何廷梅

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

氧氣呼吸器［1］校驗(yàn)儀（以下簡稱校驗(yàn)儀）主要配備于軍事化礦山救護(hù)隊(duì)，用于檢測(cè)呼吸器及其組件的性能。手搖機(jī)械式氧氣呼吸器校驗(yàn)儀，至今仍是正壓氧氣呼吸器的性能檢驗(yàn)儀器，但由于功能欠缺，不能完整地測(cè)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(yàn)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(cè)試呼吸器高中壓系統(tǒng)性能，功能齊全，操作簡單，為救護(hù)隊(duì)員快速測(cè)試呼吸器性能提供了有力支持。

1 校驗(yàn)儀功能

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［2］，校驗(yàn)儀應(yīng)具備以下功能：

①校正壓力表的準(zhǔn)確性；

②調(diào)整并檢驗(yàn)安全閥的開啟性能；

③檢驗(yàn)定量孔的性能；

④檢驗(yàn)減壓器膛室壓力；

⑤完成對(duì)定量供氧量、低壓氣密性、排氣壓力、自補(bǔ)閥開啟壓力等整機(jī)性能的檢驗(yàn)；

⑥測(cè)定自動(dòng)補(bǔ)給及手動(dòng)補(bǔ)給流量；

⑦調(diào)整定量供氧量；

⑧檢驗(yàn)呼吸器的正壓特性。

2 校驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)與工作原理

校驗(yàn)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(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、水盒及氣源開關(guān)等組成，見圖1。

校驗(yàn)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(yàn)接頭同校驗(yàn)儀相連。低壓性能測(cè)試時(shí)，由真空泵充/抽氣實(shí)現(xiàn)。中高壓性能測(cè)試時(shí)，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(shí)現(xiàn)。

3 主要技術(shù)參數(shù)

大流量：10～100L/min 2.5級(jí)；

圖1 校驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)圖

小流量：0.05～2.5L/min 2.5級(jí)；

高壓測(cè)量：0～30MPa 1.5級(jí)；

中壓測(cè)量：0～2.5MPa 2.5級(jí)；

低壓測(cè)量：-1300Pa～+1000Pa

電源：AC 220V，5A

4 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

4.1 安全閥

要求該校驗(yàn)儀器能夠調(diào)整并檢驗(yàn)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(dāng)壓力調(diào)整到0.75MPa時(shí)，安全閥開始漏氣，當(dāng)調(diào)整到0.9MPa時(shí)明顯排氣，因此校驗(yàn)儀上的安全閥的開啟壓力應(yīng)該大于0.9MPa，為此我們規(guī)定這個(gè)開啟壓力為1.3MPa，即壓力調(diào)整器膛壓調(diào)整到1.3MPa 時(shí)安全閥開始漏氣，當(dāng)調(diào)整到1.5MPa時(shí)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(dāng)膛壓P入調(diào)整到1.3MPa時(shí)，則P彈為：

式中：P入為膛壓，1.3MPa；P出為輸出壓力，0.1MPa

設(shè)平衡時(shí)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(cè)［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(guān)

氣源開關(guān)的作用就是開關(guān)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(shí)能方便快速地打開。開關(guān)的開啟力大小是衡量開關(guān)性能的重要指標(biāo)之一。這里我們選用的是旋轉(zhuǎn)式開關(guān)。

旋轉(zhuǎn)式開關(guān)通過旋鈕旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)開關(guān)芯子旋轉(zhuǎn)，因開關(guān)芯子和開關(guān)座之間有螺紋，因而開關(guān)芯子上下運(yùn)動(dòng)，離開或接近開關(guān)座上的噴孔閥臺(tái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)開閉的。

若忽略除開關(guān)芯子之外的轉(zhuǎn)動(dòng)件和其他零件之間的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力，則旋轉(zhuǎn)式開關(guān)關(guān)閉密封力矩T 應(yīng)等于開關(guān)芯子螺紋副轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩T1和開關(guān)芯子和密封閥臺(tái)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩T2之和。即

根據(jù)機(jī)械手冊(cè)，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(duì)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(guān)芯子對(duì)黃銅開關(guān)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(jì)算有：

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

開關(guān)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(yīng)用

在公司試驗(yàn)室，采用校驗(yàn)儀（見圖2）對(duì)氧氣呼吸器各項(xiàng)指標(biāo)分別進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見表1。

圖2 校驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)圖

表1 檢驗(yàn)結(jié)果

從表1 可知，校驗(yàn)儀完整地測(cè)試了氧氣呼吸器主要技術(shù)性能指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)語

該校驗(yàn)儀功能齊全，使用方便快捷，可應(yīng)用于礦山救護(hù)隊(duì)，用于檢測(cè)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(shè)計(jì)與研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

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