8, радиусы ступеней, соответственно равны, то натяжения гибких звеньев 21 и 24 будут равны. Гибкие звенья 21 и 24 соединены и образуют кинематические пары огибания с блоками 6 и 7, соответственно. Вследствие этого натяжения гибких звеньев 21 и 24 преобразуется блоками 6 и 7, в натяжения гибких звеньев 22 и 23. Если параметры блоков 6 и 7, 5 и 8 соответственно равны, то натяжения гибких звеньев 22 и 23 также будут равны, и весь нагружающий механизм будет находиться в равновесии. Натяжения гибких звеньев 21, 22, 23, 24, 25 и 26 создают не только вращающие моменты на шкивах 3, 5, 6, 7, 8, но и воздействуют на их оси вращения, и это воздействие передается на площадку 1 (фиг. 1) посредством штанг 9, 10, 11, 12 и стойки 2. Если выполнены условия, при которых проекции натяжений гибких звеньев 21, 22, 23, 24, 25, и 26, приложенные к осям соответствующим блокам 3, 5, 6, 7, 8 (фиг. 2) на ось, перпендикулярную площадке 1 (фиг. 1), равны, то усилия, которые передаются на площадку 1 (фиг. 1) посредством стойки и толкателей, будут равны.
Продемонстрируем работу устройства на числовом примере, пренебрегая силами тяжести, действующими на нагружающий механизм. Пусть имеется площадка пожарной лестницы длиной 1,5 м, шириной 1 м. Площадь этой площадки 1,5 кв. м. Следовательно, согласно формуле (3) из НПБ 245-2001:
2
3
4
1
2
2
где S - площадь площадки; К - сила, оказываемая одним человеком, принимаемой равной 1200 Н; К - коэффициент запаса прочности, принимается равным 1,5; К - площадь проекции человека на горизонтальную поверхность, принимается равной 0,5 м; Х - количество балок, с помощью которых площадка крепиться к стене, которое примем равным двум, значение контрольной нагрузки будет равно 2700 Н. Следовательно, эта сила должна быть преобразована эквивалентно в систему из пяти параллельных сил, каждая из которых должна равняться 540 Н. Так как нагружающий механизм симметричен, силы F=F=F по условиям испытаний, а блок 2 находится в равновесии из условия симметрии механизма, то для решения поставленной задачи достаточно решить систему уравнений, которая описывает условия равновесия механической системы в проекции на ось 0у и условия равновесия ступенчатых шкивов 6 и 7 (фиг. 2) в их вращательном движении, пренебрегая при этом силами трения и силами тяжести самих звеньев нагружающего механизма:
ij
i
i
i
где N- реакции, действующие на стойки кинематических цепей со стороны площадки 1 (фиг. 1); Т - натяжения гибких звеньев, соответствующих индексам при параметре; R и r - радиусы блоков, соответствующих индексам при параметре, α - углы, которые образуют гибкие звенья с осью 0х, F - силы, приложенные к входным звеньям 25 и 26.
7
8
7
8
1
2
23
22
24
К системе уравнений (1) необходимо добавить условия, следующие из симметрии и геометрии нагружающего механизма:  где величина L=0,375 м (определяется делением длины площадки на 4 участка) (фиг. 2). Выбирая значения размеров радиусов ступеней блоков 7 и 8 - R=R=0,06 м, r=r=0,04 м, решаем эту систему и получаем следующие значения искомых величин: h=0,033 м, h=0,164 м, Т=Т=3,038 кН, Т=2,025 кН, F=1,35 кН. Зная теперь параметры распределяющего механизма, можно отрегулировать стойку 2 и положения блоков 3, 5, 6, 7 и 8, так чтобы механизм отвечал найденным геометрическим параметрам. Далее регулируем, согласно фиг. 1, траверсу 29, так, чтобы две силы F (фиг. 2) были параллельны и друг другу и вектору контрольной нагрузки, приложенной со стороны устройства 33 (фиг. 1).
Система уравнений (1) линейна, поэтому всегда можно найти такую геометрию нагружающего механизма, при которой устройство в целом будет обеспечивать необходимые параметры приложенной распределенной нагрузки к поверхности испытуемой площадки.