СПОСОБ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗАЩИТНОЙ ОДЕЖДЫ И СНАРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СОТРУДНИКОВ ПРАВООХРАНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ И СПОСОБ ПРОВЕРКИ ТАКОЙ ОДЕЖДЫ И СНАРЯЖЕНИЯ НА СООТВЕТСТВИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ УСЛОВИЯМ
METHOD TO DESIGN PROTECTIVE CLOTHES AND EQUIPMENT FOR LAW ENFORCEMENT AGENCY STAFF AND METHOD TO INSPECT SUCH CLOTHES AND EQUIPMENT FOR COMPLIANCE WITH TECHNICAL CONDITIONS

Область техники
Настоящее изобретение относится к проектированию снаряжения для защиты сотрудников правоохранительных органов.
Под снаряжением для защиты сотрудников правоохранительных органов в контексте изобретения понимается любая одежда или снаряжение, надеваемая (надеваемое) пользователем, чтобы уменьшить или исключить риск определенного телесного повреждения.
Уровень техники
Традиционно проектирование подобного защитного снаряжения проводится, по существу, эмпирически: изготавливается несколько опытных образцов, которые испытываются в реальных условиях (с надеванием снаряжения) или в условиях, близких к реальным (чтобы избежать слишком большой нагрузки на людей, проводящих испытание).
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на преодоление этих ограничений, свойственных уровню техники, и на разработку способов, которые делают возможным точное и воспроизводимое измерение защитного эффекта, обеспечиваемого одеждой и/или снаряжением, предназначенными для защиты человеческого тела, и тем самым облегчают проектирование таких одежды и/или снаряжения, направленное на решение конкретных задач защиты, а также на повышение надежности и на обеспечение возможности предложить пользователям выбор одежды и/или снаряжения, обладающих различными уровнями защиты, отвечающими реальным потребностям.
В частности, изобретение направлено на реализацию научного подхода к оценке снаряжения для работников правоохранительных органов, результатом которого является стандартизированная оценка снаряжения в терминах травматологии, вполне понятная для пользователя в том отношении, что она позволяет ему объективно выбирать между различными типами снаряжения в зависимости от прокалиброванного уровня защиты, например в диапазоне защиты от дубинки до топора.
Соответственно, в своем первом аспекте изобретение предлагает способ проектирования одежды или снаряжения для защиты сотрудников правоохранительных органов. Способ характеризуется тем, что включает следующие операции:
- обеспечивают наличие манекена с комплектом датчиков кинематических параметров и/или нагрузки,
- устанавливают устройство для приложения ударной нагрузки в положение, обеспечивающее возможность приложения, по меньшей мере, к одной выбранной целевой зоне манекена посредством указанного устройства ударных нагрузок в соответствии с заданной воспроизводимой кинематической схемой,
- прикладывают указанные ударные нагрузки к целевой зоне манекена, не закрытой защитной одеждой или защитным снаряжением, и производят измерения посредством датчика (датчиков), расположенного (расположенных) в области указанной целевой зоны,
- помещают указанную одежду или указанное снаряжение на манекен так, чтобы закрыть указанную целевую зону,
- прикладывают указанные ударные нагрузки к целевой зоне манекена, закрытой указанной одеждой или указанным снаряжением, и производят измерения посредством указанного датчика (указанных датчиков),
- определяют по результатам измерений, по меньшей мере, одно значение поглощенной энергии и/или ослабления ударной нагрузки указанной одеждой или указанным снаряжением и,
- если указанное значение (указанные значения) превышает (превышают) пороговые значения, идентифицируют одежду или снаряжение как приемлемую (приемлемое) в отношении указанных пороговых значений,
- в противном случае осуществляют конструктивные модификации защитной одежды или снаряжения, чтобы увеличить значения поглощенной энергии и/или ослабления ударной нагрузки.
В соответствии со вторым аспектом изобретения предлагается способ омологации, по результатам испытания, одежды или снаряжения для защиты сотрудников правоохранительных органов. Способ характеризуется тем, что включает следующие операции:
- обеспечивают наличие манекена с комплектом датчиков кинематических параметров и/или нагрузки,
- устанавливают устройство для приложения ударной нагрузки в положение, обеспечивающее возможность приложения, по меньшей мере, к одной выбранной целевой зоне манекена, которая, с высокой вероятностью, будет защищена одеждой или снаряжением, подвергаемой (подвергаемым) испытанию, посредством указанного устройства ударных нагрузок в соответствии с заданной воспроизводимой кинематической схемой,
- прикладывают указанные ударные нагрузки к целевой зоне манекена, не закрытой одеждой или снаряжением, подвергаемой (подвергаемым) испытанию, и производят измерения посредством датчика (датчиков), расположенного (расположенных) в области указанной целевой зоны,
- помещают одежду или снаряжение, подвергаемую (подвергаемое) испытанию, на манекен так, чтобы закрыть указанную целевую зону,
- прикладывают указанные ударные нагрузки к целевой зоне манекена, закрытой указанной одеждой или указанным снаряжением, и производят измерения посредством указанного датчика (указанных датчиков),
- определяют по результатам измерений, по меньшей мере, одно значение поглощенной энергии и/или ослабления ударной нагрузки указанной одеждой или указанным снаряжением и,
- если указанное значение (указанные значения) превышает (превышают) пороговые значения, идентифицируют одежду или снаряжение как прошедшую (прошедшее) омологацию.
Далее приводятся некоторые предпочтительные (но не ограничивающие) признаки описанных способов.
Способы дополнительно включают операцию определения указанных пороговых значений в соответствии с числовыми данными, отражающими соотношение между случаями травматизма и значениями ударной нагрузки и/или энергии, приложенными непосредственно к заданным зонам человеческого тела. При этом ударные нагрузки прикладывают с использованием маятника на проволочном подвесе, несущего опорную часть для ударного элемента, которая содержит, по меньшей мере, один датчик кинематических параметров и/или датчик нагрузки. Виды измерений, обеспечиваемые указанным датчиком (указанными датчиками), выбирают из группы, включающей измерения смещения, измерения скорости, измерения ускорения, измерения ударного усилия и изменения результатов указанных измерений во времени.
Ударные нагрузки прикладывают с использованием ударного элемента, выбранного из ударных элементов, имеющих закругленные формы или острые лезвия. Указанные нагрузки прикладывают, по меньшей мере, с двумя различными ударными углами, причем одно из направлений приложения ударной нагрузки ортогонально поверхности манекена на целевом участке; кроме того, ударные нагрузки прикладывают к манекену при придании ему нескольких различных поз.
При испытаниях защитного снаряжения типа накладки на голень обутую ногу манекена устанавливают на опорную поверхность, воспроизводящую реальную поверхность, таким образом, чтобы смоделировать силы трения между манекеном и землей. Манекен может являться частичным манекеном, имеющим, по меньшей мере, одну шарнирно сочлененную обутую ногу, к которой приложен вес для того, чтобы прижать ее к опорной поверхности, воспроизводящей реальную землю. Если ударные нагрузки прикладывают с использованием ударного элемента, снабженного острым лезвием, производят измерение погружения ударного элемента в материал одежды или снаряжения.
Защитную одежду или защитное снаряжение выбирают из группы, включающей накладки на голень, накладки на бедро, жилеты, плечевые накладки и накладки на предплечье.
Краткое описание чертежей
Другие аспекты, решаемые задачи и преимущества изобретения станут более понятны при совместном изучении нижеследующего подробного описания приводимых в качестве примеров предпочтительных вариантов изобретения и прилагаемых чертежей.
На фиг.1 схематично показано испытуемое снаряжение согласно изобретению. На фиг.2а и 2b, соответственно на видах сбоку и с торца, показан ударный 25 элемент первого типа, используемый в составе испытательного оборудования.
На фиг.3a и 3b, соответственно на видах сбоку и с торца, показан ударный элемент второго типа, используемый в составе испытательного оборудования.
Осуществление изобретения
1. Определения
а) Защищаемая зона: участок человеческого тела, полностью покрытый защитной одеждой и ее вспомогательными принадлежностями.
б) Испытуемая зона: часть (части) или участок (участки) защитной одежды или снаряжения, которые подлежат исследованию.
в) Целевые участки: анатомические области человеческого тела, на которые направлен удар; среди этих участков имеются:
- первая группа целевых участков, в которую обычно включают предплечья, ягодицы, бедра, заднюю сторону пятки и подъем (ноги); в основном, это участки, где элементы скелета защищены мышечной массой и где отсутствуют жизненно важные органы;
- вторая группа целевых участков, в которую обычно включают тыльные стороны рук, внутренние стороны запястий, локтевые суставы, плечи, лопатки, ключицу и коленные суставы;
- и, наконец, третья группа целевых участков, в которую обычно включают каждую часть лица, черепа, шеи, область позвоночного столба и ребер, сектор непосредственно ниже границы ребер, всю печень, солнечное сплетение, селезенку, почки, нижнюю часть живота, пах и копчик.
г) Ударный угол (угол нанесения удара): задается углом между направлением удара и осью, перпендикулярной к поверхности мишени; таким образом, ударный угол 0° соответствует фронтальному удару.
д) Уровни функциональности: уровень функциональности одежды или снаряжения - это число, которое используется, чтобы характеризовать степень защиты, обеспечиваемую одеждой или снаряжением, и которое определяется, например, по результатам испытаний, описываемых далее. Чем выше данное число, тем выше уровень функциональности.
2. Описание оборудования
Изобретение направлено на обеспечение конструирования и испытаний в рамках официальной или частной омологации (проверки на соответствие стандартам, техническим условиями и т.д.) одежды или снаряжения для защиты человеческого тела путем разработки испытательного устройства, позволяющего измерять, с использованием ударного элемента, имитирующего реальный удар, уменьшение энергии и силы удара на подобных одежде и/или снаряжении.
Например, ударный элемент может имитировать удар бейсбольной битой или топором.
Испытательное устройство в предпочтительном варианте содержит:
- биомеханический манекен Н;
- испытательную скамью, снабженную маятником Р на проволочном подвесе;
- ударный элемент I (в данном случае имитирующий бейсбольную биту или топор), закрепленный на маятнике.
Манекен Н имитирует, насколько это позволяет его конструкция, человека мужского пола высотой 175 см и массой 80 кг. Он снабжен комплектом датчиков ударной нагрузки, датчиками времени, датчиками смещения и датчиками ускорения (акселерометрами).
В рассматриваемом варианте манекен Н имеет следующие характеристики:
- его передняя часть соответствует манекену типа Hybrid III с 2 каналами, один из которых является датчиком смещения, а второй - акселерометром;
- передняя сторона ноги (от бедра до ступни) снабжена 5 каналами, которые соответствуют двум датчикам ударной нагрузки, двум датчикам времени и акселерометру;
- передняя сторона бедра снабжена 4 каналами в соответствии со стандартом EuriSID-2, в том числе двумя датчиками ударной нагрузки, датчиком времени и акселерометром;
- плечо с боковой стороны снабжено 4 каналами в соответствии со стандартом EuriSID-2, в том числе тремя датчиками ударной нагрузки и акселерометром.
Следует отметить, что приведенные стандартизованные описания, используемые для манекенов, появились, в основном, в связи с активностью в области проведения, под юридическим контролем, крэш-тестов автомобилей. Поэтому все относящиеся к ним сведения, необходимые для специалистов, могут быть получены от соответствующих официальных органов (например, на Интернет-сайте www.inrets.fr французского Национального института исследований транспортных средств и их безопасности - Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurite).
На описанный манекен помещают защитную одежду или снаряжение, подлежащую (подлежащее) испытаниям.
Испытательная скамья испытательного устройства в рассматриваемом варианте основана на маятнике Р с проволочным подвесом, на котором закрепляется ударный элемент I. Такой маятник имитирует удар, наносимый человеку посредством ударного элемента. Длина подвеса маятника составляет, например, 5 м и предпочтительно является регулируемой.
Начальное положение и масса ударного элемента воспроизводимым образом определяют скорость при ударном воздействии на манекен, усилие, передаваемое манекену, и энергию удара.
Как уже упоминалось, ударный элемент в данном варианте может быть двух типов, т.е. соответствовать бейсбольной бите и топору.
В любом варианте ударный элемент оборудован металлической (как правило, стальной) опорной частью S в виде рамы, снабженной акселерометром и датчиком скорости.
Минимальная масса этой части S составляет в типичном варианте 2,5 кг.
Чтобы смоделировать требуемую угрозу, на этой опорной части закрепляется предмет, являющийся собственно ударным элементом I. В данном варианте он моделирует самую массивную часть бейсбольной биты или лезвие топора. В качестве альтернативы может использоваться любой другой вариант ударного элемента, воспроизводящий угрозу определенного типа, такой как бамбуковая палка, нож для расчистки кустарника, садовый нож и др.
Предмет 11, имитирующий в данном варианте бейсбольную биту, показан на фиг.2а и 2b. Он представляет собой сплошной цилиндрический стержень из стали длиной 200 мм и диаметром 50 мм и с твердостью по Роквеллу 55±3 (сталь С-типа).
Предмет 12 (см. фиг.3a, 3b), имитирующий в данном варианте лезвие топора, представляет собой стальной стержень, имеющий ту же твердость и сечение в форме равностороннего треугольника со стороной 5 мм. Длина стержня равна 200 мм.
3. Использование оборудования
Испытательное устройство согласно изобретению используется следующим образом.
Сначала к маятнику прикрепляют один из двух ударных элементов, установленный на свою опорную часть. Эта сборка устанавливается и фиксируется в таком положении, чтобы обеспечить получение требуемых значений энергии, скорости и силы удара. Такая фиксация осуществляется с обеспечением полной воспроизводимости для того, чтобы ударный элемент мог в одинаковых условиях соприкасаться с мишенью, снабженной защитой и лишенной ее.
Защитная одежда и/или защитное снаряжение могут быть сначала испытаны путем помещения их в нагревательный аппарат на 4 ч при 80°С с последующим выдерживанием при 20°С в течение 48 ч при относительной влажности 65%.
В том случае, когда испытания одежды или снаряжения должны осуществляться при различных температурах или значениях влажности, предпочтительно начинать испытания в течение 5 мин после их извлечения из соответствующего оборудования при продолжительности испытаний не более 20 мин.
Для испытания одежду или снаряжение помещают на манекен, как это было описано выше, причем так, чтобы как можно точнее воспроизвести реальные условия. В типичном варианте одежду или снаряжение помещают на манекен и приводят в контакт с ним с контактным усилием, составляющим (когда оно может быть измерено или оценено) примерно 20-30 Н.
Затем манекен устанавливают на испытательную скамью таким образом, чтобы промоделировать реальное ношение одежды или снаряжения в ситуации поддержания правопорядка.
После этого могут быть реализованы испытательные процедуры с предварительным выбором желательных значений скорости удара, энергии удара и максимального передаваемого усилия (фактически с выбором ударного угла), как это описано выше.
Например, испытания могут быть проведены с предметами, моделирующими бейсбольную биту и топор, при следующих параметрах. При моделировании бейсбольной биты:
- скорость удара: 5 м/с,
- энергия удара: 120 Дж,
- ударный угол: 0° и 30°.
При моделировании топора:
- скорость удара: 5 м/с,
- энергия удара: 50 Дж,
- ударный угол: 0°.
Должно быть понятно, что эти параметры можно варьировать в зависимости от типа угрозы, который наиболее вероятен для лица, носящего одежду или снаряжение, в частности в ситуациях наведения правопорядка.
Кроме того, среднее значение усилия может использоваться и передаваться по-разному в зависимости от рассматриваемой задачи. Например, для локтя или бедра оно может быть менее 5 кН, для плечевой части руки, предплечья или голени менее 8 кН, для плеча или колена менее 10 кН.
Испытания проводятся на различных целевых участках манекена, в том числе:
на накладке (щитке) J на голень, фиксируемой на нижней части ноги манекена, включая колено, и доходящей до щиколотки, причем целевые участи находятся на верхней части стопы, на верхней, средней и нижней частях голени и на колене;
- на накладке на бедро, фиксируемой на бедре (не включая колено), с целевыми участками на верхней, средней и нижней частях бедра;
- на жилете, фиксируемом на туловище манекена и снабженном шарнирно присоединенными защитными панелями для плеч и верхних участков рук, а также фартуком для паховой области, причем целевые участки находятся у края плеча, на плечевой части руки, у солнечного сплетения, у почек, у ключицы и в паховой области;
- на установленной на плечо плечевой накладке с шарнирно присоединенными панелями (возможно, удерживаемыми жилетом, как в предыдущем случае), причем целевые участки находятся у края плеча и на плечевой части руки;
- на накладке на руку, фиксируемой на предплечье манекена, с целевыми участками на кисти, в двух зонах предплечья и на локте.
Разумеется, применительно к другим вариантам защитной одежды или защитного снаряжения возможны и другие варианты испытаний.
Процедура собственно испытаний включает установку манекена, свободного от защитной одежды или защитного снаряжения, на соответствующую опорную поверхность, такую как стол или любую другую фиксированную опору, способную нести манекен. Желательно, чтобы манекен был установлен в вертикальном положении на опорную поверхность, воспроизводящую реальную поверхность (в типичном случае на поверхность из асфальта или бетона, применительно к сотрудникам правоохранительных органов в городских условиях).
Как уже упоминалось, положение манекена подбирают, чтобы оно соответствовало реальной ситуации, моделируемой в испытании. Например, для накладки J на голень положение манекена воспроизводит позу стоящего человека, а опорную поверхность настраивают таким образом, чтобы она соответствовала нагрузке, создаваемой человеком нормального веса. Затем производят калибровку датчиков методом, применяемым при испытаниях автомобильной безопасности.
Положение манекена настраивают также таким образом, чтобы ударный угол (соответствующий ортогональному или наклонному удару) имел желаемое значение.
Затем производят регулировку маятника, в том числе его исходной точки и нагрузки, создаваемой ударным элементом (массы подвижной части), таким образом, чтобы получить желаемые значения скорости, усилия и энергии удара. При этом обеспечивается маркировка, чтобы обеспечить воспроизводимость выбранной исходной точки при проведении серии испытаний.
После этого проводят испытания на заранее выбранных целевых участках, сначала на манекене, лишенном защитной одежды или защитного снаряжения.
Затем на соответствующую зону манекена помещают одежду или снаряжение и снова проводят испытания при тех же значениях скорости, усилия и энергии.
2
Каждое испытание, проводимое без защиты, а затем с защитой, предпочтительно включает измерение с помощью датчиков на манекене ускорения (в м/с) как функции от времени (в с), напряжения (в даН) как функции от времени (в с) и 30 смещения (в м) как функции от времени.
2
Каждое испытание включает также измерение, непосредственно на ударном элементе, ускорения (в м/с) как функции от времени (в с).
При проведении испытаний на накладке на голень сначала устанавливают (используя клин) ногу манекена в такое положение, из которого она не может сдвинуться назад, а затем повторяют испытание с приданием ноге манекена возможности такого смещения (учитывая при этом необходимость обеспечения реалистичных сил трения между стопой и землей - для этого опорная поверхность должна соответствовать асфальту или бетону).
Желательно провести также различные испытания для различных поз манекена, в типичном случае для позы атаки, позы защиты и статичной позы.
Все описанные измерения выполняют для ударного элемента, имитирующего бейсбольную биту.
Как уже упоминалось, могут быть проведены и другие испытания, когда ударный элемент имитирует, например, тонфу (аналог полицейской дубинки) или железный прут. Испытательная процедура в этом случае аналогична варианту, в котором ударный элемент имитирует бейсбольную биту.
Данные, полученные от датчиков в процессе испытаний с применением различных ударных элементов на различных целевых участках, регистрируются. В итоге получают серию результатов измерений, позволяющую дизайнерам одежды и снаряжения постоянно улучшать свойства этой одежды и снаряжения.
Более конкретно, зарегистрированные данные подвергают обработке, прежде всего, посредством сравнения данных, полученных при нанесении ударов непосредственно по манекену (без какой-либо защиты) и по средствам защиты, помещенным на манекен. При этом могут быть рассчитаны, в частности, коэффициент поглощения энергии, а также коэффициент ослабления усилия, передаваемого на различные целевые точки.
Проводимые серии испытаний включают также использование в качестве ударного элемента топора. В этом случае с датчиков никаких показаний не снимается, а просто вручную производят измерение глубины проникновения лезвия. Для этого защитную одежду или защитное снаряжение помещают не на манекен, а просто на жесткую и фиксированную опору и с помощью ударного элемента осуществляют воздействие с требуемыми усилием, скоростью и энергией.
Процесс утверждения (омологации) разработки одежды или снаряжения может быть основан на сопоставлении указанных коэффициентов с предварительно установленными пороговыми значениями, правила расчета которых могут варьироваться (в зависимости от целевого участка, общих принципов анализа и т.д.).
Желательно, чтобы эти пороговые значения основывались на количественных медицинских данных, представленных, в частности, практикующими врачами или экспертами, специализирующимися в области травматологии, и отражали зависимость между травматизмом и значениями ударного усилия и/или ударной энергии, приложенных непосредственно к определенным зонам человеческого тела. В частности, что касается переломов, для определенных областей человеческого тела в настоящее время с довольно высокой точностью известно, какой уровень усилия и/или энергии может привести к перелому кости.
На основе таких данных минимальное пороговое значение для поглощения энергии или усилия защитной одеждой или защитным снаряжением для определенной зоны человеческого тела находится, как разность между усилием и/или энергией, реально приложенными со стороны устройства для приложения ударной нагрузки, и усилием и/или максимальной энергией, которые могут быть восприняты рассматриваемой зоной без возникновения риска определенного травматизма (как перелома, так и других вариантов травмы).
Дизайнер может, например, варьировать характер и механические свойства используемых материалов (твердых пластиков, тканей с вкладками) и их размерные параметры, в основном толщину.
Разумеется, специалистам в данной области будут ясны возможности внесения в изобретение многочисленных альтернативных изменений и модификаций.
В частности, чтобы упростить осуществление изобретения в случае, когда интерес представляет конкретный компонент защитного снаряжения, может быть сконструирован специальный тестовый манекен. Например, чтобы испытать накладки на голень, могут быть изготовлены две искусственные ноги с шарнирным сочленением в колене и с приложением к каждой из них нагрузки, составляющей, например, 40 кг.
Кроме того, на эти ноги надевают обувь, чтобы смоделировать требуемые силы трения с выбранной опорной поверхностью.
При этом в общем случае специалистам будет известно, как осуществлять необходимую адаптацию с целью воспроизведения реальных условий, в которых действуют сотрудники правоохранительных органов, и тем самым обеспечить надежные результаты испытаний.