《安全技术》之正压式氧气呼吸系统的应力分析.doc

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1、正压式氧气呼吸系统的应力分析作者：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

2、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别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打开的，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

3、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，呼气阀打开；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

4、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。吸气压力达到自动补给阀开启压力时自动补给阀就能自动打开，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不足，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

5、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，达到450Pa；一般在200～700Pa之间。当面罩内的呼吸气压力Ph达到排气阀开启压力Pp时，自动排气。如果呼气量不超过排气量，面罩内的

6、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，如果打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。如果面罩佩带合适，不进行呼吸就

7、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打开。这样呼吸气体自动流进面罩。直至再一次达到压力平衡。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

8、≥Pzd。在普通呼吸器中，肺部呼吸气时会在面罩内形成正压Ph，这正压足以打开呼气阀。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