employee from 01.01.2024 until now
Ivanovo, Ivanovo, Russian Federation
Russian Federation
UDC 004.023
This article examines the failure of quick-release couplings in hooded rescue devices at the nozzle-hose junction when connected to compressed air breathing apparatus in non-breathable environments. It has been established that the use of personal hand protection significantly reduces the muscular strength and tactile sensitivity of smoke and gas protection workers, leading to kinking and damage to the hoses at the connection point. To address this issue, the authors developed a specialized anti-kink protector that protects the nozzle-hose junction from mechanical overload. A finite element strength analysis of the design confirmed its strength under operating loads. A prototype anti-kink protector was manufactured using additive manufacturing. The practical significance of this work lies in increasing the fault tolerance of equipment and addressing the issue of ensuring evacuation, rescue, and human behavior at protected sites. A study was conducted at the indoor sports complex of the Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia to evaluate the practical application of a break-resistant protector. Experimental studies, both with and without a break-resistant protector, revealed that the presence of a break-resistant protector on the quick-release coupling of a rescue device reduces the failure rate from 31% to 2%, a reduction of more than 15 times.
emergency rescue operations, rescue device, quick-release coupling, anti-kink protector, strength analysis, design, finite element analysis
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. Promising methods of protecting gas and smoke protection workers in an environment unsuitable for breathing in the event of failure of their standard breathing apparatus / R.A. Kislyakov, I.A. Karpova, Yu.N. Maslov, S.A. Varlamkin // Civil Defense on Guard of Peace and Security: Proceedings of the V International Scientific and Practical Conference dedicated to the World Civil Defense Day. In four parts, Moscow, March 1, 2021. Vol. Part II. - Moscow: Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2021. - Pp. 100-104. - EDN NHELAX.
2. Forecasting the performance parameters of fire extinguishing participants using the example of textile industry enterprises / B.B. Grinchenko, R.M. Shipilov, M.O. Bakanov [et al.] // News of higher educational institutions. Technology of the textile industry. – 2024. – No. 1(409). – P. 164-173. – DOIhttps://doi.org/10.47367/0021-3497_2024_1_164. – EDN MKSWYG.
3. Grinchenko, B. B. The influence of hand protection equipment of gas and smoke protectors on the muscular grip strength when operating a rescue device / B. B. Grinchenko, V. E. Ivanov // Modern problems of civil defense. – 2025. – No. 2(55). – P. 32-39. – EDN WJLRVU.
4. Uarova, A.P. The influence of the use of protective equipment on the muscular strength of the hand / A.P. Uarova, A.A. Zakharov, M.G. Kolodeznikova // International Sports Games "Children of Asia" - a factor in promoting the ideas of Olympism and training a sports reserve: Proceedings of the international scientific conference dedicated to the 20th anniversary of the 1st International Sports Games "Children of Asia" and the 120th anniversary of the Olympic movement in the country, Yakutsk, July 8, 2016 / General editorship of M.D. Gulyaev. - Yakutsk: FSBEI VO "Churapchinsky State Institute of Physical Culture and Sports", 2016. - Pp. 289-290. - EDN WZCXKR.
5. Refinement of the design of personal protective equipment for rescuers' hands and testing of the developed samples in order to determine the optimal model / A.S. Lukyanov, Yu.S. Shatilov, N.V. Tsedik, A.A. Starovoytov // Emergencies: prevention and liquidation. - 2021. - No. 2 (50). – P. 171-177. – EDN OXEJXU.
6. Patent No. 2595940 C2 Russian Federation, IPC H02G 15/007, H01R 13/56. Device for protecting cable from bending and method of manufacturing such device: No. 2011128536/07: declared 11.07.2011: published 27.08.2016 / J. Schadow, M. Jörg, P. Stierle, M. Lutz; applicant ROBERT BOSCH GMBH. – EDN OWTRXX.
7. Patent No. 2392714 C2 Russian Federation, IPC H02G 3/06, F16L 41/00. Protective device against wire fracture: No. 2008137556/06: declared 22.09.2008: published 20.06.2010 / G. P. Linhart, K. N. Linhart; applicant Truplast Kunststofftechnik GmbH. – EDN DJUXZF.
8. Patent No. 2711166 C1 Russian Federation, IPC F16L 3/01, F16L 3/26. Anti-kink protector for flexible pipeline: No. 2019107640: declared 18.03.2019: published 15.01.2020 / V. M. Smolyanov, A. V. Zhuravlev, D. V. Novoseltsev [et al.]; Applicant Limited Liability Company Clean Technologies (LLC Clean Technologies). – EDN XKGZYA.
9. Puchkov, P. V. Study of strength properties of the most loaded parts of a tower dryer using computer modeling / P. V. Puchkov, V. E. Ivanov // Bulletin of Mechanical Engineering. – 2023. – Vol. 102, No. 1. – Pp. 85-87. – DOIhttps://doi.org/10.36652/0042-4633-2023-102-1-85-87. – EDN CNFAKE.
10. Puchkov, P. V. Development of the design of a device for creating a wire clamp on connecting fittings / P. V. Puchkov, V. E. Ivanov, V. P. Zarubin // Modern problems of civil defense. – 2023. – No. 2(47). – P. 107-113. – EDN CDMXBZ.
11. Ivanov, V. E. Use of modern research methods in the development of new designs of clamps for restoring the operability of pressure fire hoses and assessment of their technical condition based on computer modeling / V. E. Ivanov, P. V. Puchkov // Assembly in mechanical engineering, instrument making. – 2021. – No. 3. – P. 114-118. – EDN KJQHFC. DOI: https://doi.org/10.36652/0202-3350-2021-22-3-114-118
