空气呼吸器发展现状及趋势研究

发布时间:2021-03-02点击量:930

1 引言

19世纪30年代煤矿事故频繁发生、矿工死亡数量增多、财产遭受严重损失,为保障矿工的安全,制造发明了空气呼吸器,为矿井事故的救援提供了技术保障。时至今日,空气呼吸器已应用到有毒有害气体、化学污染物、高温、浓烟、缺氧等环境下进行作业和抢救的场合中,为使用者提供呼吸保护,保障生命安全。

20世纪40年代又发明了正压式空气呼吸器。20世纪50年代空气呼吸器配置到市政消防领域。正压式空气呼吸器是一种自给式开放式呼吸器。在进行消防救援工作时,消防救援人员佩戴正压式空气呼吸器进入工作现场,以应对浓烟、有毒有害气体、蒸汽或缺氧等恶劣条件,从而有效保障消防员的生命安全。

2 空气呼吸器发展现状


3C认证6.8L消防员正压式空气呼吸器

2.1空气呼吸器的发展历程

空气呼吸器的发展历程大致可分为三个阶段:

第一阶段自19世纪50年代到20世纪初,随着工业化革命的进程,空气呼吸器成为一种应运而生的产品。当时的空气呼吸器为负压式空气呼吸器(面罩内压力低于环境压力)。由于当时材料科学研究方面还处于叫低级阶段,设计的产品体积大、笨重、携带不方便、压力低、有效使用时间短。

第二阶段自20世纪初到20世纪80年代,这个阶段是空气呼吸器发展的成长阶段。在这个阶段中,发明了正压空气呼吸器,使得空气呼吸器发生了革命性的改变。正压式因其使用安全系数高、呼吸感觉舒畅的优势成为空气呼吸器发展的主流方向。德国的德尔格(DRAGER)公司和AUER公司在欧洲市场大展身手。1975PA80型空气呼吸器凭借着其在当时的技术优势,成为正压式空气呼吸器国际标准制定的参照标杆。

德国AUER公司在20世纪30年代开发的PA37/1600型空气呼吸器开始应用于潜水作业。20世纪50年代的BD55型空气呼吸器配置到市政消防领域。

第三阶段自20世纪80年代至今。这个阶段是呼吸器发展的成熟阶段。传统空气呼吸器的设计原理越趋成熟,空气呼吸器材料的选用也达到了新的高度,防化学、防老化、耐高温的特种橡胶材料成为空气呼吸器面罩的主要选材。防火或者阻燃的Kevlar芳纶纤维材材料被广泛应用到空气呼吸器的织带中,提高了空气呼吸器的携带安全性。航空航天用的高强度碳素纤维也被用到工业空气呼吸器的气瓶增强包辅材中,使得气瓶的整体质量只相当于钢瓶的三分之一左右。

2.2我国空气呼吸器的发展历程

20世纪70年代末,我国消防、煤矿、石油化工系统开始引进了许多比较先进的空气呼吸器。当时的空气呼吸器为负压式空气呼吸器(面罩内压力低于环境压力)。气瓶为钢制气瓶,气瓶容量比为1.1-1.2,充气压力为20Mpa

1982年公安部上海消防科学研究所和上海潜水装备厂合作,成功研制了我国第一代HZK-7型消防负压式空气呼吸器。1988年,研制出我国第一代正压式空气呼吸器。

空气呼吸器由负压到正压,这是技术上的重大突破。80年代末,美国梅思安的产品进入中国。90年代中期,美国斯科特公司、法国巴固公司等国外公司产品相继进入中国,推动了正压式空气呼吸器的迅速发展。


进入21世纪后,国内新兴的空气呼吸器生产商相继诞生。中国空气呼吸器生产进入了成熟发展阶段。随着新技术,新材料新工艺的大量运用,碳纤维全饶铝合金内胆复合气瓶在中国应运而生。他的诞生,使正压式空气呼吸器整套装具的佩戴质量减轻了30%,从而有效的降低了消防队员及抢险救援人员的负荷,保证了灭火战斗及抢险救援工作的顺利进行。2002年公安部消防局及时下达了空气呼吸器选用铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶,淘汰高强度轻质钢瓶的通知,为空气呼吸器的发展提供了强有力的支持。

2.3空气呼吸器智能化发展现状

社会的高速发展,灾害险情的复杂多变,如何最大限度的保证消防救援人员的生命安全和战斗力,成为空气呼吸器技术性能发展的重要支撑。近年来,基于信息技术、互联网和大数据的空气呼吸器智能化改进,使其从单一使用功能进阶到集通讯、显示、快充、他救于一体的生命保障系统。

目前我国空气呼吸器技术水平较发达国家仍有一定差距,主要体现在以下四个方面:

1)国内产品全面罩及背架部件设计不够合理,不够科学,国外产品较国内产品更注重作业者佩戴的舒适度,其完全按照人体工程学原理设计,相关部件与面部、背部贴合的非常好,可有效减轻消防救援人员的携带负担。

2)国外产品所用材料更为先进,例如制造全面罩密封框时所使用的材料,国外使用的材料,无论是密封性还是柔软性,都胜国内一筹。

3)国外产品对供气阀的设计更具优势,主要体现为活门灵活、供气流量大。

4)国内产品智能化程度不高。相较于同类型国内产品,国外设备融入了大量智能元素,如:增加了位移报警、抬头显示等功能。

3 空气呼吸器未来发展趋势分析

作为一种十分重要的消防装备,空气呼吸器应随着现代科技的不断发展而发展,以满足新形势下灭火救援任务的需求。其发展趋势主要有以下几个方面:

3.1延长有效使用时间

空气呼吸器使用时间的长短直接影响消防救援人员救援效率的高低,更长的使用时间也将使得消防员可以在充分熟悉环境后实施更行之有效的救援,进一步减少人民群众生命财产损失与消防人员的伤亡。而目前有效延长空气呼吸器使用时间的方法主要有三种:

其一,增加空气呼吸器气瓶的容积,目前最常用的空气呼吸器气瓶的规格为6.8L,为了能够满足部分作业的特殊需求,空气呼吸器制造商陆续开发了8L9L12L碳纤维复合气瓶,这样气瓶容积不断增大,可有效延长空气呼吸器的有效使用时间。

其二,提高空气呼吸器气瓶的工作压力。目前常用的空气呼吸器气瓶压力为30Mpa,为了能够增加气瓶的储气量,通过提高气瓶的初期压力也是一个有效的方法;气瓶压力从15Mpa提高到20Mpa30Mpa,储气量不断增加。美国正在开发5500psi37.5MPa)的碳纤维复合气瓶,这种气瓶与同容积的现有气瓶相比可增加多与20%的使用时间,提供了一种解决方案。

其三,在空气中呼吸器供气阀或者面罩上,增加一个大气切换开关。在使用空气呼吸器中,当外界环境空气能够满足呼吸条件时,将开关切换到使用者呼吸环境中空气;当发现空气质量不能满足呼吸条件时,切换到呼吸气瓶中的空气,这样也能延长空气呼吸器的使用时间。

这三种延长空气呼吸器的使用时间的方法各有利弊。增加气瓶容积,虽然可以延长使用时间,但是随着气瓶容积的不断增大,气瓶外形体积和质量随之增加,使用者的负荷也随之增加。另外部分作业环境由于空间狭小,使用者根本无法进入使用。提高气瓶工作压力虽然可以延长工作时间,但随着压力不断上升,储气量与压力提高不成线性上升,且为了提高压力需要增添更高压力的充气设备,增加成本。增设切换开关,看似相对简便,使用时将面罩内、外空气随意切换,也可以延长使用时间的效果,但是由于在切换过程中,需要确定外界环境空气质量是否可满足呼吸条件,监测环境气体质量需要额外设备投入。即使这样,一旦监测不及时或是失效,仍可能导致使用者吸入有毒有害气体,存在一定的使用安全风险。

3.2提高使用安全性

随着科技发展,大量新技术涌现,把其运用于空气呼吸器的改进创新上,将会大大提高其使用安全性。

考虑到空气呼吸器使用环境条件的复杂性,在保证选用安全可靠空气呼吸器的同时,在空气呼吸器的功能方面增加监控功能也是大家所关注的方向。通过无线遥感技术,作业监护人可随时追踪使用者使用空气呼吸器的情况,例如监控空气呼吸器的气瓶压力、剩余可持续使用时间、使用者的运动感应状态、使用者的生理体质信息、使用者的作业位置等。

目前市场上的正压式空气呼吸器只具备声响低压报警功能,气瓶内充装的高压空气经减压后供佩戴者呼吸,呼出的空气通过呼气阀排到大气中。随着作业或救援时间的延续,气瓶内的高压空气被不断消耗,当气瓶压力低于6MPa时,正压式空气呼吸器将声响报警,然而,在恶劣的工作环境和高噪音的情况下,可能由于听不到报警声而导致因气瓶所剩气量不足造成消防员不能安全撤离。使用传统的空气呼吸器,佩戴者在使用过程中要想知道气瓶中的气压必须借助光源才能看清呼吸器自带的指针式压力表,很难根据佩戴者实际消耗气量动态估算出气瓶中剩余气体及可供气时间,因此在实际应用中存在诸多不便。

为了弥补传统正压式空气呼吸器压力显示和报警装置的不足,压力抬头可视功能便应运而生。压力抬头可视功能利用HUD,将工作环境温度、气瓶剩余气量、剩余使用时间、低气压报警等数据与功能集成显示于面罩或安装在面罩内的HUD显示器上,避免消防员因注意力中断,导致对火场环境以及呼吸器状况的掌控受到影响,显著提升了空气呼吸器的使用安全性。

3.3提高智能化程度

近年来,人工智能,5G、物联网等一系列新技术正在深刻影响并改变着社会的方方面面。为面对新形势下灭火救援任务带来的全新挑战,积极对标习近平总书记对国家综合性消防救援队伍“国家队”“主力军”的职能定位,运用智能技术推动消防救援队伍转型升级、提质强能将成为满足上述需求的不二法门。随着人工智能技术的发展,空气呼吸器将发展成智能化空气呼吸器系统。可数字显示压力、气瓶气量情况、剩余使用时间、环境温度、电池电量、与基站相对距离、撤离等信息,以及具有跌倒声光报警、求救报警、环境温度过高报警、低气压报警、身份自动读取等功能。所有监控到的数据将自动保存并能实时无线传送给监控基站显示器上。指挥部可在后场接收并监控所有使用装备的人员情况,如有危险发生可立刻向救援人员发送单个撤离或全体撤离命令。使空气呼吸器形成智能化空气呼吸器系统。真正成为消防救援人员“救民与水火,助民于危难”的“神兵利器”。

4 结语

作为一种十分重要的消防装备,空气呼吸器是消防员执行灭火救援任务时生命安全的重要保障,而在新时期,消防救援人员面临着新的挑战与新的职能定位,因此,了解空气呼吸器的发展历史、现状、及未来的发展趋势十分有必要。本文通过详述国内外空气呼吸器的发展历程,对比国内外产品的优劣,结合当前灭火救援任务对空气呼吸器的要求,提出了正压式空气呼吸器后续发展应具有高可靠性、高度智能化、可长时间工作等特点。目前,随着国家对消防工作的重视度逐步提高,空气呼吸器已经越来越趋于对高品质、定制化、新技术、优质服务的需求。国内优秀的空气呼吸器厂家已经逐步赶超国外品牌,研制推广了一系列具有中国特色的优质产品,成为民族空气呼吸器发展的生力军,更好地满足了消防救援人员的需要,为我国应急管理事业的发展贡献“中国力量”。

 

来源:《救援装备》 作者:冯帅颀、冯杰
分享
QQ
二维码
电话