供氧装置

2024-09-19

供氧装置(共3篇)

供氧装置 篇1

高原环境是一个特殊的生态环境系统, 其特点是低压、低氧、气候干燥寒冷、风速大、太阳辐射线和紫外线照射量增多等[1]。这不仅对人的生理状况产生很大影响, 而且会引起感觉、记忆、思维判断、注意、情绪和人格等心理问题, 使心理功能下降, 影响高原作业人员的工作绩效。特别是高原缺氧对作业人员机体和工作绩效影响较大, 人体在高原低氧环境下, 生理适应的根本要求就是获取更多的氧并被充分利用, 为完成这一复杂的生理过程, 全身各系统从器官组织到细胞分子, 从功能到组织结构, 都发生一系列的改变。缺氧可引起各系统功能发生暂时紊乱, 并产生相应的症状[2]。而对抗缺氧的最好办法是供氧。高原供氧的趋势是向着轻巧、便携、安全、持续时间长的方向发展, 过去常用的大氧气钢瓶或充氧量很少的氧气袋或供氧箱, 对于车载和野外机动供氧难度大, 已无法满足高原人群的供氧需求[3]。我们采用西安521所生产的某型氧烛供氧装置, 于2012年8月份在西藏羊八井海拔4 500 m的高原低氧地区进行供氧装置效果试验, 通过对试验组和对照组两组受试人员血氧饱和度和心率数据变化的分析, 观察该产品在海拔4 500 m的高原低氧作业环境条件下的使用效果, 探讨某型氧烛供氧装置对人体作业能力的影响。

1 对象与方法

1.1 对象

试验对象系40名年龄为18~20周岁, 试验前经体检确认健康的青年男子, 且均在平原出生和长期生活。

1.2 材料

某型氧烛供氧装置以氯酸盐为主体, 金属粉末为燃料, 再混合少量的催化剂、抑氯剂和粘接剂, 干 (湿) 压或浇铸而成。放氧时间约20~60 min, 产氧量约45 L, 氧气纯度为99.5%。产生的氧气符合国家《医用氧》标准 (GB 8982-1998) , 人体可直接吸入, 采用面罩式供氧方式。

1.3 测试设备

测试设备采用美国产连续动态血氧饱和监测仪和日本产海拔仪, 测量范围:血氧饱和度 (SpO2) 为0~100%, 心率为18~300次/min, 海拔仪0~8 000 m。

1.4 方法

在海拔4 500 m高原作业环境中, 将18~20周岁的受试人员随机分成试验组和对照组, 每组20人。试验前分别为受试人员佩戴连续动态血氧饱和度测试仪, 试验组通过某型氧烛供氧装置吸氧1 h, 对照组不吸氧, 受试人员在密闭的特种车辆舱室内进行正常作业, 车辆在进行跑车试验时连续实时监测受试人员血氧饱和度和心率约1 h的变化情况。

1.5 统计学分析

测试试验组和对照组受试人员1 h血氧饱和度与心率的变化值, 应用SPSS 11.0统计学软件分析, 实验结果用±s表示, 用配对t检验进行显著性分析, 以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

在西藏羊八井海拔4 500 m的高原缺氧环境里随特种车辆跑车作业过程中, 试验组受试人员血氧饱和度较对照组高, 试验组受试人员心率较对照组慢。

2.1 血氧饱和度

试验组和对照组受试人员吸氧与不吸氧时血氧饱和度分别为93%±3%和80%±3%, 经SPSS11.0统计学软件分析, 差异有统计学意义, t=16.293, P<0.01。

2.1 心率

试验组和对照组受试人员吸氧与不吸氧时心率分别为 (82±10) 次/min和 (100±12) 次/min, 经SPSS 11.0统计学软件分析, t=-4.865, P<0.01, 差异有统计学意义。

2.3 试验组变化曲线图

试验组受试人员的血氧饱和度与心率在吸氧后变化明显, 从图1可以看出, 在特种车辆作业过程中, 受试人员吸氧前血氧饱和度曲线较低, 心率曲线较高, 吸氧后血氧饱和度曲线明显抬高, 心率曲线明显降低。停止吸氧后, 血氧饱和度曲线又恢复到较低水平, 心率曲线恢复到较高水平。见图1。

2.3 对照组变化曲线图

对照组受试人员的血氧饱和度和心率曲线无明显变化。从对照组某典型血氧饱和度与心率变化曲线图可以看出, 在特种车辆作业过程中, 受试人员的血氧饱和度无明显变化, 始终处于较低水平, 心率曲线虽有波动, 在作业运动时偏高, 后慢慢降低, 但始终处于较高水平。见图2。

3 讨论

在高原环境下, 由于海拔升高, 空气中氧分压降低, 致使吸入气氧分压不足。高原低氧环境影响人体的各个组织系统, 随着海拔高度的升高, 这种影响逐渐加重[4]。当海拔高度上升至3 000 m时, 大气氧分压为14.8 kPa, 大气中的氧分子显著减少, 发生大气性缺氧, 机体吸入的氧气分压下降, 使肺泡氧分压降低, 影响血液中氧的含量, 从而导致人体血氧饱和度降低, 组织细胞出现缺氧反应。缺氧导致外周血管收缩, 使回心血量增多, 肺血流量增多, 肺小动脉出现缺氧性收缩反应, 使心率和呼吸增快, 血氧饱和度降低引起肺血液循环阻力增高, 导致肺动脉高压的发生, 使肺氧合效率下降, 造成缺氧的恶性循环, 奠定了慢性高原病发生的病理基础[5]。高原慢性长期缺氧可引起注意力、思维、记忆功能等减退, 国内研究发现, 注意力的测试指标在3 600 m时有不同程度的下降, 4 000 m以上时注意力反应时明显延长, 综合绩效进一步降低[6]。因此, 如何降低缺氧环境给人员身体和心理造成的不利影响是高原缺氧环境下心理功能防护的重点, 同时改善高原缺氧环境下人员低氧血症、降低缺氧性肺动脉高压是亟待解决的重大课题。

动脉血氧饱和度和心率是对高原人体劳动能力客观评价的指标[7]。血氧饱和度是反映机体供氧程度, 心率与氧耗量呈明显正相关, 其变化常被用来作为个体劳动能力和劳动强度的指标, 而心率恢复速度则反映心脏耐缺氧和抗疲劳能力[8]。本次氧烛供氧装置应用效果试验发现对照组的受试人员在试验开始时心率明显上升, 但是试验进行一段时间后受试人员的心率逐渐降低, 维持较长时间的低心率后, 心率又逐渐升高, 最后心率又逐渐降低。说明受试人员在试验开始初期, 由于高原缺氧环境, 致使人员心率明显升高, 但是人体自身机体的代偿作用使心率又趋向恢复, 故一段时间后心率曲线呈现下降趋势。心率曲线后段中先升高后降低是因为受试人员在此期间进行上下车动作的原因, 当然, 受试人员心率曲线的变化亦跟其心理素质有着重要的关系。

以氯酸盐 (如氯酸钠) 为主体, 经混合后压制或浇注而成的一种供氧装置, 使用前简单启动便能燃烧而放出氧气, 此种燃烧现象与蜡烛燃烧相似故名“氧烛”[9]。氧烛具有产氧迅速、产氧量大、设备体积小、重量轻、贮存期长等优点, 可作为密闭空间设备或应急人员的呼吸生理用氧源, 已被广泛用于航空、航海、野战供氧及民用等。西方国家潜艇普遍采用氧烛供氧, 在常规潜艇中它是唯一的供氧装置, 在核动力中它作为应急供氧设备[10]。氧烛制氧技术无需动力, 受环境因素影响小, 单位体积储氧量大, 是高原作业人员提高低氧适应能力和抗疲劳的有效、安全措施[2]。本研究结果显示, 人员在缺氧环境下出现血氧饱和度降低, 心率升高, 对其进行吸氧后血氧饱和度平均值较吸氧前明显升高, 心率较吸氧前显著降低, 证明某型氧烛供氧装置能有效地降低缺氧所致的肺血管收缩引起的肺循环阻力, 从而提高缺氧状态下的肺氧合效率, 提高血氧饱和度, 降低心率, 减少缺氧引发的一系列生理病理性改变[11], 迅速改善高原作业人员的生理功能, 维持其作业能力。

我们的高原供氧应用效果试验表明, 在高原利用氧烛供氧装置, 为作业人员供氧, 对保持和提高作业人员的作业能力, 恢复因极度缺氧造成机体代偿功能的不足是有益的。该氧烛供氧装置可持续供氧20~60min以上, 有重要的使用价值。

摘要:目的 观察某型氧烛供氧装置在海拔4 500 m的高原低氧作业环境条件下的使用效果, 探讨其对人体作业能力的影响。方法 在海拔4 500 m高原作业环境条件下, 将1820周岁的受试人员分成试验组和对照组, 每组20人。试验组通过某型氧烛供氧装置吸氧1 h, 对照组不吸氧, 采用动态连续血氧饱和度测试仪监测各受试人员的血氧饱和度与心率的变化, 并进行对比分析。结果 试验组和对照组受试人员吸氧与不吸氧时血氧饱和度分别为93%±3%和80%±3%, 心率分别为 (82±10) 和 (100±12) 次/min。结论 该型供氧装置在高原作业环境中供氧效果显著, 有利于提高作业人员的血氧饱和度, 减慢作业人员心率, 对维持作业人员的作业能力有效。

关键词:高原环境,供氧装置,血氧饱和度,心率

参考文献

[1]崔建华, 王引虎, 马广全, 等.氧烛对海拔5 200 m高原人体自由基代谢及血乳酸的影响[J].高原医学, 2008, 18 (4) :4.

[2]高亮, 王琰, 王昆, 等.氧烛对高原人体血氧饱和度及血乳酸的影响[J].西南国防医药, 2011, 21 (1) :22-23.

[3]崔建华, 罗二平, 马广泉, 等.单兵高原增氧呼吸器在高原地区增氧效果的评价[J].西南国防医药, 2006, 16 (1) :36-37.

[4]高亮, 崔建华, 王琰, 等.氧烛对移居高原青年自由基代谢影响的调查分析[J].海军医学杂志, 2010, 31 (3) :202.

[5]马广全, 朱金山, 尹春, 等.氧烛对缺氧性肺动脉高压青年血氧饱和度与心率的影响[J].临床军医杂, 2012, 40 (4) :787-789.

[6]李学义, 吴兴裕, 韩厉萍, 等.急性中度缺氧对注意广度及注意转移能力的影响[J].第四军医大学学报, 1999, 20 (1) :71-73.

[7]Zhang Y, Wang Y, Liu Xl, et al.Manand Altiplano[M].Xining:Oinghai People's Press House, 1996:320-321.

[8]Hongtao LIU, Wenxuan LI, Oiang MA, et al.Health specification for soldiers’physical fitness training[J].Chin J PLA Pre Med, 1997, 15:316-319.

[9]张西洲.高原供氧研究进展[J].高原医学, 2010, 20 (1) :60.

[10]张香圃.氧烛配方的筛选及燃料与催化剂对氧烛性能的影响[J].舰船科学技术, 1991, 13 (5) :46-51.

[11]柳茵, 丁绍祥.高原缺氧对人体损伤机制及防治研究进展[J].西部医学, 2013, 25 (3) :321.

小型自动充供氧装置结构设计 篇2

氧气是人体代谢活动的关键物质, 可用于缺氧患者的治疗及急救, 还可用于正常人群的保健和疲劳恢复, 同时还可用于缺氧环境的补氧。目前, 常用的供氧设备主要有制氧机和氧气瓶2类[1]。但是, 制氧机在没有动力保障等情况下不能正常生产氧气, 而氧气瓶贮氧容量有限, 氧气用完后需要灌氧, 制约了氧气瓶的使用效率[2,3,4]。因此, 为了保证氧气的充足供应, 本文以制氧装置产生的氧气为氧源, 通过建立氧气灌充工艺[5], 应用SolidWorks软件进行小型自动充供氧结构设计, 实现氧气的充瓶和供给。该装置体积小、质量轻、操作方便, 与小型制氧机配合使用, 可应用于家庭、医院, 还可以作为急救车车载制供氧装置使用, 随时随地制备氧气, 以保证氧气的连续供应。

1 整机结构设计

1.1 工艺流程设计及工作原理

所设计的自动充供氧工艺流程示意如图1所示, 整个工艺的设计有A、B、C、D 4条管路, 其中A、B属于充氧管路, C、D属于供氧管路。从压氧机出来的高压氧气作为充瓶的氧气源, 当对1#氧气瓶进行灌充时, 管路B、C、D均关闭, 氧气经过充氧电磁阀2及单向阀3进入1#氧气瓶, 压力传感器4可实时监测充氧压力, 当瓶内氧气压力达到系统设定值时, 充氧自动停止, 完成1#氧气瓶的灌充。当1#氧气瓶作为供氧瓶时, 管路A、D关闭, B、C导通, 通过减压阀6调节压力至0.3~0.6 MPa, 氧气从供氧端口输出, 开始氧气的供给。在1#氧气瓶供氧的同时, 若2#氧气瓶瓶压低于设定值, 系统自动对2#瓶进行灌充;同理, 当2#氧气瓶作为供氧瓶时, 工作过程与其相同。通过PLC对充供氧管路的自动控制, 实现了氧气的自动灌充和供给。

1.安全阀;2.充氧电磁阀;3.单向阀;4.压力传感器;5.氧气瓶;6.减压阀;7.供氧电磁阀;8.PLC;9.触摸屏;10.压氧机

1.2 结构设计及技术参数

1.2.1 结构设计

高浓度、高压力氧气的安全灌充和供给是自动充供氧装置结构设计的核心。按国家相关标准与技术要求[6,7], 采用SolidWorks软件开展了结构设计, 整机结构如图2所示。整个装置主要由充氧单元和供氧单元组成。充氧单元主要由安全阀、压力传感器、单向阀、充氧电磁阀组成, 供氧单元主要由减压阀、压力传感器、供氧电磁阀、梭阀组成。电磁阀可以控制管路的通断, 压力传感器能够实时监测充氧管路及氧气瓶内氧气的压力, 当瓶内压力小于设定值时, 可开始进行灌充。为了保证装置安全可靠的运行, 设计时考虑了多项安全保护措施, 具体为: (1) 压缩氧气通过高压氧进气端进入管路, 输入端口设计有安全阀, 起到超压保护的作用; (2) 充氧管路上设计有单向阀, 确保不发生高压氧倒灌危险; (3) 考虑高压氧气易燃易爆的特性, 充氧管路上的充氧电磁阀具有耐高温、耐高压且防爆的作用; (4) 供氧单元的电磁阀为常开电磁阀, 保证在突然断电或机器突然停止工作时, 供氧管路仍能正常工作, 避免氧气供应不足造成事故; (5) 在供氧单元中设有梭阀, 确保供氧时只有1条管路提供氧气, 防止氧气在2条管路中混流; (6) 基于安全以及呼吸用氧的考虑, 装置中都采用无油且材料为不锈钢的元器件。为了实现装置的自动运行, 设计了由PLC和触摸屏组成的控制系统, 可实现系统的自动控制以及在运行过程中对工作状态进行实时监测和参数设定[8,9]。

1.机架;2.触摸屏;3.拉手锁;4.电源插头;5.1#瓶氧气进出端快速接头;6.高压氧进气端快速接头;7.供氧端快速接头;8.2#瓶氧气进出端快速接头;9.不锈钢圆管;10.压力传感器;11.减压阀;12.供氧电磁阀;13.梭阀;14.充氧电磁阀;15.单向阀;16.内螺纹支三通;17.安全阀;18.三通管接头

为保证整机运行的平稳性, 将电磁阀及减压阀等元器件安装于拱形架上, 并将拱形架焊接于底板, 与整机框架成一体, 安装牢固;另外对装置中所用较长的圆管使用管夹固定, 提高了整体的稳定性, 使装置运行更安全可靠。为了方便连接氧气瓶, 本结构采用快速接头的形式, 方便充氧口与氧气瓶及时快速地连接和拆装。为了便于整个装置的安装与维修, 将后面板设计成活动板, 使用固定销进行定位, 并用锁紧螺钉紧固。

1.2.2 技术参数

(1) 充氧压力:>10.0 MPa; (2) 供氧压力:0~0.6 MPa (可调) ; (3) 充氧流量:2 L/min; (4) 体积:320 mm×450 mm×450 mm; (5) 质量:10 kg。

2 管路中圆管受力分析

为了保证充供氧的安全性, 不锈钢圆管直径和厚度的选定极为重要。在此结构设计中选用了DN6.35×1的316不锈钢圆管, 为了保证所选的圆管能满足要求, 使用ANSYS软件进行圆管的受力分析[10]。

由于所用圆管沿长度方向尺寸远大于圆管的直径, 在计算过程中忽略圆管的断面效应, 可将该问题转化为平面应变问题, 选取圆管横截面建立几何模型进行求解。圆管几何参数:外径d1=6.35 mm, 内径d2=4.35 mm, 厚度t=1 mm;材料参数:弹性模量E=195 GPa, 泊松比μ=0.3, 最大抗拉压力σb=480 MPa, 载荷P=13.5 MPa。设单元类型为plane82, 采用自由网格划分, 圆管受力分析如图3所示, 其中圆管模型如图 (a) 所示, 网格的划分情况如图 (b) 所示, 施加压力载荷P=13.5 MPa时的位移云图如图 (c) 所示, 其von Mises应力云图如图 (d) 所示。

由应力云图分析结果可知, 圆管所受应力的最大值为0.442×108Pa, 分布于圆管最内侧, 远小于该材料的最大抗拉压力480 MPa。因此, 外径d1=6.35 mm、内径d2=4.35 mm、厚度t=1 mm的316不锈钢圆管完全满足强度要求。

3 充氧实验

根据结构设计, 试制出基于PLC控制的小型自动充供氧装置样机, 为了验证结构设计的合理性, 使用3 L氧气瓶对此装置进行了充瓶实验, 图4为氧气瓶充氧时间与压力关系曲线。由图4可知, 充氧压力随着时间的增加而逐步上升, 但是随着时间增加, 压力升高率逐渐减小, 当压力达到10.0 MPa时, 压力增加更加缓慢;当瓶内压力达到设定值13.0 MPa时, 充氧结束。充供氧过程是由PLC控制的, 控制管路的通断、切换, 压力传感器实现对气瓶压力的实时监测。另外, 还进行了氧气瓶的供氧实验, 该装置可以完成自动供氧。

4 结论

通过建立氧气灌充工艺, 完成了小型自动充供氧装置的结构设计, 氧气瓶充瓶实验显示, 该装置实现了自动充供氧功能, 整机的设计合理、安全、可靠, 达到了设计的要求。小型自动充供氧装置体积小、质量轻、使用方便, 与制氧机配合使用可为家庭、医院随时随地制备氧气并充瓶, 还可以作为急救车车载制供氧装置使用, 自动为车载氧气瓶充供氧, 具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]刘应书, 张辉, 刘文海, 等.缺氧环境微型制氧供氧技术[M].北京:冶金工业出版社, 2010:45-50.

[2]Ruthven D M, Farooq S, Knaebel K S.Pressure swing adsorption[M].New York:VCH Publishers Inc, 1993:25-66.

[3]陈平, 朱孟府, 宁青松, 等.PSA-10A型制氧机的研制[J].医疗卫生装备, 2011, 32 (10) :200-201.

[4]Siew W C.Rapid Pressure Swing Adsorption for Reduction of Bed Size Factor of a Medical Oxygen Concentrator[J].Ind.Eng.Chem.Res, 2011, 50:8 703-8 710.

[5]约瑟夫·B·里奇二世, 杰拉德·G·杰成, 大卫·D波拉塞克, 等.一种同时供给和压缩氧气的系统:中国, 200820111186.8[P].2009-02-04.

[6]GB 50030—1991氧气站设计规范[S].北京:中华人民共和国机械电子工业部, 1991.

[7]GB 16912—2008氧气及相关气体安全技术规范[S].北京:工业标准出版社, 2008.

[8]刘新星, 赵连玉, 陈平, 等.急救车氧气灌充系统设计[J].军事医学, 2012, 36 (11) :858-861.

[9]宁青松, 朱孟府, 陈平, 等.基于C8051F的小型变压吸附制氧机控制系统[J].医疗卫生装备, 2011, 32 (10) :169-171.

供氧装置 篇3

目前国内供氧系统加压供氧性能的研究一般在减压舱内进行试验,研究过程复杂,周期长,费用高[3],而且国内供氧系统的仿真研究工作还处于起步阶段,所以对供氧系统的仿真研究是一项十分重要且有工程实用价值的工作。本文针对我国自行研制的某供氧系统的加压供氧性能功能,提出利用Matlab/Simulink软件来进行仿真研究工作,在该软件平台上建立面罩余压机构和压力比调节机构的仿真模块,并仿真分析了面罩余压、代偿服拉力管压力及压力比特性,为研究供氧系统的加压供氧特性提供了一种更为简捷、方便的方法。

1 供氧系统加压供氧工作原理

某供氧系统加压供氧的工作过程(见图1)简介如下[2,3]:当座舱高度超过12km时,供氧系统要保证先给代偿服拉力管快速充压,再进行连续供氧。由于外界气压降低,高度余压机构1中的真空波纹管将膨胀通过顶杆把活门打开。

1-高度余压机构2-间接式衣压充气机构3-大量供氧时间控制机构4-面罩余压排气活门

由于高度余压机构1中活门的流通面积大大超过了限流孔a的流通面积,因此,间接式衣压充气机构2上腔氧气立即泄压,活门马上被打开,来自氧源经减压器减压后的氧气分两个方向流入:一股氧气经限流器a、高度余压机构1中的活门与来自A通道的另一处氧气共同流入余压腔到达面罩余压排气活门处,由于该处活门被伸长的波纹管压住,故余压腔内的压力逐渐增大,直到顶开活门排除氧气,此时余压腔内保持一定的压力,由于该腔与面罩呼气活门下腔相通,进而使得面罩内保持相同的余压;另一股氧气立即进入大量供氧时间控制机构3右腔,同时由于限流器c的作用,大量供氧时间控制机构3的R腔的压力不能迅速上升,故在压差作用下该机构的活门被打开,大量的氧气立即进入代偿服拉力管并为其充压,经过一段时间后,R腔的压力逐渐提高,并使活门关闭,此时氧气将经过限流孔b保持一定的连续流量供飞行人员呼吸使用。以上的充氧过程时间很短,一般为2s-3s。图1(a)中所示流出的氧气进入到图1(b)所示的压力比调节器中,当充氧完毕后,开始应急加压供氧,由压力比调节器控制代偿服拉力管内压力与面罩余压保持一定的压力比。

2 数学模型的建立

建立供氧系统加压供氧性能的数学模型时,做如下假设:

①供氧系统中的气体做理想气体处理;②气体温度保持不变,T0=20℃;③通过活门的气体流量系数定为常值,其值大小根据有关文献选取;④活门移动引起的容腔体积变化忽略不计;⑤系统没有泄漏。

2.1 面罩余压排气活门数学模型

通过面罩余压排气活门进行受力分析,建立数学模型如下:

undefined

undefined

式(1)中,Pm为面罩内压力;Ph为座舱压力;dm为面罩余压排气活门孔直径;Km,Lm0,Lm分别为该活门处弹簧的刚度、预压缩量和活门开启量;Ph0为波纹管的启动高度;Ab,Kb分别为波纹管的有效面积和刚度;Lb0为波纹管顶杆离活门的初始位置;Gm为通过排气活门的质量流量;μ为流量系数;B,B*分别为亚流界流动常数和超临界流动常数。

2.2 压力比调节器机构数学模型

加压供氧时,压力比调节器处的活门处于开启状态,向面罩内进行连续加压供氧并保持面罩余压和拉力管压力的比值。

通过对压力比调节机构受力分析后,建立数学模型:

undefined

式(2)中,PT为代偿服拉力管内压力;fm1,fm2分别为大、小膜片的有效面积;dy为压力比调节器处活门孔直径;Ky,Ky0为弹簧的刚度和预压缩量;Ly为活门开启量;Gy为通过活门的质量流量。

另外还有其他一些附件机构的数学模型未做介绍,比如通过限流器的流量计算,通过活门时的流量计算等,其数学模型可查阅文献[4]。

3 仿真模块的建立

Matlab/Simulink软件是用来建模、仿真和分析动态多维系统的交互工具,用户可使用它提供的标准模型库或者自行创建模块来完成仿真,它最突出的特点就是完全支持图形用户界面,极大的方便了用户的操作[5]。利用所建立的数学模型,配合软件标准模块,在Matlab/Simulink软件平台上搭建了仿真模型,并封装成仿真模块,如图2、图3、图4所示。

图2所示为面罩余压排气活门仿真模块内的程序界面图,根据加压供氧工作原理,设定入口气体压力和座舱高度为该仿真模块的输入条件,面罩内压力和面罩余压为仿真输出结果;图3所示为压力比机构仿真模块内的程序界面图,设定输入条件为入口气体压力、座舱高度和面罩内压力,输出条件为拉力管压力和压力比。

面罩余压排气活门模块与压力比机构模块之间的连接参数为面罩内压力,将两者连接后便可得到供氧系统加压供氧仿真模型(见图4)。双击仿真模块,打开参数设置对话框便可输入结构参数(见图5)。完成仿真模型的设计和封装,设置好仿真解算方法后便可对供氧系统加压供氧性能进行仿真。

4 仿真结果及分析

4.1 仿真结果与实验数据的对比分析

进行仿真后,将得到的仿真结果进行整理,并和试验数据进行了对比分析,见图6所示。

从图6各图中可以看出,仿真结果与试验数据是比较吻合的。但是在座舱高度为13km-17km阶段,拉力管压力的仿真曲线稍高于试验曲线,误差较大,原因是实验中,供氧系统加压机构刚接通开始工作后,压力调节不易平衡,造成参数变动较大,同时这个误差是满足工程精度要求的。压力比仿真结果在13km-17km阶段的误差也是较大,但是符合供氧系统的技术要求(见表1)。

通过以上分析,表明所建立的仿真模型能够仿真出实际产品的性能,这对分析加压供氧性能特性提供了一个简单快捷的手段。

4.2 结构参数对加压供氧性能的影响仿真分析

利用所建立的仿真模型,可快捷、直观的仿真分析结构参数对加压供氧性能的影响。

通过分析可知,拉力管内压力与面罩余压是紧密相关的,确定了面罩余压,就可以限定拉力管压力大小,而面罩余压由面罩排气活门决定,该处的影响因素有:波纹管启动高度、波纹管顶杆初始位置、排气活门处弹簧和排气活门直径。从仿真分析来看,波纹管启动高度、波纹管顶杆初始位置和排气活门处弹簧对面罩余压值的影响效果类似,故下面只列出波纹管初始位置和排活门孔径对面罩余压的影响(见图7)。

从图7中看出,在同一座舱高度下,面罩余压值随波纹管顶杆离活门初始位置和排气活门直径的减小都是增大的,但在各个座舱高度下的影响幅度是不同的:波纹管初始位置对面罩余压的影响曲线几乎都是平行分布的,而排气活门直径的影响在不同高度下是不同的。

在压力比调节器中各个结构参数中,通过仿真发现对压力比最有影响的结构参数就是大、小膜片的有效面积。两者对压力比的影响效果类似,下面仅说明小膜片有效面积对压力比的影响效果(见图8)。

从图8中可见,小膜片有效面积越大,压力比就越小,同时高度越高,影响效果越大。由于压力比主要是由大、小膜片有效面积之比决定,故小膜片的有效面积越大,导致比值越小,进而就会使得压力比越小。反之,大膜片有效面积越大,会使得压力比越大。

5 结束语

利用适当简化的数学模型,本文建立的供氧系统加压供氧功能仿真模型能够满足供氧系统仿真研究的要求,不仅能够对系统性能进行仿真分析,更重要的是可以分析结构参数对系统性能的影响,这为系统的研制和性能改进提供了一个很好的技术平台,同时用Matlab/Simulink软件作为仿真平台,具有简单快捷等特点。航空供氧系统工作功能多、结构复杂,国内对其的仿真研究还处于起步阶段,本文提出的仿真方法希望可为供氧系统的仿真研究提供一个参考,完成整个系统的仿真还有待深入研究。

参考文献

[1]朱春玲.飞行器环境控制与安全救生[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006:36-37,423-424

[2]肖华军.航空供氧防护装备生理学[M].北京:军事医学科学出版社,2005:174-178,248-251

[3]孙兵,袁修干,赵迎春.供氧系统爆炸减压动态特性地面实验方法研究[J].北京航空航天大学学报,2003,29(6):516-520

[4]刘峰.航空个体防护技术与装备[M].北京:科学出版社,2008:170-173

上一篇:烟草工业企业下一篇:钢管柱构件