сотрудник с 01.01.2024 по настоящее время
Иваново, Ивановская область, Россия
Россия
УДК 004.023 Эвристические методы
В статье рассматривается проблема выхода из строя быстроразъемного соединения спасательных устройств капюшонного типа в месте соединения штуцера и шланга при подключении к дыхательным аппаратам со сжатым воздухом в условиях непригодной для дыхания среды. Установлено, что использование средств индивидуальной защиты рук значительно снижает мышечную силу и тактильную чувствительность газодымозащитников, что приводит к перегибам и повреждению шлангов в зоне соединения. Для решения данной проблемы авторами разработан специализированный противоизломный протектор, защищающий узел соединения штуцера и шлага от механических перегрузок. Проведен прочностной расчет конструкции методом конечных элементов, подтвердивший ее прочность при рабочих нагрузках. С применением аддитивных технологий был изготовлен опытный образец противоизломного протектора. Практическая значимость работы заключается в повышении отказоустойчивости оборудования и решение проблемы обеспечения эвакуации, спасения и поведения людей на объектах защиты. В рамках практики применения противоизломного протектора было проведено исследование в закрытом спортивном комплексе Ивановской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России. В результате проведенных экспериментальных исследований с использованием противоизломного протектора и без его применения, определено, что наличие на быстроразъемном соединении спасательного устройства защитного противоизломного протектора снижает частоту отказов с 31% до 2%, то есть более чем в 15 раз.
аварийно-спасательные работы, спасательное устройство, быстроразъемное соединение, противоизломный протектор, прочностной расчет, конструкция, метод конечных элементов
Введение
Эффективность проведения аварийно-спасательных работ и обеспечения эвакуации, спасения людей на объектах защиты в условиях непригодной для дыхания среды (НДС) напрямую зависит от надежности и безотказности применяемого технического оборудования газодымозащитников [1]. Одной из важных операций при работе в таких условиях является подключение спасательного устройства к дыхательному аппарату со сжатым воздухом (ДАСВ) для эвакуации / спасения пострадавшего [2]. Выполнение любых работ обязательно должны проводится в средствах индивидуальной защиты рук (СИЗР), согласно требованиям охраны труда.
Однако, как было установлено в ряде исследований, использование СИЗР приводит к статистически значимому снижению мышечной силы хвата оператора – в среднем на 24-27% по сравнению с работой без перчаток [3]. Это объективное эргономическое ограничение, в сочетании с высоким остаточным давлением в магистрали ДАСВ, создает существенные трудности при стыковке быстроразъемных соединений спасательного устройства. Необходимость приложения повышенного усилия в условиях ограниченной тактильной чувствительности и подвижности пальцев нередко приводит к неправильному захвату и перекосу штуцера, следствием чего является критический перегиб (заламывание) шланга редуцированного давления в непосредственной близости от присоединительного узла (Рис.1).
Рис.1. Повреждение шланга спасательного устройства
Данный инцидент не только блокирует подачу воздуха пострадавшему, но и выводит спасательное устройства из строя и, как следствие, срыв спасательной операции с прямым риском для жизни как спасаемого, так и самого газодымозащитника, ввиду образования аварийной ситуации на пожаре.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что проблематике эргономики СИЗР и влиянию перчаток на силовые параметры работы кисти рук пожарных уделяется значительное внимание [4; 5]. В то же время, вопросам повышения отказоустойчивости и физической защищенности наиболее уязвимых узлов спасательного оборудования от последствий неизбежных человеческих ошибок, обусловленных эксплуатацией в СИЗР, посвящено явно недостаточное количество работ. Существующие нормативные документы регламентируют в основном прочностные и пожарно-технические характеристики шлангов, но не предусматривают конструктивных решений для локальной защиты зоны соединения шланга и штуцера от механических перегрузок при монтаже.
Целью настоящего исследования является разработка, обоснование конструкции и экспериментальная оценка эффективности специализированного противоизломного протектора для шланга спасательного устройства, предназначенного для защиты зоны соединения со штуцером от критического перегиба и механических повреждений при выполнении подключения газодымозащитниками в СИЗР.
Материалы и методы
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: анализ типовых конструкций устройств для защиты шлангов от перегиба; разработка конструктивных вариантов противоизломного устройства, удовлетворяющих требованиям термостойкости, гибкости, минимального веса и габаритов, а также удобства монтажа в СИЗР; проведение экспериментальных исследований с разработанным образцом противоизломного протектора.
Научная новизна работы заключается в разработке нового устройства (противоизломного протектора) для защиты места соединения штуцера со шлангом спасательного устройства при подключении к ответному штуцеру быстроразъемного соединения ДАСВ.
Практическая значимость исследования определяется потенциальным снижением аварийности спасательного оборудования, повышением вероятности успешного выполнения операции подключения СУ с первой попытки, уменьшением материальных затрат на ремонт и замену шлангов, а в конечном счете – повышением уровня безопасности как пострадавших, так и самих газодымозащитников.
Для разработки конструкции противоизносного протектора для быстроразъемного соединения спасательного устройства проведен детальный анализ существующих устройств для защиты гибких трубопроводов или проводов от излома.
Авторами [6] предложена конструкция устройства для защиты кабеля от излома, а также способ изготовления такого устройства. Изобретение направлено на защиту кабеля от механических повреждений, вызванных многократными изгибами и нарушениями целостности оболочки кабеля. Такое устройство полезно в различных областях, где требуется надёжная эксплуатация кабеля, например, в системах автоматизации производственных процессов, бытовой технике, автомобилестроении и строительстве.
Недостаточная жесткость конструкции не позволят устройство применить для обеспечения быстроразъемного соединения штуцера спасательного устройства с ответным штуцером дыхательного аппарата.
В следующем патенте [7] авторы предложили защитное устройство от перелома провода. Патент описывает техническое решение, направленное на предотвращение перелома проводов при их проведении через отверстия в стенах, панелях или устройствах. Данное устройство представляет собой специализированную конструкцию, цель которой – защитить провода от механических повреждений, которые могут возникать при прохождении провода через узкие места. Устройство состоит из специальной опорной упругой спирали, закрепленной на монтажном основании. Эта спираль охватывает провод, предотвращая прямой контакт провода с внутренними поверхностями отверстий или панелей, тем самым снижая вероятность поломки. Дополнительно предусмотрена возможность регулировки и переноса основания относительно выхода, что повышает универсальность применения устройства. Устройство, так же обладает недостаточной жесткостью конструкции для соединения быстроразъемного соединения штуцера спасательного устройства с ответным штуцером дыхательного аппарата.
В патенте [8] авторами предложена конструкция противоизломного протектора гибкого трубопровода. Данный патент RU2711166C1 описывает техническое решение для защиты гибких трубопроводов от переломов и повреждений в процессе их установки и эксплуатации. Протектор состоит из двух основных компонентов: поперечные звенья и продольные звенья. Поперечные звенья выполнены в виде кольцевой пластины, устанавливаемые на поверхность трубопровода с определенным зазором. Недостатком данного протектора, является отсутствие возможности фиксации к штуцеру, недостаточная жесткость конструкции для обеспечения быстроразъемного соединения штуцера спасательного устройства с ответным штуцером дыхательного аппарата.
Рассмотренные устройства предотвращают провода и гибкие трубопроводы от излома при эксплуатации, но обладают недостаточно жесткой конструкцией. При разработке противоизломного протектора учтены достоинства и недостатки защитных устройств. Протектор будет размещаться в зоне соединения гибкого шланга с штуцером спасательного устройства. Конструкция разработана таким образов, чтобы обеспечивать удобство работы с быстроразъемным соединением в боевой одежде, включающей защиту рук – пожарные перчатки (краги). Кроме этого, протектор должен иметь необходимую жесткость конструкции для предотвращения излома шланга спасательного устройства.
На Рис.2 представлена конструкция разработанного противоизломного протектора для шланга редуцированного давления спасательного устройства, размещаемая у основания быстроразъемного соединения.
Рис.2. Конструкция противоизломного протектора: 1 – штуцер, 2 – шланг редуцированного давления спасательного устройства, 3 – противоизломный протектор, состоящий из двух частей, 4 – болтовое соединение
Протектор для шланга редуцированного давления спасательного устройства состоит из двух частей 3, которые соединятся между собой при помощи болтового соединения 4. Протектор охватывает штуцер 1 и шланга редуцированного давления спасательного устройства (гибкий трубопровод) 2.
Протектор для быстроразъемного соединения спасательного устройства работает следующим образом. Устройство крепится на месте соединения штуцера у его основания 1 с шлангом редуцированного давления спасательного устройства (гибким трубопроводом) 2, зажимается снаружи рукой пожарного в средствах защиты рук и производится соединение с ответным штуцером дыхательного аппарата, рука за счет полукруглых выступов не срывается (не скользит) с поверхности протектора, что увеличивает силу нажатия и не повреждается трубопровод при отсутствии протектора.
Для оценки прочностных характеристик разработанного устройства методом конечных элементов были проведены прочностные расчеты по следующей методике: разработка твердотельной трехмерной модели; выбор материалов и назначение свойств; определение границ и наложение нагрузок; генерация сетки; расчет и визуализация результатов; оценка результатов и принятие решений. Такая методика хорошо зарекомендовала себя разработке новых конструкций образцов пожарной техники и оборудования [9; 10; 11].
Трехмерная модель конструкции разрабатывалась в программе автоматизированного проектирования, которая содержит модуль прочностного расчета, основанный на методе конечных элементов. На рисунке 3 представлена трехмерная модель противоизломного протектора, загруженная в модуль прочностного расчета. Внутренняя часть протектора повторяет контуры штуцера и шланга, обеспечивая прочное соединение и отсутствие проскальзывания. В модуле расчета методом конечных элементов был присвоен материал, заданы зависимости и приложены силы, действующие на устройство. В качестве материала был выбран сначала ABS пластик, так как экспериментальный образец изготавливался методом трехмерной печати на 3D принтере. Так же был произведен расчет с материалом Сталь 3. Зависимости фиксации конструкции заданы в месте соединения внутренней части с штуцером и шлангом. Нагрузки заданы как вдоль оси протектора, так и поперек. Сила, действующая вдоль оси – 400 Н, поперек оси – 400 Н.
Рис.3. Создание зависимостей и приложенных сил к модели
Далее была произведена генерация сетки конечных элементов в автоматическом режиме и проведен расчет на прочность. На Рис.4 и 6 представлены результаты расчета методом конечных элементов разработанной конструкции. Максимальное напряжение при заданном материале Сталь 3 составило 107,9 МПа при допускаемом значении 160 МПа. Расчетное напряжение не превышает допускаемое значение. Минимальное значение коэффициента запаса прочности составило 3,24, что является приемлемым результатом. Критические зоны концентрации напряжений присутствуют внутри модели, вместе соединения конструкции с штуцером и шлангом спасательного устройства. Уменьшение зон концентраций достигается за счет изменения радиуса скругления внутренней части протектора, повторяющей контур штуцера с шлангом.
Рис.4. Распределение напряжений по Мизесу
Рис.5. Распределение смещений в модели
Рис.6. Значения коэффициента запаса прочности
В рамках практики применения противоизломного протектора было проведено исследование в закрытом спортивном комплексе Ивановской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России, при температуре окружающей среды 23-26 °С. В исследование принимало участие 100 газодымозащитников в возрасте от 19 до 25 лет, которые были разделены на контрольную и экспериментальную группы. Сценарий включал в себя подготовку и надевание спасательного устройства без применения противоизломного протектора и с его применением. Каждый газодымозащитник выполнял по 4 попытки. По окончанию эксперимента были обработаны и получены следующие результаты. Использование протектора снижает частоту отказов с 31% до 2%, то есть более чем в 15 раз. Доверительные интервалы для вероятности отказа в двух группах (24,7%-38% для контрольной и 0,8%-5,1% для экспериментальной) не пересекаются. Это первый надежный признак значимого различия. Рассчитанные показатели абсолютного и относительного снижения риска ARR и RRR (29% и 93,5% соответственно) дают четкое количественное обоснование для внедрения протектора. Они позволяют оценить предотвращенный ущерб, повышение безопасности и, как следствие, потенциальную экономическую выгоду.
Полученные результаты экспериментального исследования представим в графической интерпретации (Рис.7).
Рис. 7. Сравнительный анализ эффективности противоизломного протектора при подключении спасательного устройства
Обсуждение результатов
На основании проведенных исследований конструкции сделаны следующие выводы:
- проведенное исследование подтвердило эффективность использования программы автоматизированного проектирования для выполнения прочностных расчетов конструкций методом конечных элементов;
- современный инструментарий позволяет инженеру оперативно получать важную информацию о поведении конструкции под нагрузками, ускорять процессы принятия решений и повышать общую надежность проектируемой продукции;
- на основании прочностного анализа была изменена исходная конструкция протектора, которая имела критические зоны концентрации напряжений. Зоны концентрации напряжений были уменьшены за счет скругления опасных зон внутри модели. Показатели напряжений не превышают допускаемых величин;
- экспериментальные данные демонстрируют высокую статистическую и практическую значимость применения противоизломного протектора: частота отказов снизилась с 31% (95% ДИ: 24,7-38%) до 2% (95% ДИ: 0,8-5,1%); Z-тест для двух пропорций подтвердил статистическую значимость этого снижения (Z»7.82, р < 0,00001); эффективность вмешательства характеризуется абсолютным снижением риска (ARR) = 29% и относительным снижением риска (RRR) = 93,5%, что указывает на высокую экономическую целесообразность внедрения протектора.
Выводы
Разработанная конструкция противоизломного протектора обеспечивает защиту шланга спасательного устройства от критического перегиба и механических повреждений при работе в средствах защиты рук.
Прочностной расчет методом конечных элементов подтвердил достаточную прочность конструкции при эксплуатационных нагрузках, что позволяет рекомендовать ее к внедрению.
Применение протектора способно повысить безотказность оборудования, снизить риск срыва спасательных операций и улучшить безопасность газодымозащитников и пострадавших.
1. Перспективные способы защиты газодымозащитников в непригодной для дыхания среде при выходе из строя их штатных дыхательных аппаратов / Р.А. Кисляков, И.А. Карпова, Ю.Н. Маслов, С.А. Варламкин // Гражданская оборона на страже мира и безопасности: Материалы V Международной научно-практической конференции, посвященной Всемирному дню гражданской обороны. В четырех частях, Москва, 01 марта 2021 года. Том Ч. II. – Москва: Академия Государственной противопожарной службы МЧС Росси, 2021. – С. 100-104. – EDN NHELAX.
2. Прогнозирование параметров работы участников тушения пожара на примере предприятий текстильной промышленности / Б.Б. Гринченко, Р.М. Шипилов, М.О. Баканов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. – 2024. – № 1(409). – С. 164-173. – DOIhttps://doi.org/10.47367/0021-3497_2024_1_164. – EDN MKSWYG.
3. Гринченко, Б.Б. Влияние средств защиты рук газодымозащитников на мышечную силу хвата при эксплуатации спасательного устройства / Б.Б. Гринченко, В.Е. Иванов // Современные проблемы гражданской защиты. – 2025. – № 2(55). – С. 32-39. – EDN WJLRVU.
4. Уарова, А.П. Влияние использования защитной экипировки на мышечную силу кисти рук / А.П. Уарова, А.А. Захаров, М.Г. Колодезникова // Международные спортивные игры «Дети Азии» - фактор продвижения идей Олимпизма и подготовки спортивного резерва: Материалы международной научной конференции, посвященной 20-летию I Международных спортивных игр «Дети Азии» и 120-летию Олимпийского движения в стране, Якутск, 08 июля 2016 года / Под общей редакцией М.Д. Гуляева. – Якутск: ФГБОУ ВО «Чурапчинский государственный институт физической культуры и спорта», 2016. – С. 289-290. – EDN WZCXKR.
5. Доработка конструкции средств индивидуальной защиты рук спасателя и проведение испытаний разработанных образцов с целью определения оптимальной модели / А.С. Лукьянов, Ю.С. Шатилов, Н.В. Цедик, А.А. Старовойтов // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. – 2021. – № 2(50). – С. 171-177. – EDN OXEJXU.
6. Патент № 2595940 C2 Российская Федерация, МПК H02G 15/007, H01R 13/56. Устройство для защиты кабеля от излома и способ изготовления такого устройства: № 2011128536/07: заявл. 11.07.2011: опубл. 27.08.2016 / Й. Шадов, М. Йерг, П. Штирле, М. Лутц; заявитель РОБЕРТ БОШ ГМБХ. – EDN OWTRXX.
7. Патент № 2392714 C2 Российская Федерация, МПК H02G 3/06, F16L 41/00. Защитное устройство от перелома провода: № 2008137556/06: заявл. 22.09.2008: опубл. 20.06.2010 / Г. П. Линхарт, К. Н. Линхарт; заявитель Трупласт Кунстштоффтехник ГмбХ. – EDN DJUXZF.
8. Патент № 2711166 C1 Российская Федерация, МПК F16L 3/01, F16L 3/26. Противоизломный протектор гибкого трубопровода: № 2019107640: заявл. 18.03.2019: опубл. 15.01.2020 / В.М. Смолянов, А.В. Журавлев, Д.В. Новосельцев [и др.]; заявитель Общество с ограниченной ответственностью Компания "Чистые технологии" (ООО Компания "Чистые технологии"). – EDN XKGZYA.
9. Пучков, П.В. Исследование прочностных показателей наиболее нагруженных деталей башенной сушилки с использованием компьютерного моделирования / П.В. Пучков, В.Е. Иванов // Вестник машиностроения. – 2023. – Т. 102, № 1. – С. 85-87. – DOIhttps://doi.org/10.36652/0042-4633-2023-102-1-85-87. – EDN CNFAKE.
10. Пучков, П.В. Разработка конструкции устройства для создания проволочного хомута на соединительной арматуре / П.В. Пучков, В.Е. Иванов, В.П. Зарубин // Современные проблемы гражданской защиты. – 2023. – № 2(47). – С. 107-113. – EDN CDMXBZ.
11. Иванов, В.Е. Использование современных методов исследования при разработке новых конструкций зажимов для восстановления работоспособности напорных пожарных рукавов и оценка их технического состояния на основе компьютерного моделирования / В.Е. Иванов, П.В. Пучков // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2021. – № 3. – С. 114-118. – EDN KJQHFC. DOI: https://doi.org/10.36652/0202-3350-2021-22-3-114-118
