Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современной техники, создание новых отраслей промышленности, исследования, проводимые человеком под землей, водой и в космическом пространстве, связаны с необходимостью пребывания человека в условиях, где на организм воздействуют вредные и опасные факторы внешней среды. Работа в непригодной для дыхания среде по спасанию людей и тушению пожаров является наиболее сложным вариантом воздействия на человека опасных факторов, умноженным на необходимость активно действовать.
Для защиты органов дыхания от опасных факторов пожара профессиональные пожарные используют два вида дыхательных аппаратов: резервуарные дыхательные аппараты (аппараты на сжатом воздухе) и регенеративные дыхательные аппараты со сжатым кислородом (кислородно-изолирующие противогазы). Применение других видов средств защиты органов дыхания ограничено их техническими особенностями. За последние два десятилетия наметилась тенденция к более широкому применению аппаратов сжатого воздуха.
Дыхательный аппарат, как и всякое средство индивидуальной защиты, выполняя основную защитную функцию, вместе с тем ухудшает условия дыхания человека и снижает производительность труда. Следовательно, общее направление совершенствования дыхательных приборов - это уменьшение его влияния на человека. Дыхательный аппарат, кроме ухудшения условий дыхания, забирает часть полезной энергии для его переноски, ограничивает свободу движений, обзора. К этим неблагоприятным факторам добавляется психофизиологический дискомфорт, в некоторых случаях превосходящий все физиологические воздействия.
Как показывают исследования, среди самых неблагоприятных факторов, по оценке самих пожарных, стоят недостаточное время защитного действия и значительная масса аппарата. Только ношение одного аппарата нарушает точность и уверенность движений на 20-25%. Использование дыхательных аппаратов снижает время выполнения основных видов работ в 1,5-3 раза.
Масса аппарата обратно пропорциональна времени защитного действия. Показателем, оценивающим соотношение времени защитного действия аппарата к его массе, является удельное время защитного действия (УВЗД). Измеряется он обычно в минутах на килограмм и весьма наглядно характеризует качества аппарата и потенциальные возможности его применения.
Удельное время защитного действия интересно и тем, что с
его помощью можно сравнивать разные по классу аппараты,
оценивая уровень внедрения в устройство аппарата новых
конструкторско-технических решений, использования
прогрессивных материалов и технологий.
Увеличение удельного времени защитного действия возможно тремя путями:
1.Облегчением конструкции аппарата. Наибольший результат дает замена самой тяжелой части, резервуара для сжатого газа, на более легкую. Анализ технических характеристик показывает, что масса баллона в регенеративном аппарате составляет до 30% от общей массы, в аппарате сжатого воздуха - до 75%.
2.Увеличением запаса сжатого газа. Это достигается за счет повышения рабочего давления в баллонах, а также увеличением объема баллонов, но ограничено пределом прочности баллона и требует применения новых материалов и технологий, а также крупномасштабных научных исследований.
З.Экономным использованием ресурса аппарата. Так, в кислородных аппаратах содержание кислорода в дыхательной смеси намного превышает его потребность для дыхания.
В 1950 - 1965 годах в нашей стране и за рубежом были предприняты попытки изыскания способов кислородопитания с более экономным расходованием сжатого кислорода. Однако, было установлено, что при дыхании в этих аппаратах в состоянии покоя в определенных ситуациях возможно заазотирование, а при незначительных нагрузках аппарат более чувствителен к увеличенным подсосам воздуха, чем респираторы с комбинированной подачей кислорода. В связи с этим стали использоваться модели с комбинированной подачей кислорода, а
изучение способов экономного расходования кислорода было прекращено.
Это потребовало изучения данного вопроса и изыскания способов устранения факторов, препятствующих осуществлению экономного расходования кислорода. Разработка подобных устройств возможна на основе изучения газообменных процессов в аппарате с учетом реальных условий работы на пожарах.
Попыток экономного расходования запаса сжатого воздуха не предпринималось.
Увеличения их времени защитного действия добиваются повышением рабочего давления в баллонах, которое ограничено пределом прочности и массой баллона, а также увеличением их объема.
При детальном изучении механизма работы дыхательного аппарата сжатого воздуха было замечено, что дыхательная смесь полностью не используется из-за особенностей конструкции лицевой части и физиологии дыхательных путей человека, что позволило рассмотреть вопрос об экономии ресурса на основе более полного использования дыхательной смеси.
Работа соответствует научно-технической проблеме 0.74.07. "Разработать и внедрить новые, эффективные методы и средства, обеспечивающие пожаровзрывобезопасность объектов народного хозяйства и спасания людей на пожарах", а также программе МВД России "Совершенствование тактики пожаротушения, улучшение имеющихся и разработка новых высокоэффективных средств пожаротушения и спасания людей при пожарах".
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного
исследования является увеличение удельного времени
защитного действия дыхательных аппаратов на основе экономного использования запаса сжатого газа.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
провести анализ проблемы увеличения удельного времени защитного действия современных дыхательных аппаратов;
разработать способы увеличения удельного времени защитного действия;
создать рациональные конструкции устройств, реализующих
разработанные способы;
разработать методику и провести экспериментальное
исследование эффективности разработанных способов.
Объект исследования. Основным объектом исследования являются газомассообменные процессы, происходящие при дыхании в средствах защиты органов дыхания пожарных, а также влияние дыхательного аппарата на человека, работающего в нем.
Научная новизна. Научная новизна работы состоит в том, что:
аналитически определена возможность экономного
расходования запаса сжатого воздуха в резервуарных
дыхательных аппаратах на основе особенностей газообменных
процессов в системе "органы дыхания - аппарат с открытой
схемой дыхания";
теоретически обоснована возможность изменения конструкции
регенеративного дыхательного аппарата со сжатым кислородом
для экономного расходования запаса кислорода;
разработаны способы увеличения удельного времени защитного действия и устройства для их осуществления, признанные изобретениями решениями патентно-технической экспертизы;
экспериментально исследована область объемов дыхательной смеси при изменении концентрации углекислого газа и работа предложенных устройств.
Достоверность полученных результатов. Степень достоверности результатов исследования обосновывается следующим; в основу теоретического анализа положены фундаментальные газовые законы, научно-обоснованная математическая модель внешнего дыхания человека. Результаты экспериментов получены при использовании современной измерительной аппаратуры с достаточно высокой точностью при Удовлетворительном согласовании теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что разработанные способы позволяют увеличить удельное время защитного действия дыхательных аппаратов.
Практическую ценность имеет разработанная методика определения показателей воздействия любой модели дыхательного аппарата на человека, соотнесенная с удельным временем защитного действия и реализованная на персональном компьютере, что позволяет оценить уровень безопасности функционирования аппарата.
Реализация результатов работы. Результаты работы
применены при оценке эргономических показателей
современных дыхательных аппаратов с учетом времени защитного действия при помощи персонального компьютера в ГУГПС МВД России, а также при проведении дальнейших исследований по экономным способам расходования запаса сжатого газа в С.-ПбИПБ МВД России, а также при создании промышленного образца устройства отбора части дыхательной смеси в аппаратах с открытой схемой дыхания в ИПЛ УГПС Смоленской области.
Апробация работы. Основные положения исследования докладывались на первом съезде специалистов по безопасности деятельности человека (г. Санкт-Петербург, 1992 г.), на 12-й Всероссийской научно-практической конференции "Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ" (Москва, .ВНИИПО, 1993 г.), на 3-й международной конференции "Информатизация систем безопасности - 94" (Москва, ВИПТШ, 1994 г.), на научно-технической конференции "Научно-технические решения по предотвращению и ликвидации пожаров" (Формула безопасности - 94, Москва, ВИПТШ, 1994 г.), на научно-практической конференции "Научно-технические решения и разработки по предотвращению и ликвидации пожаров" (Москва, ВИПТШ, 1995 г.), на научно-практической конференции "Актуальные проблемы предупреждения и тушения пожаров на объектах и в населенных пунктах" (Пожарная безопасность - 96, Москва, МИЛЕ, 1996 г.), на заседании кафедры пожарной техники ВИПТШ (Москва, 1994 г.), на расширенном заседании кафедр МИПБ (Москва,1998 г.).
Публикации. По результатам выполненного
диссертационного исследования опубликовано 9 работ, из них 3 патента России на изобретения.
На защиту выносятся:
результаты теоретического' изучения воздействия дыхательного аппарата на человека с точки зрения удельного времени защитного действия;
способы увеличения удельного времени защитного действия дыхательных аппаратов, основанные на использовании способов экономного расходования запаса сжатого газа
устройства, позволяющие увеличивать удельное время защитного действия;
результаты экспериментального исследования эффективности одного из разработанных способов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Работа без приложения содержит 191 страницу машинописного текста, иллюстрированного 54 рисунками, 34 таблицами, 11 фотографиями. В библиографии приведены ПО литературных источников на русском языке и 11 на иностранных языках.