В современных условиях развития российского общества актуальной является проблема повышения уровня защиты человека от вредных воздействий ядовитых веществ, образующихся в случаях химического заражения, при спасении от ядовитых и вредных газов, пыли и паров, эвакуации из задымленных помещений. Исходя из многообразия возможных ситуаций, очевидно, что для обеспечения безопасности должна быть создана система средств защиты населения. Важным элементом такой системы являются носимые индивидуальные средства, защищающие органы дыхания, глаза и кожу лица от аэрозолей опасных химических и биологически активных веществ, а также паров и газов опасных химических веществ. Они должны обеспечивать человеку возможность самостоятельно покинуть опасную зону и снизить при этом риск отрицательных последствий до некоторых допустимых уровней.
Работа выполнялась в соответствии с Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 — 2006 годы, приоритетное направление «Безопасность и противодействие терроризму», комплексный проект «Разработка технологий, методов и средств обеспечения системы биологической безопасности и противодействия терроризму», часть 6, этап «Разработка комплекса технологий по созданию средств индивидуальной и коллективной защиты населения от поражающих факторов при террористических актах, в том числе на базе надпероксидных соединений», 2004;2006 гг., проект «Разработка кислородного самоспасателя КС-15 для эвакуации гражданского населения в чрезвычайных ситуациях» (Шифр ОКР БТ-КП.2/001).
1 Автор выражает глубокую благодарность к-ту хим. наук, Гладышеву Николаю Федоровичу, и к-ту хим. наук, Гладышевой Тамаре Викторовне, за консультации в области технологии регенеративных продуктов, а также в области разработки изолирующих средств защиты органов дыхания.
По степени защиты дыхания от газового состава окружающей среды индивидуальные дыхательные аппараты разделяются на изолирующие (ИДА) и фильтрующие.
Известны изолирующие самоспасатели с тремя способами обеспечения дыхания человека:
— самоспасатели на сжатом воздухе;
— самоспасатели на сжатом кислороде;
— самоспасатели на химически связанном кислороде.
В качестве источников кислорода и поглотителей диоксида углерода в ИДА с химически связанным кислородом используются в основном регенеративные продукты на основе надпероксида калия (К02) в форме гранул, блоков, таблеток и т. п. Это вещество имеет высокую реакционную способность к СО 2 и парам воды выдыхаемого воздуха. Однако его использование для регенерации воздуха в ИДА недостаточно эффективно из-за низкого коэффициента отработки продукта, его высокой пожароопасности, повышенных температуры вдыхаемого воздуха и сопротивления дыханию и, как следствие, повышенных габаритов ИДА.
Изолирующие дыхательные аппараты, выпускаемые на основе этих регенеративных продуктов, предназначены для использования специально подготовленным персоналом и характеризуются высокими значениями температуры вдыхаемой газовой смеси и сопротивления дыханию. Кроме того, ввиду неполноты отработки регенеративного продукта, аппараты снаряжаются избыточным его количеством для обеспечения требуемого времени защитного действия, что приводит к неоправданному увеличению их массы и габаритов.
Цель работы. Исследование кинетики и аппаратурно-технологическое оформление процесса регенерации воздуха с использованием регенеративного продукта на основе надпероксида калия на матрице, разработка новой конструкции самоспасателя с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Научная новизна. Впервые исследована кинетика химического взаимодействия диоксида углерода и паров воды с надпероксидом калия на матрице в условиях пульсирующего потока газа, имеющего место при дыхании человека.
Подобрано расчетное уравнение динамики процесса сорбции диоксида углерода в регенеративном патроне ИДА, позволяющее рассчитывать степень отработки регенеративного продукта и время защитного действия ИДА в зависимости от нагрузки на аппарат.
Определен оптимальный режим функционирования ИДА, при котором достигается максимальное значение степени отработки регенеративного продукта, и рациональная конфигурация регенеративного продукта на матрице, обеспечивающая максимальную степень его отработки.
Разработаны принципы и методика проектирования ИДА с повышенным ресурсом действия.
Практическая ценность. Установлена возможность применения полимерных материалов для изготовления регенеративного патрона ИДА, позволяющих разработать самоспасатель, обладающий улучшенными массога-баритными и эксплуатационными характеристиками.
Разработана оригинальная конструкция патрона самоспасателя с использованием регенеративного продукта на матрице, обеспечивающего снижение температуры вдыхаемой газовоздушной смеси на 10 °C и уменьшение гидравлического сопротивления на вдохе и выдохе на 50%. Получен патент РФ № 2 244 577 «Регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата».
Разработана конструкция самоспасателя, обеспечивающего лучшие эксплуатационные характеристики по сравнению с серийно выпускаемыми аппаратами аналогичного класса.
По результатам работы выпущена опытная партия самоспасателей КС-15 и проведены ее государственные испытания.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: Всероссийском симпозиуме с участием иностранных ученых «Современные проблемы организации пористых структур и адсорбционного разделения веществ» (Москва, 2004) — Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (Москва, 2005), VIII научно-практической конференции «Новейшие тенденции в области конструирования и применения баллистических материалов и средств защиты» (г. Хотьково Московской обл., 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и получены 2 патента.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, содержащего 124 источника, и 2 приложений. Содержание диссертации изложено на 143 страницах машинописного текста, включая 22 рисунка и 14 таблиц.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.
1. Разработка регенеративного продукта на матрице является принципиально новым направлением в области создания средств защиты органов дыхания с повышенным ресурсом действия.
2. Разработана конфигурация регенеративного продукта, в виде пластины с рифлями, обеспечивающая степень его отработки -90−93%, что на 30% выше, чем у традиционных регенеративных продуктов.
3. Определен оптимальный режим функционирования ИДА (температура + 23 °C, расход газовоздушной смеси — 35 дм3/мин), при котором достигаются его наилучшие физиолого-гигиенические показатели: сопротивление дыханию 350 Па, максимальная температура вдыхаемого из аппарата воздуха — + 45 °C, степень отработки регенеративного продукта а0 = 93%, время защитного действия — 17 минут.
4. Установлено, что кинетика работы аппарата с маятниковой схемой дыхания на установке «Искусственные легкие» удовлетворительно описывается уравнением равновесной изотермической адсорбции. Разработано математическое описание процесса регенерации воздуха в самоспасателях с регенеративным продуктом на матрице, позволяющее рассчитывать степень отработки регенеративного продукта и время защитного действия ИДА в зависимости нагрузки на аппарат.
5. Впервые для изготовления традиционно металлических деталей и узлов самоспасателя применены полимерные материалы: полипропилен и фторопласт.
6. Разработана конструкция патрона самоспасателя, использующего регенеративный продукт на матрице, обеспечивающего снижение температуры вдыхаемой газовоздушной смеси с 50 до 40 °C и уменьшение гидравлического сопротивления на вдохе и выдохе с 800 до 350 Па, и удовлетворяющего нормам европейского и российского стандартов. Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2 244 577 «Патрон изолирующего дыхательного аппарата», 2005 г.
7. Разработана принципиально новая конструкция ИДА с номинальным временем защитного действия 15 минут, обладающего наилучшими эксплуатационными характеристиками: размеры 115×190×210 мм, масса 0,9 кг, комфортные условия дыхания в аппарате.
8. Разработана методика проектирования ИДА с повышенным ресурсом действия.
9. Даны практические рекомендации по дальнейшему развитию изолирующего дыхательного аппарата, использующего регенеративный продукт на матрице.
10. По результатам работы выпущена опытная партия самоспасателей КС-15 и проведены ее государственные испытания, которые показали, что разработанный аппарат обладает существенно лучшими физиолого-гигиеническими характеристиками, чем серийно выпускаемые ИДА аналогичного класса, и удовлетворяет нормам европейского и российского стандартов.
4 ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ИДА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ.
4.1 Методика проектирования ИДА с использованием регенеративного продукта на матрице.
Изолирующий дыхательный аппарат, как технологический объект, является достаточно сложной системой, состоящей из большого числа взаимодействующих элементов и характеризующийся их связностью, управляемостью, изменяемостью и иерархичностью, т. е. возможностью расчленения на уровни. Это позволяет применить при проектировании ИДА блочно-иерархический подход, разделяя сложную проблему создания нового изделия на ряд последовательно решаемых задач малой сложности.
В общем случае ИДА имеют следующие основные составные части, которые можно рассматривать как функциональные системы: лицевая часть;
— регенеративный патрон;
— дыхательный мешок с клапаном избыточного давления;
— теплообменник (холодильник);
— соединительные шланги;
— наружный футляр (сумка).
Каждый этап проектирования изолирующего дыхательного аппарата связан с выполнением определенных экспериментальных и теоретических исследований.
Цель экспериментальных исследований при проектировании ИДАполучение достаточно достоверной информации о предмете при помощи измерений и наблюдений в специально создаваемых и точно учитываемых условиях. Экспериментальное исследование процессов функционирования предмета исследований проводят на специальных лабораторных установках, оснащенных приборным оборудованием для замера изучаемых параметров. При разработке ИДА наиболее часто испытания макетов и опытных образцов проводят на установках «Искусственные легкие», позволяющих установить соответствие фактических показателей назначения аппарата проектным (ВЗД, сопротивление дыханию, температура вдыхаемой ГВС и т. п.).
Цель теоретического исследования — изучение общих количественных и качественных закономерностей явления, в частности технологического процесса, протекающего в аппарате. В большинстве случаев теоретическое исследование выполняют в комплексе с экспериментальным, данные последнего используют либо для построения, либо для проверки теоретических решений. В настоящее время при разработке конструкций ИДА теоретические исследования используются в незначительной степени ввиду отсутствия надежных моделей функционирования ИДА.
Структурный синтез дыхательного аппарата — часть процесса проектирования, связанная с выбором варианта схемы аппарата и его устройств. Структурный синтез выполняют по блочно-иерархическому принципу. В соответствии с ним на каждом уровне проектирования синтезируется определенный ранг системы: первоначально — общая схема, затем функциональная схема и конструкции функциональных систем, определяющих работу ИДА, -отдельные функциональные элементы и детали, входящие в сборочные единицы. В настоящее время структурный синтез при разработке ИДА еще недостаточно формализован. В большинстве случаев его выполняют, опираясь преимущественно на эрудицию и интуицию конструктора, знание предыдущих разработок и аналогов и различные справочные пособия.
Параметрический синтез дыхательного аппарата решает задачу определения основных конструкционных параметров аппарата в целом и его отдельных частей. В большинстве случаев параметрический синтез является задачей оптимизационного типа: параметры дыхательного аппарата должны быть определены таким образом, чтобы заданный или выбранный показатель эффективности имел оптимальное значение.
Эффективность и современный технический уровень индивидуальных дыхательных аппаратов определяются десятью группами показателей качества, характеризующими основные свойства оборудования (ГОСТ 22 851−77). Показатели качества являются важным элементом, формирующим требования к конструкции дыхательного аппарата, группы этих показателей приведены ниже.
— Показатели назначения характеризуют функциональные свойства аппарата (время защитного действия на различных типах нагрузок, содержание вредных примесей в атмосфере, при которых аппарат должен обеспечивать защиту, диапазоны температур, при которых предполагается использовать аппарат, для каких работ, какого контингента и возраста предназначен аппарат и др.) и определяются назначением дыхательного аппарата.
Эргономические показатели (сопротивление дыханию, температура вдыхаемой ГВС, объемная доля диоксида углерода и кислорода во вдыхаемой ГВС, размеры лица человека, для защиты которого предназначен аппарат, углы обзора, разборчивость речи и др.) характеризуют условия функционирования аппарата в рабочем состоянии при работе в нем пользователя.
— Надежность, т. е. свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002−83).
— Экономические показатели (стоимость разработки, подготовки производства и изготовления ИДА).
— Показатели технологичности характеризуют свойства дыхательного аппарата, обусловливающие оптимальное распределение затрат материалов, средств труда и времени при технологической подготовке производства, изготовлении и эксплуатации изделия. К показателям технологичности относятся, например, трудоемкость изготовления изделия, его технологическая себестоимость, удельная стоимость ремонтов и т. д.
— Показатели стандартизации и унификации, например, коэффициенты применяемости, повторяемости, взаимной унификации и др. отражают степень использования стандартных и однотипных узлов и деталей в данном изделии.
— Показатели транспортабельности характеризуют приспособленность ИДА к транспортированию, не сопровождающемуся использованием изделия по назначению. Такими показателями являются, в частности, устойчивость к механическим воздействиям, средние продолжительность и трудоемкость подготовки оборудования к транспортированию, средняя продолжительность установки изделия на средство транспортирования, коэффициент использования его объема и др.
— Патентно-правовые показатели (показатели патентной защиты, патентной чистоты и др.) характеризуют степень обновления технических решений, использованных во вновь спроектированном дыхательном аппарате, их патентную защиту, а также возможность его беспрепятственной реализации в России и за рубежом.
— Экологические показатели определяют уровень вредных воздействий на окружающую среду при эксплуатации ИДА. К таким показателям относятся, например, содержание вредных примесей, выбрасываемых в окружающую среду, вероятность выброса вредных частиц, газов, излучений при хранении, транспортировании, эксплуатации дыхательного аппарата и т. д.
— Показатели безопасности характеризуют особенности дыхательного аппарата, обусловливающие безопасность обслуживающего персонала при транспортировании, монтаже, эксплуатации, храненииэто, например, вероятность безотказной работы, время срабатывания защитных устройств и ряд других показателей.
— Эстетические показатели изделия (форма, цветовая гамма, стиль и др.) определяют совершенство его художественного облика.
В зависимости от стадии определения различают показатели качества прогнозируемые, т. е. указанные в техническом задании на проектирование дыхательного аппарата, проектные (найденные в результате проведения расчетно-конструкторских работ), производственные (полученные при контрольных испытаниях аппаратов) и эксплуатационные (соответствующие условиям эксплуатации дыхательных аппаратов).
Помимо указанных показателей качества, при конструировании должны учитываться основные тенденции развития отрасли и ситуация на рынке.
К таким тенденциям относятся:
— снижение массы и габаритов ИДА (при заданном ВЗД);
— улучшение физиолого-гигиенических характеристик ИДА (снижение сопротивления дыханию, температуры вдыхаемой ГВС и т. д.) — повышение надежности ИДАповышение экономической эффективности разработки и производства ИДА (тщательное экономическое обоснование необходимости создания новых элементов и нового оборудования на всех стадиях разработки и внедрения, обеспечение минимальных материалои энергозатарат производства при заданной производительности).
— повышение удобства при эксплуатации ИДА.
Новое изделие, как правило, должно по своим технико-экономическим показателям превосходить аналогичные существующие лучшие образцы.
Легко обнаружить, что перечисленные требования взаимосвязаны, причем в одних случаях их воздействия на определенные показатели качества проектируемого ИДА совпадают, в других — нет. Например, требования функциональной эффективности, технологичности, экономической эффективности однозначно связаны с рядом показателей качестваэто относится также к соотношению требований надежности и прочности. В конкурирующем соотношении по влиянию на экономическую эффективность находятся, например, требования прочности, жесткости, устойчивости с одной стороны, и минимальной материалоемкости, экономической эффективности, с другой. Повышение прочности, жесткости ведет к увеличению материалоемкости и, поскольку стоимость ИДА в значительной мере зависит от стоимости материалов, пошедших на его изготовление, к увеличению капитальных затрат и, при прочих равных условиях, к снижению экономической эффективности. Использование при конструировании принципа равнопрочности, т. е. соблюдение требования, в соответствии с которым нагружаемые элементы имеют одинаковый запас надежности по отношению к действующим на них нагрузкам, позволяет уменьшить их материалоемкость. Однако при этом необходимо учитывать возможность уменьшения жесткости деталей, а в ряде случаев усложнение их формы, что может затруднять технологию их изготовления.
Противоречивость требований, предъявляемых к конструкциям дыхательных аппаратов, выдвигает задачу поиска оптимального решения, при котором соотношение отдельных требований обеспечивает наибольшую эффективность ИДА. Следовательно, их проектирование является задачей оптимизационного типа, и соответствующий процесс ее решения называется оптимизационным проектированием изолирующего дыхательного аппарата.
Задача при конструировании ИДА — это создание изделия, отвечающего потребностям человека, дающего наибольший экономический эффект и обладающего наиболее высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями.
Главными показателями при разработке ИДА являются:
— обеспечение функциональных характеристик и показателей назначения дыхательных аппаратов в соответствии с требованиями ТЗ;
— прочность, надежность, малая масса и металлоемкость, габариты, объем, расходы на оплату труда, высокие технические характеристики, простота и безопасность обслуживания, удобство сборки.
— обеспечение удобства изготовления ИДА с минимальным количеством трудовых и материальных затрат в условиях серийного производства;
— соблюдение требований технической эстетики: в первую очередь красивый внешний вид, сочетание по цветовой гамме составных частей ИДА и в конечном итоге — высокий экономический эффект от оптимизации вышеперечисленных показателей.
Значимость каждого из перечисленных факторов зависит от функционального назначения изделия. Необходимые показатели при создании ИДАкомпактность, удобство, простота и безопасность использования, надежность, стабильность работы. Необходимо учитывать эксплуатационные характеристики, область применения, условия эксплуатации, характер использования изделий (многоразовое или одноразовое его применение).
Несмотря на различие задач, решаемых на отдельных этапах конструирования индивидуального дыхательного аппарата и любого другого изделия, начиная с синтеза его общей структуры при разработке технического предложения и кончая изготовлением рабочих чертежей отдельных деталей, имеются общие методы их решения. К таким методам относятся конструктивная преемственность, трансформация и инверсия, эвристика. Эти методы тесно связаны между собойобычно их используют одновременно на всех стадиях проектирования, применяя ко всем функциональным системам изделия.
Конструктивная преемственность при проектировании выражается в использовании всего ранее накопленного опыта. Такой подход оправдан тем, что каждая сборочная единица — как правило, результат творчества нескольких поколений конструкторов, причем в новых конструкциях используют наиболее удачные и прогрессивные решения. По этой причине, например, при выборе общей схемы аппарата техническое задание обычно ориентирует конструктора на определенный отечественный или зарубежный прототип (аналог), технические показатели которого находятся на высоком уровне. Конструктивная преемственность предусматривает критический подход проектанта, как к техническому заданию, так и к аппаратам-аналогам, рекомендованным в качестве прототипа.
Конструктивная преемственность не является простым или масштабированным переносом той или иной системы конструкции, так как учитывает возможность использования в разрабатываемой конструкции новых, более совершенных технических средств. В большинстве случаев при этом выполняют весь комплекс проектных и поверочных расчетов, определяющих параметры системы, т. е. выполняют параметрический синтез.
На начальных стадиях проектирования особое внимание необходимо уделять выбору структуры и основных параметров проектируемого изделия. Это обусловлено тем, что принятые на стадии проектирования решения в дальнейшем практически определяют все основные свойства изделия. Параметрический синтез должен обеспечивать получение оптимальных параметров создаваемого оборудования.
Конструктивная преемственность — это использование при проектировании предшествующего опыта, всего полезного, что есть в существующих конструкциях ИДА. Изначально важно изучение исходных материалов при разработке новой конструкции. Основная задача заключается в правильном выборе параметров аппарата. Частные конструктивные ошибки исправимы в процессе изготовления и доводки изделия. Ошибки же в параметрах и в основном замысле не поддаются исправлению и ведут к провалу конструкции. На этом этапе не следует щадить ни времени, ни усилий на изыскания. Необходимо изучить опыт выполненных зарубежных и отечественных образцов, провести сравнительный анализ их достоинств и недостатков, выбрать правильный аналог и прототип, выяснить тенденции развития в подобных изделиях. Важным условием правильного проектирования является наличие фонда справочного конструктивного материала, а также обязательно систематическое углубленное изучение отечественной и зарубежной литературы и патентов. Все это можно резюмировать одной формулой: при создании нового конструктор должен «смотреть вперед, оглядываться назад и озираться по сторонам». Направление конструктивной преемственности не означает ограничения творческой инициативы, только не следует изобретать уже изобретенное и помнить правило, сформулированное ещё в начале XX века Гюльд-нером: «меньше изобретать, больше конструировать». Конструктор всегда должен работать над собой, пополнять запас конструктивных решений. Опытный конструктор всегда подметит и мысленно сфотографирует интересные конструктивные решения даже на чужих по профилю аппаратах, на любых попадающих в поле зрения механизмах.
Начальный процесс разработки начинается с компоновки аппарата и зависит от опыта, навыков и способностей конструктора. Основные закономерности: выяснение на первых этапах только основных элементов и игнорирование подробностейрассмотрение нескольких вариантов и выбор наилучшего на основе сопоставления конструктивной, технологической и эксплуатационной целесообразностипараллельные с проектированием ориентировочные расчеты на прочность, жесткость, долговечностьпридание технологичности разработки, последовательное проведение унификации и стандартизациирассмотрение всех элементов на эксплуатационную надежность.
Метод конструкторской преемственности целесообразно использовать вместе с методами трансформации и инверсии, предполагающими преобразование или обращение функций системы или ее элементов.
Эвристика — метод генерации идей, в частности основанный на использовании определенной системы наводящих вопросов. При конструировании эти вопросы могут быть отнесены, например, к обсуждению свойств прототипа создаваемого нового аппарата, его отдельных функциональных систем или элементов и относятся ко всем показателям качества — от показателей назначения, надежности и т. д. до показателей безопасности. Цель такого подхода — побуждение творческой активности конструктора, его эффективное и целенаправленное включение в поиск новых решений. Предполагают, что при использовании этого метода проектант хорошо знаком с техническим заданием на дыхательный аппарат, принципом его действия, конструкцией, расчетной схемой, технической литературой, эксплуатационными данными и пр.
Обсуждают недостатки конструкции прототипа по основным показателям качества и устанавливают пути их улучшения, например, интенсификацией, модификацией, унификацией и т. д. По отношению к изделию в целом и его каждой функциональной системе и элементу исследуют вопрос: каково должно быть воздействие, чтобы улучшился показатель качества проектируемого изделия? К эвристическому методу поиска новых идей относится так называемая мозговая атака. Цель мозговой атаки при конструировании — стимулировать быстрое генерирование большого числа новых решений. С этой целью отбирают группу компетентных лиц, перед которым ставят определенную задачу, причем оговаривают, что для решения принимают любые идеи, критика которых запрещается. При проведении сеанса мозговой атаки (длительность около 0,5 ч) идеи высказывают вслух и фиксируютпри этом происходят комбинация, усовершенствование и обогащение высказываемых предположений. Предпочтительно записывать идеи на отдельных карточках, которые впоследствии, классифицируют по направлениям, а предложения оцениваются специалистами.
Метод эвристик удобно применять при создании принципиально нового дыхательного аппарата. Здесь выполняют разработку, перебор и оценку ряда вариантов, в которых используют найденные решения. Если число предлагаемых новых решений (факторов решения) значительно, причем они относятся к различным уровням проектируемого объекта (например, несколько вариантов систем поглощения диоксида углерода, систем кондиционирования подготовленной смеси), то общее число вариантов конструкции становится очень большим и для отбора рациональных вариантов следует использовать упорядоченный поиск. Сущность такого поиска близка по сути к задачам дискретной целочисленной оптимизации, как правило многокритериальной.
Упорядоченный поиск, проведенный в полном объеме, позволяет найти оптимальное решениеобычно в этом случае используют ЭВМ. В простых случаях, при сравнительно малом числе факторов решения, ограничиваются более простыми методами выбора вариантов сочетания новых решений, например, интуитивным или построением дерева решений. В последнем случае, представляющем собой упрощенный способ упорядоченного поиска, указывают варианты объектов выбора по уровням или функциональным группам, дают их сравнительную оценку в баллах и формируют путь через объекты, обеспечивающий наивысшую суммарную оценку. Факторы решения, входящие в этот путь, образуют искомый вариант конструкции.
Компоновку отдельных элементов и систем в корпус аппарата выполняют с использованием блочно-иерархического принципа с переходом от общего к частному. Первоначально, на этапе эскизного проектирования, компонуют основную схему, общую конструкцию аппарата. Разрабатывают несколько компоновочных вариантов, т. е. выбирают и вычерчивают схемное решение дыхательного аппарата, определяют взаимное положение рабочих органов и подсистем, оценивают схему их температурного и механического нагружения, правильность размещения и форм основных элементов системы. Одновременно выполняют основные технологические, тепловые, механические и другие расчеты, которые связаны с выбором форм и размеров компонуемых элементов аппарата.
На этапе технического (рабочего) проектирования уточняют конструкцию каждого элемента системы, полностью разрабатывая варианты с учетом всех требований технического задания. При компоновке и конструировании элементов следует придерживаться предпочтительного ряда унификации нормальных элементов, уделять внимание вопросам удобства сборки-разборки системы, ее элементов и обслуживания, осмотра и регулирования. При этом окончательно решают вопросы выбора конструкционных материалов для основных деталей, продумывают способы повышения их долговечности.
При конструировании аппарата следует предусмотреть возможность последующей модернизации его конструкции, повышения эффективности процесса регенерации и т. п.
При разработке ИДА нового поколения основным источником информации о требованиях к аппарату является требования ТЗ. На начальном этапе разработки определяется конфигурация регенеративного продукта, при которой результаты испытания условного регенеративного патрона будут удовлетворять физиолого-гигиеническим требованиям (ФГТ), предъявляемым техническим заданием. К ним относятся: температура вдыхаемого из аппарата воздуха, гидравлическое сопротивление дыханию, концентрации диоксида углерода и кислорода и состав примесей во вдыхаемой ГВС. При удовлетворении этим требованиям рассчитывается схема циркуляции воздуха в воздуховодной системе ИДА. В зависимости от того, какая схема будет выбрана для разработки, масса регенеративного продукта может рассчитываться: для маятниковой схемы — на основании применения разработанной регрессионной модели в виде искусственной нейронной сети, либо косвенно — из уравнения Вильсонадля круговой схемы масса регенеративного продукта может косвенно рассчитываться из «уравнения сжимающейся сферы». После расчета количества регенеративного продукта выбирается материал для изготовления регенеративного патрона и проверяется совместно с продуктом на термостойкость и выделение вредных примесей. Дальнейшее конструирование аппарата заключается в разбивке его на составляющие элементы, отдельной их разработке, а затем — сборке в единое целое и испытании на установке «Искусственные легкие» или добровольцами-испытателями. Результаты испытаний должны удовлетворять требованиям ТЗ по физиолого-гигиеническим, эксплуатационным и другим предъявляемым параметрам. Если результаты испытаний не удовлетворяют требованиям ТЗ, то необходимо заново разрабатывать конструкцию ИДА, начиная с патрона. При удовлетворении результатов испытаний требованиям ТЗ, конструкцию можно передавать на изготовление опытной партии и ее испытание. Если испытания опытной партии прошли успешно, то есть, удовлетворены все требования технического задания, то можно рекомендовать данную конструкцию к внедрению в производство. При неудовлетворительных испытаниях опытной партии производится идентификация отказа, и дорабатывается тот элемент, который явился причиной отказа. Затем производятся повторные испытания опытной партии.
Схема методики процесса разработки ИДА нового поколения показана на рис. 4.1.
Рис. 4.1 Методика разработки ИДА нового поколения.
Важнейшим показателем эффективности ИДА является время защитного действия т3д. В ходе анализа экспериментальных данных, полученных на испытательной установке ИЛ (Приложение П 1), была построена матрица коэффициентов причинного влияния технологических параметров на т3д и выявлены наиболее значимые переменные процесса регенерации воздуха в ИДА с использованием регенеративного продукта на матрице: масса регенеративного продукта тт, г, в патронерасход ГВС (легочная вентиляция) GrBC, дм /минподача диоксида углерода Gco2, дм /минотбор ГВС из дыхательного объема G01, дм /мин, начальная концентрация диоксида углерода Сс02, % масс., в окружающей среде и температура в камере ГКАМ, °С.
Для построения регрессионной модели, описывающей зависимость среднего значения времени защитного действия от выходных переменных процесса регенерации воздуха в ИДА, использовался аппарат искусственных.
Рис. 4.2 Схема нейронной сети На рис. 4.2 представлена схема трехслойной нейронной сети прямого распространения, составленной и обученной с использованием алгоритма обратного распространения ошибки по данным испытаний, проведенных на установке ИЛ. Данная сеть позволяет рассчитывать время защитного действия аппарата т3д, мин, в зависимости от условий испытания аппарата. Погрешность расчета составляет не более 0,2 по абсолютному значению.
По результатам проверки адекватности ИНС, обученной на опытных данных, погрешность полученных при исследовании процесса регенерации воздуха в ИДА на экспериментальной установке ИЛ, было установлено: в режиме «относительный покой» (10 дм /мин) относительная погрешность составляет 6%, в режиме средней нагрузки (35 дм /мин) — 4%, в режиме высокой нагрузки (70 дм /мин) — 8%. Полученные результаты свидетельствуют о том, что погрешности моделирования процесса регенерации воздуха в ИДА с использованием регенеративного продукта на матрице вполне согласуются с погрешностью измерения опытных данных. В связи с этим построенная регрессионная модель в виде обученной ИНС используется в методике проектирования ИДА с повышенным ресурсом действия.
В таблице 4.1 представлены значения весов и смещений для обученной нейронной сети.
