呼吸防护用品的人机工效学问题分析
发表日期：2011-05-04 09:39:03 来源：互联网; 点击次数：
呼吸防护用品是预防或降低空气中有害物质对作业人员呼吸系统危害的个体防护装备，是保护作业人员健康的最后一道防线。人机工效学是根据人的心理、生理与身体结构等，研究人、机器、环境相互之间的合理适配关系，以保证人们安全、健康、舒适地工作，并取得满意的工效的一门学科。我国人机工效学的研究和应用与发达国家相比，存在着较大的差距。但随着我国科技的进步和经济的发展，人们对工作条件的要求及对自身健康的关注逐步增强，防护用品的人机工程特性及其人性化的设计也将成为人们日益重视的问题。
笔者根据人体的面部解剖形态、头颈部生物力学特点、呼吸系统与心血管系统的生理机能的要求，系统提出了呼吸防护用品的密合性、呼吸阻力等人机工效学问题，并逐一进行分析。运用人机工效学原理，指导呼吸防护用品的设计、生产与评价，使呼吸防护用品满足人体的形态结构与生理机能，加强防护用品与人体的适配性，更好地发挥呼吸防护用品的防护效果，并提高其舒适性，为作业人员所广泛接受和持续使用，切实起到保障作业人员身体健康的作用。
1 我国呼吸防护用品使用现状
当前，我国职业危害形势十分严峻，有毒有害企业超过1600万家，受到职业病危害的人数超过2亿。职业病的发生集中在呼吸系统，其中，尘肺病占我国各类职业病的80%，20世纪50年代以来，我国累计报告尘肺病例58万多人，相当于世界其他国家尘肺病人的总和，已经死亡14万多人，现有患者44万多人。由于现在厂矿企业劳动者的体检率低，报告不全，因此，估计实际发病要比报告的例数多10倍，尘肺病实际发生的病例数不少于100万人。
呼吸系统职业病的防治是一个综合性课题，个体防护和工程治理是预防呼吸系统职业病的主要途径。呼吸防护用品是在无法将作业场所中有害物质的浓度降低到最高容许浓度以下或无法完全消除危害因素时，保护从业人员身体健康、避免遭受环境侵害的一种特殊的劳保用品。
我国劳动防护用品有着广阔的市场，个体防护装备的市场份额超过200亿元人民币。其中，各种防尘口罩的年需求量为15600万个，各种防毒而罩仅煤炭、化工两个行业的年需求量为310～450万个。我国劳动防护用品的生产企业数千家，从业人员数万人，我国生产的呼吸防护用品中相当一部分产品质量不高，防护功能与舒适性差，同国外知名厂家的产品相比，存在着差距，尤其是在与人体的适配性方面存在较大差距，从业人员佩戴后，使其工作不方便，舒适性较差。目前，美国3M公司、法国巴固公司等外资企业占有我国呼吸防护用品市场相当大的份额。
为提高我国呼吸防护用品的防尘毒性能，单纯从防护材料、生产工艺环节着手还很不够，必须增强呼吸防护用品与人体的适配性、舒适性，才能真正保证其防护效果，并为从业人员所接受。
2 问题与对策
2.1 呼吸防护用品的密合性
呼吸防护用品与人体面部密合的好坏，直接影响到防护效果。根据流体力学原理，气流首先流向阻力小处，如果呼吸防护用品与人体面部吻合不好，呼吸气流首先穿过面具与人体面部之间的缝隙流通，而不通过过滤材料。该结果表明，无论滤料的过滤效率多高，但起不到滤过作用，呼吸防护用品的整体防护效果难以保证。William等对面具的密封泄漏与其防护效果的研究指出：面具周边1mm的小孔就会造成防护效率的显著下降。同时，人体面部神经丰富且感觉器官集中，呼吸防护用品与面部吻合的好坏对其舒适性产生影响，若呼吸防护用品与面部匹配性差会导致加压鼻面部等不舒适感。
我国使用的呼吸防护用品中，大部分是国外个体防护装备生产企业生产，而按照西方人的脸形设计的。国内虽然设计或仿制了一些呼吸护具，但是，也多参照国外的设计资料生产。由于不同人种的面部形态特征不同，因此，按照西方人脸形设计的呼吸防护用品不符合我国人体的颜面特征。据调查，90%以上的飞行员反映佩戴面罩不舒适，70%左右反映面罩夹压鼻面部且漏气。飞行事故的统汁资料表明，因供氧面罩气密性差而漏气导致的事故占发生事故的20%以上。
为改善呼吸防护用品与人体面部密合性，目前主要采取以下方法：
1)在设计阶段，增加呼吸防护用品面具造型与人体面部形态的吻合。对于半面罩呼吸防护用品，主要以脸长、下颌宽度、嘴唇宽度和鼻高等作为设计指标，根据人体头面部的测量统计数据进行设计和分型。但是，国内外人体面部形态特征指标提取的科学依据与验证还十分薄弱，同时，国外人体而部形态特征指标是否符合我国还需要加以分析。
2)通过呼吸防护用品与人体面部接触部位材料的卷边设计或使用柔韧性好的材料，如硅橡胶等，加强呼吸防护用品与人体面部的密合性。
3)使用前，按照密合性和泄漏量检验程序，选择适合于使用者脸型的呼吸防护用品，增加密合性、减少泄露。《GB/T18664-2002呼吸防护用品的选择、使用与维护》即作了这方面的规定。
2.2 呼吸防护用品的阻力
佩戴呼吸防护用品后，人体的呼吸气流通过面具时产生摩擦力，形成了呼吸防护用品的呼吸阻力。呼吸防护用品的呼吸阻力由空气之间的摩擦力和空气与通道表面的摩擦力两部分组成。可分为吸气阻力和呼气阻力，前者为佩戴者吸气时气流流经滤料、导气管、吸气阀门等部位所产生阻力总和，后者由佩戴者呼气时流经内外呼气阀门等部件产生的。呼吸阻力是呼吸防护用品的一项性能指标，同时，增加了佩戴人员额外的呼吸阻力以及肺部负担，会导致佩戴者换气不足、每分钟呼吸量和氧耗量等的降低。
吸入阻力245Pa时，佩戴者就会产生吸气困难的感觉，呼吸阻力在98Pa～147Pa时人就会出现主观不适的反应，有的人则感到呼吸困难。
另外，呼吸防护用品呼吸阻力增加，则漏气量增加，呼吸阻力还关系到佩戴者能否乐意接受与持续使用呼吸护具。
我国最新的《GB2626-2006呼吸防护用品——自吸过滤式防颗粒物呼吸器》规定：每个样品的总吸气阻力不大于350Pa，总呼气阻力不大于250Pa。这与美国42GFR Part84：1995防微粒呼吸护具规定的吸气阻力不大于343Pa，呼气阻力不大于245Pa非常接近，如下表所示。
我国原有的防尘口罩的技术标准《LD29-1992中华人民共和国劳动和劳动安全行业标准——防尘口罩》则规定吸气阻力不大于49Pa，呼气阻力不大于29.4Pa。可见，我国自吸过滤式防颗粒物呼吸器现有的呼吸阻力的规定是参照美国标准制定的。
英国的相关标准规定呼气阻力不大于122.5Pa，与美国的标准相差较远。因此，需要对我国人体的呼吸阻力限值进行研究，为我国呼吸防护用品标准的制定提供依据，使我国呼吸防护用品标准符合中国人的生理特点。
2.3 呼吸防护用品的死腔问题
人员佩戴面具时，罩体与人体面部构成的内部集合空间相当于人体生理死腔的延伸，会导致人体呼吸区内二氧化碳的储留，使吸入气中二氧化碳浓度升高，肺泡内二氧化碳分压随之升高。
严重时引起呼吸中枢的麻痹，出现呼吸抑制、头痛、头昏、气喘、无力等症状；同时，吸入气体中二氧化碳浓度超过一定量，会使二氧化碳渗入血液造成二氧化碳中毒；吸入气中氧含量降低会产生慢性缺氧，导致气体代谢障碍，产生心力衰竭。当吸入空气中二氧化碳含量超过2%时，就会发生呼吸障碍。
呼吸防护用品的死腔还会影响作业人员的作业能力以及佩戴时的舒适感。有研究表明：350 ml死腔致使体力活动所能持续的时间减少19%，呼吸护具的舒适性降低18%。但是，呼吸防护用具没有死腔也是不科学的，死腔为零时，实际上只会有相当于佩戴者鼻孔面积的滤材参与了尘毒等有害物质的过滤，呼吸阻力非常大.因此，呼吸防护用品的死腔大小是一个需要权衡的问题。
《GB2890-1995过滤式防毒面具通用技术条件》规定全面罩大眼窗面罩的死腔应小于250ml，双跟窗面罩的死腔应小于280 ml；半面罩的死腔应小于185ml。《GB2626-2006呼吸防护用品——自吸过滤式防颗粒物呼吸器》对死腔重新进行了定义：从前一次呼气中被重新吸入的气体的体积，用吸入气中二氧化碳体积百分含量表示。并规定死腔检测结果平均值应不大于1%。
2.4 呼吸防护用品的热应激问题
热不适是作业人员不愿意佩戴过滤式呼吸防护用品的主要原因之一。新西兰的一项调查显示近1/3的调查对象反映佩戴后体温升高，引起的热不适是他们不愿意佩戴防护用品的关键原因。
人在温热环境中作业时，汗液蒸发是机体散热的主要途径。虽然人体头颈部占人体体重的比例小，但是，头颈部单位面积/体积的散热能力较身体其他部位强。呼吸防护用品的面罩阻碍了头面部皮肤散发热量，使身体内热量蓄积，体温升高，人体容易处于热应激状态。同时，佩戴呼吸防护用品导致代谢产热增加，加剧了作业人员的热应激反应。佩戴呼吸防护用品，嘴唇皮肤温度能升高7.5℃。已有的实验研究表明：多数研究对象嘴和鼻孔处皮肤温度在34℃以下是可以被接受，一旦这些部位的皮肤温度超过34.5℃，许多人则感到由此产生的热不适感是不可以接受的。
目前，国内外还没有见到有关呼吸防护用品所带
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