正压式空气呼吸器供气性能对比试验研究

杜　欣

(武警学院 消防指挥系，河北 廊坊　065000)



正压式空气呼吸器供气性能对比试验研究

杜欣

(武警学院 消防指挥系，河北 廊坊065000)

结合实战应用条件，对消防部队常用的正压式空气呼吸器的供气性能进行了对比试验测试，得出了一系列较为真实准确的试验数据。通过研究分析，归纳总结出了可用于实战条件的空气呼吸器供气性能数据和结论，为消防部队实战应用提供了较为科学准确的参考数据及规律。

消防；空气呼吸器；供气性能

0　引言

正压式空气呼吸器(简称空气呼吸器)是消防员进行消防作业时佩戴的，保护呼吸系统的一种防护装备。截至目前，全国各地消防部队对官兵自身的安全防护和空气呼吸器的普及应用都十分重视，然而，在实际使用过程中受多种因素的影响，部分基层官兵对空气呼吸器的供气性能并未完全掌握，实战中又缺乏科学准确的参考数据，因为估算空气呼吸器供气性能失误进而影响事故处置效率的问题时有发生。通过前期研究，“平地行进”和“攀爬楼梯、扶梯”是消防员作业的主要两种行进方式[1-2]，本文结合实战应用对空气呼吸器不同作业条件下的供气性能进行对比试验测试，希望为消防部队增进消防员人身安全，提高处置灾害事故效率提供帮助。

1　空气呼吸器供气性能试验测试方法

1.1研究对象

本研究测试选取巴固牌SCBA215型正压式空气呼吸器作为研究对象，此型号空气呼吸器结构简单可靠，便于佩戴使用，是目前我国公安消防部队配备使用最为广泛的空气呼吸器之一，其性能符合国家行业标准《正压式消防空气呼吸器》(GA 124—2013)相关内容规定。SCBA215型空气呼吸器以压缩空气正压式气瓶为气源，该气瓶容积选取6.8 L类型，气瓶额定最大工作压力为30 MPa，整体重量10 kg，最大储气量2 040 L，最大呼气阻力≤500 Pa，最大吸气阻力≤1 000 Pa，供气量≥500 L·min-1。

1.2试验者

试验者40人全部选取军校消防指挥专业在校男性学员，平均年龄22.9周岁，平均身高174.3 cm，平均体重66.4 kg，平均军龄4.2年，其中82.5%的试验者入学前担任过公安消防部队一线战斗员，这些人员掌握常用消防装备的使用方法，具备消防员的基本身体素质和专业技能，具有一定的灭火救援战斗经验，身体健康状况良好。

1.3测试天气、场地

选择6月份进行试验测试，测试时间为下午2点～6点，期间天气以晴和多云为主，平均气温28.7 ℃。选取体育场、训练塔和石油化工模拟训练装置作为测试场地，平地测试场地选取体育场标准400 m跑道进行，攀爬测试选取8层标准训练塔和4层石油化工模拟训练装置进行。

1.4测试方案

为进行空气呼吸器供气性能数据对比，试验共进行三大项测试，即平地不同作业对比测试、平地与攀爬楼梯对比测试和攀爬楼梯、扶梯对比测试。不同项目测试时，试验者佩戴空气呼吸器分别穿着战斗服、密闭防化服在选定试验场地内平地行进或攀爬楼梯、扶梯，模拟灾害事故现场消防员战斗展开、救人等多种作业活动进行试验测试[3]，测试开始和结束时分别记录空气呼吸器气瓶压力数值、作业时间等数据，并将人员信息、天气条件等参数及原始数据分类填入对应试验数据表格内，所用测试装备及重量如表1所示，测试项目具体内容如表2所示。

表1　测试使用装备重量

表2　测试项目内容

2　测试数据

对比试验测试数据如表3、表4和表5所示。

表3　平地对比测试数据

表4　平地行进与攀爬楼梯对比测试数据

表5　攀爬对比测试数据

3　测试结果及分析

3.1平地测试数据对比

为对比平地不同作业条件下空气呼吸器供气性能数据，平地行进对比试验测试距离为1 200 m，其中平地行进分正常行进、紧急行进和慢跑三种状态分别测试，负重行进测试试验者佩戴1支消防水枪和手持2盘消防水带，穿着密闭防护服测试紧急行进；平地不同作业条件下对比测试所有项目测试距离200 m，按照相同行进速度测试。

3.1.1最长供气时间与行进速度的关系

通过试验测试，在平地行进测试时空气呼吸器平均最长供气时间与平均行进速度的关系如图1所示，试验者随着测试平均行进速度的增加，气瓶平均最长供气时间不断减小，6.8 L气瓶满瓶平均最长供气时间在静止条件下可达135.6 min，随着试验者行进速度的增加，最长供气时间数值快速减小，在平均行进速度增加到2.74 m·s-1时，气瓶平均最长供气时间降低到仅有22.1 min。本次测试试验者平均行进速度为1.81 m·s-1，对应平均最长供气时间为40.6 min。按照图1数据曲线分析得出，在人正常行进速度下(1.5 m·s-1)，气瓶平均最长供气时间约为50 min，试验者单位时间平均耗气量(简称耗气率t)约为0.6 MPa·min-1。

图1　气瓶最长供气时间与行进速度关系图

3.1.2供气时间与行进速度关系对比

在平地测试中，分别以平均速度和与之对应的平均耗气量为依据，三种行进条件下(穿着战斗服平地行进、穿着战斗服平地负重行进和穿着密闭防化服平地行进)平均速度和气瓶平均最长供气时间数量关系如图2所示。由图2可知，尽管穿着战斗服平地负重行进测试因负重量较大导致试验者行进速度较为缓慢(行进速度仅在0.88～1.70 m·s-1之间)，但三种不同条件下平地测试的数据均反映出随着平均行进速度的增大，气瓶平均最长供气时间显著减小，在平均速度1.30～1.70 m·s-1范围内，三种行进数据相对比，平均速度相同时穿着战斗服平地行进条件下气瓶平均最长供气时间数值最大，穿着密闭防化服平地行进条件下气瓶平均最长供气时间数值次之，穿着战斗服平地负重行进条件下气瓶平均最长供气时间数值最小，负重量增加对试验者平地行进时的空气呼吸器供气性能数据影响显著。

图2　平地不同条件下行进速度和供气时间对比图

3.1.3耗气率与行进速度关系对比

单位距离平均耗气量(简称耗气率L)与行进速度的关系如图3所示，数据显示试验者三种行进条件下耗气率L在1.20～2.82 m·s-1速度范围内随着测试行进速度的增加并无规律性变化，L值为6.89×10-3MPa·m-1。平地测试时正常行进和紧急行进两种状态下虽然测试速度不同(正常行进平均速度1.32 m·s-1，紧急行进平均速度2.06 m·s-1)，但L值相差很小(数值分别为6.53×10-3MPa·m-1和6.57×10-3MPa·m-1)，数据显示在2.47 m·s-1以下(紧急行进速度最大值)等距离条件下单位距离耗气量数值相对固定，正常行进和紧急行进两种状态下的L值为6.55×10-3MPa·m-1。

图3　耗气率L与行进速度关系图

平地耗气率t与不同行进方式的关系如图4所示，由图可知试验者平地行进三种状态下的t值分别为0.52、0.79和1.36 MPa·min-1，对应平均速度为1.32、2.06和2.74 m·s-1，随着平均行进速度的增大，t值也逐渐增大，并且增大的幅度不断增加，三种行进条件下试验者平均行进速度为1.81 m·s-1，对应平均t值为0.77 MPa·min-1；负重行进测试平均行进速度为1.52 m·s-1，t值达到1.19 MPa·min-1；穿着密闭防化服平地行进测试速度为1.75 m·s-1，但t值达到1.51 MPa·min-1，已经超过慢跑状态下平地行进数值。

图4　耗气率t与不同行进方式关系图

3.1.4平地不同作业条件下耗气率t对比

通过平地试验测试，在不同作业条件下，在行进速度(1.39 m·s-1)和行进距离(200 m)相同时，试验者的耗气率t值随负重量的增加而增大，平地行进时负重量最小，t值也最小，为0.55 MPa·min-1，穿着密闭防化服平地行进和平地负重行进时t值随负重量增加均有所增大；合抬救人与担架救人虽然形式有所差别，但承受重量相差较小(合抬救人中伤者平均体重为70.3 kg，担架救人中假人与担架合重69 kg)，t值仅相差0.02 MPa·min-1；搀扶救人(伤者单脚着地，平均体重为71.5 kg)测试中t值与担架救人数据相差0.04 MPa·min-1，三种救人条件下试验者的t值均大于1 MPa·min-1，气瓶最长连续使用时间均低于30 min，具体数据如图5所示。

图5　平地不同作业条件下耗气率t对比图

3.2平地与攀爬楼梯数据对比

为对比平地行进与攀爬楼梯两种作业形式数据，试验测试在同等距离的条件下进行，平地行进测试距离80 m，攀爬8层楼梯行进路程80 m，试验者在紧急行进状态下进行平地行进、负重平地行进、攀爬楼梯、负重攀爬楼梯四项测试，其中攀爬楼梯上下楼分别测试，综合计算数据。

3.2.1平地与攀爬楼梯测试数据对比

平地行进与攀爬楼梯测试数据对比如图6所示。因测试距离只有80 m，试验者平地测试负重前后平均耗气量和平均用时数值相差较小，平均行进速度仅相差0.05 m·s-1；攀爬楼梯测试负重后平均耗气量和平均用时均明显高于负重前对应数值；平地与攀爬楼梯对比各项测试数据均明显小于后者；四项测试中，平地行进平均耗气量和平均用时均最小，负重攀爬楼梯对应数值均最大。攀爬楼梯测试耗气量数值分别是平地行进对应数值的3.5倍和3.9倍。

图6　平地与攀爬楼梯数据对比图

3.2.2平地行进与攀爬楼梯耗气率t对比

试验者平地测试与攀爬楼梯耗气率t对比关系如图7所示，平地行进t值最小，数值为0.69 MPa·min-1，负重平地行进t值增长到0.81 MPa·min-1，与前者相差17.6%(0.12 MPa·min-1)；攀爬楼梯t值均高于平地行进数值，负重前后攀爬楼梯t值仅相差0.01 MPa·min-1，在t值基本相同的情况下，负重后攀爬楼梯速度显著降低，每层楼梯攀爬用时增长，耗气量增大42.5%。气瓶满气条件下攀爬楼梯最长供气时间均小于20 min。

3.3心率值变化程度对比

在实战中消防员心理紧张程度、作业强度增大均会导致心率值升高[4]，平地行进与攀爬楼梯对比测试对试验者心率值进行了记录。通过试验测试，四种测试项目结束后的平均心率值与测试前心率值对比关系如图8所示，测试前试验者心率均值为98.3 bpm，测试结束时的心率值均高于100 bpm，平地行进心率均值升高最小，负重攀爬楼梯心率均值升高最大；负重前后平地测试结束时心率值分别较测试前增长3%和18%，负重前后攀爬楼梯测试结束时心率值分别较测试前增长14%和32%；攀爬楼梯与平地测试结束时心率值对应数据分别增长10.8%和11.9%。

图7　平地行进与攀爬楼梯耗气率t对比图

图8　平地与攀爬楼梯心率变化程度对比图

3.4攀爬楼梯与攀爬扶梯数据对比

为对比攀爬楼梯与攀爬石化装置扶梯两种作业形式数据，攀爬楼梯测试攀爬8层标准训练塔上下楼分别测试数据，攀爬扶梯测试攀爬4层石化装置，上下楼连续测试。负重攀爬楼梯时试验者穿着战斗服佩戴1支水枪和手持2盘水带，负重攀爬扶梯时试验员穿着密闭防化服手持1堵漏器材箱。测试数据显示，攀爬楼梯、负重攀爬楼梯、攀爬扶梯和负重攀爬扶梯平均耗气量和平均用时数值均呈现逐步增大的现象，单位楼层平均耗气量(简称耗气率M)对比关系如图9所示，攀爬楼梯M值最小，负重攀爬扶梯M值最大；攀爬楼梯M值为0.22 MPa·n-1，负重攀爬楼梯M值为0.29 MPa·n-1，较负重前增加31.8%；攀爬扶梯M值为0.38 MPa·n-1，较攀爬楼梯增加72.7%。

图9　攀爬楼梯与攀爬扶梯耗气率M对比图

4　结论

本文结合消防员从事灭火与抢险救援实战条件，对使用最广泛的6.8 L正压式空气呼吸器在不同作业条件下的供气性能进行了试验对比测试，通过测试主要可以得出以下结论：(1)空气呼吸器(气瓶)供气性能受多重因素影响，试验者负重量增大、行进速度加快都会导致气瓶连续供气时间缩短，静止状态下气瓶连续供气时间最长，随着试验者平均行进速度的增加，气瓶连续供气时间不断减小；在相同平均行进速度条件下，试验者负重量越大，气瓶连续供气时间越短。(2)经试验测试，在速度1.20～2.47 m·s-1范围内平地行进时，虽然降低行进速度可以延长气瓶供气时间，但相同距离条件下平均耗气量数值相对固定，因此，实战使用平均单位距离耗气量数值对平地作业进行估算更为准确。(3)救人第一是消防员处置灾害事故时的首要任务，无论是搀扶救人还是两人合力救人，负重量较平地行进增大明显，消防员单位时间耗气量增长显著，本试验测试中三种救人条件下试验者负重量平均为35 kg左右，尽管测试距离较短，但单位时间平均耗气量均大于1 MPa·min-1，接近平地行进数值的2倍。(4)攀爬楼梯和平地行进对比，相同距离条件下试验者攀爬楼梯时的各项测试数据均较大，耗气量接近4倍，心率值均超过测试前10%以上。(5)攀爬楼梯、扶梯对比，攀爬楼梯单位楼层平均耗气量数值最小，为0.22 MPa·n-1，为便于实战应用，负重攀爬楼梯和攀爬扶梯数值可以参照攀爬楼梯1.3倍和1.7倍数值进行估算。实战使用单位楼层平均耗气量数值对攀爬楼梯、扶梯进行估算更为准确。

[1] 杜欣，李进兴，吴义娟.灾害事故现场空气呼吸器供气性能测试方法研究[C]//中国消防协会.2015年度灭火与应急救援技术学术研讨会论文集.北京：中国石化出版社，2015:468-471.

[2] 李建华，康青春.灭火战术[M].北京：群众出版社，2004:113-114.

[3] 李进兴.消防指挥专业实验[M].廊坊：中国人民武装警察部队学院，2012:85-88.

[4] 杜希，谢春龙，柳素燕．正压式消防空气呼吸器对消防员的生理影响及对策研究[C]//2011中国消防协会科学技术年会.济南:山东大学出版社，2011:131-133.

(责任编辑、校对马龙)

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

河北省科技支撑计划项目“灾害事故现场空气呼吸器供气性能数据测试与应用研究”(13275413)阶段性成果

杜欣(1976—)，男，河北安平人，讲师。

●消防理论研究

TU998.13

A

1008-2077(2016)02-0005-06