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境中的安全性和適應性，滿足開展火焰吞噬試驗的需要，研制了擁有自主知識產權的試驗裝置，討論了該試驗裝置的系統組成、總體設計、技術要求、各子系統的設計，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性能。

關鍵詞：空氣呼吸器;火焰吞噬試驗;試驗裝置

中圖分類號：TU972.4? ? ? ?文獻標識碼：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裝備。為確?？諝夂粑髟诨饒霏h境中的安全性和適用性，美國消防協會和歐洲標準化委員會分別于1992年和2006年起在其空氣呼吸器技術標準中，增加了整機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境中的安全性和適應性要求也越來越高。為呼應此要求，2021年國家軍用標準GJB6629A-2021在最新修訂版中增加了整機火焰吞噬試驗要求及試驗方法[3]。相應的國家標準和消防救援行業標準相信也會很快將此要求納入相應的標準規定中[4-5]。為配合GJB6629A的修訂工作，解決整機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，經預熱箱預熱平衡后，在規定的試驗條件下對呼吸器進行噴火試驗，隨后進行自由墜落，以檢驗呼吸器在有焰環境中的安全性和適用性。

2? 試驗要求

經火焰吞噬試驗后，空氣呼吸器應滿足以下要求：

①自試驗開始時起至結束為止，空氣呼吸器面罩呼吸腔體內應保持正壓，且壓力不應大于870Pa;

②空氣呼吸器的部件和附件的續燃時間不應大于5s;

③試驗后面罩鏡片的可見光透射比不應小于20%;

④呼吸阻力應符合GB/T16556或XF124的規定;

⑤面罩壓力顯示裝置（HUD）應能正常工作，符合相應的規定。

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、執行機構供氣系統、預熱箱和PLC控制系統等6部分構成，裝置系統結構如圖1所示[6]。

火焰吞噬試驗裝置設計技術參數如下：

①呼吸阻力監測范圍為-2000～2000Pa;

②距燃燒器250mm處火焰溫度為950±50℃;

③預熱箱工作溫度范圍為85～95℃;

④呼吸機呼吸量為25次/min×2L/次;

⑤預熱箱預熱時間為（15±1）min，回溫時間：≤1 min;

⑥預熱結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燃氣類型為丙烷，濃度≥95%。

4? 試驗裝置各子系統的設計

4.1? 試驗車

試驗車由試驗車框架、行走機構、模擬呼吸機構、升降機構組成，主要部件包括：呼吸驅動氣缸、呼吸執行氣缸、升降驅動氣缸、升降執行氣缸、行走機構、執行換向閥、軌道、光電開關等，如圖2所示[7]。

4.1.1? 行走機構

行走機構的驅動由調速電機帶動減速器，減速器帶動主動輪的輪軸來實現，從動輪用來保證行駛的穩定性。主動輪和從動輪設置兩組，分別布置在兩根平行軌道上，如圖3所示。

4.1.2? 模擬呼吸機構

模擬呼吸機構由40mm×200mm的雙作用氣缸驅動，驅動氣壓力（0.8±0.1）MPa。驅動氣經執行換向閥的呼氣輸出端進入驅動氣缸輸入端，驅動氣缸的活塞桿推動執行氣缸的活塞按規定的行程運動，向呼吸氣體出口推送2L的空氣;然后，由程序控制的執行換向閥將驅動氣切換至吸氣輸出端并進入驅動氣缸另一輸入端，驅動氣缸的活塞桿反向運動帶動執行氣缸的活塞復位，這一過程使呼吸氣體出口產生負壓。

4.1.3? 升降機構

升降機構由63mm×150mm的單作用氣缸驅動，驅動氣壓力（0.8±0.1）MPa，其向上推力滿足抬升部件重力的需要。驅動氣經執行換向閥輸出端進入驅動氣缸，驅動氣缸的活塞桿推動執行氣缸的活塞及活塞桿向上運動，執行氣缸的活塞桿與升降面可靠連接在一起，從而實現升降面的抬升動作;需要下降動作的時候，由程序控制的執行換向閥關閉驅動氣的輸入并經不低于12mm大通徑的排氣孔將驅動氣缸內的剩余驅動氣迅速排出，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、導氣管、微壓壓力變送器等部件的操作，下部工藝口用于進行固定導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

頭模為中空結構，左眼部安裝用于檢測被試面罩內呼吸阻力的探頭，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的支撐框架連接。頭模外形按標準亞洲人種頭型及臉型制作。

4.2.2? 微壓壓力變送器及導氣管

微壓壓力變送器量程±2kPa，安裝在金屬人模內部，通過導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部的呼吸阻力，其連接線纜穿過保護管與試驗車車廂內的螺旋線纜連接，螺旋線纜另一端經拖鏈與控制系統連接。模擬呼吸導氣管一端與試驗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、點火器、測溫探頭、混合器、管路、調壓閥、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氣氣源與壓縮空氣氣源。燃氣管路分為同樣的兩組，經一級減壓至0.35MPa，然后經二級減壓至0.1MPa，由常閉電磁閥控制分別通向兩側燃燒排的混合器（混合器每側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根并聯的支路經常閉電磁閥控制，分別通向兩側燃燒排的混合器（混合器每側2個，每個混合器與3根支路管連接），燃氣與壓縮空氣在混合器充分混合后通向每根燃燒排（每側4根燃燒排，共計8根）[9]。

4.4? 執行機構供氣系統

執行機構供氣系統的作用是為各執行機構提供驅動氣體，其工作流程為經調壓器減壓至0.8MPa的壓縮空氣，經電池閥、電動換向閥控制分別輸送至呼吸執行氣缸、升降執行氣缸及預熱箱自動門執行氣缸，如圖7所示。

4.5? 預熱箱

預熱箱主要由框架、面板、自動門、遮擋保護開關、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

控制系統采用西門子S7-200系列PLC產品中的CPU224一個、數字量模塊EM223一個，模擬量輸入模塊EM231兩個組成控制核心控制器，共配置數字量輸出點26個;數字量輸入點30個，模擬量輸入點8個。其中數據采集子系統主要由傳感器組成，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;電氣執行子系統是PLC系統輸出信號的執行系統，即CPU輸出點Q0.0至Q3.7共計26個輸出點。HMI人機交互子系統由上位機、軟件系統和通訊模塊組成，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》規定的試驗步驟，對市售某型空氣呼吸器進行了火焰吞噬試驗。試驗過程及試驗后的空氣呼吸器見圖10和圖11。

6? 結語

整機火焰吞噬性能是考核空氣呼吸器耐熱和火焰適應性的重要指標。從試驗結果來看，受試空氣呼吸器受損嚴重，已無法繼續使用。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性方面存在一定的質量隱患，急需在空氣呼吸器整機和部件的設計、材質等方面進行大幅改進與提升。同時，有關空氣呼吸器質量監督檢測機構也應積極創造條件，盡快修訂相應的國家標準和行業標準，將火焰吞噬試驗納入空氣呼吸器的常規檢測項目中，提高空氣呼吸器的耐熱和火焰適應性，確保消防員在火場環境中作業的安全性。

參考文獻：

[1]NFPA 1981：1992.Open-Circuit Self-Contained Breathing Apparatus for Fire Fighters[S].

[2]BS EN 137：2006.Respiratory protective devices—Self-contained open-circuit compressed air breathing apparatus with full face mask—Requirements，testing，marking[S].

[3]GJB 6629A-2021.軍用隔絕式個人防護裝具規范[S].

[4]GB/T 16556-2007.自給開路式壓縮空氣呼吸器[S].

[5]XF 124-2013.正壓式消防空氣呼吸器[S].

[6]楊東星，凌新亮，李小銀，等.空氣呼吸器抗火焰吞噬試驗系統[P].CN 201811054610.4，2019-01-11.

[7]楊東星，李小銀，凌新亮，等.空氣呼吸器抗火焰吞噬試驗用試驗車[P].CN 201811054611.9，2018-12-28.

[8]周群，祖國胤，劉東旭，等.空氣呼吸器抗火焰吞噬試驗用半身模[P].CN 201821479892.8，2019-06-25.

[9]楊東星，凌新亮，李小銀，等.空氣呼吸器抗火焰吞噬試驗用燃燒系統[P].CN 201811054603.4，2019-01-18.

[10]李俊明，計偉，王述，等.一種空氣呼吸器預熱箱[P].CN 201821480117.4，2019-06-11.

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