正壓式空氣呼吸器供氣性能對比試驗研究

杜　欣

(武警學院 消防指揮系，河北 廊坊　065000)

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正壓式空氣呼吸器供氣性能對比試驗研究

杜欣

(武警學院 消防指揮系，河北 廊坊065000)

結合實戰應用條件，對消防部隊常用的正壓式空氣呼吸器的供氣性能進行了對比試驗測試，得出了一系列較為真實準確的試驗數據。通過研究分析，歸納總結出了可用于實戰條件的空氣呼吸器供氣性能數據和結論，為消防部隊實戰應用提供了較為科學準確的參考數據及規律。

消防；空氣呼吸器；供氣性能

0　引言

正壓式空氣呼吸器(簡稱空氣呼吸器)是消防員進行消防作業時佩戴的，保護呼吸系統的一種防護裝備。截至目前，全國各地消防部隊對官兵自身的安全防護和空氣呼吸器的普及應用都十分重視，然而，在實際使用過程中受多種因素的影響，部分基層官兵對空氣呼吸器的供氣性能并未完全掌握，實戰中又缺乏科學準確的參考數據，因為估算空氣呼吸器供氣性能失誤進而影響事故處置效率的問題時有發生。通過前期研究，“平地行進”和“攀爬樓梯、扶梯”是消防員作業的主要兩種行進方式[1-2]，本文結合實戰應用對空氣呼吸器不同作業條件下的供氣性能進行對比試驗測試，希望為消防部隊增進消防員人身安全，提高處置災害事故效率提供幫助。

1　空氣呼吸器供氣性能試驗測試方法

1.1研究對象

本研究測試選取巴固牌SCBA215型正壓式空氣呼吸器作為研究對象，此型號空氣呼吸器結構簡單可靠，便于佩戴使用，是目前我國公安消防部隊配備使用最為廣泛的空氣呼吸器之一，其性能符合國家行業標準《正壓式消防空氣呼吸器》(GA 124—2013)相關內容規定。SCBA215型空氣呼吸器以壓縮空氣正壓式氣瓶為氣源，該氣瓶容積選取6.8 L類型，氣瓶額定最大工作壓力為30 MPa，整體重量10 kg，最大儲氣量2 040 L，最大呼氣阻力≤500 Pa，最大吸氣阻力≤1 000 Pa，供氣量≥500 L·min-1。

1.2試驗者

試驗者40人全部選取軍校消防指揮專業在校男性學員，平均年齡22.9周歲，平均身高174.3 cm，平均體重66.4 kg，平均軍齡4.2年，其中82.5%的試驗者入學前擔任過公安消防部隊一線戰斗員，這些人員掌握常用消防裝備的使用方法，具備消防員的基本身體素質和專業技能，具有一定的滅火救援戰斗經驗，身體健康狀況良好。

1.3測試天氣、場地

選擇6月份進行試驗測試，測試時間為下午2點～6點，期間天氣以晴和多云為主，平均氣溫28.7 ℃。選取體育場、訓練塔和石油化工模擬訓練裝置作為測試場地，平地測試場地選取體育場標準400 m跑道進行，攀爬測試選取8層標準訓練塔和4層石油化工模擬訓練裝置進行。

1.4測試方案

為進行空氣呼吸器供氣性能數據對比，試驗共進行三大項測試，即平地不同作業對比測試、平地與攀爬樓梯對比測試和攀爬樓梯、扶梯對比測試。不同項目測試時，試驗者佩戴空氣呼吸器分別穿著戰斗服、密閉防化服在選定試驗場地內平地行進或攀爬樓梯、扶梯，模擬災害事故現場消防員戰斗展開、救人等多種作業活動進行試驗測試[3]，測試開始和結束時分別記錄空氣呼吸器氣瓶壓力數值、作業時間等數據，并將人員信息、天氣條件等參數及原始數據分類填入對應試驗數據表格內，所用測試裝備及重量如表1所示，測試項目具體內容如表2所示。

表1　測試使用裝備重量

表2　測試項目內容

2　測試數據

對比試驗測試數據如表3、表4和表5所示。

表3　平地對比測試數據

表4　平地行進與攀爬樓梯對比測試數據

表5　攀爬對比測試數據

3　測試結果及分析

3.1平地測試數據對比

為對比平地不同作業條件下空氣呼吸器供氣性能數據，平地行進對比試驗測試距離為1 200 m，其中平地行進分正常行進、緊急行進和慢跑三種狀態分別測試，負重行進測試試驗者佩戴1支消防水槍和手持2盤消防水帶，穿著密閉防護服測試緊急行進；平地不同作業條件下對比測試所有項目測試距離200 m，按照相同行進速度測試。

3.1.1最長供氣時間與行進速度的關系

通過試驗測試，在平地行進測試時空氣呼吸器平均最長供氣時間與平均行進速度的關系如圖1所示，試驗者隨著測試平均行進速度的增加，氣瓶平均最長供氣時間不斷減小，6.8 L氣瓶滿瓶平均最長供氣時間在靜止條件下可達135.6 min，隨著試驗者行進速度的增加，最長供氣時間數值快速減小，在平均行進速度增加到2.74 m·s-1時，氣瓶平均最長供氣時間降低到僅有22.1 min。本次測試試驗者平均行進速度為1.81 m·s-1，對應平均最長供氣時間為40.6 min。按照圖1數據曲線分析得出，在人正常行進速度下(1.5 m·s-1)，氣瓶平均最長供氣時間約為50 min，試驗者單位時間平均耗氣量(簡稱耗氣率t)約為0.6 MPa·min-1。

圖1　氣瓶最長供氣時間與行進速度關系圖

3.1.2供氣時間與行進速度關系對比

在平地測試中，分別以平均速度和與之對應的平均耗氣量為依據，三種行進條件下(穿著戰斗服平地行進、穿著戰斗服平地負重行進和穿著密閉防化服平地行進)平均速度和氣瓶平均最長供氣時間數量關系如圖2所示。由圖2可知，盡管穿著戰斗服平地負重行進測試因負重量較大導致試驗者行進速度較為緩慢(行進速度僅在0.88～1.70 m·s-1之間)，但三種不同條件下平地測試的數據均反映出隨著平均行進速度的增大，氣瓶平均最長供氣時間顯著減小，在平均速度1.30～1.70 m·s-1范圍內，三種行進數據相對比，平均速度相同時穿著戰斗服平地行進條件下氣瓶平均最長供氣時間數值最大，穿著密閉防化服平地行進條件下氣瓶平均最長供氣時間數值次之，穿著戰斗服平地負重行進條件下氣瓶平均最長供氣時間數值最小，負重量增加對試驗者平地行進時的空氣呼吸器供氣性能數據影響顯著。

圖2　平地不同條件下行進速度和供氣時間對比圖

3.1.3耗氣率與行進速度關系對比

單位距離平均耗氣量(簡稱耗氣率L)與行進速度的關系如圖3所示，數據顯示試驗者三種行進條件下耗氣率L在1.20～2.82 m·s-1速度范圍內隨著測試行進速度的增加并無規律性變化，L值為6.89×10-3MPa·m-1。平地測試時正常行進和緊急行進兩種狀態下雖然測試速度不同(正常行進平均速度1.32 m·s-1，緊急行進平均速度2.06 m·s-1)，但L值相差很小(數值分別為6.53×10-3MPa·m-1和6.57×10-3MPa·m-1)，數據顯示在2.47 m·s-1以下(緊急行進速度最大值)等距離條件下單位距離耗氣量數值相對固定，正常行進和緊急行進兩種狀態下的L值為6.55×10-3MPa·m-1。

圖3　耗氣率L與行進速度關系圖

平地耗氣率t與不同行進方式的關系如圖4所示，由圖可知試驗者平地行進三種狀態下的t值分別為0.52、0.79和1.36 MPa·min-1，對應平均速度為1.32、2.06和2.74 m·s-1，隨著平均行進速度的增大，t值也逐漸增大，并且增大的幅度不斷增加，三種行進條件下試驗者平均行進速度為1.81 m·s-1，對應平均t值為0.77 MPa·min-1；負重行進測試平均行進速度為1.52 m·s-1，t值達到1.19 MPa·min-1；穿著密閉防化服平地行進測試速度為1.75 m·s-1，但t值達到1.51 MPa·min-1，已經超過慢跑狀態下平地行進數值。

圖4　耗氣率t與不同行進方式關系圖

3.1.4平地不同作業條件下耗氣率t對比

通過平地試驗測試，在不同作業條件下，在行進速度(1.39 m·s-1)和行進距離(200 m)相同時，試驗者的耗氣率t值隨負重量的增加而增大，平地行進時負重量最小，t值也最小，為0.55 MPa·min-1，穿著密閉防化服平地行進和平地負重行進時t值隨負重量增加均有所增大；合抬救人與擔架救人雖然形式有所差別，但承受重量相差較小(合抬救人中傷者平均體重為70.3 kg，擔架救人中假人與擔架合重69 kg)，t值僅相差0.02 MPa·min-1；攙扶救人(傷者單腳著地，平均體重為71.5 kg)測試中t值與擔架救人數據相差0.04 MPa·min-1，三種救人條件下試驗者的t值均大于1 MPa·min-1，氣瓶最長連續使用時間均低于30 min，具體數據如圖5所示。

圖5　平地不同作業條件下耗氣率t對比圖

3.2平地與攀爬樓梯數據對比

為對比平地行進與攀爬樓梯兩種作業形式數據，試驗測試在同等距離的條件下進行，平地行進測試距離80 m，攀爬8層樓梯行進路程80 m，試驗者在緊急行進狀態下進行平地行進、負重平地行進、攀爬樓梯、負重攀爬樓梯四項測試，其中攀爬樓梯上下樓分別測試，綜合計算數據。

3.2.1平地與攀爬樓梯測試數據對比

平地行進與攀爬樓梯測試數據對比如圖6所示。因測試距離只有80 m，試驗者平地測試負重前后平均耗氣量和平均用時數值相差較小，平均行進速度僅相差0.05 m·s-1；攀爬樓梯測試負重后平均耗氣量和平均用時均明顯高于負重前對應數值；平地與攀爬樓梯對比各項測試數據均明顯小于后者；四項測試中，平地行進平均耗氣量和平均用時均最小，負重攀爬樓梯對應數值均最大。攀爬樓梯測試耗氣量數值分別是平地行進對應數值的3.5倍和3.9倍。

圖6　平地與攀爬樓梯數據對比圖

3.2.2平地行進與攀爬樓梯耗氣率t對比

試驗者平地測試與攀爬樓梯耗氣率t對比關系如圖7所示，平地行進t值最小，數值為0.69 MPa·min-1，負重平地行進t值增長到0.81 MPa·min-1，與前者相差17.6%(0.12 MPa·min-1)；攀爬樓梯t值均高于平地行進數值，負重前后攀爬樓梯t值僅相差0.01 MPa·min-1，在t值基本相同的情況下，負重后攀爬樓梯速度顯著降低，每層樓梯攀爬用時增長，耗氣量增大42.5%。氣瓶滿氣條件下攀爬樓梯最長供氣時間均小于20 min。

3.3心率值變化程度對比

在實戰中消防員心理緊張程度、作業強度增大均會導致心率值升高[4]，平地行進與攀爬樓梯對比測試對試驗者心率值進行了記錄。通過試驗測試，四種測試項目結束后的平均心率值與測試前心率值對比關系如圖8所示，測試前試驗者心率均值為98.3 bpm，測試結束時的心率值均高于100 bpm，平地行進心率均值升高最小，負重攀爬樓梯心率均值升高最大；負重前后平地測試結束時心率值分別較測試前增長3%和18%，負重前后攀爬樓梯測試結束時心率值分別較測試前增長14%和32%；攀爬樓梯與平地測試結束時心率值對應數據分別增長10.8%和11.9%。

圖7　平地行進與攀爬樓梯耗氣率t對比圖

圖8　平地與攀爬樓梯心率變化程度對比圖

3.4攀爬樓梯與攀爬扶梯數據對比

為對比攀爬樓梯與攀爬石化裝置扶梯兩種作業形式數據，攀爬樓梯測試攀爬8層標準訓練塔上下樓分別測試數據，攀爬扶梯測試攀爬4層石化裝置，上下樓連續測試。負重攀爬樓梯時試驗者穿著戰斗服佩戴1支水槍和手持2盤水帶，負重攀爬扶梯時試驗員穿著密閉防化服手持1堵漏器材箱。測試數據顯示，攀爬樓梯、負重攀爬樓梯、攀爬扶梯和負重攀爬扶梯平均耗氣量和平均用時數值均呈現逐步增大的現象，單位樓層平均耗氣量(簡稱耗氣率M)對比關系如圖9所示，攀爬樓梯M值最小，負重攀爬扶梯M值最大；攀爬樓梯M值為0.22 MPa·n-1，負重攀爬樓梯M值為0.29 MPa·n-1，較負重前增加31.8%；攀爬扶梯M值為0.38 MPa·n-1，較攀爬樓梯增加72.7%。

圖9　攀爬樓梯與攀爬扶梯耗氣率M對比圖

4　結論

本文結合消防員從事滅火與搶險救援實戰條件，對使用最廣泛的6.8 L正壓式空氣呼吸器在不同作業條件下的供氣性能進行了試驗對比測試，通過測試主要可以得出以下結論：(1)空氣呼吸器(氣瓶)供氣性能受多重因素影響，試驗者負重量增大、行進速度加快都會導致氣瓶連續供氣時間縮短，靜止狀態下氣瓶連續供氣時間最長，隨著試驗者平均行進速度的增加，氣瓶連續供氣時間不斷減小；在相同平均行進速度條件下，試驗者負重量越大，氣瓶連續供氣時間越短。(2)經試驗測試，在速度1.20～2.47 m·s-1范圍內平地行進時，雖然降低行進速度可以延長氣瓶供氣時間，但相同距離條件下平均耗氣量數值相對固定，因此，實戰使用平均單位距離耗氣量數值對平地作業進行估算更為準確。(3)救人第一是消防員處置災害事故時的首要任務，無論是攙扶救人還是兩人合力救人，負重量較平地行進增大明顯，消防員單位時間耗氣量增長顯著，本試驗測試中三種救人條件下試驗者負重量平均為35 kg左右，盡管測試距離較短，但單位時間平均耗氣量均大于1 MPa·min-1，接近平地行進數值的2倍。(4)攀爬樓梯和平地行進對比，相同距離條件下試驗者攀爬樓梯時的各項測試數據均較大，耗氣量接近4倍，心率值均超過測試前10%以上。(5)攀爬樓梯、扶梯對比，攀爬樓梯單位樓層平均耗氣量數值最小，為0.22 MPa·n-1，為便于實戰應用，負重攀爬樓梯和攀爬扶梯數值可以參照攀爬樓梯1.3倍和1.7倍數值進行估算。實戰使用單位樓層平均耗氣量數值對攀爬樓梯、扶梯進行估算更為準確。

[1] 杜欣，李進興，吳義娟.災害事故現場空氣呼吸器供氣性能測試方法研究[C]//中國消防協會.2015年度滅火與應急救援技術學術研討會論文集.北京：中國石化出版社，2015:468-471.

[2] 李建華，康青春.滅火戰術[M].北京：群眾出版社，2004:113-114.

[3] 李進興.消防指揮專業實驗[M].廊坊：中國人民武裝警察部隊學院，2012:85-88.

[4] 杜希，謝春龍，柳素燕．正壓式消防空氣呼吸器對消防員的生理影響及對策研究[C]//2011中國消防協會科學技術年會.濟南:山東大學出版社，2011:131-133.

(責任編輯、校對馬龍)

A Comparison Experimental Study on Air Supply Performance of Positive Pressure Air Breathing Apparatus

DU Xin

(DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

On the basis of previous studies, and combined with actual application conditions, comparative experiments are carried out on air supply performance of positive pressure air breathing apparatus; a series of experimental data is obtained. Through the research and analysis, the performance data and conclusions of air breathing apparatus based on actual combat conditions are summarized, which provides scientific and accurate reference data for the application of fire fighting forces.

firefight; air breathing apparatus; air supply performance

2015-10-22

河北省科技支撐計劃項目“災害事故現場空氣呼吸器供氣性能數據測試與應用研究”(13275413)階段性成果

杜欣(1976—)，男，河北安平人，講師。

●消防理論研究

TU998.13

A

1008-2077(2016)02-0005-06