氧氣呼吸器校驗儀的研制及應用

何廷梅

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

氧氣呼吸器［1］校驗儀（以下簡稱校驗儀）主要配備于軍事化礦山救護隊，用于檢測呼吸器及其組件的性能。手搖機械式氧氣呼吸器校驗儀，至今仍是正壓氧氣呼吸器的性能檢驗儀器，但由于功能欠缺，不能完整地測試呼吸器的整體性能，推廣難度大，因此研制了一種多功能氧氣呼吸器校驗儀，采用真空泵供氣，并配置了一套壓力調(diào)整器組件，能夠測試呼吸器高中壓系統(tǒng)性能，功能齊全，操作簡單，為救護隊員快速測試呼吸器性能提供了有力支持。

1 校驗儀功能

依據(jù)標準［2］，校驗儀應具備以下功能：

①校正壓力表的準確性；

②調(diào)整并檢驗安全閥的開啟性能；

③檢驗定量孔的性能；

④檢驗減壓器膛室壓力；

⑤完成對定量供氧量、低壓氣密性、排氣壓力、自補閥開啟壓力等整機性能的檢驗；

⑥測定自動補給及手動補給流量；

⑦調(diào)整定量供氧量；

⑧檢驗呼吸器的正壓特性。

2 校驗儀結構與工作原理

校驗儀主要由箱體、壓力調(diào)整器、微型真空泵、壓力表、大流量真空泵、水柱計、轉子流量計、水盒及氣源開關等組成，見圖1。

校驗儀抽氣和充氣用氣源均由真空泵來提供。呼吸器面罩三通接口通過檢驗接頭同校驗儀相連。低壓性能測試時，由真空泵充/抽氣實現(xiàn)。中高壓性能測試時，由外接氣瓶提供高壓，通過壓力調(diào)整器減壓后，調(diào)節(jié)輸出中壓來實現(xiàn)。

3 主要技術參數(shù)

大流量：10～100L/min 2.5級；

圖1 校驗儀結構圖

小流量：0.05～2.5L/min 2.5級；

高壓測量：0～30MPa 1.5級；

中壓測量：0～2.5MPa 2.5級；

低壓測量：-1300Pa～+1000Pa

電源：AC 220V，5A

4 關鍵部件設計

4.1 安全閥

要求該校驗儀器能夠調(diào)整并檢驗氧氣呼吸器減壓器上安全閥的開啟性能，一般地，減壓器上的安全閥當壓力調(diào)整到0.75MPa時，安全閥開始漏氣，當調(diào)整到0.9MPa時明顯排氣，因此校驗儀上的安全閥的開啟壓力應該大于0.9MPa，為此我們規(guī)定這個開啟壓力為1.3MPa，即壓力調(diào)整器膛壓調(diào)整到1.3MPa 時安全閥開始漏氣，當調(diào)整到1.5MPa時明顯排氣。

此處安全閥的密封接觸部位理論上為一圓的周長線。密封用力可用單位接觸長度上的力α表示，如果用硬橡膠密封材料的話，則α=（0.5～1）kgf/cm，取0.8kgf/cm。

則安全閥密封力為：

式中：d為圓周直徑，0.67cm。

經(jīng)換算得P密=16.49N

當膛壓P入調(diào)整到1.3MPa時，則P彈為：

式中：P入為膛壓，1.3MPa；P出為輸出壓力，0.1MPa

設平衡時彈簧的壓縮量為x，則

式中：d1為彈簧鋼絲直徑，1mm；D 為彈簧中徑，5.5mm；G 為彈簧彈性模量，79 000MPa；n 為有效圈數(shù)，5.5。

則有：

查彈簧手冊［3］，可知彈簧的壓并高度Hb為7mm，大于彈簧壓縮量5.4mm，滿足使用要求。

4.2 氣源開關

氣源開關的作用就是開關未擰開之前可靠地將管路內(nèi)的高壓氣體密閉，不讓其發(fā)生任何泄漏，在使用時能方便快速地打開。開關的開啟力大小是衡量開關性能的重要指標之一。這里我們選用的是旋轉式開關。

旋轉式開關通過旋鈕旋轉帶動開關芯子旋轉，因開關芯子和開關座之間有螺紋，因而開關芯子上下運動，離開或接近開關座上的噴孔閥臺實現(xiàn)開關開閉的。

若忽略除開關芯子之外的轉動件和其他零件之間的轉動摩擦力，則旋轉式開關關閉密封力矩T 應等于開關芯子螺紋副轉動摩擦力矩T1和開關芯子和密封閥臺之間的轉動摩擦力矩T2之和。即

根據(jù)機械手冊，螺紋摩擦力矩為：

式中：P1為作用在螺紋副上的軸向力；λ為螺紋升角；β為螺紋摩擦角。

此處的密封接觸部位理論上為一圓的周長線。密封用力可用單位接觸長度上的力α表示，如果用硬橡膠密封材料的話，密封用力為α=（0.5～1）kgf/cm，即4.9～9.8N/cm。

已知，圓周直徑D=3.6mm，活門直徑d=2mm，取α為0.8kgf/cm=7.84N/cm，則

換算可得，P1為8.86N。

λ為螺紋升角，對于螺距t=1.5，中徑d2=8.38 的單頭M10螺紋有：

β為螺紋摩擦角，黃銅開關芯子對黃銅開關座的摩擦系數(shù)為0.2，則

將P1、λ、β、d2代入式（7）求得：

T2按未經(jīng)跑合止推軸頸計算有：

式中：fe為開關芯子密封件（硬橡膠）和開關座之間摩擦系數(shù)為0.4。

開關密封力矩為：

開啟力F為：

式中：L為力臂長度，0.04m。

則有：

4.3 壓力調(diào)整器

采用外購膜片式減壓閥，輸出壓力可調(diào)范圍0～2MPa。

5 應用

在公司試驗室，采用校驗儀（見圖2）對氧氣呼吸器各項指標分別進行了檢測，結果見表1。

圖2 校驗儀結構圖

表1 檢驗結果

從表1 可知，校驗儀完整地測試了氧氣呼吸器主要技術性能指標，測試結果滿足標準要求。

6 結語

該校驗儀功能齊全，使用方便快捷，可應用于礦山救護隊，用于檢測氧氣呼吸器整體性能。

［1］ 周方年.呼吸艙式正壓氧氣呼吸器的設計與研究［J］.消防科學與技術，2008，27（6）：426-430.

［2］ MT 867-2008，隔絕式正壓氧氣呼吸器［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［3］ 張英會，劉輝航，王德成.彈簧手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.