多功能礦用防塵面罩供給水系統(tǒng)設(shè)計

魏俊杰 許珂

摘 要：隨著社會的發(fā)展，每年新報告職業(yè)病病例近3萬例，塵肺病占全部職業(yè)病的90%以上。其中，煤礦行業(yè)造成的塵肺病在全部職業(yè)病中占較大比重，塵肺病防治工作迫在眉睫。在礦下，合理佩戴礦用防塵面罩是防范塵肺病的必要措施，為了解決煤礦工人飲水時需頻繁摘下面罩及摘下面罩后由于各種原因未能重新及時佩戴或佩戴不到位導(dǎo)致塵肺病發(fā)病率增加的問題，提出礦用防塵面罩供給水系統(tǒng)的設(shè)想。本文簡述了供給水系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)、原理、要求等內(nèi)容，打破了喝水就要摘下面罩的現(xiàn)狀，從而降低粉塵吸入，為預(yù)防礦山塵肺病提供了新的途徑。

關(guān)鍵詞：塵肺病；礦用防塵面罩；供給水系統(tǒng)

中圖分類號：X924.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）17-0059-04

Design of Water System for Multi-functional Dustproof Face Mask

WEI Junjie XU Ke

Abstract： With the development of society， nearly 30 thousand cases of occupational diseases have been reported every year， and pneumoconiosis accounts for more than 90% of all occupational diseases. Pneumoconiosis caused by coal mining industry accounts for a large proportion of all occupational diseases. Pneumoconiosis prevention and control work is imminent. Under the mine， it is a necessary measure to prevent the dust from the pneumoconiosis. In order to solve the problem of increasing the incidence of pneumoconiosis caused by the frequent pluck of the undercover and the undercover for the coal miners' drinking water and the increase of the incidence of pneumoconiosis due to various reasons， the supply water system of the mine dust mask was put forward. This paper briefly introduced the design structure， principle and requirements of the water supply system， and broke the current situation of drinking water to remove the undercover， thus reduced the inhalation of dust， and provided a new way for the prevention of mine pneumoconiosis.

Keywords： pneumoconiosis； mine dust-proof mask；water supply system

1 研究背景

目前，我國正面臨著嚴(yán)峻的職業(yè)病危害，自中華人民共和國成立以來至2014年底，報告職業(yè)病893 721例，其中，塵肺病804 329例，占比90%[1]，煤礦行業(yè)引起的塵肺病占每年新增塵肺病的44.16%，每年5.7萬人患病，6 000人死亡。而引起礦工塵肺病的原因除了煤礦生產(chǎn)惡劣的工作環(huán)境等客觀因素外，另一主要原因是工人在井下作業(yè)時個體防護(hù)失效，如呼吸面罩不合格，以及工人自我防護(hù)意識淡薄，隨意摘下防護(hù)罩不佩戴等[2]。目前，礦井多為深井開采，一方面礦工的勞動多為重體力勞動；另一方面，開采區(qū)域工作環(huán)境溫度較高，井下作業(yè)人員在進(jìn)行打鉆、噴漿等作業(yè)時，需要頻繁補(bǔ)給大量水分以維持自身代謝平衡。因此，礦工不可避免地要當(dāng)場頻繁摘下口罩飲水。一方面由于人自身的原因，致使摘下口罩后忘帶或者厭煩不愿意佩戴；另一方面，頻繁地摘取致使口罩佩戴不到位、不規(guī)范的現(xiàn)象屢見不鮮，造成工人大量吸入粉塵，從而增加罹患塵肺病的概率。

鑒于當(dāng)前對塵肺病防護(hù)的迫切需求，本項目對現(xiàn)有礦井常用呼吸面罩進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，試圖增加多功能供給水系統(tǒng)，打破喝水要摘下面罩的現(xiàn)狀，降低煤礦工人粉塵的吸入量，從而預(yù)防煤礦工人塵肺病的發(fā)生。

2 礦用防塵面罩供給水系統(tǒng)方案

針對我國礦工個體防護(hù)用品存在的不足之處，對現(xiàn)有礦用防塵面罩加以改進(jìn)，礦工無須摘下面罩即可隨時飲水的功能降低了煤礦工人粉塵的吸入量，減少了“隱形礦難”[3]。

2.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計將礦工佩戴的專業(yè)腰帶作為口罩供給水袋承載體，對礦用呼吸面罩進(jìn)行改造加工，實現(xiàn)礦用防塵面罩為工作人員隨時供水的目的。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 設(shè)計原理

礦用防塵面罩供給水系統(tǒng)的設(shè)計原理是利用大氣壓強(qiáng)原理，[P1]表示出水管內(nèi)的壓強(qiáng)，[P2]表示出水管外部的壓強(qiáng)即大氣壓強(qiáng)。不供水的情況下，[P1=P2]；當(dāng)煤礦工人使用供給水系統(tǒng)吸水時，吸氣的動作使出水管內(nèi)部的空氣流速變大，[P1]變小，而[P2]不變，出水管內(nèi)外產(chǎn)生壓強(qiáng)差[ΔP=P1-P2]，使得儲水袋中的水被壓入出水帶中，使礦工輕而易舉地喝到水。通過壓強(qiáng)差理論，加之人工輔助動作成功實現(xiàn)供給水，具體流程為：手動導(dǎo)通流量閥，利用大氣壓強(qiáng)及手動給予儲水袋壓力作用，迫使水源流經(jīng)出水帶輸送到呼吸面罩特定的吸嘴處，實現(xiàn)礦工無須摘下面罩即可隨時飲水的功能。其流程如圖2所示。

3 礦用防塵面罩供給水系統(tǒng)設(shè)計要求

礦下作業(yè)屬于特種作業(yè)，煤礦工人下井作業(yè)必須攜帶礦燈、自救器等裝備，并且經(jīng)常要連續(xù)8h從事繁重的勞作，再加上井下環(huán)境的局限性，因此，在設(shè)計時盡量使礦用防塵面罩供給水系統(tǒng)安全便攜、結(jié)實耐用，實現(xiàn)人性化和可持續(xù)使用。設(shè)計秉承“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的方針，明確礦工的真實需求，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、實用性和可行性，進(jìn)而進(jìn)行落實，以使礦用防塵面罩供給水系統(tǒng)科學(xué)合理，方便推廣應(yīng)用。

3.1 儲水袋設(shè)計

儲水袋是礦用防塵面罩供給水系統(tǒng)的源頭，由內(nèi)膽和儲水袋包兩部分組成。內(nèi)膽主要是存儲飲用水，具有耐磨、防爆的特點(diǎn)；儲水袋包結(jié)實、防靜電，并對內(nèi)膽起到保護(hù)作用。兩部分均可簡單拆卸。

3.1.1 內(nèi)膽設(shè)計

3.1.1.1 外觀設(shè)計。本設(shè)計選用水袋代替常用的軍用水壺，輕便易攜帶。秉承可重復(fù)利用、操作方便、使用安全的原則，在水帶的左側(cè)設(shè)有入水口，入水口蓋采用內(nèi)螺牙結(jié)構(gòu)，且蓋內(nèi)有硅膠墊圈，使用時擰緊扣蓋即可防止漏水；右側(cè)則為出水口，可與出水帶連接，采用雙層壓邊技術(shù)，耐用、耐磨、防爆、防漏。內(nèi)膽結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1.1.2 材料選取。為了避免煤礦工人在使用儲水袋時發(fā)生燙傷事故，且食用安全，無異味，內(nèi)膽的材料采用雙面進(jìn)口TPU材料。TPU是一種環(huán)保材料，抗高溫，耐壓，氣密性強(qiáng)，強(qiáng)度高，此外，TPU塑膠原料耐磨性能優(yōu)異，較天然橡膠耐磨5倍以上，是耐磨制品首選的材料之一。

3.1.1.3 儲水袋容量。在高溫體力活動時，補(bǔ)水量不足會引起心率、脈壓及平均壓大幅度變化[4]。高溫環(huán)境下，補(bǔ)充70%出汗量的飲水比較適宜，所以礦下的高溫工作環(huán)境使煤礦工人相比常人更需要頻繁補(bǔ)充水分。美國環(huán)保局（EPA）認(rèn)為，成年人每天消耗的飲用水量為2L[5]，《中國居民膳食指南（2007）》對成年人提出的每天建議飲水量是1.2L。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（總局令第87號）的規(guī)定，井下各工作地點(diǎn)的溫度不允許超過28℃?？紤]到煤礦工人的負(fù)重以及礦下溫度，筆者選用1.5L水袋。

3.1.2 儲水袋包設(shè)計

3.1.2.1 材料選取?？紤]到井下復(fù)雜、惡劣的工作條件及地?zé)?、機(jī)械發(fā)熱和氧化熱導(dǎo)致的高溫環(huán)境，本次設(shè)計選用錦綸防靜電牛津布。其是一種陶瓷纖維表面經(jīng)過機(jī)械涂抹高溫膠而制成的，具有與火接觸不燃燒、耐摩擦、防水和柔軟等性能特點(diǎn)，可以對內(nèi)膽起保護(hù)作用，延長其使用壽命。

3.1.2.2 外觀設(shè)計。儲水袋包設(shè)計為前后兩個包。后面的大包裝放內(nèi)膽，采用拉鏈形式進(jìn)行內(nèi)膽的取放，簡易方便，且固定性強(qiáng)，不會因工人動作掉出；前面的小包設(shè)置魔術(shù)貼，主要用來盛放多余的出水帶；其背面設(shè)有與煤礦工人佩戴的專業(yè)腰帶寬度相匹配的穿插結(jié)構(gòu)，使儲水袋固定在工人腰部，穩(wěn)定性強(qiáng)且方便摘取。儲水袋包的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 出水帶設(shè)計

3.2.1 長度設(shè)計。在設(shè)計供給水系統(tǒng)出水帶長度時，必須考慮礦山工人性別、作業(yè)時的工作姿勢、人體靜態(tài)尺寸及動態(tài)尺寸等多方面的人機(jī)關(guān)系。基于人機(jī)工程學(xué)開展的礦用供給水系統(tǒng)面罩設(shè)計研究，是實現(xiàn)汲水便捷、佩戴舒適、供水順暢的基本前提。

礦用供給水系統(tǒng)出水帶長度設(shè)計的人機(jī)參數(shù)是佩戴者的使用體驗、供給水性能的決定性因素。在設(shè)計出水帶長度時，主要參考男性立姿人體部分尺寸。

本文設(shè)計的儲水袋掛在井下工作人員腰間，出水帶連接在儲水袋與礦用防塵面罩之間。出水帶過長會影響工人工作，太短則缺乏普遍實用性，所以本設(shè)計選擇平均身高最低的西南地區(qū)第5百分位和最高的東北、華北地區(qū)第95百分位之間的數(shù)據(jù)來確定出水管長度范圍。

已知中國各個地區(qū)的男性（18～60歲）身高的均值[x]及標(biāo)準(zhǔn)差[SD][6]，根據(jù)公式（1）進(jìn)行計算：

[xa=x+KSD] （1）

式（1）中，a為百分位數(shù)，[K]為與a有關(guān)的變換系數(shù)[7]。于是，經(jīng)查閱表格并借助上式便得到：

x5=（1 647-1.645×56.7）mm=1 554mm （2）

x95=（1 693+1.645×56.6）mm=1 786mm （3）

由此可知，中國男性身高為1 554～1 786mm。根據(jù)我國成年人人體尺寸的比例關(guān)系可知[8]，男性眼高=0.93×身高，中指尖高=0.38×身高。由此可得出，出水管長度=（0.93-0.38）×身高，出水管長度為854.7～982.3mm。綜上所述，決定選取出水管長度為1m。

3.2.2 材料選取。出水帶類似于人們生活中經(jīng)常使用的吸管?，F(xiàn)在普遍使用的是一次性塑料吸管，材質(zhì)多為聚乙烯。很多報道表明，塑料在生產(chǎn)過程中會添加各種加工助劑增塑或使其更加穩(wěn)定，但往往會導(dǎo)致其可能含有重金屬或塑化劑殘留[9]。本文設(shè)計的出水帶初步備選方案有聚乙烯材料及食品級硅膠管兩種，聚乙烯材料具有耐低溫性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好、常溫下不溶于一般溶劑、吸水性小和電絕緣性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，但也存在耐熱老化性差、對環(huán)境應(yīng)力（化學(xué)與機(jī)械作用）較為敏感等缺點(diǎn)；食品級硅膠管具有聚乙烯材料的上述優(yōu)點(diǎn)，且充分避免了其耐熱老化性差、對環(huán)境應(yīng)力較為敏感的缺點(diǎn)。相較之下，最終采用經(jīng)科學(xué)配方、先進(jìn)工藝加工而成的進(jìn)口硅膠為原材料。

3.2.3 安裝使用設(shè)計。出水帶連接儲水袋的出水口與礦用呼吸面罩中的吸嘴。根據(jù)每個煤礦工人的身高及個人喜好，可適當(dāng)調(diào)節(jié)出水管長度，將多余的出水管折疊起來，收放在儲水袋包外側(cè)的小包中，并在外側(cè)用卡子將其與儲水袋包卡在一塊，保證出水帶長度不會隨意變化。出水帶中間位置有一個掛鉤（可以手動移動），方便把出水帶固定在衣服上，這樣工人在井下工作時就可以避免因出水管懸空搖晃給工作帶來的不必要麻煩。

3.3 吸嘴處設(shè)計

3.3.1 外觀設(shè)計。外觀設(shè)計從安全人體工程學(xué)的角度出發(fā)，結(jié)合實用、美觀、便攜等基本要求，采用人體工程學(xué)男性百分位數(shù)在5%～95%的數(shù)據(jù)，以滿足絕大部分井下工作人員的基本需求。

面罩外側(cè)設(shè)有連接吸嘴的滑動開關(guān)裝置以控制其動作，達(dá)到煤礦工人無須摘下面罩即可隨時飲水的目的。材料選取與出水帶一致。吸嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計詳見圖5。

3.3.2 吸嘴的內(nèi)徑設(shè)計。根據(jù)人體生理要求及世界衛(wèi)生組織的調(diào)查顯示，成年男性每天進(jìn)水量為2.2L左右，一名成年男性飲一口水的水量為30～35mL，每口水飲水時間約為5s[7]，根據(jù)式（4）進(jìn)行計算：

[V=QT] （4）

從上式可得出，[V]為7mL/s，此飲水流速相對來說較為舒適、恰當(dāng)。又因為：

[A=Q/VA=πR2] （5）

得出：

[R=Q/Vπ1/2] （6）

其中，Q為成年人平均每口飲水量，[A]為吸水管的面積，V為吸水時每秒的流速，[R]為設(shè)計吸嘴處內(nèi)徑。通過計算可知，[R]為8mm。因此，設(shè)計吸嘴處內(nèi)徑為8mm，既能滿足工人飲水時對飲水流速的需要，也適合人體工程學(xué)的要求，絲毫不妨礙工人們正常工作和休息。

3.3.3 吸嘴的長度設(shè)計。根據(jù)礦用防塵面罩的設(shè)計，佩戴面罩時，其下側(cè)的硅膠處緊貼工人的頦下點(diǎn)。吸嘴設(shè)計從安全人體工程學(xué)的角度出發(fā)，根據(jù)人體工程學(xué)的數(shù)據(jù)要求，成年男性百分位數(shù)在5%～95%的頦下點(diǎn)到口角點(diǎn)的距離為55～65mm[10]，這里選取60mm作為參考數(shù)據(jù)。經(jīng)測量，口罩距最下側(cè)60mm處其側(cè)面寬度約為46mm。由圖5可知，吸嘴在自然狀態(tài)下呈120°夾角。又經(jīng)多次試驗，最終確定面罩內(nèi)吸嘴的位置如圖6所示，根據(jù)解直角三角形，可以得到a=32sin30°=16mm。

當(dāng)?shù)V工帶上面罩后，面罩內(nèi)剩余空間更加狹小。考慮到人嘴凸出的距離約為15mm，由此筆者將吸嘴長b設(shè)計為15mm，方便絕大部分在礦井下工作的礦工正常飲水。

3.3.4 開關(guān)安裝部位選擇。根據(jù)圖6中正視圖可得c=32sin30°=16mm。通常情況下，成年男性頦下點(diǎn)到口角點(diǎn)的距離選為60mm。綜上所述，d=c+60mm，d為吸嘴開關(guān)安裝部位距防塵面罩正下方的距離，選在面罩的左側(cè)，既符合人體構(gòu)造學(xué)的要求，也符合防塵面罩的結(jié)構(gòu)要求。

在礦用防塵面罩左測的硅膠處設(shè)有滑動式開關(guān)，主要用于控制吸嘴的動作，使煤礦工人完成喝水。具體操作為：向后滑動開關(guān)，口罩內(nèi)吸嘴在力的作用下向人嘴處移動；當(dāng)工人飲水完畢后，再次滑動開關(guān)，使吸嘴在力的作用下向外移動，完成喝水，不影響工人的正常工作。

4 結(jié)語

本文介紹了礦用防塵面罩供給水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及設(shè)計要求。在目前塵肺病發(fā)病率和病死率逐年上升，對煤礦工人的身心健康造成嚴(yán)重威脅的情況下，為預(yù)防礦山塵肺病提供了一條新的門徑。礦用防塵面罩供給水系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，可以減少或避免煤礦工人因為頻繁飲水造成的呼吸面具摘戴，在需要時能直接補(bǔ)給水分，從而降低罹患塵肺病的風(fēng)險。

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