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矿用动力送风跟随式防尘口罩设计研究

矿山尘肺病早已成为我国危害最严重的职业病,并且其发病率、发病人数、发病种类、致亡数量均在不断提高,煤炭行业尘肺病占全国50%以上,造成的死亡人数远远大于煤矿五大灾害,因此也称为“隐性矿难”。引起煤矿工人尘肺病的主要原因就是在作业过程中的防护失效,而防护失效有防尘口罩本身的原因和煤矿工人自身意识的原因。目前国内矿山工人多数使用自吸式防尘口罩,这种口罩随着滤尘量的增加会增加吸气阻力,严重影响作业效率和舒适度。尤其一线工人,佩戴着防尘口罩进行体力作业时,呼吸不顺畅会增强劳累感,大量出汗导致体力透支,因此工人宁可选择舒适的作业也不愿佩戴防尘口罩。追根溯源,最终的主要原因在于目前所有的防尘口罩在人机设计环节,忽略了口罩对人体呼吸的影响,尤其进行体力劳动作业时,无法满足体内氧气快速的消耗,在呼吸时空气通过过滤装置产生的阻力需要由人体承担,从而增加了呼吸难度,使呼吸不顺畅。国外较早出现了动力式防护口罩、头盔式空气幕口罩,高效防尘口罩等的,但受其防尘效果与使用便捷性一直未开展推广[2];国内多采用自吸式防尘口罩,动力送风式防尘口罩仅有几篇文献中进行了设计,均以增加风机、电池、输气管等装置形式为主,给佩戴防尘口罩的工人增加了负重,尤其输气管围绕在口罩周围严重影响工人的作业舒适度及效率[3]。因此笔者设计将动力送风装置与口罩结合在一起,去掉输气管,利用小型动力送风装置实现呼吸面罩处的正压,达到动力送风追随式防尘口罩的要求。本项目从转移过滤阻力的角度出发,使空气在过滤过程中的阻力由外置装置承担,将足量、适宜的新鲜空气直接送至人体呼吸器官,改善呼吸舒适度,从而保证工人防尘口罩的佩戴率,有效降低尘肺病的发生[6-9]。
 
2 动力送风跟随式防尘口罩设计研究
2.1 劳动作业人员呼吸人机学研究
矿山工人的劳动作业环境复杂,劳动强度大,体力消耗快,有效的新鲜空气供给,是缓解矿山工人疲劳、提供安全生产的主要途径,因此在设计研制防尘口罩时,必须考虑矿山工人在作业时的能量代谢与氧气消耗量、疲劳程度与氧气供给量、口罩外形与佩戴舒适度、口罩重量与佩戴舒适度等多方面的人机关系。因此,基于人机工程学开展的动力送风跟随式防尘口罩设计研究,是实现呼吸阻力低、防尘效率高、佩戴舒适的基本前提。
防尘口罩的人机参数是佩戴者的使用感受、防尘性能的关键性因素,在设计防尘口罩人机参数时,主要包括:(1)口罩呼吸方式:传统的自主呼吸防尘口罩在使用时产生的呼吸阻力使佩戴者能量代谢大,动力送风防尘口罩可有效克服呼吸阻力问题;(2)口罩开口尺寸:合理的开口尺寸,即保障佩戴者呼吸风量需求、又给佩戴者最大的舒适感,同时不影响佩戴者视力;(3)口罩滤材的效率和寿命:传统单层滤材已难以满足粉尘防治要求,目前碳纤维、托玛琳、玻璃纤维等新型材料复合过滤性能及寿命大大提高,因此在滤材上选择复合多材质的过滤器材;(4)呼出阀:劳动者在佩戴防尘口罩时,呼出气体的快速排出能影响口罩性能和佩戴感受,在防尘口罩上增加单向呼出阀,能缓解口罩内的温度和气体压力变化。
 
2.2 佩戴口罩状态下人体影响参数分析
人体的差异性,对防尘口罩性能具有一定的影响,主要体现在:(1)人体面部尺寸:人的面部宽度、下颌角、面长、鼻深等对防尘口罩的使用影响较为明显;(2)人体面部特征:男性胡须、疤痕、创伤等容易出现空隙使防尘效果降低;(3)人体呼吸参数:人体在不同劳动强度下的呼吸频率、代谢量、体表温度变化等都会发生变化,这都对防尘口罩的防尘性能及要求具有一定的影响。
根据以上人体影响参数,在选择防尘口罩材质、重量、体积时可作为有力的参考因素。考虑到以上因素,防尘口罩的面罩材质选择硅胶或乳胶材料较为合适,因为硅胶或乳胶材料的变形适应能力强,可恢复性强,技能满足不同面部特征时的密闭要求,又能给佩戴者舒适感。
 
2.3 动力送风跟随式防尘口罩原理设计
动力送风装置工作原理如图1所示,动力的实现主要是通过电动风机来提供,风机将含尘风流通过过滤装置,使佩戴者呼吸新鲜空气。
 
2.4 防尘口罩结构设计研究
动力送风跟随式防尘口罩结构示意图如图2所示,将锂电池、迷你风机、过滤器材共同组成的装置1动力送风及过滤机构置于佩戴者脑后,清洁风流由送风管路2供给到6的供风面罩内供佩戴者呼吸,呼出气体有5单向呼吸阀呼出面罩外,整个防尘口罩由3、4固定于佩戴者头部,实现动力送风跟随式防尘口罩的功能。
按照上述结构示意图,防尘口罩的供风过滤装置与呼吸面罩能同时佩戴于使用者的头部,避免了额外供风管围绕在使用者身体四周产生的不便,实现了跟随式及动力送风的要求。
 
3 结论
3.1 通过防尘口罩人机工程参数分析研究,得出了影响防尘口罩防尘性能的人体参数及口罩参数,为动力送风跟随式防尘口罩的设计提供了数据参考;
3.2 通过对动力送风跟随式防尘口罩的功能设计,设计出了工作原理图;
3.3 对动力送风跟随式防尘口罩的结构示意图进行了设计,能够实现跟随式,提供佩戴者的劳动效率。

 

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