CN112236202B - 防切割前缘防坠落系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种防坠落系统，包括：绳索伸缩装置，绳索伸缩装置具有安全索；能量吸收器，能量吸收器构造为用于连接至安全索的终端；以及保护带，保护带构造为用于连接至能量吸收器，使得能量吸收器设置在安全索的终端与保护带之间。安全索选择为具有预定平均断裂力，预定平均断裂力具有第一标准差，并且能量吸收器选择为具有预定平均展开力，预定平均展开力具有第二标准差。安全索的平均断裂力和能量吸收器的平均展开力在第一标准差和第二标准差的重叠区域上重叠。重叠区域的重叠平均力与重叠区域的重叠标准差的比率小于或等于6。

Description

防切割前缘防坠落系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年4月4日提交的美国申请No.16/375,586和于2018年4月6日提交的美国临时申请No.62/653,995的优先权，上述申请的公开内容通过引用整体并入于此。
技术领域
本公开总体上涉及防坠落系统，并且特别地涉及具有绳索伸缩装置的防坠落系统和方法，该绳索伸缩装置诸如是防坠落/受控下降装置或具有能量吸收器的自伸缩系索，其可以与保护带结合使用以在突然加速的防坠落事件中保护穿戴者，以及一种防切割防坠落系统，该系统构造为在坠落事件中防止安全索在前缘上撕裂。
背景技术
如所属领域已知的，存在各种防坠落系统以在某些情况下为穿戴者提供帮助或确保穿戴者的安全。这种防坠落系统有多种形式，包括但不限于用于与保护带和能量吸收器结合使用的绳索伸缩装置。在一些实施例或方面中，绳索伸缩装置的一端连接至锚固点，并且相对端连接至能量吸收器，能量吸收器又进而连接至保护带。在其它实施例或方面中，绳索伸缩装置的相对端直接连接至保护带，其中，能量吸收器装置与绳索伸缩装置或保护带一体形成。
在一些示例中，绳索伸缩装置可以是系索的形式，诸如自伸缩系索(SRL)。SRL具有许多工业最终用途，包括但不限于建筑、制造、危险材料/修复、石棉治理、喷漆、喷砂、焊接、采矿、许多油气工业应用、电力和公共设施、核能、纸和纸浆、砂磨、研磨、舞台索具、屋顶、脚手架、电信、汽车修理和组装、仓储和铁路建设。
在一些应用中，SRL在一端处附接至锚固点，并且在另一端处附接至能量吸收器，能量吸收器与由使用者穿戴的保护带连接或直接与该保护带一体形成。SRL具有壳体，壳体包括可旋转滚筒和制动机构，可旋转滚筒具有卷绕在滚筒上的安全索，并且制动机构用于控制滚筒的旋转以及由此导致的安全索从滚筒上退绕或卷绕到滚筒中。当有意施加一定水平的张力时，滚筒可以沿第一方向旋转以从壳体退绕(或“放出”)安全索。当张力减小或被释放时，滚筒可以沿相反方向缓慢旋转，从而使安全索缩回或重绕至滚筒上。以这种方式，使用者可以在工作场地四周移动而不会使安全索拖在后面并妨碍使用者的移动。
SRL的制动机构构造为在安全索退绕过快时减慢和停止滚筒的旋转。例如，当转速超过正常退绕的预定最大速度时，可以激活制动机构以制动(即减慢并最终停止)滚筒的旋转。安全索以超过正常放出的速度突然退绕，这指示使用者经历了需要停止或阻止的坠落。如果这种意外偶然坠落开始，SRL壳体中的制动机构构造为接合安全索并停止安全索的进一步退绕，从而阻止使用者进一步坠落。
除了由SRL提供的防坠落动作之外，能量吸收器还构造为当在SRL与保护带之间的安全索上的力超过预定阈值时激活，以足够缓慢地阻止坠落以防止对使用者造成伤害。由SRL制动器和能量吸收器提供的停止力与停止距离成反比，即力越大，距离越短，反之亦然。因此，该力不能超过预定最大值(由工业标准设定)，但又必须足够大，以使得停止距离不超过预定最大值(也由工业标准设定)。
许多坠落发生在工作面的边缘，导致SRL的安全索在前缘上弯曲。在这种情况下，如果能量吸收器没有定位在使用者与前缘之间，则存在下述风险：当使用者的重量由将使用者附接至锚固点的保护带和安全索支撑时，使用者将暴露于因使用者的身体突然减速而引起的危险的大力。在极端情况下，安全索上的力可能超过安全索的抗张强度，导致安全索断裂。例如，这可能会因为安全索围绕前缘弯曲或变形而发生。
因此，本领域需要一种能够解决与现有防坠落系统相关的某些缺点和缺陷的改进防坠落系统。例如，需要一种能够在发生坠落事件的情况下防止安全索在前缘上撕裂的改进防坠落系统。还需要一种在工作场地具有增加的安全顺应性，并且在坠落的情况下为使用者提供更有效、更安全支撑的改进防坠落系统。
发明内容
总体上，提供了一种用于与由使用者穿戴的保护带一起使用的改进防坠落系统，该系统具有自伸缩系索和能量吸收元件。优选地，提供了一种用于与SRL一起使用，以防止在发生坠落事件时安全索在前缘撕裂的改进防坠落系统，该系统具有由防切割扁平织带材料制成的自伸缩系索和能量吸收元件。优选地，提供了一种使得工作场地的安全顺应性增加，并且在发生坠落的情况下为使用者提供增加的安全性的改进防坠落系统。
在一些非限制性实施例或方面中，提供了一种防坠落系统，该系统具有绳索伸缩装置，绳索伸缩装置构造为用于连接至锚固点，绳索伸缩装置具有安全索。防坠落系统可以进一步具有能量吸收器，能量吸收器构造为用于连接至安全索的终端，以及保护带，保护带构造为用于连接至能量吸收器，使得能量吸收器设置在安全索的终端与保护带之间。安全索可以选择为具有预定平均断裂力，预定平均断裂力具有第一标准差，并且能量吸收器可以选择为具有预定平均展开力，预定平均展开力具有第二标准差。安全索的平均断裂力和能量吸收器的平均展开力可以在第一标准差和第二标准差的重叠区域上重叠。重叠区域的重叠平均力与重叠区域的重叠标准差的比率可以小于或等于6。
在一些非限制性实施例或方面中，重叠平均力可以基于安全索的平均断裂力与能量吸收器的平均展开力之间的差异。重叠标准差可以基于第一标准差和第二标准差的平方和。重叠平均力和重叠标准差的正态分布可以大于零。
在一些非限制性实施例或方面中，安全索可以由扁平织带材料制成。扁平织带材料可以是编织材料。能量吸收器可以是撕裂带，该撕裂带具有由滚边线织在一起的两个承重织带部件。能量吸收器可以是撕裂带，该撕裂带具有粘合在一起的两个承重织带。
在一些非限制性实施例或方面中，绳索伸缩装置可以是自伸缩系索。安全索可以卷绕在绳索伸缩装置的壳体内，由此安全索构造为在施加至安全索的第一端的张力大于预定阈值时从壳体退绕，并且其中，安全索构造为在施加至安全索的第一端的张力大于预定阈值时重绕至壳体中。
在一些非限制性实施例或方面中，一种用于确定防坠落系统的部件的最低负荷处理要求的方法，可以包括提供具有安全索和能量吸收器的防坠落系统，确定安全索的平均断裂力和平均断裂力的标准差，确定能量吸收器的平均展开力和平均展开力的标准差，基于平均断裂力和平均展开力来确定重叠平均力，基于平均断裂力的标准差和平均展开力的标准差来确定重叠标准差，以及确定重叠平均力与重叠标准差之间的比率。
在一些非限制性实施例或方面中，该比率可以小于或等于6。重叠平均力可以基于安全索的平均断裂力与能量吸收器的平均展开力之间的差异。重叠标准差可以基于第一标准差和第二标准差的平方和。重叠平均力和重叠标准差的正态分布可以大于零。
在一些非限制性实施例或方面中，安全索可以由扁平织带材料制成。扁平织带材料可以是编织材料。能量吸收器可以是撕裂带，该撕裂带具有由滚边线织在一起的两个承重织带部件。能量吸收器可以是撕裂带，该撕裂带具有粘合在一起的两个承重织带。
在一些非限制性实施例或方面中，绳索伸缩装置可以是自伸缩系索。安全索可以卷绕在绳索伸缩装置的壳体内，由此安全索构造为在施加至安全索的第一端的张力大于预定阈值时从壳体退绕，并且其中，安全索构造为在施加至安全索的第一端的张力大于预定阈值时重绕至壳体中。
在一些非限制性实施例或方面中，上述防坠落系统和方法的特征可以在于以下条款中的一个或多个：
条款1.一种防坠落系统，包括：绳索伸缩装置，所述绳索伸缩装置构造为用于连接至锚固点，所述绳索伸缩装置具有安全索；能量吸收器，所述能量吸收器构造为用于连接至所述安全索的终端；以及保护带，所述保护带构造为用于连接至所述能量吸收器，使得所述能量吸收器设置在所述安全索的终端与所述保护带之间，其中，所述安全索选择为具有预定平均断裂力，所述预定平均断裂力具有第一标准差，其中，所述能量吸收器选择为具有预定平均展开力，所述预定平均展开力具有第二标准差，其中，所述安全索的平均断裂力和所述能量吸收器的平均展开力在所述第一标准差和所述第二标准差的重叠区域上重叠，并且其中，所述重叠区域的重叠平均力与所述重叠区域的重叠标准差的比率小于或等于6。
条款2.根据条款1所述的防坠落系统，其中，所述重叠平均力是基于所述安全索的平均断裂力与所述能量吸收器的平均展开力之间的差异。
条款3.根据条款1或2所述的防坠落系统，其中，所述重叠标准差是基于所述第一标准差和所述第二标准差的平方和。
条款4.根据条款1-3中任意一项所述的防坠落系统，其中，所述重叠平均力和所述重叠标准差的正态分布大于零。
条款5.根据条款1-4中任意一项所述的防坠落系统，其中，所述安全索由扁平织带材料制成。
条款6.根据条款1-5中任意一项所述的防坠落系统，其中，所述扁平织带材料是编织材料。
条款7.根据条款1-6中任意一项所述的防坠落系统，其中，所述能量吸收器是撕裂带，所述撕裂带具有由滚边线织在一起的两个承重织带部件。
条款8.根据条款1-7中任意一项所述的防坠落系统，其中，所述能量吸收器是撕裂带，所述撕裂带具有粘合在一起的两个承重织带。
条款9.根据条款1-8中任意一项所述的防坠落系统，其中，所述绳索伸缩装置是自伸缩系索。
条款10.根据条款1-9中任意一项所述的防坠落系统，其中，所述安全索卷绕在所述绳索伸缩装置的壳体内，由此所述安全索构造为在施加至所述安全索的第一端的张力大于预定阈值时从所述壳体退绕，并且其中，所述安全索构造为在施加至所述安全索的第一端的张力大于预定阈值时重绕至所述壳体中。
条款11.一种用于确定防坠落系统的部件的最低负荷处理要求的方法，所述方法包括：提供具有安全索和能量吸收器的所述防坠落系统；确定所述安全索的平均断裂力和所述平均断裂力的标准差；确定所述能量吸收器的平均展开力和所述平均展开力的标准差；基于所述平均断裂力和所述平均展开力来确定重叠平均力；基于所述平均断裂力的标准差和所述平均展开力的标准差来确定重叠标准差；以及确定所述重叠平均力与所述重叠标准差之间的比率。
条款12.根据条款11所述的方法，其中，所述比率小于或等于6。
条款13.根据条款11或12所述的方法，其中，所述重叠平均力是基于所述安全索的平均断裂力与所述能量吸收器的平均展开力之间的差异。
条款14.根据条款11-13中任意一项所述的方法，其中，所述重叠标准差是基于所述第一标准差和所述第二标准差的平方和。
条款15.根据条款11-14中任意一项所述的方法，其中，所述重叠平均力和所述重叠标准差的正态分布大于零。
条款16.根据条款11-15中任意一项所述的方法，其中，所述安全索由扁平织带材料制成。
条款17.根据条款11-16中任意一项所述的方法，其中，所述能量吸收器是撕裂带，所述撕裂带具有由滚边线织在一起的两个承重织带部件。
条款18.根据条款11-17中任意一项所述的方法，其中，所述能量吸收器是撕裂带，所述撕裂带具有粘合在一起的两个承重织带。
条款19.根据条款11-18中任意一项所述的方法，其中，所述绳索伸缩装置是自伸缩系索。
条款20.根据条款11-19中任意一项所述的方法，其中，所述安全索卷绕在所述绳索伸缩装置的壳体内，由此所述安全索构造为在施加至所述安全索的第一端的张力大于预定阈值时从所述壳体退绕，并且其中，所述安全索构造为在施加至所述安全索的第一端的张力大于预定阈值时重绕至所述壳体中。
本公开的这些及其它特征和特性，以及结构相关元件的操作方法和功能、部件组合及生产成本节约结合以下说明书、权利要求和附图会更加明显，以上这些均为本申请文件的一部分，其中，相似的附图标记用于表示不同图中的相应部件。但是，应当明确理解的是，附图的目的仅在于解释和说明，并非旨在限定本公开的范围。
附图说明
图1A是根据本公开一些非限制性实施例或方面的防坠落系统的示意图；
图1B是根据本公开一些非限制性实施例或方面的防坠落系统的示意图；
图1C是根据本公开一些非限制性实施例或方面的防坠落系统的示意图；
图2是根据本公开一些非限制性实施例或方面的与防坠落系统一起使用的绳索伸缩装置的分解透视图；
图3是与图2所示的绳索伸缩装置一起使用的织带材料的透视图；
图4是根据本公开一些非限制性实施例或方面的防坠落系统的实验设置的俯视图，该系统构造为用于测量坠落事件中前缘上的力；
图5A是图4所示的防坠落系统在坠落事件之前处于第一构型的侧视图；
图5B是图4所示的防坠落系统在坠落事件之后处于第二构型的侧视图；
图6是示出防坠落系统的能量吸收器和安全索上的作为时间的函数的力的力轨迹图；
图7是模拟前缘上的坠落事件的两种不同测试情境中的能量吸收器展开图；
图8是示出安全索的断裂强度和能量吸收器的最大展开力的正态分布的曲线图；以及
图9是图8所示的安全索的断裂强度和能量吸收器的最大展开力之间的重叠的正态分布。
在图1-9中，除非另有说明，否则相同的附图标记表示相同元件。
具体实施方式
如本文所用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另外明确指出。
诸如“左方”、“右方”、“内部”、“外部”、“上方”、“下方”等空间或方位术语，与附图中所示的本公开相关并且不被认为是限制性的，因为本公开能够设想各种替代的方向。
本说明书和权利要求书中所使用的所有数字和范围被理解为在所有情况中通过术语“大约”来修改。“大约”是指所述值的正负百分之二十五，例如所述值的正负百分之十。然而，不应将其视为对等同原则下对值进行的任何分析的限制。
除非另外指明，本文公开的所有范围或比率应当被理解为涵盖其中包含的起点值和终点值和任何和所有子范围或子比率。例如，陈述的范围或比率为“1至10”应被认为包括最小值1(含)与最大值10(含)之间的任何和所有子范围；也就是说，所有子范围或子比率都以最小值1或更大的值开始并以最大值10或更小的值结束。本文公开的范围和/或比率表示在指定范围和/或比率上的平均值。
术语“第一”、“第二”等不意于指任何特定顺序或年表，而是指不同条件、特性或元件。
术语“至少”是“大于或等于”的同义词。
术语“不大于”是“小于或等于”的同义词。
如本文所用的“至少一个”是“一个或多个”的同义词。例如，短语“A、B和C中的至少一个”意思是A、B或C中的任一个，或A、B或C中任两个或更多个的任意组合。例如，“A、B和C中的至少一个”包括单独的一个或多个A；或单独的一个或多个B；或单独的一个或多个C；或一个或多个A和一个或多个B；或一个或多个A和一个或多个C；或一个或多个B和一个或多个C；或一个或多个A、B和C三者。类似地，如本文所用的术语“至少两个”是“两个或更多个”的同义词。例如，短语“D、E和F中的至少两个”是指D、E和F中的任两个或更多个的任意组合。例如，“D、E和F中的至少两个”包括一个或多个D和一个或多个E；或一个或多个D和一个或多个F；或一个或多个E和一个或多个F；或一个或多个D、E和F三者。
术语“包括”是“包含”的同义词。
如本文所用的术语“平行”或“基本上平行”意思是诸如细长物体且包括参考线的两个物体(如果延伸至理论交叉)之间的相对角度为0°至5°、或0°至3°、或0°至2°、或0°至1°、或0°至0.5°、或0°至0.25°、或0°至0.1°，包括所述值。
如本文所用的术语“垂直”或“基本上垂直”意思是在两个物体之间的实际或理论交点的相对角为85°至90°，或87°至90°，或88°至90°，或89°至90°，或89.5°至90°，或89.75°至90°，或89.9°至90°，包括所述值。
本公开的讨论可以将某些特征描述为在某些限制内“特别地”或“优选地”(例如，在某些限制内“优选地”，“更优选”或“甚至更优选地”)。应当理解的是，本公开不限于这些特别的或优选的限制，而是涵盖了本公开的整个范围。
还应理解的是，在附图中示出并在下面说明书中描述的具体装置和过程仅仅是本公开的示例性方面。因此，与在本文中公开的示例相关的具体尺寸和其它物理特性不应被认为是限制性的。
首先参考图1A，图中示出根据本公开一个非限制性实施例或方面的防坠落系统100。防坠落系统100包括绳索伸缩装置102，该绳索伸缩装置的第一端104连接至结构S上的锚固点105。在一些非限制性实施例或示例中，绳索伸缩装置102可以是SRL。绳索伸缩装置102的第一端104可以直接附接至锚固点105而无需绳索伸缩装置102的第一端104与锚固点105之间的任何中间部件。在一些非限制性实施例或方面中，绳索伸缩装置102的第一端104可以附接至绳索(未示出)的第一端，而绳索的第二端附接至锚固点105。
绳索伸缩装置102具有安全索110，安全索110卷绕在绳索伸缩装置102的壳体内。安全索110从绳索伸缩装置102的第二端108退绕或放出。安全索110在其终端106处连接至由使用者U穿戴的安全带112。在一些示例中，能量吸收器114设置在使用者U与绳索伸缩装置102之间。例如，能量吸收器114可以是撕裂带元件，设置在安全带112与安全索110的终端106之间。在一些非限制性实施例或方面中，撕裂带元件可以具有两个承载织带部件，这两个承载织带部件通过滚边线织在一起或粘合地连接在一起，以构成单件式织带材料。在其它非限制性实施例或方面中，能量吸收器114可以直接与安全带112一体形成，诸如在题为“Harness With Integrated Energy Absorber”的美国申请No.15/376,233或题为“Harness With Structural Tear Tape”的美国申请No.15/376,191中所公开的，上述申请的公开内容直接通过引用整体并入本文。
图1A示出位于结构S的前缘E附近的使用者U。在许多应用中，结构S通常处于建筑工程的最高点，因此通常没有合适的头顶锚固点105。因此，使用者U被拴系至诸如地板F上的水平锚固点105，或者诸如结构S的壁W上的基本上水平的锚固点。
继续参考图1A，安全索110构造为当一定水平的张力施加至安全索110时，诸如在结构S上的使用者U移动期间，从绳索伸缩装置102退绕(放出)。当该张力减小或被释放时，绳索伸缩装置102可以沿相反方向缓慢旋转，从而使安全索110缩回或重绕至绳索伸缩装置102中。
虽然图1A示出绳索伸缩装置102直接附接至锚固点105的防坠落系统100的一个实施例或方面，但在防坠落系统100的一些非限制性实施例或方面中，安全索110可以在一端处附接至锚固点105，而绳索伸缩装置102和能量吸收器114则连接至安全索110的终端106(图1B)。在这种布置中，绳索伸缩装置102和能量吸收器114靠近保护带112或直接附接至保护带112。在防坠落系统100进一步的非限制性实施例或示例中，安全索110可以直接连接至能量吸收器114而无需绳索伸缩装置102(图1C)。
参考图2，在一些非限制性实施例或方面中，绳索伸缩装置102是包括滚筒116的SRL，滚筒116可围绕轴120旋转并且具有卷绕在其上的安全索110。绳索伸缩装置102还具有伸缩构件118，伸缩构件118沿滚筒116的第一旋转方向偏压筒116。在一些非限制性实施例或方面中，伸缩构件118是螺旋弹簧。滚筒116构造为(i)在滚筒116沿第一旋转方向(诸如顺时针方向或逆时针方向)移动时，收回或重绕安全索110，并且(ii)在滚筒116沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向移动时，放出或退绕安全索110。在一些非限制性实施例或方面中，阻尼器组件可以被设置为在以下两个方向中的至少一个方向上为滚筒116提供旋转阻力：(i)安全索110被收回时的滚筒116的第一旋转方向和(ii)安全索110被放出时滚筒116的第二旋转方向。
继续参考图2，绳索伸缩装置102还包括制动组件122，制动组件122具有至少一个棘爪124。制动组件122构造为当滚筒116的旋转速率超过预定阈值时，激活制动组件122以防止滚筒116旋转。在一些非限制性实施例或方面中，预定阈值可由工业标准设定。制动组件122的至少一个棘爪124用作在激活位置和非激活位置之间操作的速度敏感机构。至少一个棘爪124构造为在滚筒116的预定转速下从非激活位置转换至激活位置。使棘爪124从非激活位置转换至激活位置的滚筒116的预定转速是指示坠落事件的已知转速范围。安全索110构造为在坠落事件期间从滚筒116放出，并且使至少一个棘爪124径向向外移动至与支架129上的相应齿接合，支架129可以附接至绳索伸缩装置102的壳体126。至少一个棘爪124可以经由弹簧或任何其它合适的偏压装置(未示出)径向向内偏压。在安全索110快速放出期间，至少一个棘爪124上的离心力克服偏压力，使得至少一个棘爪124径向向外移动并与壳体126上的齿接合，从而阻止安全索110进一步放出。
继续参考图2，壳体126具有与之相连的支架129，支架129具有用于能量吸收器114(图1中示出)或安全带112(图1中示出)的附接点131。
参考图3，在一些非限制性实施例或方面中，绳索伸缩装置102的安全索110构造为扁平织带。这种扁平织带可以构造为具有足够强度，以在坠落事件期间有效地抓住和保持使用者U的重量。这种扁平织带可以进一步构造为在与结构S的前缘E接合时抵抗断裂或切断(即抗切割)。在一些非限制性实施例或方面中，安全索110的织带可以由扁平编织材料形成。在其它非限制性实施例或方面中，安全索110的织带可以由扁平的编织非金属材料形成，以减少安全索110的重量。
继续参考图3，安全索110的织带可以具有由第一和第二副侧面130隔开的第一和第二主侧面128，使得安全索110基本上是带状的。安全索110可以具有矩形横截面。在一些非限制性实施例或方面中，第一和第二主侧面128可以是基本上平坦的或弯曲的。在一些非限制性实施例或方面中，第一和第二副侧面130可以是基本上平坦的或弯曲的。带状安全索110允许安全索110自动堆叠在滚筒116上。在一些非限制性实施例或方面中，安全索110的织带的至少一部分可以包入套筒(未示出)内。
在设计包括绳索伸缩装置102和能量吸收器114的防坠落系统100时，可以将总的负荷处理要求确定为绳索伸缩装置102的安全索110的断裂强度和能量吸收器114在展开期间能够吸收的最大力的函数。例如，如果安全索110具有比能量吸收器114更高的断裂强度，则防坠落系统100必须设计为使得能量吸收器114能够承受坠落事件期间施加在其上的负荷。换句话说，如果能量吸收器114的最大展开力是锚固点105与使用者之间的防坠落系统100的链中的“最弱环节”，则必须指定能量吸收器114具有足够的强度以在坠落事件期间处理负荷而不断裂。类似地，如果安全索110的强度是“最弱环节”，则必须指定安全索110具有足够的强度以在坠落事件期间处理负荷而不断裂。在前缘应用中，当安全索110在坠落事件之后折叠在前缘E上时，安全索110可能因安全索110沿前缘E滑动而暴露于额外的力，如本文所描述的。
虽然可以通过过度指定(over-specifying)防坠落系统100的部件(例如通过使用额定负荷大大超过安全索110可能在坠落事件期间经受的任何力的粗安全索110)来解决坠落事件导致的安全索110和/或能量吸收器114断裂的可能性，但是这种做法会导致防坠落系统100具有庞大且笨重的部件，可能会削弱正常工作活动期间使用者在结构S周围自由移动的能力。此外，这种防坠落系统100的成本显著增加。下面的讨论提供了一种基于期望的规格界限来确定负荷处理系统的部件的最低负荷处理要求的实际应用。特别地，这种负荷处理要求可以表达为无量纲比率，该无量纲比率是基于安全索110的强度与能量吸收器114的展开力的重叠区域的平均力值与平均力的标准差之间的比率。期望设计一种在坠落事件期间部件因施加在其上的应力而失效的概率较低的防坠落系统100。如本文所讨论的，这种概率可以用无量纲因子来表达。图4-9示出优化防坠落系统100处理前缘E上的坠落事件的强度而安全索110或能量吸收器114的不失效的实验设置和测试结果。
参考图4，为了确定安全索110和能量吸收器114在前缘应用中的坠落安全系统100中使用时必须承受的力，针对两种不同的坠落事件情境收集实验数据。图4示出不同角度下安全索110在前缘E上断裂的实验设置的俯视图。在第一坠落事件情境(“垂直测试”)中，绳索伸缩装置102固定至锚固点105，并且对应于使用者重量(310lbs(141kg))的测试负荷134落在前缘E上，其中，安全索110定向为基本上垂直于前缘E。在第二坠落事件情境(“偏移测试”)中，绳索伸缩装置102固定至锚固点105，并且对应于使用者重量的测试负荷134落在前缘E上，其中，安全索110相对于前缘E偏移角度α，其中，角度α是锐角。在沿垂直测试和偏移测试中的前缘E上方的安全索110的转折处之间的前缘E的方向上测量的距离X1设定为大约60in(1.52m)。在这两种情况下，安全索110均通过能量吸收器114连接至测试负荷134。
参考图5A-5B，图中示出图4的实验设置的侧视图，其中，测试负荷134在坠落测试之前处于前缘E上方的提升位置(图5A)，并且在坠落测试之后处于前缘E下方的降低位置(图5B)。如图5B所示，在坠落测试之后，安全索110在测试负荷134的降低位置折叠在前缘E上。该位置模拟已经落在前缘E上并由安全索110和能量吸收器114悬挂的使用者。
参考图5A，锚固点105定位在离前缘E距离X2处。距离X2设定为大约74in(2.5m)。测试负荷134在附接点136处悬挂在前缘E上方的距离X3处。距离X3设定为大约60in(1.52m)。测试负荷134还定位在与前缘相距距离X4处。距离X4设定为大约20in(0.51m)。对于偏移测试，测试负荷134定位为使得安全索110与前缘E之间的交叉点相对于安全索110基本上垂直于前缘E的垂直测试偏移大约60in(1.52m)。
参考图5A，然后测试负荷134从附接点136落下，从而允许能量吸收器114展开，并且安全索110折叠在前缘E上。发现垂直测试的总自由下落为大约94.5in(2.4m)，而偏移测试的测试重量134的总自由下落为大约96in(2.44m)。在两种测试情境之后，进行残余静态强度测试，其中，安全索110和能量吸收器114加载至少1,000lbf(4,448N)。为了获得将在下面描述的xL和σL，从测试中移除能量吸收器114。
可以基于总自由下落距离、已知的使用者重量和能量吸收器114的平均展开力来确定防坠落系统100的总能量吸收要求。特别地，总能量吸收要求可以通过以下公式计算，其中，“ext”表示待吸收负荷的竖直距离：
Figure BDA0002800937510000151
其中，W是使用者的重量(质量乘以重力)，h是总自由下落距离(垂直测试中为94.5in(2.4m)，偏移测试中为96in(2.44m))，Favg是已知的能量吸收器114展开力。
虽然上述公式表示防坠落系统100的理论能量吸收要求，但实际能量吸收要求也是安全索110相对于前缘E的角度的函数。在偏移坠落情境中，安全索110相对于前缘E定位在非垂直角度，因此，在使用者坠落之后，安全索110可以沿前缘E滑动。例如，安全索110可以具有沿前缘E朝垂直方向滑动的趋势，在该垂直方向上，安全索110与前缘E成垂直角度。在这种坠落情境中，安全索110沿前缘E从偏移滑动至垂直方向可以使得使用者承受超出能量吸收器114吸收初始坠落的力的附加力。例如，参考图6，力轨迹图示出偏移坠落测试中作为时间的函数的安全索110上的力。
图6示出偏移测试期间的力轨迹可以分成两个不同的事件——包括能量吸收器114被激活情况下的动态冲击的第一阶段事件A，以及包括安全索110沿前缘E在朝向垂直方向的方向上滑动的第二阶段事件B。在第一阶段事件A中，能量吸收器114以均匀的力轨迹展开，该力轨迹具有以均匀方式逐渐减小的初始尖峰(即力曲线的斜率是线性的)。在第一阶段事件A期间，无论安全索110相对于前缘E的角方向如何，安全索110上的力都是相同的。然而，在第二阶段事件B中，安全索110在沿前缘E朝垂直方向滑动的过程中受到一系列负荷。由于安全索110的这种移动，存在安全索110可能因与前缘E的摩擦接触而被切割或磨损的风险。因此，总的力要求必须配置为能够在朝垂直方向滑动期间抵抗切割/磨损。
图7是模拟前缘E上的坠落事件的垂直和偏移测试中的能量吸收器114展开曲线图。偏移测试要求的从能量吸收器114的撕裂带展开比垂直测试少。因为安全索110沿前缘E滑动，并且测试负荷134围绕前缘E上的接触点径向摆动，所以系统吸收能量，并且不需要能量吸收器114专门吸收坠落的所有能量。
在大多数防坠落系统中，安全索110的断裂强度通常超过能量吸收器114在展开期间经受的最大力(Fmax)。如果安全索110的强度大大超过能量吸收器114的Fmax，则防坠落系统100未被优化，因为安全索110具有未被利用的过剩能力。例如，如果使用大大超过能量吸收器114的Fmax的安全索110，安全索110增加了防坠落系统100不必要的重量和成本。从以上参考图4-7描述的测试中得知安全索110和能量吸收器114上的力允许指定安全索110的最小断裂强度和能量吸收器114的最大展开力。使用该信息，可以指定安全索110的强度与能量吸收器114的Fmax适当匹配的防坠落系统100。换句话说，安全索110的断裂强度和能量吸收器114的最大展开力可以与从测试数据中获知的实际负荷处理要求相平衡。为了优化安全索110和能量吸收器114的尺寸和强度，可以确定过程性能指数，以确保防坠落系统100在预定设计范围内产生设计性能极限内的输出(即能够在坠落事件期间安全地承受不超过安全索110的断裂强度或能量吸收器114的最大力的负荷)。
参考图8，正态分布曲线A1拟合于来自能量吸收器114的Fmax测试的一组数据点。曲线A1代表能量吸收器114的Fmax数据的正态分布和标准差(xtt，σtt)。换句话说，曲线A1表示能量吸收器114产生其设计产生的负荷的可能性。曲线A1的峰值代表能量吸收器114的平均Fmax，指示能量吸收器114最可能产生的力。Fmax可以代表能量吸收器114被设计产生的力。曲线A1在峰值左侧的斜率指示一定百分比的能量吸收器114可能具有较低的Fmax，而曲线A1在峰值右侧的斜率指示一定百分比的能量吸收器114可能具有较高的Fmax。离曲线A1的峰值越远指示能量吸收器114不满足预定Fmax规格的可能性越小。
图8还包括从测试安全索110的断裂强度得到的测试数据点的正态分布曲线A2，其示出安全索110的断裂强度数据的正态分布和标准差(xL，σL)。换句话说，曲线A2表示安全索110的断裂强度落入由安全索110的制造商指定的预定断裂强度内的可能性。曲线A2的峰值代表安全索110的平均断裂强度，指示最可能导致安全索110断裂的力。曲线A2在峰值左侧的斜率指示一定百分比的安全索110可能具有较低的断裂强度(即可能在比最小规格更低的负荷下失效)，而曲线A2在峰值右侧的斜率指示一定百分比的安全索110具有较更高的断裂强度(即可能在比最小规格更高的负荷下失效)。离曲线A2的峰值越远指示安全索110不满足预定设计规格的可能性越低。
如图8所示，曲线A1、A2之间存在重叠B。该重叠代表安全索110的断裂强度与能量吸收器114的Fmax紧密匹配使得两者可以重叠的情况。期望设计一种防坠落系统100，其中，安全索110的断裂强度超过能量吸收器114的Fmax，使得安全索110的断裂强度在重叠区域B之外。换句话说，安全索110的强度选择为高于能量吸收器114的Fmax，使得各个值的标准差不重叠。
参考图9，图8中的重叠B的面积表示为单个重叠分布A3。图9是通过减去安全索110的断裂强度和能量吸收器114的Fmax的平均值(xo＝xL-xtt)以及标准差的平方和(σo＝(σL 2+σtt 2)1/2)而获得的。零处的竖直线指示在能量吸收器114吸收坠落的所有能量之前，安全索110将断裂的点。
重叠分布(xo，σo)可以使用以下公式借助于过程性能指数(Ppk计算)与小于零的可能性进行比较：
Figure BDA0002800937510000171
其中，C是期望性能阈值。在设计将安全索110的断裂强度与能量吸收器114的Fmax之间有重叠作为目标设计标准的防坠落系统100的情况下，C值期望地为0，这意味着安全索110设计为防止在能量吸收器114吸收坠落能量时断裂。
较大值的Ppk解释为指示防坠落系统100更能产生规格极限内的结果(即安全索100不超过其断裂强度并且能量吸收器114不超过其Fmax)。例如，Ppk值为2.00将导致每百万次尝试有～3次不相符，Ppk为0.50将导致每百万次尝试有～500,000次不相符。Ppk的各种值及相关的不相符事件记录在下面的表1中。
Ppk #每百万次尝试中的不相符
0.50 500,000
0.75 226,627
1.00 66,807
1.25 12,224
1.50 1,350
1.75 88
2.00 3
通过使用针对防坠落系统100的目标Ppk值(即将防坠落系统设计为具有期望可靠性)，重叠区域的正态分布的平均值(xo)与其标准差(σo)之间的关系可以根据无量纲因子(在本文中称为“Harding因子”)通过以下等式来表达：
Figure BDA0002800937510000181
其中，
Figure BDA0002800937510000183
(希腊符号“heta”)表示Harding因子，xo表示重叠区域B的平均值，σo表示重叠区域B的标准差。对于设计为在规范极限内具有99.999％性能的防坠落系统100，Harding因子大于或等于6
Figure BDA0002800937510000182
类似地，对于设计为在规范极限内具有50.00％性能的防坠落系统100，Harding因子大于或等于1.5
Figure BDA0002800937510000184
Harding因子提供了重叠区域中的平均力值与标准差的比率用于设计防坠落系统100的实际应用，其中，安全索110的强度与能量吸收器114的Fmax适当地匹配。换句话说，可以平衡安全索110的断裂强度和能量吸收器114的最大展开力，以确保防坠落系统100在预定设计范围内产生设计性能极限内的输出(即能够在坠落事件期间安全地承受不超过安全索110的断裂强度或能量吸收器114的最大力的负荷)。
虽然出于说明的目的并基于目前被认为是最实用和最优选的实施例详细地描述了本公开，但应理解的是，这样的细节仅仅是出于说明的目的并且本公开不限于所公开的实施例，相反，本公开意欲涵盖落入本说明书的要旨和所附权利要求范围内的变型和等同结构。例如，应当理解的是，本公开设想在可能的程度上，任何实施例的一个或多个特征可以与其它任何实施例的一个或多个特征组合。

Claims (20)

1.一种防坠落系统，其被构造为在发生坠落时防止安全索在前缘上撕裂，所述防坠落系统包括：
绳索伸缩装置，所述绳索伸缩装置构造为能够连接至锚固点，所述绳索伸缩装置具有安全索；
能量吸收器，所述能量吸收器构造为能够连接至所述安全索的终端；以及
保护带，所述保护带构造为能够连接至所述能量吸收器，使得所述能量吸收器设置在所述安全索的终端与所述保护带之间，
其中，所述安全索选择为具有预定平均断裂力，所述预定平均断裂力具有第一标准差，
其中，所述能量吸收器选择为具有预定平均展开力，所述预定平均展开力具有第二标准差，
其中，所述安全索的平均断裂力和所述能量吸收器的平均展开力在所述第一标准差和所述第二标准差的重叠区域上重叠，并且
其中，所述重叠区域的重叠平均力与所述重叠区域的重叠标准差的比率小于或等于6。
2.根据权利要求1所述的防坠落系统，其中，所述重叠平均力是基于所述安全索的平均断裂力与所述能量吸收器的平均展开力之间的差异。
3.根据权利要求1所述的防坠落系统，其中，所述重叠标准差是基于所述第一标准差和所述第二标准差的平方和。
4.根据权利要求1所述的防坠落系统，其中，所述重叠平均力和所述重叠标准差的正态分布大于零。
5.根据权利要求1所述的防坠落系统，其中，所述安全索由扁平织带材料制成。
6.根据权利要求5所述的防坠落系统，其中，所述扁平织带材料是编织材料。
7.根据权利要求1所述的防坠落系统，其中，所述能量吸收器是撕裂带，所述撕裂带具有由滚边线织在一起的两个承重织带部件。
8.根据权利要求1所述的防坠落系统，其中，所述能量吸收器是撕裂带，所述撕裂带具有粘合在一起的两个承重织带。
9.根据权利要求1所述的防坠落系统，其中，所述绳索伸缩装置是自伸缩系索。
10.根据权利要求1所述的防坠落系统，其中，所述安全索卷绕在所述绳索伸缩装置的壳体内，从而所述安全索构造为能够在施加至所述安全索的第一端的张力大于预定阈值时从所述壳体退绕，并且其中，所述安全索构造为能够在施加至所述安全索的第一端的张力大于预定阈值时重绕至所述壳体中。
11.一种用于确定防坠落系统的部件的最低负荷处理要求从而在发生坠落时防止安全索在前缘上撕裂的方法，所述方法包括：
提供具有所述安全索和能量吸收器的所述防坠落系统；
确定所述安全索的平均断裂力和所述平均断裂力的标准差；
确定所述能量吸收器的平均展开力和所述平均展开力的标准差；
基于所述平均断裂力和所述平均展开力来确定重叠平均力；
基于所述平均断裂力的标准差和所述平均展开力的标准差来确定重叠标准差；以及
确定所述重叠平均力与所述重叠标准差之间的比率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述比率小于或等于6。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述重叠平均力是基于所述安全索的平均断裂力与所述能量吸收器的平均展开力之间的差异。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述重叠标准差是基于所述平均断裂力的标准差和所述平均展开力的标准差的平方和。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述重叠平均力和所述重叠标准差的正态分布大于零。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述安全索由扁平织带材料制成。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述能量吸收器是撕裂带，所述撕裂带具有由滚边线织在一起的两个承重织带部件。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述能量吸收器是撕裂带，所述撕裂带具有粘合在一起的两个承重织带。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述安全索卷绕在绳索伸缩装置的壳体内，并且其中所述绳索伸缩装置是自伸缩系索。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述安全索卷绕在绳索伸缩装置的壳体内，从而所述安全索构造为能够在施加至所述安全索的第一端的张力大于预定阈值时从所述壳体退绕，并且其中，所述安全索构造为能够在施加至所述安全索的第一端的张力大于预定阈值时重绕至所述壳体中。
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