Результат интеллектуальной деятельности: СПАСАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С НАПРАВЛЯЮЩЕЙ, ИМЕЮЩЕЙ ПЕРЕМЕННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА В ПРОДОЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ, И СПОСОБ МАГНИТНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу и устройству для перемещения людей и грузов с высоких сооружений или природных объектов. Изобретение может быть использовано для спасении людей с высотных зданий, скал, отвесных стен в горах и других природных объектов, спуска в шахты, при конструировании лифтов и элеваторов, в строительстве, однако его применение этим не ограничено.

Уровень техники

Для эвакуации людей или грузов с высотных зданий в условиях, когда нормальный выход людей из здания затруднен (отключено электричество, задымление на пожарной лестнице и т.д.), существуют различные устройства. В качестве прототипа принята система спасения на электромагнитном принципе по патенту US8561759.

Суть прототипа состоит в следующем. Человек одевает специальный спасательный жилет с немагнитной металлической пластиной, которая перемещается вдоль вертикальной направляющей, ограничивающей движение в горизонтальных направлениях. На здании, вдоль этой вертикальной направляющей, монтируется вертикальная полоса из постоянных магнитов. При падении вниз металлической пластины в ней индуцируются вихревые токи, на которые действуют пондеромоторные силы, тормозящие падение. При достижении определенной скорости падения тормозящая электромагнитная сила уравновесит силу гравитационного притяжения, и падение продолжится с постоянной скоростью. Движение же в горизонтальных направлениях невозможно из-за фиксации пластины в направляющей.

Недостатки известного способа и устройства заключаются в следующем.

1) Сильные постоянные магниты, установленные по всей высоте здания, создают электромагнитную помеху и влияют на работоспособность бытовой электротехники в здании, а также кардиостимуляторы. Экранировать столь распределенную помеху сложно.

2) Сильные постоянные магниты на здании притягивают различный магнитный мусор (гайки, шурупы, отработанное машинное масло со стальной стружкой и т.д.). При спуске человека этот мусор нарушит нормальное функционирование устройства. Для поддержания работоспособности системы спасения необходимо регулярно чистить полосу из постоянных магнитов от мусора, что непросто, учитывая высоту зданий.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является обеспечение автоматического торможения спасательного устройства без применения тормозных устройств при одновременном устранении необходимости применения множества постоянных магнитов на направляющей, вдоль которой перемещается спасательное устройство.

Задача изобретения решается с помощью спасательного устройства, состоящего из продолговатой направляющей и площадки спуска. Направляющая является электропроводящей, а площадка спуска снабжена постоянными магнитами и выполнена с возможностью перемещения вдоль направляющей с обеспечением взаимодействия постоянных магнитов с направляющей.

Взаимодействие постоянных магнитов с направляющей формирует электромагнитную силу торможения для перемещения площадки спуска вдоль направляющей. Направляющая имеет такие переменные свойства в продольном направлении, что направляющая имеет меньшее электрическое сопротивление (большую электропроводность) у одного конца направляющей, чем у другого конца и/или среднего участка направляющей. Это обеспечивает усиление электромагнитного взаимодействия постоянных магнитов с направляющей при перемещении площадки спуска к концу направляющей, что увеличивает электромагнитную силу торможения и замедляет площадку спуска в конце спуска.

В предпочтительном варианте площадка спуска может содержать механизм стабилизации спуска, ограничивающий перемещения площадки спуска в направлениях, поперечных продольному направлению направляющей. Кроме того, площадка спуска может содержать ползуны или ролики, обеспечивающие перемещение вдоль направляющей. Площадка спуска предпочтительно обеспечивает возможность размещения на ней человека стоя. В некоторых вариантах площадка спуска может содержать индуктор, вырабатывающий электричество с использованием наведённых при перемещении площадки спуска вдоль направляющей вихревых токов, и осветительное устройство, освещающее с использованием электричества, выработанного индуктором.

Постоянные магниты преимущественно могут быть размещены четырьмя группами, попарно распределенными в продольном и поперечном направлениях продольной направляющей. Кроме того, постоянные магниты могут быть размещены попарно и встречно с разных сторон направляющей. В частном случае постоянные магниты могут быть выполнены в виде сборок Халбаха.

В одном из вариантов направляющая может быть выполнена в виде плоского металлического листа и/или с использованием немагнитного металла. Такой металлический лист может быть профилированным в поперечном сечении, причем профиль может иметь часть для взаимодействия с постоянными магнитами и часть для обеспечения перемещения площадки спуска вдоль направляющей. При этом часть для взаимодействия с постоянными магнитами может иметь меньшее сопротивление у одного конца направляющей, чем у другого конца и/или среднего участка направляющей.

В другом варианте направляющая с использованием немагнитного металла может содержать рельс, в котором могут перемещаться ролики или ползуны площадки спуска с ограничением перемещений площадки спуска в направлениях, поперечных продольному направлению продолговатой направляющей. В одном из вариантов осуществления изобретения конец рельса может иметь большую электропроводность, чем другой конец и/или средний участок рельса.

Задача изобретения также решается с помощью способа магнитного торможения спасательного устройства по любому из вышеописанных вариантов, содержащему следующие шаги: помещают площадку спуска на одном (верхнем или в средней части направляющей) конце и обеспечивают расположение постоянных магнитов с заданным зазором от направляющей; запускают перемещение площадки спуска на второй (нижний) конец направляющей; увеличивают силу электромагнитного взаимодействия постоянных магнитов и направляющей при приближении площадки спуска ко второму концу направляющей; затормаживают перемещение площадки спуска.

Способ предпочтительно содержит предварительный шаг установки направляющей таким образом, что первый конец направляющей устанавливают выше второго конца направляющей. Кроме того, что перед запуском перемещения площадки спуска на ней преимущественно размещают спасаемый объект, а перемещение площадки спуска на второй конец направляющей происходит под действием силы тяжести площадки спуска и спасаемого объекта, размещенного на площадке спуска.

Технический результат заключается в обеспечении автоматического замедления площадки спуска на конечном этапе ее спуска, т.е. при перемещении вдоль конечного участка направляющей. Поскольку второй конец направляющей расположен внизу, а на площадке спуска располагается спасаемый объект (человек, животное, груз), при окончании спуска спасаемого объекта спасательное устройство затормаживает его перемещение и спасаемый объект безопасно и комфортно закачивает спуск, что повышает безопасность остановки. Далее спасенный человек без повреждений или потери сознания, вызванных резкой остановкой без применения торможения в соответствии с настоящим изобретением, может покинуть площадку спуска, а само спасательное устройство может быть применено для спасения следующего объекта.

Краткое описание чертежа

На фигуре показана структурная схема спасательного устройства.

Осуществление изобретения

Далее изобретение описано по отношению к фигуре, на которой представлен возможный вариант осуществления изобретения. Описываемые варианты, в том числе показанный на фигуре, не являются ограничивающими объем охраны изобретения и предназначены лишь для пояснения ее сущности. Объем охраны изобретения определяется последующей формулой изобретения.

Для удобства восприятия спасательное устройство изображено и описывается в вертикальном расположении, при котором первый конец направляющей находится наверху, а второй конец направляющей находится внизу, например, у земли. Этот вариант расположения, детально охарактеризованный в описании, не является ограничивающим, поскольку спасательное устройство до эксплуатации может располагаться горизонтально или под наклоном, а приводиться в действие не гравитационными силами, а другими силовыми воздействиями. Таким образом, настоящее изобретение в широком смысле относится к самым разным спасательным устройствам, которые могут быть расположены любым образом и обладают всеми признаками, указанными в независимом пункте формулы изобретения.

На фигуре приведена структурная схема спасательного устройства. Устройство содержит продолговатую направляющую 1 и площадку спуска 2, которая имеет постоянные магниты 4 и может быть снабжена роликами 3. Продолговатая направляющая установлена в вертикальном положении около стены дома, однако такое расположение является не обязательным для реализации, а предпочтительным и позволяющим обеспечить максимум пользы (спасенных жизней и грузов) при ее эксплуатации в экстренных ситуациях, например, таких как пожар. Важно, чтобы один конец направляющей был выше другого конца, чтобы площадка спуска могла перемещаться сверху вниз под действием гравитации без каких-либо источников питания.

Немагнитная направляющая является электропроводящей, что необходимо для возбуждения в ней вихревых токов вследствие перемещения около нее магнитов. Она может быть выполнена, например, с использованием металла, что упрощает ее изготовление, поскольку в таком варианте для ее изготовления потребуются только металлические детали. В другом варианте направляющая может быть выполнена из других материалов, в том числе диэлектрических, но снабжена электропроводящим (например, металлическим) слоем, который может быть создан, например, напылением, приклеиванием фольги или пластин и т.п.

В предпочтительном варианте направляющая выполнена с использование немагнитных металлов, в число которых может входить алюминий, медь, титан, дюралюминий, бронза, немагнитная нержавеющая сталь и др. В случае использования немагнитного металла упрощается конструкция направляющей и/или площадки спуска, поскольку в этом случае отсутствует необходимость обеспечения зазора между постоянными магнитами и направляющей, который обеспечивал бы неприлипание магнитов к направляющей (и, как следствие невозможность их перемещения относительно направляющей), что необходимо для направляющих из ферромагнитных металлов. Например, при использовании немагнитного металла постоянные магниты могут применяться в качестве ползунов, что устраняет применение дополнительных элементов. Кроме того, для немагнитной направляющей отсутствует проблема ее очистки от налипшего магнитного мусора.

В одном из вариантов направляющая может быть выполнена в виде плоского металлического листа. Такой металлический лист может быть профилированным в поперечном сечении, причем профиль может иметь часть для взаимодействия с постоянными магнитами и часть (или несколько частей) для обеспечения перемещения площадки спуска вдоль направляющей. При этом часть для взаимодействия с постоянными магнитами имеет меньшее сопротивление у одного конца направляющей, чем у другого конца и/или среднего участка направляющей, как это объясняется далее.

В другом варианте направляющая может содержать рельс из немагнитного металла. Для взаимодействия с постоянными магнитами может быть предназначена внешняя поверхность головки рельса, а основание может использоваться для крепления рельса, например, к стене дома. Между основанием и головкой рельса находится шейка, около которой образуются углубления, в которых (или в котором) могут перемещаться ролики или ползуны площадки спуска с ограничением перемещений площадки спуска в направлениях, поперечных продольному направлению продолговатой направляющей. Как объяснено далее, конец рельса может иметь меньшее сопротивление, чем другой конец и/или средний участок рельса.

Площадка спуска 2 снабжена постоянными магнитами 4 и перемещается вдоль направляющей 1 с обеспечением взаимодействия постоянных магнитов 4 с направляющей 1.

Постоянные магниты могут входить в состав площадки спуска или прикрепляться к ней на постоянной основе или заменяемым образом. Соединение может быть разъемным или неразъемным, клеевым, винтовым, зажимным, сварным или любым другим, известным из уровня техники.

Постоянные магниты преимущественно могут быть размещены четырьмя группами, попарно распределенными в продольном и поперечном направлениях продольной направляющей, что обеспечивает стабильность положения площадки спуска и магнитов относительно направляющей. Кроме того, постоянные магниты могут быть размещены попарно и встречно с разных сторон направляющей, как это объяснено далее.

В частном случае постоянные магниты могут быть выполнены в виде сборок Халбаха. Такие сборки постоянных магнитов состоят из линейки однородно намагниченных постоянных магнитов, набранных в последовательности, при которой у каждого последующего постоянного магнита его вектор намагничения повернут относительно предыдущего постоянного магнита на фиксированный угол кратный 90°. Обычно этот угол составляет 90° или 45°. Характерной особенностью такой сборки является усиление магнитного поля с одной стороны. Такая сборка постоянных магнитов позволяет увеличить тормозящую силу почти вдвое по сравнению с постоянной ориентацией вектора намагниченности магнитов. Поэтому сборки Халбаха являются предпочтительным вариантом установки магнитных сборок на площадке спуска.

Площадка спуска и направляющая имеют такие взаимодействующие поверхности или формы, которые обеспечивают размещение площадки спуска в непосредственной близости около направляющей и ее перемещение вдоль направляющей. Например, направляющая может быть плоской и снабженной бортиками, которые не дают площадке спуска отдаляться от направляющей. Или площадка спуска может быть снабжена выступами, охватывающими края направляющей и обеспечивающими нахождение площадки спуска около направляющей. В других вариантах площадка спуска может иметь продольное ребро, которое может входить в углубление в направляющей. Кроме того, возможны и другие варианты.

Для избегания возможных в прототипе нежелательных эффектов переворачивания и зацепов в некоторых вариантах осуществления могут быть предусмотрены механизмы автоматической коррекции траектории движения – механический или электромагнитный. Механизм стабилизации спуска ограничивает перемещения площадки спуска в поперечных направлениях. Кроме того, площадка спуска может содержать ползуны или ролики, обеспечивающие перемещение вдоль направляющей.

В первом (механическом) варианте стабилизации движения предлагается изготавливать направляющую из плоского металлического листа, закрепляемого снаружи к стене здания или природного объекта, и рельса, устанавливаемого вдоль металлического листа. Площадка снабжена роликами или ползунами, которые свободно перемещаются в профиле рельса вниз вдоль траектории движения, задаваемой рельсом. В то же время, профиль рельса ограничивает возможности тележки перемещаться в направлениях, перпендикулярных траектории движения.

Во втором (электромагнитном) варианте стабилизации движения предлагается, как и в первом варианте, изготавливать направляющую в виде плоского металлического листа. Однако вместо роликов в профиле рельса, для стабилизации движения предлагается располагать магниты парами по обе стороны листа. Магниты располагают парами (парными группами) так, чтобы приближение одного магнита пары к проводнику означало бы удаление другого магнита пары от проводника. Известно, что сила отталкивания магнита от проводника нелинейно зависит от расстояния магнит-проводник. Следовательно, при приближении одного магнита пары к проводнику, сила, отталкивающая этот магнит, не будет скомпенсирована отталкиванием второго магнита пары, расположенного дальше от проводника. Это означает появление отрицательной обратной связи, автоматически возвращающей отклонившуюся от траектории движения площадку в естественное положение.

Для исключения наклонов достаточно разнести магниты по высоте, т.е. всего иметь (минимум) четыре магнита (группы магнитов).

В то же время необходимо отметить, что площадка спуска и/или направляющая могут и не снабжаться механизмами стабилизации спуска. В таких вариантах обеспечение расположения площадки спуска около направляющей может обеспечиваться ограничителями (бортиками, профилями и т.п.), не дающими площадке спуска отклоняться от направляющей.

Площадка спуска должна располагаться на таком расстоянии от направляющей, чтобы обеспечивалось взаимодействие постоянных магнитов, которыми снабжена площадка, с направляющей. Взаимодействие магнитов с направляющей должно обеспечивать наведение перемещающимися вдоль направляющей постоянными магнитами вихревых токов, достаточных для обеспечения торможения при превышении скорости площадки безопасной величины.

Как известно из электродинамики (см. И.Е. Тамм “Основы теории электричества”, М: Наука, 1989), движение постоянного магнита вызывает появление вихревых токов в расположенных рядом проводниках тока. Величина токов тем больше, чем больше скорость перемещения магнита. Эти вихревые токи создают электромагнитные силы, действующие как на магнит, так и на проводники. А направление сил таково, что они тормозят и отталкивают от проводников движущийся магнит.

Таким образом, при свободном падении площадки, закрепленные на ней постоянные магниты вызывают в направляющей вихревые токи, которые тормозят движение площадки и отталкивают ее от проводника. Скорость спуска ограничена тормозящим эффектом электромагнитных сил, действующих между магнитами и металлическим профилем. Это позволяет сделать спуск гладким, без рывков. Никаких внутренних или внешних источников питания данной системе не требуется.

Скорость движения площадки для заданного диапазона весов спускаемых грузов зависит от суммарного магнитного момента установленных постоянных магнитов и настраивается изменением числа магнитов, без переделки направляющей. Скорость перемещения, регулируемая силой торможения, не должна превосходить известную величину максимальной безопасной скорости движения. Величина максимальной безопасной скорости зависит от области применения (например, может отличаться для транспортировки людей и грузов) и может выбираться оптимальной.

Предлагаемое спасательное устройство работает следующим образом. Площадка спуска предпочтительно обеспечивает возможность размещения на ней человека стоя. Человек становится на площадку спуска, находящуюся на предохранительном стопоре для предотвращения спуска без груза. Под воздействием веса выше заданного предела стопор отключается, и площадка спуска начинает движение вниз под действием силы тяжести. При достижении площадки спуска нижней точки происходит остановка площадки спуска на стопоре.

Подобные спасательные устройства, известные из уровня техники, обладают таким недостатком, как резкая остановка площадки спуска при достижении нижней точки. Это может вызвать травмы или неприятные ощущения у спускающихся людей или животных, а также повредить спускаемые груз.

Для преодоления этого недостатка спасательное устройства в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает замедление скорости перемещения площадки спуска при приближении площадки к нижнему концу направляющей. Для этого направляющая имеет большую электропроводность у одного конца направляющей, чем у другого конца и/или среднего участка направляющей. Благодаря этому при перемещении площадки спуска к нижнему концу направляющей с большей электропроводностью между направляющей и постоянными магнитами происходит более мощное электромагнитное взаимодействие, что увеличивает электромагнитную силу торможения и замедляет площадку спуска в конце спуска.

Например, замена на нижнем участке движения электропроводящего пути материалом с большей электропроводностью (например, замена нержавеющей стали медью) позволяет увеличить тормозящую силу и уменьшить скорость движения площадки на этом участке, что повышает безопасность остановки.

В соответствии с изобретением магнитное торможение спасательного устройства осуществляется следующим образом. Площадка спуска помещается на первом (верхнем) конце или в средней части направляющей и постоянные магниты располагаются с заданным зазором от направляющей. Зазор задается с учетом необходимости обеспечения такого электромагнитного тормозящего взаимодействия постоянных магнитов и направляющей, при котором будет обеспечена комфортная и/или безопасная скорость спуска площадки с грузом, человеком или животным. Далее запускают перемещение площадки спуска на второй (нижний) конец направляющей. По мере спуска площадки, при приближении площадки спуска ко второму концу направляющей, увеличивается сила электромагнитного взаимодействия постоянных магнитов и направляющей за счет увеличенной электропроводности направляющей, и это затормаживает перемещение площадки спуска (т.е. замедляет ее перемещение, уменьшает ее скорость).

Благодаря настоящему изобретению на конечном этапе спуска площадки, т.е. при перемещении вдоль участка направляющей, прилегающего ко второму концу, происходит ее замедление. Поскольку второй конец направляющей в процессе штатной эксплуатации расположен внизу, а на площадке спуска располагается спасаемый объект (человек, животное, груз), при окончании спуска спасаемого объекта спасательное устройство затормаживает его перемещение и спасаемый объект безопасно и комфортно закачивает спуск, что повышает безопасность остановки. Далее спасенный человек без повреждений или потери сознания, вызванных резкой остановкой без применения торможения в соответствии с настоящим изобретением, может покинуть площадку спуска, а само спасательное устройство может быть применено для спасения следующего объекта. Замедление происходит автономно и автоматически, вследствие того, что электрическое сопротивление направляющей на одном (нижнем) и другом конце отличается.

Спускаемое устройство может быть выполнено, например, в виде плоской площадки или кабинки. Спасательное устройство может работать без груза, но перед запуском перемещения площадки спуска на ней преимущественно размещают спасаемый объект, а перемещение площадки спуска на второй конец направляющей происходит под действием силы тяжести площадки спуска и спасаемого объекта, размещенного на площадке спуска.

Что касается магнитной помехи, она будет меньше, чем в прототипе, по ряду причин. Во-первых, спасательные устройства можно хранить компактно на чердаке или крыше здания. Во-вторых, помещение, где хранятся спасательные устройства, можно экранировать, например, обив стальным листом. В-третьих, общее количество магнитов должно быть меньше, чем в прототипе.

Следовательно, данная система сохраняет все преимущества прототипа перед традиционно используемыми системами спасения: компактность, энергонезависимость, простота использования, возможность установки на новые и уже существующие высотные сооружения или отвесные обрывы в горах или скалах.

При этом предлагаемая система избавлена от недостатков прототипа.

В некоторых вариантах для повышения безопасности площадка спуска может содержать индуктор, вырабатывающий электричество с использованием наведённых при перемещении площадки спуска вдоль направляющей вихревых токов, и осветительное устройство, освещающее с использованием электричества, выработанного индуктором. Индукторы будут переводить наведённые вихревые токи в электричество для освещения площадки спуска. Для подобной системы не требуется химических источников тока и поэтому срок хранения ограничивается только сроком деградации изоляции и светодиодных источников света. Выбор различной формы и материалов проводящих металлических дорожек вдоль пути позволяет регулировать скорость движения груза вдоль траектории движения.