空氣呼吸器火焰吞噬試驗(yàn)裝置研制

李小銀 楊東星

摘要：為了提高空氣呼吸器在火焰環(huán)境中的安全性和適應(yīng)性，滿足開展火焰吞噬試驗(yàn)的需要，研制了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的試驗(yàn)裝置，討論了該試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)組成、總體設(shè)計(jì)、技術(shù)要求、各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完善了我國(guó)空氣呼吸器試驗(yàn)驗(yàn)證手段，將有效提高我國(guó)空氣呼吸器的總體技術(shù)性能。

關(guān)鍵詞：空氣呼吸器;火焰吞噬試驗(yàn);試驗(yàn)裝置

中圖分類號(hào)：TU972.4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2022）05-0004-04

空氣呼吸器是消防員必配的一種個(gè)人防護(hù)裝備。為確保空氣呼吸器在火場(chǎng)環(huán)境中的安全性和適用性，美國(guó)消防協(xié)會(huì)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)分別于1992年和2006年起在其空氣呼吸器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，增加了整機(jī)火焰吞噬試驗(yàn)要求及試驗(yàn)方法[1-2]。

我國(guó)對(duì)空氣呼吸器在火場(chǎng)消防救援環(huán)境中的安全性和適應(yīng)性要求也越來(lái)越高。為呼應(yīng)此要求，2021年國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB6629A-2021在最新修訂版中增加了整機(jī)火焰吞噬試驗(yàn)要求及試驗(yàn)方法[3]。相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和消防救援行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相信也會(huì)很快將此要求納入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中[4-5]。為配合GJB6629A的修訂工作，解決整機(jī)火焰吞噬試驗(yàn)的檢測(cè)問(wèn)題，研制了空氣呼吸器火焰吞噬試驗(yàn)裝置。

1? 試驗(yàn)原理

將自給式呼吸器佩戴在金屬試驗(yàn)人模上，經(jīng)預(yù)熱箱預(yù)熱平衡后，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下對(duì)呼吸器進(jìn)行噴火試驗(yàn)，隨后進(jìn)行自由墜落，以檢驗(yàn)呼吸器在有焰環(huán)境中的安全性和適用性。

2? 試驗(yàn)要求

經(jīng)火焰吞噬試驗(yàn)后，空氣呼吸器應(yīng)滿足以下要求：

①自試驗(yàn)開始時(shí)起至結(jié)束為止，空氣呼吸器面罩呼吸腔體內(nèi)應(yīng)保持正壓，且壓力不應(yīng)大于870Pa;

②空氣呼吸器的部件和附件的續(xù)燃時(shí)間不應(yīng)大于5s;

③試驗(yàn)后面罩鏡片的可見光透射比不應(yīng)小于20%;

④呼吸阻力應(yīng)符合GB/T16556或XF124的規(guī)定;

⑤面罩壓力顯示裝置（HUD）應(yīng)能正常工作，符合相應(yīng)的規(guī)定。

3? 試驗(yàn)裝置的組成

試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)車、金屬頭模、燃燒器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣系統(tǒng)、預(yù)熱箱和PLC控制系統(tǒng)等6部分構(gòu)成，裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

火焰吞噬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如下：

①呼吸阻力監(jiān)測(cè)范圍為-2000～2000Pa;

②距燃燒器250mm處火焰溫度為950±50℃;

③預(yù)熱箱工作溫度范圍為85～95℃;

④呼吸機(jī)呼吸量為25次/min×2L/次;

⑤預(yù)熱箱預(yù)熱時(shí)間為（15±1）min，回溫時(shí)間：≤1 min;

⑥預(yù)熱結(jié)束至試驗(yàn)開始時(shí)間間隔為25～35s;

⑦火焰吞噬時(shí)間為10s;

⑧跌落試驗(yàn)高度為150～155mm;

⑨火焰吞噬后至跌落時(shí)間間隔為25～35s;

⑩燃?xì)忸愋蜑楸椋瑵舛取?5%。

4? 試驗(yàn)裝置各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1? 試驗(yàn)車

試驗(yàn)車由試驗(yàn)車框架、行走機(jī)構(gòu)、模擬呼吸機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)組成，主要部件包括：呼吸驅(qū)動(dòng)氣缸、呼吸執(zhí)行氣缸、升降驅(qū)動(dòng)氣缸、升降執(zhí)行氣缸、行走機(jī)構(gòu)、執(zhí)行換向閥、軌道、光電開關(guān)等，如圖2所示[7]。

4.1.1? 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)由調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)減速器，減速器帶動(dòng)主動(dòng)輪的輪軸來(lái)實(shí)現(xiàn)，從動(dòng)輪用來(lái)保證行駛的穩(wěn)定性。主動(dòng)輪和從動(dòng)輪設(shè)置兩組，分別布置在兩根平行軌道上，如圖3所示。

4.1.2? 模擬呼吸機(jī)構(gòu)

模擬呼吸機(jī)構(gòu)由40mm×200mm的雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)氣壓力（0.8±0.1）MPa。驅(qū)動(dòng)氣經(jīng)執(zhí)行換向閥的呼氣輸出端進(jìn)入驅(qū)動(dòng)氣缸輸入端，驅(qū)動(dòng)氣缸的活塞桿推動(dòng)執(zhí)行氣缸的活塞按規(guī)定的行程運(yùn)動(dòng)，向呼吸氣體出口推送2L的空氣;然后，由程序控制的執(zhí)行換向閥將驅(qū)動(dòng)氣切換至吸氣輸出端并進(jìn)入驅(qū)動(dòng)氣缸另一輸入端，驅(qū)動(dòng)氣缸的活塞桿反向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)執(zhí)行氣缸的活塞復(fù)位，這一過(guò)程使呼吸氣體出口產(chǎn)生負(fù)壓。

4.1.3? 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)由63mm×150mm的單作用氣缸驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)氣壓力（0.8±0.1）MPa，其向上推力滿足抬升部件重力的需要。驅(qū)動(dòng)氣經(jīng)執(zhí)行換向閥輸出端進(jìn)入驅(qū)動(dòng)氣缸，驅(qū)動(dòng)氣缸的活塞桿推動(dòng)執(zhí)行氣缸的活塞及活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行氣缸的活塞桿與升降面可靠連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)升降面的抬升動(dòng)作;需要下降動(dòng)作的時(shí)候，由程序控制的執(zhí)行換向閥關(guān)閉驅(qū)動(dòng)氣的輸入并經(jīng)不低于12mm大通徑的排氣孔將驅(qū)動(dòng)氣缸內(nèi)的剩余驅(qū)動(dòng)氣迅速排出，抬升面在重力的作用下向下完成自由落體運(yùn)動(dòng)。

4.2? 金屬人模

金屬人模由頭模、軀干、微壓壓力變送器、導(dǎo)氣管等組成，軀干正面上下各有一個(gè)工藝口，上部工藝口用于固定頭模、導(dǎo)氣管、微壓壓力變送器等部件的操作，下部工藝口用于進(jìn)行固定導(dǎo)氣管及將金屬人模固定在試驗(yàn)車上的操作，如圖4所示[8]。

4.2.1? 頭模及軀干

頭模為中空結(jié)構(gòu)，左眼部安裝用于檢測(cè)被試面罩內(nèi)呼吸阻力的探頭，口部為圓形通孔，與模擬呼吸輸出管連接，頭模底部設(shè)有安裝法蘭，與支撐頭部的頭模支架連接，頭模支架也通過(guò)安裝法蘭與軀干內(nèi)的支撐框架連接。頭模外形按標(biāo)準(zhǔn)亞洲人種頭型及臉型制作。

4.2.2? 微壓壓力變送器及導(dǎo)氣管

微壓壓力變送器量程±2kPa，安裝在金屬人模內(nèi)部，通過(guò)導(dǎo)氣管與頭模眼部的檢測(cè)探頭連接，用于檢測(cè)被檢空氣呼吸器面罩內(nèi)部的呼吸阻力，其連接線纜穿過(guò)保護(hù)管與試驗(yàn)車車廂內(nèi)的螺旋線纜連接，螺旋線纜另一端經(jīng)拖鏈與控制系統(tǒng)連接。模擬呼吸導(dǎo)氣管一端與試驗(yàn)車頂部的呼吸氣體接口連接，另一端與頭模口部的模擬呼吸連接管接口連接，如圖5所示。

4.3? 燃燒器

燃燒器由框架、燃燒排、點(diǎn)火器、測(cè)溫探頭、混合器、管路、調(diào)壓閥、阻火器、電磁閥、壓力表等組成。燃燒器示意圖如圖6所示。使用時(shí)首先連接符合要求的燃?xì)鈿庠磁c壓縮空氣氣源。燃?xì)夤苈贩譃橥瑯拥膬山M，經(jīng)一級(jí)減壓至0.35MPa，然后經(jīng)二級(jí)減壓至0.1MPa，由常閉電磁閥控制分別通向兩側(cè)燃燒排的混合器（混合器每側(cè)2個(gè)），電磁閥后端安裝阻火器防止回火。壓力為0.8MPa的壓縮空氣氣源分為12根并聯(lián)的支路經(jīng)常閉電磁閥控制，分別通向兩側(cè)燃燒排的混合器（混合器每側(cè)2個(gè)，每個(gè)混合器與3根支路管連接），燃?xì)馀c壓縮空氣在混合器充分混合后通向每根燃燒排（每側(cè)4根燃燒排，共計(jì)8根）[9]。

4.4? 執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣系統(tǒng)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣系統(tǒng)的作用是為各執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)氣體，其工作流程為經(jīng)調(diào)壓器減壓至0.8MPa的壓縮空氣，經(jīng)電池閥、電動(dòng)換向閥控制分別輸送至呼吸執(zhí)行氣缸、升降執(zhí)行氣缸及預(yù)熱箱自動(dòng)門執(zhí)行氣缸，如圖7所示。

4.5? 預(yù)熱箱

預(yù)熱箱主要由框架、面板、自動(dòng)門、遮擋保護(hù)開關(guān)、攪勻裝置、加熱器、隔熱層、測(cè)溫探頭等組成，其作用主要包括溫度控制、自動(dòng)門、保溫3個(gè)部分，如圖8所示[10]。

4.6? PLC控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC產(chǎn)品中的CPU224一個(gè)、數(shù)字量模塊EM223一個(gè)，模擬量輸入模塊EM231兩個(gè)組成控制核心控制器，共配置數(shù)字量輸出點(diǎn)26個(gè);數(shù)字量輸入點(diǎn)30個(gè)，模擬量輸入點(diǎn)8個(gè)。其中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要由傳感器組成，試驗(yàn)中采集并輸入到控制CPU（214）和模塊（EM231）的傳感器主要包括溫度、光電和壓力三大類;電氣執(zhí)行子系統(tǒng)是PLC系統(tǒng)輸出信號(hào)的執(zhí)行系統(tǒng)，即CPU輸出點(diǎn)Q0.0至Q3.7共計(jì)26個(gè)輸出點(diǎn)。HMI人機(jī)交互子系統(tǒng)由上位機(jī)、軟件系統(tǒng)和通訊模塊組成，如圖9所示。

5? 試驗(yàn)情況

按照GJB6629A-2021附錄B《自給式呼吸器耐火焰吞噬試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)步驟，對(duì)市售某型空氣呼吸器進(jìn)行了火焰吞噬試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)后的空氣呼吸器見圖10和圖11。

6? 結(jié)語(yǔ)

整機(jī)火焰吞噬性能是考核空氣呼吸器耐熱和火焰適應(yīng)性的重要指標(biāo)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，受試空氣呼吸器受損嚴(yán)重，已無(wú)法繼續(xù)使用。這也在一定程度上反映了我國(guó)空氣呼吸器在耐熱和火焰適應(yīng)性方面存在一定的質(zhì)量隱患，急需在空氣呼吸器整機(jī)和部件的設(shè)計(jì)、材質(zhì)等方面進(jìn)行大幅改進(jìn)與提升。同時(shí)，有關(guān)空氣呼吸器質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)機(jī)構(gòu)也應(yīng)積極創(chuàng)造條件，盡快修訂相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將火焰吞噬試驗(yàn)納入空氣呼吸器的常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目中，提高空氣呼吸器的耐熱和火焰適應(yīng)性，確保消防員在火場(chǎng)環(huán)境中作業(yè)的安全性。

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The design of flame engulfment experimental device with the compressed air breathing apparatus

Li Xiaoyin1， Yang Dongxing2

（ 1. Research Institute for Chemical Defence，Academy of Military Science，Beijing? 100191;2. Fushun Fuyun Anyi Life-Saving Equipment Co.，Ltd.，Liaoning? Fushun? 113122）

Abstract： In order to promote the safety and adaptability of the compressed air breathing apparatus in the fire environment，and to meet the needs of carrying out the flame engulfment test of the breathing apparatus，this paper developed the experimental device of flame engulfment with the breathing apparatus which owned independent intellectual property，and discussed the systematic composition，the overall design，the technical specification，the design of each subsystem of the experimental device，and improving the testing and verification means of China's breathing apparatus，and promote the comprehensive performances of China's breathing apparatus.

Keywords：compressed air breathing apparatus;flame engulfment test;

experimental device