Восточно-казахстанский оперативно-спасательный отряд восточно-кахахстанский клуб спелеологов “сумган” автоматическая страховка в горах и пещерах




страница1/10
Дата13.06.2016
Размер2.13 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ОПЕРАТИВНО-СПАСАТЕЛЬНЫЙ ОТРЯД
ВОСТОЧНО-КАХАХСТАНСКИЙ КЛУБ СПЕЛЕОЛОГОВ “СУМГАН”

АВТОМАТИЧЕСКАЯ СТРАХОВКА В ГОРАХ И ПЕЩЕРАХ
Константин.Б.Серафимов

www.sumgan.com

Усть-Каменогорск  1985-1996


Предисловие - 2006 год
Эту работу я начал под впечатлением от встречи с Виталием Михайловичем Абалаковым в 1983 году на Третьем слете туристов Казахстана в Кар-Каралинске. Именно тогда я увидел его фрикционный амортизатор, а он в свою очередь вынес неутешительный приговор нашему "Пакетному ленточному амортизатору". В общем, захотелось разобраться.

С той поры прошло более 20 лет. Я периодически возвращался к теме, упорядочивая отдельные моменты, но сама работа оставалась неопубликованной даже среди ближнего круга.

Отправляясь по любезному приглашению Уральской Спелеологической Ассоциации на традиционный Матч городов Урала, решил привезти с собой и этот, казалось бы, давно уже готовый материал, но обнаружил, что за истекшие годы в мире амортизаторов появились некоторые новинки, и в некогда понятных вещах проявились новые вопросы. Но доделывать любую работу можно бесконечно. Поэтому пока - это то, что удалось сделать.

В проделаны расчетах главное не численные результаты, а методика, которая мне кажется достаточно интересной.

А выводы каждый сделает сам.
Константин Серафимов

Все действия по обеспечению безопасности

следует предпринимать не под влиянием

психологического состояния, порожденного

"смертельной опасностью", а из сознания

того, что они неразрывно связаны с

альпинизмом как спортом и что без них он

не может существовать.


Герман Хубер
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время существует довольно много публикаций и переводов, в которых в той или иной степени рассматриваются вопросы обеспечения безопасности в спортивных походах и восхождениях с помощью правильной организации и выполнения приемов само и взаимостраховки. Мной рассмотрены лишь последние из них, вышедшие не позднее 1980 года в издательстве "Физкультура и спорт" (см.раздел "Литература") и касающиеся альпинизма, а также вся доступная литература, ориентированная на спелеологов, туристов и спасателей. Анализ показал крайне слабое внимание к вопросам страховки в туристской и спелеолитературе, в то время как разработок для спасателей пока и вовсе не существует. Такое состояние дел не может не вызвать беспокойства, ибо слова известного альпиниста Германа Хубера, взятые эпиграфом к работе, справедливы ко всем видам экстремальной деятельности на вертикалях.

Следует отметить, что из всех приключенческих видов спорта и туризма (даже по сравнению с альпинизмом), именно в кейвинге (от английского "cave"  пещера) находит применение наиболее широкий арсенал средств, форм, типов и технических вариантов страховки (в частности применение советскими спелеотуристами троса в качестве линейной опоры для самостраховки). Это же положение справедливо по отношению к проведению специальных видов спасательных работ с использованием вертикальной техники.

В то же время подавляющее большинство работающих на вертикалях имеют весьма смутное представление и физической сущности процессов, происходящих при страховке во всех звеньях страховочной цепи. Не обладают необходимым объемом знаний и многие инструкторы, призванные обучать вертикальщиков всех мастей. Это не удивительно, потому что даже в специальной книге, предназначенной в качестве методического пособия для подготовки спортсменов-альпинистов, а именно: "Инструктору альпинизма" П.П.Захарова, приведенные формулы по физической сущности страховки, мягко говоря, несколько некорректны. В методических пособиях по спелео нет и этого. В тех же работах, где описание физических процессов, протекающих при страховке, изложены достаточно верно, сам математический аппарат, за счет неподробного изложения, недоговорок, опечаток и упущений, весьма труден для восприятия, а тем более для последующего доступного изложения перед аудиторией.
На практике овладение приемами страховки на вертикалях происходит чаще всего путем простого подражания действиям инструктора, а знания сводятся к вере в его слова. В результате  горький путь ошибок, порой трагических.

П.П. Захаров справедливо замечает:


"К сожалению, методика овладения всеми приемами..., еще ждет своей разработки, если не считать примитивных упражнений на скалах или учебном стенде по удержанию "чурки" и, наверное, сознательное понимание этого процесса (удержание сорвавшегося) поможет ее ускорить."
Цель настоящей работы  изложение вопросов физической сущности процессов, протекающих при страховке, в более полной, доступной пониманию форме на основе имеющейся в распоряжении советской и зарубежной литературы, а также собственных расчетов, испытаний, опыта и конструктивных решений.

Особое внимание уделено вопросам автоматической страховки как наиболее прогрессивного направления в области обеспечения безопасности при работе со статическими линейными опорами, какими, в частности, являются современные спасательные веревки на основе кевлара и стальной трос, если таковым придется воспользоваться с целью страховки.

Загруженность первой части настоящей работы математическими выкладками рассчитана на въедливых и вдумчивых “спецов”, кому недостаточно услышать, а хочется проверить и просчитать самому. Если кому-либо захочется уточнить некоторые расчеты и детали, заметить ошибки или неточности  это будет замечательно и полезно для нашего дела. В то же время математика предельно упрощена, оставаясь на уровне курса физики средней школы.
Пускаясь в путь по закоулкам автоматической страховки, выражаю искреннюю благодарность моим товарищам по спелео, с кем мне было приятно работать не только в пещерах, но и в размышлениях за письменным столом:
­- АНАТОЛИЮ АЛЕКСЕЕВИЧУ КАПУСТЯНУ - технические консультации;

- ВИКТОРУ ГЕОРГИЕВИЧУ ФИТИСОВУ, ВЛАДУ ЕРЕМЕЕВУ - испытания на прочность;

- ШЫНГЫСУ ГАББАСОВИЧУ ДЮЙСЕКИНУ - изготовление образцов снаряжения.

1. ПРОНИКНОВЕНИЕ В СУТЬ

"...Использовать технику, без понимания ее

тонкостей, столь же опасно, как и вращать

педали велосипеда, не умея справиться с рулем."



А.Жалов

Слова председателя Болгарской Федерации Пещерного Дела Алексея Жалова как нельзя более точно отражают положение дел в экстремальных видах деятельности, связанных с использованием линейных опор, когда редкий спортсмен или спасатель имеет достаточно разностороннюю техническую и теоретическую подготовку, для того чтобы совершать свои действия по обеспечению само и взаимостраховки осмысленно.

Стоит провести простейший опрос или тестирование, чтобы убедиться, что редкий представитель работающих на вертикалях может сколько-нибудь внятно и правильно объяснить физическую сущность выполняемых им действий при страховке. Наибольшее распространение имеют простейшие, если не сказать, примитивнейшие, способы страховки партнера и самостраховки, выполняемые зачастую с нарушениями правил безопасности  когда из-за недооценки ситуации, а чаще из-за элементарной безграмотности. Например, до сих пор у большинства спортсменов среднего уровня существует представление о безопасности малых отвесов и увеличении силы динамического рывка на веревку с увеличением глубины падения, что в корне не верно.

Причинами здесь  с одной стороны, неумение и нежелание учиться чему-либо, приобретенное еще в школьные годы  яркое свидетельство низкой общей культуры человека. С другой стороны  отсутствие до последнего времени специальной литературы, могущей послужить источником знаний для заинтересованных в этом любителей вертикали и инструкторов. Поверхностное описание правил выполнения тех или иных приемов страховки не дает глубины понимания их физической сущности. В итоге  ошибки при изменении ситуации от стандартной.

Настоящий мастер всегда будет стремиться к большему знанию и к дальнейшему совершенству, каких бы высот профессии он ни достиг.

1.1. К ВОПРОСУ О ВЫБРАННЫХ БУКВЕННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЯХ
При сопоставлении аналогичных материалов в изученной с целью анализа литературе, я столкнулся с большим разнобоем выбранных авторами буквенных обозначений для одних и тех же физических величин. Например, относительное удлинение веревки обозначалось f (Л-5), Fср(Л-3), L (Л-4) и т.п.
Поэтому мной выбраны буквенные обозначения, наиболее употребляемые в проанализированной литературе.

1.2. ВОПРОС О МАКСИМАЛЬНЫХ НАГРУЗКАХ В СТРАХОВОЧНОЙ ЦЕПИ
Страховочная цепь  это комплекс связанных между собой материальных объектов, участвующих в осуществлении страховки. В наиболее простом случае страховочная цепь состоит всего из трех элементов: страхующий  веревка  страхуемый.

1.2.1. СТАТИКО  ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА
Этот метод применен и достаточно доступно изложен в литературе Л-11 и Л-52. И все же мы позволим себе проследить весь ход рассуждений.

Для упрощения расчетов возьмем случай срыва во время движения по отвесной стене в тот момент, когда спортсмен поднялся на некоторую высоту над точкой А, в которой намертво закреплена страхующая веревка (Рис.1)


Обозначим:

h [м]  выход над точкой страховки;

l [м]  длина веревки от точки А до страхуемого.

Рис.1 Схема падения
После срыва со стены человек совершит свободное падение на глубину:
Н = h + l [м] (1)
После этого начнет растягиваться веревка и будет растягиваться, тормозя падение, в оптимальном случае, до полной остановки падающего.

За это время удлинение веревки вырастет от 0 до некоторого значения l [м].

Суммарный путь, который пролетит сорвавшийся, будет равен:
Н = h + l + l [м] (2)
Изменение потенциальной энергии падающего тела будет равно:
Е == G(h + l + l) [кГм] (3)
где G вес падающего тела [кГ]
Во что же преобразуется эта энергия?

Если в первом приближении пренебречь потерями энергии на затягивание узлов, деформацию карабинов, обвязок, тела человека, то есть всех элементов страховочной цепи, кроме веревки, то очевидно, что энергия падающего тела будет затрачена лишь на растяжение веревки от 0 до l.


Значит, энергия падения будет равна энергии деформации веревки и равна работе силы торможения падения (в данном случае силы натяжения веревки) на пути удлинения веревки l.

Сила натяжения веревки Р будет изменяться по некоторому нелинейному закону от 0 до Рmax в конечной точке падения, где скорость тела станет равна 0.


Приближенно:
Еторм = Fср l = 1/2Рmax l = G(h + l + l) [кГм] (4)
где: Fср  некоторая средняя сила торможения.
Тогда:
Рmax = 2G(h + l + l)/l [кГ] (5)

Преобразуем (5) через введение коэффициентов:

а) фактор падения f = (h + l)/l (6)

Фактор падения определяет отношение величины свободного падения к длине участвующей в удержании падения веревки от точки закрепления до сорвавшегося.

б) Относительное удлинение веревки = l/l (7)

Относительное удлинение характеризует механические упругие свойства веревки и равно удлинению каждого метра веревки.

Получим:
Рmax = 2G(f/ + 1) [кГ] (8)

Из формулы (8) видим, что максимальные усилия, возникающие при срыве, зависят только от массы сорвавшегося, фактора падения (то есть состояния системы: падающийверевкаточка ее закрепления), и от упругих свойств самой веревки, но не зависят впрямую от высоты падения (Л-5).


В каких пределах изменяются величины, влияющие на максимальные нагрузки в страховочной цепи?
а) Вес человека в снаряжении может изменяться от 60 до 100 и более килограммов. Для расчетов примем: G = 80 кГ.
а) Фактор падения (рывка):

f = 0, в случае жесткой верхней страховки;

f = 1, в случае срыва от точки закрепления веревки;

f = 2, в случае срыва в момент выхода над точкой закрепления на высоту h = l;

f > 2, в случае частичного выбирания веревки во время свободного падения сорвавшегося из предыдущего положения;
в) Относительное удлинение веревки зависит от ее физических характеристик (материал, структура, степень износа и т.п.), а также от скорости приложения нагрузки (см. Приложение "Энергоемкость веревок").

Максимальные значения для отечественных веревок промышленного назначения, как правило, не превышают max = 0,150,25.


(Примечание: рассматривались рыбацкие фалы, широко используемые в спелеологии и других видах туризма в качестве линейных опор)
Проведем расчет для самых неблагоприятных условий, подставив значения f = 2 и max = 0,15 в формулу (8).
Получим:
Pmax = 80 х 2(2 : 0,15) + 1 = 2293 [кГ] !
Таким образом, сила рывка в рассматриваемых условиях может значительно превышать прочность веревки даже при незначительных по высоте падения срывах. Тем более, что она не зависит в прямую от высоты падения, а определяется только его фактором и динамическими качествами веревки.

1.2.2. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА
Статико-динамический расчет показывает, что энергия падающего тела, проявляющаяся через силу рывка, может значительно превышать способность веревки поглотить эту энергию и остановить падение. В этом случае неминуем разрыв страховочной цепи в самом слабом ее месте. Чтобы этого не произошло, нагрузки, возникающие в страховочной цепи, не должны превышать ее прочность. Однако даже не превышая прочности страховочной цепи, динамические нагрузки могут оказаться столь высоки, что приведут к травме страхуемого.

Испытаниями в области парашютизма установлено, что при наличии соответствующего снаряжения человеческий организм может выдержать кратковременные нагрузки до 1200 кГ. Но это очень высокие перегрузки, не оставляющие сколько-нибудь приятных ощущений у тех, кто смог им противостоять.

Нормами безопасности определено, что исходя из обеспечения сохранности самого ненадежного звена страховочной цепи - скальных крючьев, сила натяжения веревки, эквивалентная силе торможения падающего тела, должна находиться в пределах:
Fторм = 200-300 кГ.
Конечно, если говорить о шлямбурных крючьях, их устойчивость оценивается примерно в 1000 кГ. Но и в этом случае тормозящее усилие в 300 кГ не будет слишком мало, так как создаст перегрузку для страхуемого в 4-5 раз, а это уже чувствительно.
За счет чего можно добиться торможения с такой силой?

Прежде всего, за счет увеличения тормозного пути.

Рассмотрим равенство:
Sпад = Sp + Sторм (9)
где:

Sпад  путь падающего тела от срыва до остановки [м];

Sр  путь разгона до начала торможения [м];

Sторм  путь торможения до полной остановки падения [м].
Путь разгона равен:

Sp = Vp х tp = g х tp2/2 [м] (10)
где:

Vp  скорость разгона [м/сек];

tp  время разгона, то есть время свободного падения [сек];

g = 9,8 [м/сек2]  ускорение свободного падения.
Путь торможения равен:

Sт = Vт tт = ат tт2/2 [м] (11)
где:

Vт [м/сек], t [сек]  соответственно скорость и время торможения;

ат  ускорение торможения [м/сек2].
Кинетическая энергия разгона свободно падающего тела будет равна:

Wp =(mVp2)/2 =(mSp2)/2tp (12)
где: m  масса падающего тела [кГ].
Кинетическая энергия торможения:
Wт =(mVт2)/2 = (mSт2)/2tp (13)
Так как в итоге тело останавливается, справедливо равенство:
Wр  Wт = 0 (14)
Подставив (10) и (11) соответственно в (12) и (13) и далее все в (14), получим:
(mSр2)/2tp = (mSр2)/2tp
или gtр = ат tт (15)
Задаваясь силой торможения Fт = ат m порядка 300 [кГ], мы тем самым, при известной массе падающего тела, задаем величину ускорения торможения ат.
Отношение ат/g = Кп называется коэффициентом перегрузки и характеризует отношение силы торможения к весу падающего тела.
Примем для удобства расчета силу торможения Fт = 320 кГ,

тогда коэффициент перегрузки будет равен:


Кп = ат/g = Fт/G = 320/80 = 4,
то есть: ат = 4g
Путь разгона при h = l [м] равен Sр = h + l = 2 [м].
Чему же будет равен необходимый путь торможения?

Подставив в (11) необходимые величины и выполнив преобразования, получим:


Sт = ат tт2/2 = g2 tр2/2Кпg = 2Sрg/g2Кп = Sр/Кп [м]
то есть: Sт = Sр/Кп [м] (16)
Это означает, что при падении, например, с высоты 1 м над точкой закрепления веревки и заданном коэффициенте перегрузки Кп = 4 необходимый путь торможения будет равен:
Sт1м = 2/4 = 0,5 [м].
Необходимый путь торможения будет складываться из:
Sт = Sв + Sам [м], (17)
где: Sв = l = l [м]  удлинение веревки при рывке, определяемое динамическими свойствами веревки.
В нашем примере, при max = 0,15, l = 0,15 х l = 0,15 [м],

то есть, как и было показано ранее, упругих свойств веревки не хватает для полного поглощения энергии падающего тела.


Sам  дополнительный путь торможения, на котором поглощается (амортизируется) оставшаяся (не поглощенная веревкой) энергия падения и который обеспечивается комплексом технических мер страховки (протравливание веревки страхующим или погашение энергии в амортизирующим страховочном устройстве).
Перепишем выражение (17) в относительных величинах:
Sт/l = Sв/l + Sам/l

или
т = в + ам (18)


Это означает, что относительный путь торможения т (необходимый путь торможения падения на каждый метр рабочей длины веревки) равен сумме максимального в заданных условиях относительного упругого удлинения веревки в и, так называемого, коэффициента амортизации ам.
Предпринимаемые нами меры страховки и призваны обеспечить необходимую величину амортизации энергии падения.

1.2.3. ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА
Рассмотрим, за счет чего в реальных условиях происходит амортизация энергии падения, развиваемой падающим телом при срыве.
а) Часть энергии поглощает страховочная веревка за счет своей деформации (растяжения).
Зависимость усилия (Р), возникающего при этом в веревке, от ее удлинения называется механической характеристикой веревки (Рис.2):
Pв[кг] = ([%]) или Pв[кг] = (l[м])

Рис.2 Механическая характеристика советской

альпинистской веревки диаметром 10 мм (по Л-43)


б) Часть энергии поглощается при деформации остального страховочного снаряжения: обвязок, карабинов и т.п., а так же телом сорвавшегося человека. Установить эту зависимость можно только эмпирически, поэтому в дальнейшем воспользуемся экспериментальной механической характеристикой нагрузок на человека в подвесной системе (грудной пояс сблокирован с беседкой) в функции от деформации (удлинения) страхующей веревки (Рис.3):
Pчел[кг] = (l[м])

Рис.3 Механическая характеристика нагрузок на человека

в подвесной системе (беседка и грудной пояс) по Л-44


в) Часть энергии может компенсироваться при трении тела о рельеф. В случае свободного падения она равна 0.
г) Часть энергии амортизируется за счет деформации точки закрепления веревки, но в случае абсолютно жесткой опоры (глыба и т.п.) ею можно пренебречь.
Если рассматривать вариант жесткой статической страховки  это все. Такие факторы как торможение воздухом здесь можно не рассматривать.

Построим механическую характеристику страховочной цепи, пользуясь методом, предложенным в Л-45. При этом были предложены следующие допущения:


а) Пренебрегаем торможением человека о воздух, так как в большинстве случаев при падении сорвавшегося, максимальная линейная скорость падения не превышает 10 - 15 м/сек.

б) Веревка нагружается равномерно и не работает на срез.

в) Рассматривается новая веревка, механическая характеристика которой показана на рисунке 2.

г) Расчетный вес человека  80 кГ.

д) Падение происходит в направлении близком к вертикали.

е) Схема нагружения веревки соответствует наихудшему случаю жесткого закрепления веревки без протравливания.

ж) При расчетах принимается характеристика нагрузок на человека в подвесной системе, показанная на Рис.3.
Проведем расчет.

1) Зная общую механическую характеристику веревки:


Pв[кг] = (l[м])
как функцию возникающих нагрузок от ее удлинения (Рис.2), строим частные механические характеристики веревки, задавая значения ее длины:

l = 1; 2; 3; 4; 5 [м], и получая, соответствующие кривые (Рис.4).

Рис.4 Порядок построения механической характеристики

страховочной цепи Pmax = ( ln )
2) Переносим на полученный график механическую характеристику нагрузок на человека в подвесной системе в функции от удлинения веревки:

Pчел[кг] = (l[м])

3) Складываем графически функции:


Pв l=1 = (l) и Pчел = (l);

Pв l=2 = (l) и Pчел = (l);

Pв l=3 = (l) и Pчел = (l);
и так далее для значений l = 1; 2; 3; 4; 5; [м].
В результате получаем кривые механических характеристик всей страховочной цепи:
(P1; P2; P3; ... P5 ) = (l);
4) Поглощаемая страховочной цепью энергия падения (Еп) компенсируется, переходя в энергию торможения (Ет) до тех пор, пока падающее тело не остановится, то есть не возникнет равенство:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница