正压式氧气呼吸系统的应力分析

1、正压式氧气呼吸系统的应力分析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。

2、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。 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

3、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-200-60

4、0Pa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（6080L/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

5、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200300Pa;在50L/min呼吸量下，达到450Pa; 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< Pp1。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

6、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 会在呼吸系统内建立一个静态压力 Pso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P

7、s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>Po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+Ph2.3 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的确定

8、。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,呼气不感到费劲,要求呼吸系统的正压 值和呼气阻力，其和（Ps+Ph不得超过800Pa。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

9、,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通自动补给阀开启压力；Pzb正压自动补给阀开启压力；Ph 通面罩内的呼气静压；Pz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。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，

10、 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，也就是呼吸量达到 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

11、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：呼吸量达到 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。呼吸量达到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，为了避免 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 060L/min时，呼气动 态压力是在600950Pa。在正压系统中，呼气阻力是由呼

12、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。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。 比如， 德国DRANGEF公司的BG4正压式氧气呼吸器和美国 BAOMARINE公司 的BAOPAK2