航空氧氣調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

萬玉琴 趙競?cè)?曾 宇

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

航空氧氣調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

萬玉琴 趙競?cè)?曾 宇

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

闡述了某型航空氧氣調(diào)節(jié)器肺式機(jī)構(gòu)和空氣進(jìn)氣機(jī)構(gòu)的工作原理，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行了受力分析并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.以供氧系統(tǒng)的性能技術(shù)指標(biāo)和使用條件作為設(shè)計(jì)計(jì)算約束，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB/simulink軟件建立仿真計(jì)算模型.在此基礎(chǔ)上通過仿真計(jì)算特性曲線分析完成了系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取，并得出了系統(tǒng)的流量特性以及整個(gè)飛行高度上的含氧百分比特性.仿真結(jié)果表明:以上提出的設(shè)計(jì)計(jì)算方法對(duì)航空氧氣調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)是可行的.

供氧系統(tǒng);氧氣調(diào)節(jié)器;計(jì)算機(jī)仿真;優(yōu)化設(shè)計(jì)

氧氣調(diào)節(jié)器是航空供氧系統(tǒng)的核心控制單元和中央處理器，它可以隨環(huán)境壓力和使用者呼吸的變化，按不同供氧方式、不同高度的供氧要求，向氧氣面罩供給一定壓力、流量和含氧濃度的混合氣或純氧.其中，肺式機(jī)構(gòu)和空氣進(jìn)氣機(jī)構(gòu)是氧氣調(diào)節(jié)器中十分重要的組成部件，主要特性包括吸氣面、流量特性以及含氧分?jǐn)?shù).肺式機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)使用者的呼吸頻率和肺通氣量大小自動(dòng)供給氧氣，而空氣進(jìn)氣機(jī)構(gòu)能夠通過控制活門開度來調(diào)節(jié)空氣流量［1－2］.

肺式機(jī)構(gòu)和空氣進(jìn)氣活門的性能直接關(guān)系到氧氣調(diào)節(jié)器以及整個(gè)航空供氧系統(tǒng)性能的好壞，而目前我國在供氧系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)中多采用試驗(yàn)方法，暴露出設(shè)計(jì)方案定位不準(zhǔn)、成本高昂、周期較長、限制較多等不足，尤其是對(duì)于氧氣調(diào)節(jié)器這種工藝復(fù)雜、內(nèi)部流道繁多的設(shè)備，試驗(yàn)測試很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo).

本文利用仿真技術(shù)手段對(duì)氧氣調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，針對(duì)氧氣調(diào)節(jié)器的肺式機(jī)構(gòu)和空氣進(jìn)氣活門建立數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/simulink平臺(tái)上進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了氧氣調(diào)節(jié)器在特定工作狀態(tài)下的性能特性和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，同時(shí)提出了單結(jié)構(gòu)參數(shù)或多結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合優(yōu)化方法對(duì)氧氣調(diào)節(jié)器性能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)［3］.

1 氧氣調(diào)節(jié)器工作原理簡介

圖1為氧氣調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理示意圖，主要包括肺式機(jī)構(gòu)和空氣進(jìn)氣機(jī)構(gòu).肺式機(jī)構(gòu)主要由雙搖桿機(jī)構(gòu)、主活門6和輔助活門5構(gòu)成，空氣進(jìn)氣機(jī)構(gòu)主要由活塞7、彈簧8和空氣活門9構(gòu)成.

圖1 氧氣調(diào)節(jié)器簡化示意圖

該氧氣調(diào)節(jié)器的工作過程簡介如下:來自高壓氧源的氧氣經(jīng)減壓之后進(jìn)入氧氣調(diào)節(jié)器.在沒有氧氣輸出的時(shí)候，氧氣滯留在感壓腔，使得感壓腔內(nèi)的壓力增大進(jìn)而迫使膜片向上彎曲帶動(dòng)雙搖桿機(jī)構(gòu)關(guān)閉主肺式活門和輔助活門.同時(shí)隨著入口氧氣的進(jìn)入，入口壓力不斷增大進(jìn)而推動(dòng)活塞關(guān)閉空氣活門，外界空氣停止進(jìn)入氧氣調(diào)節(jié)器.

當(dāng)使用者吸氣時(shí)，感壓腔內(nèi)形成一定的真空度.在壓差的作用下膜片1向下彎曲帶動(dòng)雙搖桿機(jī)構(gòu)打開活門5和6，使氧氣流入感壓腔.與此同時(shí)，入口壓力的降低使得活塞與空氣活門脫離，活門在壓差作用下被打開，外界空氣進(jìn)入感壓腔并與氧氣混合，形成一定含氧濃度的混合氣流向氧氣調(diào)節(jié)器出口并經(jīng)輸氧軟管到達(dá)供氧面罩以供使用.呼氣時(shí)，感壓腔壓力增加，膜片在壓差作用下帶動(dòng)搖桿脫離肺式機(jī)構(gòu)活門，使其在彈簧作用下關(guān)閉，停止供氣.

氧氣調(diào)節(jié)器入口處的流量隨感壓腔壓力的變化稱之為流量特性.通過雙搖桿機(jī)構(gòu)來聯(lián)動(dòng)控制肺式機(jī)構(gòu)主活門和輔助活門的開啟及開啟量，進(jìn)而控制氧氣流量，是一個(gè)典型的先進(jìn)的機(jī)構(gòu).

2 氧氣調(diào)節(jié)器數(shù)學(xué)模型

在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，作以下假設(shè):系統(tǒng)中氣體作理想氣體處理;認(rèn)為各調(diào)節(jié)腔氣體溫度不變，取值為290K;系統(tǒng)沒有氣體泄漏;活門流量系數(shù)認(rèn)為不變，取值為 0.85［4－5］.

2.1 肺式機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

氧氣調(diào)節(jié)器的流量特性主要由肺式機(jī)構(gòu)保證，吸氣阻力作為肺式機(jī)構(gòu)的主要特性，應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)條件:

當(dāng)有穩(wěn)定流量輸出時(shí)，主活門處于平衡狀態(tài)，其受力平衡方程為

在氧氣調(diào)節(jié)器的技術(shù)指標(biāo)要求下，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)分別滿足以下條件

式中，Pp，Ph，P0分別為膜片下腔壓力、座艙高度對(duì)應(yīng)的大氣壓力、氧調(diào)器入口氧氣壓力;ΔPmax為機(jī)構(gòu)允許的最大吸氣阻力;Fz為主活門彈簧力;ds，dz分別為輔助活門活塞和主活門直徑;fm為膜片有效面積;i，i'分別為搖桿2，3的傳動(dòng)比;L為主活門開啟量;Gmax為可能出現(xiàn)的最大瞬間質(zhì)量流量;μ為活門流量系數(shù);T為流體溫度;B為流體亞臨界狀態(tài)質(zhì)量流量系數(shù);Sz為活門靈敏度;μ為活門流量系數(shù).

肺式機(jī)構(gòu)主要參數(shù)根據(jù)吸氣阻力特性確定，通過式(4)求出fmi之后，可根據(jù)結(jié)構(gòu)布置情況確定膜片及杠桿參數(shù)，活門彈簧視密封條件確定.

2.2 空氣進(jìn)氣機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

假定活塞彈簧在某一高度H開始作用于空氣活門，在此之前空氣活門與活塞之間沒有力的相互作用，當(dāng)空氣活門開度L'與活塞位移l1之和大于彈簧8距空氣活門的初始距離時(shí)，彈簧8開始作用于空氣活門，從而使空氣活門關(guān)閉的力增加，據(jù)此可得活門開啟量穩(wěn)態(tài)模型:

式中，L'是空氣活門開啟量;l1是活塞的位移;L0是彈簧8距空氣活門的初始距離;dh是空氣活門的直徑;f7是活塞7的橫截面積;k7，l7是活塞彈簧的剛度及預(yù)壓縮量;k8，l8是彈簧8的剛度及預(yù)壓縮量;k9，l9是空氣活門彈簧的剛度及預(yù)壓縮量.

空氣活門流通面積為min(πdhL'

2.3 含氧百分比計(jì)算模型

吸入氣含氧分?jǐn)?shù)可按下式計(jì)算:

式中，進(jìn)入氧氣調(diào)節(jié)器的氧氣流量QO2和空氣流量Qair分別為

其中，F(xiàn)O2%為吸入氣含氧百分比;d4為限流孔4的直徑;E，E*分別為流體亞臨界和超臨界狀態(tài)的體積流量系數(shù);k為氣體等熵指數(shù).

不同高度下系統(tǒng)含氧分?jǐn)?shù)如表1所示，據(jù)此，可根據(jù)不同高度對(duì)含氧分?jǐn)?shù)的要求得出空氣活門直徑的取值范圍.

表1 不同高度下系統(tǒng)供氧濃度

3 系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 肺式機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1 主肺式活門直徑的選取

主活門直徑的選擇與最大瞬間流量和活門靈敏度有關(guān)［5］.最大瞬間流量依使用者工作條件的不同而有區(qū)別，一般在重工作條件下為185 L/min.活門靈敏度越高表示活門只要有較小的開啟量變化，就可能引起較大的流量變化，所以靈敏系數(shù)要根據(jù)調(diào)節(jié)活門的靈敏度要求進(jìn)行選擇，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值一般取為5.0.

取氧氣調(diào)節(jié)器入口壓力的最低壓力為設(shè)計(jì)點(diǎn).依前所述，主活門直徑取為4.5mm.因此，只要確定了系統(tǒng)使用條件以及要求，就可以根據(jù)圖2中的曲線來確定主肺式活門直徑.

3.1.2 感壓腔膜片及搖桿傳動(dòng)比的選取

圖3所示曲線為式(4)的仿真計(jì)算結(jié)果，為滿足吸氣阻力的技術(shù)要求，fmi的取值應(yīng)該為曲線以上所包含的區(qū)域.隨著高度的增加，fmi的值趨近于0.0072，該值越大，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸也越大.為了兼顧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸以及高空的正常使用，fmi應(yīng)不小于0.007 2.膜片的有效面積由其直徑?jīng)Q定，傳動(dòng)比由杠桿臂長決定.在不影響結(jié)構(gòu)尺寸的前提下應(yīng)盡量增加傳動(dòng)比，這樣就可以在較小的吸氣阻力下獲得較大的開啟供氧活門的力.綜上，取兩臂長度為37mm，5mm，膜片直徑為35mm，48mm，則 i=37/5=7.4，fm≈3.14 ×0.0352/12=0.001m2，fmi=0.0074 滿足吸氣阻力要求.

圖2 主活門直徑的選取

圖3 f m i隨高度的變化規(guī)律

以上通過某一特定工作點(diǎn)的參數(shù)選取介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取的方法.當(dāng)工作點(diǎn)或者工作條件發(fā)生變化時(shí)，亦可據(jù)此方法重新確定結(jié)構(gòu)參數(shù).例如，前面所述均為高壓氧氣瓶作為氧源，當(dāng)氧源變?yōu)榉肿雍Y制氧時(shí)，提供給氧氣調(diào)節(jié)器的氧氣壓力要小很多.這時(shí)，只需重新設(shè)置氧氣調(diào)節(jié)器入口壓力，然后按上述步驟就可以得到相應(yīng)的參數(shù)取值［6］.

3.1.3 肺式機(jī)構(gòu)流量特性計(jì)算

在前兩節(jié)確定好結(jié)構(gòu)主要參數(shù)之后，可以得出系統(tǒng)的流量特性，即肺式機(jī)構(gòu)的流量變化對(duì)吸氣阻力的影響，如圖4所示.

圖4 肺式機(jī)構(gòu)流量特性

可見，當(dāng)系統(tǒng)輸出流量發(fā)生變化時(shí)，吸氣阻力的波動(dòng)值在20 kPa以內(nèi)，故該肺式機(jī)構(gòu)具有良好的流量特性.

3.2 含氧分?jǐn)?shù)性能及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 空氣進(jìn)氣活門直徑的選擇

依據(jù)式(10)可以得出圖5的仿真結(jié)果，其中肺換氣量為30 L/min.圖5顯示了在不同座艙高度時(shí)含氧分?jǐn)?shù)隨活門直徑的變化范圍.根據(jù)表1給定的數(shù)據(jù)，可以通過圖5曲線得出空氣活門直徑的取值范圍，詳見表2.

圖5 空氣活門直徑的選擇

表2 不同高度下活門直徑的取值

為保證4個(gè)設(shè)計(jì)高度下系統(tǒng)的含氧分?jǐn)?shù)都能滿足設(shè)計(jì)要求，需取表2各集合的交集，即為0.0155 ～0.018m.

3.2.2 含氧分?jǐn)?shù)性能

在確定了系統(tǒng)的各主要參數(shù)之后，可以求得整個(gè)座艙高度上的含氧分?jǐn)?shù)變化規(guī)律，其中空氣活門直徑取為0.017m，如圖6所示.

圖6 含氧分?jǐn)?shù)示意圖

3.2.1 節(jié)中肺換氣量的設(shè)計(jì)點(diǎn)取為30 L/min，為了檢驗(yàn)通用性，圖 6增加了 20 L/min和40 L/min肺換氣量下的含氧分?jǐn)?shù)特性.可以看出，當(dāng)肺換氣量發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)含氧分?jǐn)?shù)仍然滿足設(shè)計(jì)要求.所以空氣活門的設(shè)計(jì)在肺換氣量發(fā)生變化時(shí)仍然適用.

隨著高度的增加，含氧分?jǐn)?shù)逐漸增大并符合表1的技術(shù)要求.同時(shí)，隨著吸氣流量的增加，含氧分?jǐn)?shù)也逐漸增大.這是由于進(jìn)入調(diào)節(jié)器的氧氣

流量逐漸增加的時(shí)候，空氣活門前的氧氣壓力變化很微弱，導(dǎo)致空氣活門的開啟量變化很微弱進(jìn)而使空氣流量幾乎沒有變化，使混合氣中氧氣流量的增加率大于空氣流量的增加率，所以系統(tǒng)含氧分?jǐn)?shù)隨著氧氣流量的增加而增加.

4 結(jié)束語

以上對(duì)航空氧氣調(diào)節(jié)器的運(yùn)動(dòng)部件建立了受力平衡方程，根據(jù)性能技術(shù)指標(biāo)給出了系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型.然后在MATLAB上建立仿真模型，并進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化曲線.通過對(duì)曲線的分析，闡明了參數(shù)選擇的方法.在選定參數(shù)的情況下，對(duì)系統(tǒng)的流量特性、含氧分?jǐn)?shù)特性、吸氣阻力特性進(jìn)行了仿真計(jì)算和驗(yàn)證，針對(duì)仿真結(jié)果做了詳細(xì)分析.本文提出的設(shè)計(jì)方法可以為系統(tǒng)的改良以及故障處理提供參考依據(jù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值.

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(編 輯:李 晶)

Investigation of aviation oxygen regulator

Wan Yuqin Zhao Jingquan Zeng Yu

(School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

The working principle of the two components(pulmonary-based institutions and air intake body of oxygen regulator)was presented，and the ma the matical model was established based on the analysis of the balance of the imposed forces on the kinetic components.The numerical simulation was implemented through MATLAB/simulink with the technical performance and operating conditions of oxygen supply system as the designing and calculating constraints.The selection of the main structural para meters was achieved through the analysis of the characteristic curve attained from the simulation results，and the flow characteristics of the system together with the characteristics of the oxygen percentage on a whole altitude were drawn.The simulation results show that the method are feasible for design and performance improvement for the oxygen regulator.

oxygen supply system;oxygen regulator;computer simulation;optimization design

V 245.3+1

A

1001-5965(2011)03-0351-04

2010-01-04

萬玉琴(1986－)，女，甘肅會(huì)寧人，碩士生，wanyuqin123@sina.com.