正压式氧气呼吸系统的应力分析

正压式氧气呼吸系统的应力分析正压式氧气呼吸系统的应力分析 作者 张仁良 陈金岳 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 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 图 1 呼吸器工作原理 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 600pa 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 60 80l 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 200 300pa 在 50l min 呼吸量下 达到 450pa 一般在 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 pp 1 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 ps 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 ps 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 pa 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 ph 图 2 为普通呼吸器和正压呼吸器呼吸系统在 30l min 呼吸量时 的静态应力 它是下面动态应力分析的基础 2 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 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 800 pa 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 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 普通自动补给阀开启压力 pzb 正压自动补给阀开启压力 ph 普通面罩内的呼气 静压 pzh 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 图 2 呼吸系统在 30l min 呼吸量时的静态应力 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 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 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 0 60l min 时 呼气动态压力是在 600 950pa 在正压系统中 呼气阻力是由呼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 图 3 呼吸系统动态压力 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 dranger 公司的 bg4 正压式氧气呼吸器和美国 baomarine 公 司的 baopak240 正压式氧气呼吸器 面罩内呼吸静态压力分别 是 500pa 和 418pa 面罩内吸气静压分别是 100pa 和 197pa 如 果这两种呼吸器都能在 60l min 的呼吸量下保证面罩正压 说 明 gb4 的呼吸阻力曲线趋势比较平坦 正压值定的比较低 呼 吸比较舒适 如果要把呼吸量取得更大 比如 80l min 以上 保证呼吸器还是正压 唯一的办法是抬高正压值 但这样会把 呼吸阻力提得很高 使用 时难以忍受 因此 在国家标准中并不规定在 70l min 的大呼 吸量下必须保证呼吸器处于正压 4 正压呼吸系统的应力对呼吸器使用影响 1 对呼吸生理的影响 正压呼吸器的呼吸阻力分布与普通氧 气呼吸有显著差别 有人担心对人的呼吸生理会有影响 1975 年德国 scherrer 教授在 berne inselspital 呼吸专科学院进行 了试验 2 结果表明 压力达到所规定的最高值时 从生理学 观点分析 没有发现不良症状 在佩戴呼吸模拟做功试验时 只要呼吸阻力稍高于所选择的压力 比如 800pa 试验人员 就会表示呼吸不舒服 从呼吸生理讲 因为人体是通过肺部肌 肉活动进行吸气 所以是主动性 而呼气是依靠横膈膜和胸腔 回缩进行 是被动性 只有在强制性呼吸时 呼气同样是主动 维持着 在正压氧气呼吸器中 即使用很低的呼吸量 呼气都 变成主动的 在吸气阶段 呼吸空气自动流进面罩 是不需要 做功 佩戴呼吸器进行重体力劳动 在这样呼吸方式下必然会 引起肺部肌肉的暂时性疲劳 按照 j h comroe 观点 3 腹 壁肌是最重要的呼吸肌肉 在高呼气阻力下 人体会做深呼吸 因此 弹性肺部组织伸展范围更大 而弹性肺部组织的收缩力 并由此引起的呼气力量也就增强 从人体工程学角度分析 在 正压呼吸条件下呼吸 对人体的呼吸器官和循环不会产生任何 不良影响 2 对呼吸防护能力的影响 普通呼吸器的额定保护系数是 5000 而正压氧气呼吸器的额定呼吸保护系数是 20000 美国 baomarine 公司做过试验 baopak240 的呼吸器的呼吸保护系数 可达到 15 万 4 正压是氧气呼吸器保护系数与呼吸系统中最 低吸气压力有关 也就是呼吸器的正压值与吸气阻力的差值越 大 呼吸保护系数越高 因为面罩内外的压差越大 外界有毒 气体就越难以浸入呼吸系统 所以 提高呼吸器的正压值 降 低吸气阻力能有效提高正压式氧气呼吸器呼吸保护能力 3 呼吸气源的影响 从呼吸系统应力分析得知 呼吸气体在 呼吸系统中仅仅提高压力 并不会增加氧气消耗 为什么有的 正压式氧气呼吸器的氧气利用率可以达到 80 而有的仅是 60 究其原因 呼吸器的自动补给阀和排气阀的开启压力设 置得太低 与呼吸阻力差距不大 特别是呼吸阻力受呼吸流量 影响大的呼吸器 呼吸量稍有增加 呼吸阻力就达到开启压力 所以 在呼气时排气阀就排气 在吸气时补给阀就进行补气 使用时一边补气一边排气 造成气源利用率低下 当然通过增 大气囊容积可以弥补呼吸阻力的波动 但在正压氧气呼吸器中 已经有增压弹簧占据较大空间 不可能有更大气囊容积 事实 上 bg4 的气囊容积只有 5 5l 但氧气利用率高达 82 5 因 此 正确设置自动补给阀和排气阀的开启压力 减小呼吸阻力 受呼吸流量影响 是提高气源利用率的关键所在 参考文献 1 warnch e the positive pressure system for compressedair breathing apparatus drager rrview 59 june 1978 2 schleusing and leers results of the investingations on the effect