2023年《安全技术》之正压式氧气呼吸系统的应力分析.docx

正压式氧气呼吸系统的应力分析 张仁良，陈金岳 氧气呼吸器的防护性能主要取决于面罩的密贴性，而面罩的密贴性又与面罩内外的压力差有关。如果吸气时面罩内压力高于外界大气压，有毒气体就无法泄漏进去，从而提高了氧气呼吸器的防护能力。这种在呼吸全过程中保证面罩内压力始终大于外界大气的氧气呼吸器，被称为正压式氧气呼吸器。 1正压呼吸系统工作原理 氧气呼吸器结构主要分成供气系统和呼吸系统2个系统。供气系统由气瓶、减压器、压力表、定量阀、自动补给阀、手动补给阀等组成；呼吸系统由面罩或口具鼻夹、呼吸软管、吸收二氧化碳的清净罐、气囊或气仓、排气阀、冷却器等组成。决定氧气呼吸器防护能力大小的是氧气呼吸器的呼吸系统。正压式氧气呼吸器与普通氧气呼吸器的主要区别在于呼吸系统。 正压呼吸系统与普通呼吸系统差异是在气囊上增加一个弹簧力，加大了排气阀的开启压力、还相应提高了自动补给阀的开启压力和关闭压力。图1为普通氧气呼吸器和正压式氧气呼吸器的工作原理图。 图1呼吸器工作原理 从图1中可以看出：在普通氧气呼吸器中，吸气阀是靠吸气时面罩内产生的负压来翻开的，自动补给阀是在负压下进行补气。而在正压氧气呼吸器中，面罩内是不会产生负压，吸气时呼吸气体能自动流入面罩。自动补给阀是在正压下就开启进行补气；呼气时面罩内压力大于气囊压力，由于压差使吸气阀自动关闭，呼气阀翻开；为了保证呼出气体不能直接从排气阀流出，必须加大排气阀的弹簧力。正压呼吸系统就是用这种方法使面罩在呼吸全过程中保持正压。 2正压呼吸系统静态应力分析 从上面的正压呼吸系统工作原理分析得知：氧气呼吸器产生正压的主要部件是增加气囊上的弹簧力，提高自动补给阀开启压力，加大排气阀的开启压力。所以在分析正压呼吸系统应力时可以把这3部件看成同一部件处理。 2.1普通呼吸器的静态应力 肺部吸气时，在面罩内产生相对于大气压负值的吸气压力Px。面罩内的吸气负压是由于吸气阀膜片开启阻力、吸气软管的气流阻力、冷却罐的流动阻力、气囊变形阻力、自动补给阀的功能阻力等引起。因此可以把面罩内吸气负压看成呼吸器的吸气阻力、它的大小与呼吸量有关，一般在-200～-600Pa之间。吸气压力到达自动补给阀开启压力时自动补给阀就能自动翻开，向气囊充气。如果吸气量不超过自动补给所提供的呼吸气体（60～80L/min），面罩内吸气压力就不会低于自动补给阀的开启压力Pb（300Pa）。如果吸气量超过自动补给所提供的呼吸气体，吸气时就会感到供气缺乏，甚至发生缺氧，这时吸气负压就会持续下降。所以，在正常使用条件下面罩内静态应力的负压值Px应高于自动补给阀的开启压力Pb，即Px≥Pb。肺部吸气时，在面罩内产生一个相对于大气压Pa较高的呼气压力Ph是用于克服呼气阀膜片开启力、呼气软管的气流阻力、清净罐的流动阻力、气囊变形阻力、自动补给阀的功能阻力、排气阀的开启阻力等。所以，也可以把呼气压力Ph看成呼气阻力，它也与呼吸量大小有关。中等劳动强度下，呼吸阻力为200～300Pa；在50L/min呼吸量下，到达450Pa；一般在200～700Pa之间。当面罩内的呼吸气压力Ph到达排气阀开启压力Pp时，自动排气。如果呼气量不超过排气量，面罩内的呼气压力就不会大于排气阀的开启压力Pp。如果人体呼气量超过排气量，就会感觉弊气，这时呼气正压就会持续上升。因此，一般情况下面罩内静态应力的正压值Ph不应大于排气阀的开启压力Pp即Ph≤Pp[1]。 2.2正压呼吸器的静态应力 在使用普通呼吸器时，如果翻开气瓶后不进行呼吸，排气阀和自动补给阀都是处于关闭状态。正压呼吸器是在气囊上安装了一个增压弹簧，同时调整了自动补给的开启压力和排气阀的开启压力，使呼吸系统在呼吸时能获得更高的压力。从平衡观点分析，在气囊上增加的弹射力Ps可以看成面罩在静态下的正压。如果面罩佩带适宜，不进行呼吸就会在呼吸系统内建立一个静态压力Ps。肺部吸气时，需要从气囊里获得呼吸气体，呼吸系统内静态压力Ps失去平衡，这时吸气阀膜片受到压差作用就立即翻开。这样呼吸气体自动流进面罩。直至再一次到达压力平衡。所以在正压氧气呼吸器里，正压能够帮助送气，吸气时不需要做功。呼吸气体往面罩里流入的时候，是动态过程。虽然作用在吸气阀膜片上的压力Pzx比正压值Ps低，但在正常情况下总是比环境大气压高。所以，面罩内的吸气静态压力Pzx为：Pzx= Ps-Px> Pa。如果吸气量不超过自动补给阀的供气量，面罩内吸气静压就不会低于补给阀的开启压力，即Pzx≥Pzd。在普通呼吸器中，肺部呼吸气时会在面罩内形成正压Ph，这正压足以翻开呼气阀。而在正压呼吸器中，呼气阀受到所以使用正压呼吸器,为了克服呼气阀开启阻力。肺部必须产生Ps和Pp之和的合力，在大流量呼吸气体内还需要克服相应呼吸气体流动阻力。所以，面罩内的呼气静态压力Pzh应是Pzh=Ps+ Ph。 图2为普通呼吸器和正压呼吸器呼吸系统在30L/min呼吸量时的静态应力，它是下面动态应力分析的根底。 2.3正压呼吸系统静态应力分析 正压呼吸器的呼吸阻力会直接影响到呼吸系统正压值Ps确实定。因为正压值设得太高会使呼气阻力太大，设得太低又不能保证呼吸器的保护能力。为了保证呼吸舒适，呼气不感到费力，要求呼吸系统的正压值和呼气阻力，其和（Ps+ Ph）不得超过800 Pa。吸气阻力的最小值，决定着呼吸器保护能力，它与正压值之差（Ps－Ph）越大，呼吸保护能力就越高。因此，在正压氧气呼吸器中，降低呼吸阻力是提高保护性能的关键所在。选用氢氧化锂吸收剂，降低清净罐的通气阻力；增大气囊横截面，减小气囊变形阻力；应用硬壁气仓，减少外力对气囊变形的影响；实施双排气阀，保证排气稳定性；采用双气囊，减缓清净罐通气流量；改变冷却罐通气结构，减小吸气流通阻力等方法都可以有效地降低呼吸阻力，提高呼吸保护能力。 普通呼吸系统应力 正压值 正压呼吸系统应力 Pa——外界环境大气压； Px——普通面罩内的吸气静压； Pzx——正压面罩内的吸气静压； Pb——普通自动补给阀开启压力； Pzb——正压自动补给阀开启压力； Ph——普通面罩内的呼气静压； Pzh——正压面罩内的呼气静压； Pp——普通排气阀开启压力； Pzp——正压排气阀开启压力； Ps——作用在气囊上的弹簧力，也就是呼吸系统的正压值。 图2呼吸系统在30L/min呼吸量时的静态应力。 3正压呼吸系统动态应力分析 氧气呼吸器的呼气阻力和吸气阻力都是随着呼吸量而发生变化。它们之间的函数关系取决于呼吸器的结构特性。为了便于分析，把它们看成线性关系。 3.1普通呼吸器的动态压力 动态压力曲线的起始点是静态压力值。呼吸动态曲线可以这样确定，呼气量为零时呼气阀的开启压力为100Pa；呼吸量在50L/min，呼气阻力为300Pa。把坐标上这两点（0，1），（50，3）联成直线便成为呼气阻力随着呼吸量而变化的函数曲线。同理，吸气曲线的第一点是（0，-2），第二点是（50，-4.5）。这2点确定的直线表示吸气阻力随着呼吸量而变化的函数曲线。这2条直线近似反映出普通呼吸器动态压力变化。 3.2正压呼吸器的动态压力 如果要使呼吸系统在整个呼吸周期中都是正压，也就是呼吸量到达60L/min时，整个呼吸过程保持最低正压，这就要在气囊和自动补给阀上增加一个弹簧力。在这个弹簧力作用下能使自动补给阀以大于60L/min流量的氧气瞬间流出。我们可以在图3上作X轴的平行线，并与吸气直线交于60L/min点上。把这平行直线定为X1轴。可以看出：呼吸量到达60L/min后再进一步提高呼吸量，吸气就会出现负值。在普通呼吸器中。呼吸量到达60L/min时，面罩内静态压力为-500Pa。所以应该在气囊上相应施加500Pa弹簧力。当减小呼吸量时，为了防止呼吸气体直接从排气阀流走，所以排气阀的开启压力定为900Pa。由于Y轴表示外界大气压力，所以呼吸系统内动态压力就用右边的Y1轴表示，也就是把X1轴变成压力零线。在呼吸量0～60L/min时，呼气动态压力是在600～950Pa。在正压系统中，呼气阻力是由呼吸系统正压加上静态呼气波动压力。由于影响动态压力的附加阻力与普通呼吸器总体大致相同，所以呼气曲线的位置和方向没有什么变化。在小于规定的极限呼吸量时，吸气压力是正的。图3是氧气呼吸器呼吸系统动态应力条件示意图。其中，纵坐标Y表示普通呼吸器的呼吸阻力，纵坐标Y1表示正压呼吸器的呼吸阻力，横坐标X表示呼吸量。 图3呼吸系统动态压力 3.3正压呼吸系统的动态应力分析 正压呼吸器的呼吸阻力曲线是随着呼吸量而变化的，为了保证呼吸器在较大的呼吸量下还能维持面罩内正压，必须使呼吸阻力曲线趋势平坦，提高呼吸器的静态正压值。也就是说，要求呼吸器阻力受呼吸气体流量变化的影响越小越好。比方，德国DRANGER公司的BG4正压式氧气呼吸器和美国BAOMARINE公司的BAOPAK240正压式氧气呼吸器，面罩内呼吸静态压力分别是500Pa和418Pa；面罩内吸气静压分别是100Pa和197Pa。如果这两种呼吸器都能在60L/min的呼吸量下保证面罩正压，说明GB4的呼吸阻力曲线趋势比较平坦，正压值定的比较低，呼吸比较舒适。如果要把呼吸量取得更大，比方80L/min以上，保证呼吸器还是正压。唯一的方法是抬高正压值，但这样会把呼吸阻力提得很高，使用