空氣呼吸器火焰吞噬試驗裝置研制

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的需要，研制了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的試驗裝置，討論了該試驗裝置的系統(tǒng)組成、總體設(shè)計、技術(shù)要求、各子系統(tǒng)的設(shè)計，完善了我國空氣呼吸器試驗驗證手段，將有效提高我國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;試驗裝置

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

空氣呼吸器是消防員必配的一種個人防護(hù)裝備。為確?？諝夂粑髟诨饒霏h(huán)境中的安全性和適用性，美國消防協(xié)會和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會分別于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)火焰吞噬試驗要求及試驗方法[1-2]。

我國對空氣呼吸器在火場消防救援環(huán)境中的安全性和適應(yīng)性要求也越來越高。為呼應(yīng)此要求，2021年國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB6629A-2021在最新修訂版中增加了整機(jī)火焰吞噬試驗要求及試驗方法[3]。相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和消防救援行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相信也會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)火焰吞噬試驗的檢測問題，研制了空氣呼吸器火焰吞噬試驗裝置。

1? 試驗原理

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

2? 試驗要求

經(jīng)火焰吞噬試驗后，空氣呼吸器應(yīng)滿足以下要求：

①自試驗開始時起至結(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)燃時間不應(yīng)大于5s;

③試驗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? 試驗裝置的組成

試驗裝置主要由試驗車、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]。

火焰吞噬試驗裝置設(shè)計技術(shù)參數(shù)如下：

①呼吸阻力監(jiān)測范圍為-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)熱時間為（15±1）min，回溫時間：≤1 min;

⑥預(yù)熱結(jié)束至試驗開始時間間隔為25～35s;

⑦火焰吞噬時間為10s;

⑧跌落試驗高度為150～155mm;

⑨火焰吞噬后至跌落時間間隔為25～35s;

⑩燃?xì)忸愋蜑楸?，濃度?5%。

4? 試驗裝置各子系統(tǒng)的設(shè)計

4.1? 試驗車

試驗車由試驗車框架、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)動氣缸、呼吸執(zhí)行氣缸、升降驅(qū)動氣缸、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)動由調(diào)速電機(jī)帶動減速器，減速器帶動主動輪的輪軸來實現(xiàn)，從動輪用來保證行駛的穩(wěn)定性。主動輪和從動輪設(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，驅(qū)動氣壓力（0.8±0.1）MPa。驅(qū)動氣經(jīng)執(zhí)行換向閥的呼氣輸出端進(jìn)入驅(qū)動氣缸輸入端，驅(qū)動氣缸的活塞桿推動執(zhí)行氣缸的活塞按規(guī)定的行程運動，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)動氣切換至吸氣輸出端并進(jìn)入驅(qū)動氣缸另一輸入端，驅(qū)動氣缸的活塞桿反向運動帶動執(zhí)行氣缸的活塞復(fù)位，這一過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，驅(qū)動氣壓力（0.8±0.1）MPa，其向上推力滿足抬升部件重力的需要。驅(qū)動氣經(jīng)執(zhí)行換向閥輸出端進(jìn)入驅(qū)動氣缸，驅(qū)動氣缸的活塞桿推動執(zhí)行氣缸的活塞及活塞桿向上運動，執(zhí)行氣缸的活塞桿與升降面可靠連接在一起，從而實現(xiàn)升降面的抬升動作;需要下降動作的時候，由程序控制的執(zhí)行換向閥關(guān)閉驅(qū)動氣的輸入并經(jīng)不低于12mm大通徑的排氣孔將驅(qū)動氣缸內(nèi)的剩余驅(qū)動氣迅速排出，抬升面在重力的作用下向下完成自由落體運動。

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，通過導(dǎo)氣管與頭模眼部的檢測探頭連接，用于檢測被檢空氣呼吸器面罩內(nèi)部的呼吸阻力，其連接線纜穿過保護(hù)管與試驗車車廂內(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)氣管一端與試驗車頂部的呼吸氣體接口連接，另一端與頭?？诓康哪M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、點火器、測溫探頭、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)一級減壓至0.35MPa，然后經(jīng)二級減壓至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），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，每個混合器與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、自動門、遮擋保護(hù)開關(guān)、攪勻裝置、加熱器、隔熱層、測溫探頭等組成，其作用主要包括溫度控制、自動門、保溫3個部分，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、數(shù)字量模塊EM223一個，模擬量輸入模塊EM231兩個組成控制核心控制器，共配置數(shù)字量輸出點26個;數(shù)字量輸入點30個，模擬量輸入點8個。其中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要由傳感器組成，試驗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)輸出信號的執(zhí)行系統(tǒng)，即CPU輸出點Q0.0至Q3.7共計26個輸出點。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? 試驗情況

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

6? 結(jié)語

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)。從試驗結(jié)果來看，受試空氣呼吸器受損嚴(yán)重，已無法繼續(xù)使用。這也在一定程度上反映了我國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、材質(zhì)等方面進(jìn)行大幅改進(jìn)與提升。同時，有關(guān)空氣呼吸器質(zhì)量監(jiān)督檢測機(jī)構(gòu)也應(yīng)積極創(chuàng)造條件，盡快修訂相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將火焰吞噬試驗納入空氣呼吸器的常規(guī)檢測項目中，提高空氣呼吸器的耐熱和火焰適應(yīng)性，確保消防員在火場環(huán)境中作業(yè)的安全性。

參考文獻(xiàn)：

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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