Обґрунтування параметрів каркасів легких фільтрувальних півмасок швидкого прилаштування

Abstract

У дисертаційній роботі, що є завершеною науковою роботою, подано вирішення актуального науково-прикладного завдання, що полягає у забезпеченні захисту органів дихання працівників від дії аеродисперсних частинок, основних газів (зокрема NH3) і парів шляхом розробки і впровадження універсальної конструкції фільтрувальних протипилового та протигазового респіраторів, півмаски котрих придатні для використання працівниками з антропометричними особливостями обличчя, тобто стійко і щільно прилягає до обличчя по смузі обтюрації підчас експлуатації респіраторів, а також засобів індикації щільного і рівномірного прилягання обтюратора до обличчя без утворення вм’ятин. Виконано аналіз літературних даних щодо розробки, освоєння виробництва, впровадження, експлуатації та зберігання респіраторів. Висвітлено суттєві недоліки з оцінки їх якості, зокрема, потенційну їх небезпеку для користувачів, коли ігнорується можливість проникання шкідливих аерозолів, газів і парів у підмасковий простір, а, точніше, необхідність законодавчо встановленої профілактики дихання шляхом використання лише респіраторів відповідного типу і класу, функціональне призначення яких відповідає умовам експлуатації, ергономічним та санітарно-гігієнічним вимогам. Показано, що проектування респіраторів на даний час ґрунтується, переважно, на ерудиції, інтуїції та досвіді конструкторів щодо використання, баз даних про відомі аналоги. Цей досить складний процес характеризується як комплекс дій з пошуку ідей, проведення відповідних досліджень та розрахунків, спрямованих на розробку технічної документації, необхідної для створення і виготовлення виробів з заданими відповідно до ТЗ технічними характеристиками – вимогами до наступних показників: функціонального призначення фільтруючих елементів або/і респіраторів (коефіцієнт проникання, пиломісткість та хемосорбційна здатність); ергономічності вузлів клапанів вдиху і видиху, півмаски, обтюратора, наголів’я (опір вдиху та видиху, відповідність півмаски антропометричним розмірам обличчя, вміст діоксиду вуглецю у вдихуваному повітрі, поле зору, можливість вести переговори); надійності (стабільність часу захисної дії, а також показників ергономічності протягом задекларованого терміну зберігання та експлуатації. Запропонований швидкий метод оцінки щільності прилягання півмаски до обличчя з використанням термографування поверхні обтюратора який дозволяє за рахунок обробки і порівняння зображення з еталонним знімком смуги обтюрації за допомогою засобів математичного середовища Mathlab, розрахувати коефіцієнт щільності прилягання засобів індивідуального захисту органів дихання (ЗІЗОД) до обличчя з урахуванням сили натягу наголів’я, що дозволяє попередньо визначити коефіцієнт захисту ЗІЗОД. Запропоновано метод з визначення коефіцієнта підсмоктування тест-аерозолю на добровольцях за смугою обтюрації півмаски з урахуванням величини сили натягу стрічок наголів’я респіратору, за рахунок використання спеціального гнучкого датчику Conductive Rubber Cord Stretch Sensor, виконаного у вигляді еластичного шнура, електричний опір якого при розтягуванні змінюється лінійно. Удосконалено метод проектування легких півмасок, який складається з чотирьох кроків: аналіз умов праці та вибір необхідного фільтрувального матеріалу; обробка антропометричних розмірів осіб потенційних користувачів; проектування 3D-моделі каркаса півмаски; лабораторна перевірка захисних властивостей готового виробу та внесення змін в конструкцію, який відрізняється від відомих наявністю механізму побудови декількох 3D-моделей голови, які забезпечують допустиму щільність прилягання півмаски для 95 % потенційних користувачів. Визначено основні антропометричні розміри обличь користувачів, які найбільше впливають на щільність прилягання півмасок до обличчя; на їх основі були побудовані п’ять полігональних 3D-моделей голови, що охоплюють 95 % потенційних користувачів, виходячи із ключових координат 3D-моделей голови методом інтерполяції побудовано поверхню півмаски. Показано, що у півмасок, в основі розрахунку поверхні яких були розміри довжини і ширини обличчя сумарна площа смуги обтюрації у 1,4 рази більша, ніж у півмасок, поверхня яких будувалась за довжиною обличчя і губ, що дозволило у першому варіанті покращити захисні властивості. Розроблено нову конструкцію каркаса фільтрувальної легкої півмаски зі змінною геометрією обтюратора, що дозволяє змінювати розмір смуги обтюрації, за рахунок наявності спеціальних точок кріплення, які спільно з розміщеним по периметру каркаса в спеціальному каналі, гумовим шнуром, який закріплює фільтрувальний елемент, дозволяє змінювати розмір півмаски відповідно до розмірів особи користувача. Запропоновано алгоритм проектування наголів’я фільтрувальної півмаски, який за основу використовує ключові антропометричні точки, що визначаються за даними цифрової 3D-моделі голови, який складається з трьох кроків: визначення розмірів зон обличчя, які характеризуються однаковою пружністю ділянок; встановлення параметрів сітки для деталізації областей дослідження, яка наноситься на моделі обличчя і півмаску та розрахунок площі контакту між півмаскою і обличчям для оцінки щільності прилягання через порівняння встановлених контактних плям; реалізація такого підходу дозволяє швидко перевіряти розподіл притискних зусиль у запропонованих моделей наголів’я та раціоналізувати конструкцію вже існуючих за площею прилягання півмаски до обличчя і величиною тиску на голову користувача. Встановлено, що коефіцієнт підсмоктування АДЧ у підмасковий простір респіратора залежить від розміщення точок кріплення наголів’я та напряму утвореної ним притискної сили, від якої виникає обертальний момент, що діє на півмаску, та складається певне співвідношення дотичних та нормальних до обличчя сил. Ці сили під час руху півмаски призведуть до зсувів маски та утворенням зазорів, через які аерозоль підсмоктується в підмасковий простір. Розроблені імпортозамінюючі імпрегновані волокнисті хемосорбенти (ІВХС) забезпечують нормовані вимоги для протигазових фільтрів класу К1 (аміак); ІВХС основних газів з візуальною індикацією “спрацювання” динамічної поглинальної ємності (ІВХС-І). Вказаними ІВХС та ІВХС-І впроваджені на практиці та використовуються для виготовлення протигазових елементів полегшених протигазових та газопилозахисних респіраторів. Запропоновано для контролю розтягування стрічок наголів’я розміщення у спеціальній вставці шматка еластомірного матеріалу із забарвленими відповідно до його еластичності зон різного кольору (червоний, помаранчевий, зелений), при розтягуванні якої в щілині спеціальної вставки буде відображатись те забарвлення яке відповідає величину прикладеної сили натягу. Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному: удосконалено: – методичні підходи до оцінювання причин погіршення ефективності фільтрувальних протипилових півмасок при їх експлуатації на виробництві, за рахунок запровадження новітніх способів перевірки щільності прилягання півмасок, визначення раціональної кількості випробувань та статистичної обробки для зменшення невизначеності вимірювання; – науково-методичний інструментарій для швидкої оцінки щільності прилягання півмаски до обличчя з використанням термографування поверхні обтюратора з урахуванням сили натягу наголів’я, що дозволяє попередньо визначити коефіцієнт захисту ЗІЗОД; – концептуальні підходи до розробки та проектування нових конструкцій фільтрувальних півмасок на основі чотирьох кроків: аналіз умов праці; обробка антропометричних розмірів; проектування 3D-моделей півмасок; лабораторна перевірка захисних властивостей готового зразку, що відрізняється від відомих наявністю механізму побудови декількох 3D-моделей голови, які забезпечують допустиму щільність прилягання півмаски для 95 % потенційних користувачів; – організаційний механізм контролю за захисною ефективністю півмасок під час її експлуатації за інтенсивністю теплового випромінювання поверхні у інфрачервоному діапазоні та відображення теплового поля поверхні обтюратора на дисплеї тепловізору у вигляді кольорової картинки; набув подальшого розвитку: – підхід до побудови цифрової моделі голови з одержанням тривимірних координат ключових точок за якими розраховуються параметри функції, що описує поверхню півмаски та швидкого визначення коефіцієнту захисту з проектованої півмаски шляхом поєднання цифрових зображень обличчя і респіратору. Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що її теоретичні й методичні положення дозволили розробити алгоритм створення нового фільтрувального респіратору із застосуванням іонообмінних волокнистих фільтрувальних матеріалів, який ґрунтується на узагальнені (систематизації) комплексу послідовних дій, що дозволять звести характеристики конкретних елементів: цифрової моделі голови, поверхні півмаски і обтюратора зі змінною геометрією обтюратора побудованих на основі антропометричних характеристик працівників різного віку, національності та статті, високоефективних фільтрувальних матеріалів, індикаторів для контролю нормованого питомого тиску півмаски на обличчя за смугою обтюрації, поверхні прилягання півмаски до обличчя в єдине ціле для забезпечення максимального коефіцієнта захисту працівників на різних промислових виробництвах. Запропоновано склади водних розчинів з використанням лимонної кислоти для отримання ІВХС NH3; ІВХС NH3 з індикацією “спрацьовування” динамічної поглинальної ємності (ІВХС-І). Застосування ІВХС-І дозволило своєчасно візуально визначати момент “спрацьовування” динамічної поглинальної ємності ПГЕ полегшених респіраторів, а отже, нормування використання ПГЕ або респіраторів. Вказаними ІВХС та ІВХС-І споряджуються протигазові та газопилозахисні респіратори «КЛЕН» та «ШАХТАР», що виготовляються Дослідним виробництвом ФХІЗНСІЛ МОН і НАН України (м. Одеса). Пріоритет та новизна запропонованих технічних рішень та їх практичне значення підтверджено чотирма патентами України на корисну модель.

The dissertation as the completed scientific work provides the solution of the urgent scientific and applied task, which consists in ensuring protection of workers' respiratory organs from the action of aerodisperse particles by developing and implementing the universal design of filtering dust and gaseous respirator, half-mask of which is suitable for use by workers with the anthropometric features of the face, i.e. it is firmly and tightly adjacent to the face along the obturation line during operation as well as means of indicating a tight and uniform fit of the obturator to the face without dents. The analysis of literary data was carried in relation to development, production mastering, introduction, exploitation, and storage of respirators. Significant shortcomings are shown as associated with the estimation of their quality, in particular, their potential danger for users, when possibility of penetration of harmful aerosols into the submask space is neglected, and, more precisely, necessity of the legislatively set prophylaxis of breathing by the use respirators of only proper type and class with functional objectives corresponding to working environments, ergonomics and sanitary-hygienic requirements. It is shown that respirators design is currently based mainly on erudition, intuition and experience of designers in relation to the use and data bases covering the well-known analogues. This rather complex process is characterized as a set of actions to find ideas, conduct research and calculations aimed at developing technical documentation necessary for the creation and manufacture of products with specified in accordance with the technical task technical characteristics – requirements for the following indicators: functional purpose of filtering elements or / and respirators (penetration rate, dust content, and gases); ergonomics of inhalation and exhalation valve assemblies, half-mask, obturator, headband (inhalation and exhalation resistance, conformity of half-mask to anthropometric dimensions of the face, carbon dioxide content in inhaled air, field of view, possibility to negotiate); reliability (stability of time of protective action, and also indicators of ergonomics during the declared term of storage and operation. A quick method for estimating the tightness of the half-mask to the face using thermography of the obturator surface is proposed. It enables calculating of the coefficient of RPD tightness to the face, taking into account the force of tension of the headband by processing and comparing the image with the reference image of the obturation band using the mathematical environment Mathlab, which allows you to pre-determine the coefficient of RPD protection. The method for determining the suction coefficient of the test aerosol on volunteers in the obturation band of the half-mask was proposed. It takes into account the tension of the respirator headbands, using a special flexible sensor Conductive Rubber Cord Stretch Sensor, made in the form of an elastic cord with electric resistance changing linearly in case of stretching. The method was improved for designing light half-masks, which consists of four steps: analysis of working conditions and selection of the necessary filtering material; processing of anthropometric dimensions of faces of potential users; designing a 3D model of the half-mask frame; laboratory verification of the protective properties of the finished product and changes in the design, which differs from the known ones by presence of the mechanism of construction of several 3D models of the head providing the allowable tightness of the half-mask for 95% of potential users. The main anthropometric dimensions of users' faces having the greatest influence on the tightness of half-masks to the face are determined. According to them five polygonal 3D models of the head were built covering 95% of potential users, based on the key coordinates of 3D models of the head, the surface of the half-mask was constructed by interpolation. It is shown that in half-masks based on the calculation of the surface length and width of the face the total area of the obturation band is 1.4 times larger than in half-masks with the surface built on the length of the face and lips, which allowed improving protective properties in the first case. A new design of the frame of the filtering light half-mask with variable geometry of the obturator has been developed, which allows changing the size of the obturation band due to the presence of special mounting points. The points together with the rubber cord placed on the perimeter of the frame in a special channel, which fixes the filter element, allow change of the size of the half-mask according to the user's face size. The algorithm for designing the headband of the filter half-mask is proposed, based on key anthropometric points determined by digital 3D model of the head, which consists of three steps: determining the size of facial areas, which are characterized by the same elasticity of areas; setting the parameters of the grid to detail the areas of the study, which is applied to the model of the face and half-mask, and the calculation of the contact area between the half-mask and the face to assess the tightness through comparison of the established contact spots. The implementation of this approach allows you to quickly check the distribution of clamping forces in the proposed models of the headband and streamline the design of the existing models in terms of the half-mask tightness to the face and the amount of pressure on the user's head. It is established that the coefficient of suction of aerosols into the submask space of the respirator depends on the location of the attachment points of the headband and the direction of the clamping force generated by it, which causes the torque acting on the half-mask and a certain ratio of tangential and normal forces to the face. These forces during the movement of the half-mask will lead to shifts of the mask and the formation of gaps through which the aerosol is sucked into the submask space. The developed import-substituting impregnated fibrous chemosorbents (IFCH) meet the standardized requirements for gas filters of class K1 (ammonia); IFCH of basic gases with a visual indication of the "triggering" of the dynamic absorption capacity (IFCH -I). The specified IFCH and IFCH -I are implemented in practice and are used for the production of gas-resistant elements of lightweight gas- and dust-proof respirators. It is proposed to control the stretching of the headband by placing a piece of elastomeric material with colored according to its elasticity zones of different colours: red, orange, green, in a special insert. When stretching, in the slit of the special insert the colour that corresponds to the magnitude of the applied tension force will be displayed. The scientific novelty of the obtained results is as follows: improved: - methodological approaches to assessing the causes of deterioration of the efficiency of filtering dust and gaseous masks during their operation in production, due to the introduction of new methods of checking the tightness of half-masks, determining the rational number of tests and statistical processing to reduce measurement uncertainty; - scientific and methodological tools for rapid assessment of the tightness of the half-mask to the face using thermography of the obturator surface, taking into account the force of tension of the headband, which allows you to pre-determine the RPD protection factor; - conceptual approaches to the development and design of new designs of filtering half-masks based on four steps: analysis of working conditions; processing of anthropometric dimensions; design of 3D models of half-masks; laboratory verification of the protective properties of the finished product, which differs from the known ones by presence of the mechanism of construction of several 3D models of the head, which provide an allowable tightness of the half-mask for 95% of potential users; - organizational mechanism of control over the protective efficiency of half-masks during the operation by the intensity of thermal radiation of the surface in the infrared range and the reflection of the thermal field of the obturator surface on the display of the thermal imager in the form of a colour picture; further developed: - an approach to building a digital model of the head with three-dimensional coordinates of key points that calculate the parameters of the function describing the surface of the half-mask and quickly determine the protection factor from the projected half mask by combining digital images of face and respirator. The practical significance of the obtained results of the dissertation is that its theoretical and methodological provisions allowed to develop an algorithm for creating a new filter respirator, which is based on a generalization (systematization) of a series of sequential actions to combine the characteristics of specific elements: digital head model, the surfaces of half-mask and obturator with variable geometry of the obturator built on the basis of anthropometric characteristics of workers of different ages, nationalities and sex, highly effective filter materials, indicators to control the normalized specific pressure of the half-mask on the face in the obturation band, the surface of the half-mask tightness to the face into the unity in order to provide the maximum factor of workers protection in different productions. Compositions of aqueous solutions with the use of citric acid are proposed for obtaining IFCH NH3; IFCH NH3 with an indication of "triggering" of the dynamic absorption capacity (IFCH -I). The use of IFCH-I made it possible to visually determine the moment of "triggering" of the dynamic PGE absorption capacity of lightweight respirators in a timely manner, and therefore, to regulate the use of PGE or respirators. The specified IFCH and IFCH-I are equipped with anti-gas and gas-dust protective respirators "KLEN" and "SHAKHTAR", manufactured by the Experimental Production of Physical-Chemical Institute for Environment and Human Protection of the Ministry of Education and Science of Ukraine (Odesa).