氧气呼吸器校验仪的研制及应用

何廷梅

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

氧气呼吸器［1］校验仪（以下简称校验仪）主要配备于军事化矿山救护队，用于检测呼吸器及其组件的性能。手摇机械式氧气呼吸器校验仪，至今仍是正压氧气呼吸器的性能检验仪器，但由于功能欠缺，不能完整地测试呼吸器的整体性能，推广难度大，因此研制了一种多功能氧气呼吸器校验仪，采用真空泵供气，并配置了一套压力调整器组件，能够测试呼吸器高中压系统性能，功能齐全，操作简单，为救护队员快速测试呼吸器性能提供了有力支持。

1 校验仪功能

依据标准［2］，校验仪应具备以下功能：

①校正压力表的准确性；

②调整并检验安全阀的开启性能；

③检验定量孔的性能；

④检验减压器膛室压力；

⑤完成对定量供氧量、低压气密性、排气压力、自补阀开启压力等整机性能的检验；

⑥测定自动补给及手动补给流量；

⑦调整定量供氧量；

⑧检验呼吸器的正压特性。

2 校验仪结构与工作原理

校验仪主要由箱体、压力调整器、微型真空泵、压力表、大流量真空泵、水柱计、转子流量计、水盒及气源开关等组成，见图1。

校验仪抽气和充气用气源均由真空泵来提供。呼吸器面罩三通接口通过检验接头同校验仪相连。低压性能测试时，由真空泵充/抽气实现。中高压性能测试时，由外接气瓶提供高压，通过压力调整器减压后，调节输出中压来实现。

3 主要技术参数

大流量：10～100L/min 2.5级；

图1 校验仪结构图

小流量：0.05～2.5L/min 2.5级；

高压测量：0～30MPa 1.5级；

中压测量：0～2.5MPa 2.5级；

低压测量：-1300Pa～+1000Pa

电源：AC 220V，5A

4 关键部件设计

4.1 安全阀

要求该校验仪器能够调整并检验氧气呼吸器减压器上安全阀的开启性能，一般地，减压器上的安全阀当压力调整到0.75MPa时，安全阀开始漏气，当调整到0.9MPa时明显排气，因此校验仪上的安全阀的开启压力应该大于0.9MPa，为此我们规定这个开启压力为1.3MPa，即压力调整器膛压调整到1.3MPa 时安全阀开始漏气，当调整到1.5MPa时明显排气。

此处安全阀的密封接触部位理论上为一圆的周长线。密封用力可用单位接触长度上的力α表示，如果用硬橡胶密封材料的话，则α=（0.5～1）kgf/cm，取0.8kgf/cm。

则安全阀密封力为：

式中：d为圆周直径，0.67cm。

经换算得P密=16.49N

当膛压P入调整到1.3MPa时，则P弹为：

式中：P入为膛压，1.3MPa；P出为输出压力，0.1MPa

设平衡时弹簧的压缩量为x，则

式中：d1为弹簧钢丝直径，1mm；D 为弹簧中径，5.5mm；G 为弹簧弹性模量，79 000MPa；n 为有效圈数，5.5。

则有：

查弹簧手册［3］，可知弹簧的压并高度Hb为7mm，大于弹簧压缩量5.4mm，满足使用要求。

4.2 气源开关

气源开关的作用就是开关未拧开之前可靠地将管路内的高压气体密闭，不让其发生任何泄漏，在使用时能方便快速地打开。开关的开启力大小是衡量开关性能的重要指标之一。这里我们选用的是旋转式开关。

旋转式开关通过旋钮旋转带动开关芯子旋转，因开关芯子和开关座之间有螺纹，因而开关芯子上下运动，离开或接近开关座上的喷孔阀台实现开关开闭的。

若忽略除开关芯子之外的转动件和其他零件之间的转动摩擦力，则旋转式开关关闭密封力矩T 应等于开关芯子螺纹副转动摩擦力矩T1和开关芯子和密封阀台之间的转动摩擦力矩T2之和。即

根据机械手册，螺纹摩擦力矩为：

式中：P1为作用在螺纹副上的轴向力；λ为螺纹升角；β为螺纹摩擦角。

此处的密封接触部位理论上为一圆的周长线。密封用力可用单位接触长度上的力α表示，如果用硬橡胶密封材料的话，密封用力为α=（0.5～1）kgf/cm，即4.9～9.8N/cm。

已知，圆周直径D=3.6mm，活门直径d=2mm，取α为0.8kgf/cm=7.84N/cm，则

换算可得，P1为8.86N。

λ为螺纹升角，对于螺距t=1.5，中径d2=8.38 的单头M10螺纹有：

β为螺纹摩擦角，黄铜开关芯子对黄铜开关座的摩擦系数为0.2，则

将P1、λ、β、d2代入式（7）求得：

T2按未经跑合止推轴颈计算有：

式中：fe为开关芯子密封件（硬橡胶）和开关座之间摩擦系数为0.4。

开关密封力矩为：

开启力F为：

式中：L为力臂长度，0.04m。

则有：

4.3 压力调整器

采用外购膜片式减压阀，输出压力可调范围0～2MPa。

5 应用

在公司试验室，采用校验仪（见图2）对氧气呼吸器各项指标分别进行了检测，结果见表1。

图2 校验仪结构图

表1 检验结果

从表1 可知，校验仪完整地测试了氧气呼吸器主要技术性能指标，测试结果满足标准要求。

6 结语

该校验仪功能齐全，使用方便快捷，可应用于矿山救护队，用于检测氧气呼吸器整体性能。

［1］ 周方年.呼吸舱式正压氧气呼吸器的设计与研究［J］.消防科学与技术，2008，27（6）：426-430.

［2］ MT 867-2008，隔绝式正压氧气呼吸器［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［3］ 张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册［M］.北京：机械工业出版社，2008.