Техніка та енергетика

УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦІЇ МОТОРИЗОВАНОГО ФІЛЬТРУВАЛЬНОГО РЕСПІРАТОРА

Дмитро Славінський, Тамара Білько, Юрій Чеберячко, Сергій Чеберячко, Олег Дерюгін
Завантажити статтю
Анотація

Умови праці часто не відповідають нормативним вимогам щодо гігієнічних показників, зокрема виявляються порушення щодо наявності шкідливих домішок у повітрі робочої зони. В таких випадках, застосовуються моторизовані фільтрувальні респіратори для захисту органів дихання, які для ефективної роботи потребують розробки відповідної системи управління операційними показниками. Метою статті було удосконалення системи управління моторизованим фільтрувальним респіратором для підвищення захисної ефективності. Для створення відповідної системи управління застосовано структурно-параметричний синтез керування операційними показниками, на основі взаємозв’язків між основними змінними (вихідні регульовані змінні, керуючі впливу та обурення). Розроблено нову робочу схему об’єкту керування з підібраними конструктивними елементи повітродувки, основною відмінністю якої є використання плати “Arduino Uno R3” модуль “LCD Keypad Shield” з дворядковим дисплеєм для контролю режимів руху повітряного потоку, у відповідності до зміни опору фільтра з урахуванням накопичення пилового осаду на основі припущення, що передаточна функція з достатньою для практики точністю може бути представлена аперіодичною ланкою 1-го порядку. Для відпрацювання режимів роботи та визначення терміну захисної дії створена програмна модель роботи моторизованого фільтрувального респіратора, яка дозволила оцінити вплив концентрації пилу на зміну витрати повітря крізь фільтрувальні елементи з урахуванням накопичення пилового осаду на захисну ефективність. Розроблені рекомендації для забезпечення ефективного функціонування захисного пристрою згідно з вимогами при найбільш несприятливих умовах. Практичне значення полягає в тому, що завдяки удосконаленню системи управління моторизованим фільтрувальним респіратором забезпечується більш комфортний та ефективний захист, зокрема в умовах важких або шкідливих робочих середовищ

Ключові слова

вентилятор, тиск, швидкість обертання, концентрація пилу, повітряний потік, ширина імпульсів

ЦИТУВАТИ
Slavinskyi, D., Bilko, T., Cheberyachko, Yu., Cheberyachko, S., & Deryugin, O. (2023). Improvement of motorized design filtering respirator. Machinery & Energetics, 14(1), 24-35. https://doi.org/10.31548/machinery/1.2023.24
Використані джерела

[1] Aggarwal, S., Aggarwal, S., Aggarwal, A., Jain, K., & Minhas, S. (2020). High viral load and poor ventilation: Cause of high mortality from COVID-19. Asia-Pacific Journal of Public Health, 2(6-7), 377-378. doi: 10.1177/1010539520944725.

[2] Antonini, M.J., Plana, D., Srinivasan, S., Atta, L., Achanta, A., Yang, H., Cramer, A.K., Freake, J., Sinha, M.S., Yu, S.H., LeBoeuf, N.R., Linville-Engler, B., & Sorger, P.K. (2021). A crisis-responsive framework for medical device development applied to the COVID-19 pandemic. Frontiers in Digital Health, 3, article number 617106. doi: 10.3389/fdgth.2021.617106.

[3] Alderman, T.S., Stiegel, Matthew, A., Estes, R.A., Thomann, W.R., & Sempowski, G.D. (2016). Field-testing method for loose-fitting powered air-purifying respirators equipped with HEPA filters. Applied Biosafety: Journal of ABSA International, 21(2), 71-78. doi: 10.1177/1535676016651249.

[4] Bazaluk, O., Ennan, A., Cheberiachko, S., Deryugin, O., Cheberiachko, Y., Saik, P., Lozynskyi, V., & Knysh, I. (2021). Research on regularities of cyclic air motion through a respirator filter. Applied Sciences, 11, article number 3157. doi: 10.3390/app11073157.

[5] Bence, N., Lengyel, A., & Tarics, Z. (2022). A simple model for describing the minimum differential cross-section of elastic proton scattering on protons at high energies. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series “Physics”, 51, 30-38. doi: 10.54919/2415-8038.2022.51.30-38.

[6] Bui, A.N., Yu, Z., Lee, K., Li, S.J., Tsiaras, W.G., Yu, S.H., LeBoeuf, N.R., & Mostaghimi, A. (2021). A pilot study of the impact of facial skin protectants on qualitative fit testing of N95 masks. Journal of the American Academy of Dermatology, 84(2), 554-556. doi: 10.1016/j.jaad.2020.06.069.

[7] Chaari, M.Z., Al-Rahimi, R., Abdelfatah, M., & Khamis, A.S. (2020). Use of reverse engineering method for respirator devices in COVID-19 crisis. 2nd International Conference on Electrical, Control and Instrumentation Engineering (ICECIE) (pp. 1-4). Kuala Lumpur: IEEE. doi: 10.1109/ICECIE50279.2020.9309686.

[8] Cheberyachko, S., Cheberyachko, Y., Naumov, M., & Deryugin, O. (2022). Development of an algorithm for effective design of respirator half-masks and encapsulated particle filters. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics, 2(28), 1145-1159. doi: 10.1080/10803548.2020.1869429.

[9] Cramer, A.K., Plana, D., Yang, H., Carmack, M.M., Tian, E., Sinha, M.S., Krikorian, D., Turner, D., Mo, J., Li, J., Gupta, R., Manning, H., Bourgeois, F.T., Yu, S.H., Sorger, P.K., & LeBoeuf, N.R. (2021). Analysis of SteraMist ionized hydrogen peroxide technology in the sterilization of N95 respirators and other PPE. Scientific Reports, 11, article number 2051. doi: 10.1038/s41598-021-81365-7.

[10] Golinko, V.I., Cheberyachko, S., Cheberyachko, Yu., Deryugin, O.V., Slavinskyi, D.V., Radchuk, D.I., & Klimov, D.H. (2020). Filter breathing apparatus with forced air supply. Patent of Ukraine No. 147372. Retrieved from https://base.uipv.org/searchINV/search.php?action=viewdetails&IdClaim=275883.

[11] Johnson, D.V., & Johnson, S.D. (2010). Powered air-purifying respirator system. USA Patent No. US 7.699,053 B1. Retrieved from https://patents.google.com/patent/US7699053.

[12] Jovanović, R., Zarić, V., Bučevac, Z., & Bugaric, U. (2022). Discrete-time system conditional optimization based on takagi-sugeno fuzzy model using the full transfer function. Applied Sciences, 12, article number 7705. doi: 10.3390/app12157705.

[13] Jayan, V., Ajan, A., Mohan, H., Manikutty, G., Sasi, D., Kappanayil, M., Vijayaraghavan, S., & Rao, R.B. (2020). Design and development of a low-cost powered air-purifying respirator for frontline medical workers for COVID-19 response In IEEE 8th R10 Humanitarian Technology Conference (R10-HTC) (pp. 1-6). Kuching, IEEE. doi: 10.1109/R10-HTC49770.2020.9356954.

[14] Kadhim, A., & Obed, A. (2018). Speed and current limiting control strategies for BLDC motor drive system: A comparative study. International Journal of Advanced Engineering Research and Science, 5, 119-130. doi:10.22161/ijaers.5.2.16.

[15] Kim, M.Y., Jung, Y.G., Park, J.C., & Yang, Y.K. (2021).The impact of airflow and air purification on the resuspension and removal of deposited particulate matter. Journal of Building Engineering, 41, article number 102367. doi: 10.1016/j.jobe.2021.102367.

[16] Kothakonda, A., Atta, L., Plana, D., Ward, F., Davis, C., Cramer, A., Moran, R., Freake, J., Tian, E., Mazor, O., Gorelik, P., Van, C., Hansen, C., Yang, H., Sinha, M. S., Li, J., Yu, S.H., LeBoeuf, N.R., & Sorger, P.K. (2021). De novo powered air-purifying respirator design and fabrication for pandemic response. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 10, article number 690905. doi: 10.1101/2021.03.25.21252076.

[17] Kramchaninova, M.D., Vakhlakova, V.V., & Ledovskaya, А.І. (2020). Analyzing the labor conditions and ways of their improvement. Business Inform, 5, 247-252. doi: 10.32983/2222-4459-2020-5-247-252.

[18] Licina, A., Silvers, A., & Stuart, R.L. (2020). Use of powered air-purifying respirator (PAPR) by healthcare workers for preventing highly infectious viral diseases-a systematic review of evidence. Systematic Reviews, 9(1), article number 173. doi: 10.1186/s13643-020-01431-5.

[19]  Licina, A., & Silvers, A. (2021). Use of powered air-purifying respirator (PAPR) as part of protective equipment against SARS-CoV-2-a narrative review and critical appraisal of evidence. American Journal of Infection Control, 49(4), 492-499. doi: 10.1016/j.ajic.2020.11.009.

[20] McMahon, D.E., Peters, G.A., Ivers, L.C., & Freeman, E.E. (2020). Global resource shortages during COVID-19: Bad news for low-income countries. PLoS Neglected Tropical Diseases, 14, article number e0008412. doi: 10.1371/journal.pntd.0008412.

[21] Nagel, J., Gilbert, C., & Duchesne, J. (2021). Novel 3D printable powered air purifying respirator for emergency use during PPE shortage of the COVID-19 pandemic: A study protocol and device safety analysis. BMJ Open, 11, article number e049605. doi: 10.1136/bmjopen-2021-049605.

[22] Sekoguchi, S., Ando, H., Ikegami, K., Yoshitake, H., Nagano, C., & Ogami, A. (2022). Application of tight-fitting half-facepiece breath-response powered air-purifying respirator for internal body cooling in occupational environment. PLoS ONE, 17(4), article number e0266534. doi: 10.1371/journal.pone.0266534.

[23] Sekoguchi, S., Shirasaka, T., Ando, H., Ikegami, K., & Ogami, A. (2020). Evaluation of the performance of replaceable particulate and powered air-purifying respirators considering non-recommended wearing methods. Industrial Health, 58(6), 573-580. doi: 10.2486/indhealth.2020-0056.

[24]Tanchak, A., Katovsky, K., Haysak, I., Adam, J., & Holomb, R. (2022). Research of spallation reaction on plutonium target irradiated by protons with energy of 660 MeV. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series “Physics”, 52, 36-45. doi: 10.54919/2415-8038.2022.52.36-45.

[25] Tran, A.S., Quang, H., Ngo, T., Van, K., Anh, D., & Vo, H. (2021). Design, control, modeling, and simulation of mechanical ventilator for respiratory support. Special Issue Mathematical Problems in Engineering, l, article number 2499804. doi: 10.1155/2021/2499804.

[26] Vladov, S.I., Nazarenko, N.P., Tutova, N.V., Moskalyk, V.M., & Ponomarenko, A.V. (2020). Multi-dimensional TV3-117 aircraft engine automatic control system based of the neural network regulator. Scientific Journal "Transactions of Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, 2(121), 79-84. doi: 10.30929/1995-0519.2020.2.79-84.

[27] Vo, T., Le, L., Trần, D.N., Phạm, A.L., & Nguyen, T.T. (2022). Design of powered air purifying respirator used for healthcare workers in isolation room. VNUHCM Journal of Engineering and Technology, 4(4), 1321-1331. doi: 10.32508/stdjet.v4i4.931.

[28] Weiss, R., Guchlerner, L., Weissgerber, T., Filmann, N., Haake, B., Zacharowski, K., Wolf, T., Wicker, S., Kempf, VA.J., Ciesek, S., Stöver, T., & Diensthuber, M. (2021). Powered air-purifying respirators used during the SARS-CoV-2 pandemic significantly reduce speech perception. Journal of Occupational Medicine and Toxicology, 16, article number 43. doi: 0.1186/s12995-021-00334-y.

[29] Wood, S.G.A., Chakraborty, N., Smith, M.W., Summers, M.J., & Brewer, S.A. (2019). The impact of canister geometry on chemical biological radiological and nuclear filter performance: A computational fluid dynamics analysis. Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 16(1), 41-53. doi: 10.1080/15459624.2018.1533674.

[30] Worker Health & Safety (2020). Retrieved from https://www.3m.com/3M/en_US/worker-health-safety-us/covid19/ford-papr/.

[31] Yamazaki, K., Suga, S., Kuwabara, K., Hamada, Y., Syu, S., Nakano, R., Kobayashi, K., & Takahashi, N. (2018). Effect of simulated work in artificial climate chamber on physiological and psychological responses of construction workers with air-conditioned wear. Journal of Environmental Engineering (Transactions of AIJ), 83(748), 543-53. doi: 10.3130/aije.83.543.