李小银 杨东星
摘要：为了提高空气呼吸器在火焰环境中的安全性和适应性，满足开展火焰吞噬试验的需要，研制了拥有自主知识产权的试验装置，讨论了该试验装置的系统组成、总体设计、技术要求、各子系统的设计，完善了我国空气呼吸器试验验证手段，将有效提高我国空气呼吸器的总体技术性能。
关键词：空气呼吸器;火焰吞噬试验;试验装置
中图分类号：TU972.4 文献标识码：A 文章编号：2096-1227（2022）05-0004-04
空气呼吸器是消防员必配的一种个人防护装备。为确保空气呼吸器在火场环境中的安全性和适用性，美国消防协会和欧洲标准化委员会分别于1992年和2006年起在其空气呼吸器技术标准中，增加了整机火焰吞噬试验要求及试验方法[1-2]。
我国对空气呼吸器在火场消防救援环境中的安全性和适应性要求也越来越高。为呼应此要求，2021年国家军用标准GJB6629A-2021在最新修订版中增加了整机火焰吞噬试验要求及试验方法[3]。相应的国家标准和消防救援行业标准相信也会很快将此要求纳入相应的标准规定中[4-5]。为配合GJB6629A的修订工作，解决整机火焰吞噬试验的检测问题，研制了空气呼吸器火焰吞噬试验装置。
1 试验原理
将自给式呼吸器佩戴在金属试验人模上，经预热箱预热平衡后，在规定的试验条件下对呼吸器进行喷火试验，随后进行自由坠落，以检验呼吸器在有焰环境中的安全性和适用性。
2 试验要求
经火焰吞噬试验后，空气呼吸器应满足以下要求：
①自试验开始时起至结束为止，空气呼吸器面罩呼吸腔体内应保持正压，且压力不应大于870Pa;
②空气呼吸器的部件和附件的续燃时间不应大于5s;
③试验后面罩镜片的可见光透射比不应小于20%;
④呼吸阻力应符合GB/T16556或XF124的规定;
⑤面罩压力显示装置（HUD）应能正常工作，符合相应的规定。
3 试验装置的组成
试验装置主要由试验车、金属头模、燃烧器、执行机构供气系统、预热箱和PLC控制系统等6部分构成，装置系统结构如图1所示[6]。
火焰吞噬试验装置设计技术参数如下：
①呼吸阻力监测范围为-2000～2000Pa;
②距燃烧器250mm处火焰温度为950±50℃;
③预热箱工作温度范围为85～95℃;
④呼吸机呼吸量为25次/min×2L/次;
⑤预热箱预热时间为（15±1）min，回温时间：≤1 min;
⑥预热结束至试验开始时间间隔为25～35s;
⑦火焰吞噬时间为10s;
⑧跌落试验高度为150～155mm;
⑨火焰吞噬后至跌落时间间隔为25～35s;
⑩燃气类型为丙烷，浓度≥95%。
4 试验装置各子系统的设计
4.1 試验车
试验车由试验车框架、行走机构、模拟呼吸机构、升降机构组成，主要部件包括：呼吸驱动气缸、呼吸执行气缸、升降驱动气缸、升降执行气缸、行走机构、执行换向阀、轨道、光电开关等，如图2所示[7]。
4.1.1 行走机构
行走机构的驱动由调速电机带动减速器，减速器带动主动轮的轮轴来实现，从动轮用来保证行驶的稳定性。主动轮和从动轮设置两组，分别布置在两根平行轨道上，如图3所示。
4.1.2 模拟呼吸机构
模拟呼吸机构由40mm×200mm的双作用气缸驱动，驱动气压力（0.8±0.1）MPa。驱动气经执行换向阀的呼气输出端进入驱动气缸输入端，驱动气缸的活塞杆推动执行气缸的活塞按规定的行程运动，向呼吸气体出口推送2L的空气;然后，由程序控制的执行换向阀将驱动气切换至吸气输出端并进入驱动气缸另一输入端，驱动气缸的活塞杆反向运动带动执行气缸的活塞复位，这一过程使呼吸气体出口产生负压。
4.1.3 升降机构
升降机构由63mm×150mm的单作用气缸驱动，驱动气压力（0.8±0.1）MPa，其向上推力满足抬升部件重力的需要。驱动气经执行换向阀输出端进入驱动气缸，驱动气缸的活塞杆推动执行气缸的活塞及活塞杆向上运动，执行气缸的活塞杆与升降面可靠连接在一起，从而实现升降面的抬升动作;需要下降动作的时候，由程序控制的执行换向阀关闭驱动气的输入并经不低于12mm大通径的排气孔将驱动气缸内的剩余驱动气迅速排出，抬升面在重力的作用下向下完成自由落体运动。
4.2 金属人模
金属人模由头模、躯干、微压压力变送器、导气管等组成，躯干正面上下各有一个工艺口，上部工艺口用于固定头模、导气管、微压压力变送器等部件的操作，下部工艺口用于进行固定导气管及将金属人模固定在试验车上的操作，如图4所示[8]。
4.2.1 头模及躯干
头模为中空结构，左眼部安装用于检测被试面罩内呼吸阻力的探头，口部为圆形通孔，与模拟呼吸输出管连接，头模底部设有安装法兰，与支撑头部的头模支架连接，头模支架也通过安装法兰与躯干内的支撑框架连接。头模外形按标准亚洲人种头型及脸型制作。
4.2.2 微压压力变送器及导气管
微压压力变送器量程±2kPa，安装在金属人模内部，通过导气管与头模眼部的检测探头连接，用于检测被检空气呼吸器面罩内部的呼吸阻力，其连接线缆穿过保护管与试验车车厢内的螺旋线缆连接，螺旋线缆另一端经拖链与控制系统连接。模拟呼吸导气管一端与试验车顶部的呼吸气体接口连接，另一端与头模口部的模拟呼吸连接管接口连接，如图5所示。
4.3 燃烧器
燃烧器由框架、燃烧排、点火器、测温探头、混合器、管路、调压阀、阻火器、电磁阀、压力表等组成。燃烧器示意图如图6所示。使用时首先连接符合要求的燃气气源与压缩空气气源。燃气管路分为同样的两组，经一级减压至0.35MPa，然后经二级减压至0.1MPa，由常闭电磁阀控制分别通向两侧燃烧排的混合器（混合器每侧2个），电磁阀后端安装阻火器防止回火。压力为0.8MPa的压缩空气气源分为12根并联的支路经常闭电磁阀控制，分别通向两侧燃烧排的混合器（混合器每侧2个，每个混合器与3根支路管连接），燃气与压缩空气在混合器充分混合后通向每根燃烧排（每侧4根燃烧排，共计8根）[9]。
4.4 执行机构供气系统
执行机构供气系统的作用是为各执行机构提供驱动气体，其工作流程为经调压器减压至0.8MPa的压缩空气，经电池阀、电动换向阀控制分别输送至呼吸执行气缸、升降执行气缸及预热箱自动门执行气缸，如图7所示。
4.5 预热箱
预热箱主要由框架、面板、自动门、遮挡保护开关、搅匀装置、加热器、隔热层、测温探头等组成，其作用主要包括温度控制、自动门、保温3个部分，如图8所示[10]。
4.6 PLC控制系統
控制系统采用西门子S7-200系列PLC产品中的CPU224一个、数字量模块EM223一个，模拟量输入模块EM231两个组成控制核心控制器，共配置数字量输出点26个;数字量输入点30个，模拟量输入点8个。其中数据采集子系统主要由传感器组成，试验中采集并输入到控制CPU（214）和模块（EM231）的传感器主要包括温度、光电和压力三大类;电气执行子系统是PLC系统输出信号的执行系统，即CPU输出点Q0.0至Q3.7共计26个输出点。HMI人机交互子系统由上位机、软件系统和通讯模块组成，如图9所示。
5 试验情况
按照GJB6629A-2021附录B《自给式呼吸器耐火焰吞噬试验方法》规定的试验步骤，对市售某型空气呼吸器进行了火焰吞噬试验。试验过程及试验后的空气呼吸器见图10和图11。
6 结语
整机火焰吞噬性能是考核空气呼吸器耐热和火焰适应性的重要指标。从试验结果来看，受试空气呼吸器受损严重，已无法继续使用。这也在一定程度上反映了我国空气呼吸器在耐热和火焰适应性方面存在一定的质量隐患，急需在空气呼吸器整机和部件的设计、材质等方面进行大幅改进与提升。同时，有关空气呼吸器质量监督检测机构也应积极创造条件，尽快修订相应的国家标准和行业标准，将火焰吞噬试验纳入空气呼吸器的常规检测项目中，提高空气呼吸器的耐热和火焰适应性，确保消防员在火场环境中作业的安全性。
参考文献：
[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.军用隔绝式个人防护装具规范[S].
[4]GB/T 16556-2007.自给开路式压缩空气呼吸器[S].
[5]XF 124-2013.正压式消防空气呼吸器[S].
[6]杨东星，凌新亮，李小银，等.空气呼吸器抗火焰吞噬试验系统[P].CN 201811054610.4，2019-01-11.
[7]杨东星，李小银，凌新亮，等.空气呼吸器抗火焰吞噬试验用试验车[P].CN 201811054611.9，2018-12-28.
[8]周群，祖国胤，刘东旭，等.空气呼吸器抗火焰吞噬试验用半身模[P].CN 201821479892.8，2019-06-25.
[9]杨东星，凌新亮，李小银，等.空气呼吸器抗火焰吞噬试验用燃烧系统[P].CN 201811054603.4，2019-01-18.
[10]李俊明，计伟，王述，等.一种空气呼吸器预热箱[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