不同结构形式自携式潜水呼吸器一级减压器供气性能研究

狄帅，顾靖华，柳初萌，罗瑞豪

潜水装具是提供潜水员在水下作业过程中正常呼吸的关键装备，是一种特殊的个人防护装备，直接影响水下人员的安全和工作效能［1］。潜水装具按其重量分为轻、重2 种类型。其中，轻潜水装具主要使用自携式潜水呼吸器或管供式潜水呼吸器作为呼吸装置［2］。潜水呼吸器是潜水员为适应水下环境、保证水下正常呼吸，以保障其生命安全所携带的器材，是提供潜水员进行水下作业、探测的工具，是潜水装具的核心部分［3］。目前广泛使用的自携式潜水呼吸器主要由气瓶组件、一级减压器、呼吸调节器和中压软管等组成，其中一级减压器的作用是将气瓶中的高压空气减压至中压，供给呼吸调节器，以满足潜水员的呼吸需要，其性能对潜水呼吸器的供气流量、呼吸阻力等均起关键作用。潜水呼吸器一级减压器本质上是气动减压器，主要性能包括动态过程与静态过程的压力特性和流量特性［4］、调压范围［5］和溢流特性［6］等。

潜水呼吸器一级减压器按压力机械结构可以分为活塞式和隔膜式，从压力感应来看，活塞式是由外部水压直接传送至活塞；隔膜式是由水压传至弹性隔膜，由隔膜内的连杆传递受压后的运动来控制阀的作动。按阀的形式可以分为平衡式和非平衡式，非平衡式阀尽管故障率较低，但供气流量会受气瓶压力或水深的影响；平衡式阀则不会受影响，能够稳定维持气流供应，因此现已基本采用平衡式阀。

本研究通过无人性能试验，对不同结构形式的自携式潜水呼吸器一级减压器的动态压降、动静压差、最大供气流量性能进行对比研究，分析讨论不同结构形式的优缺点，为设计、评价和选用自携式潜水呼吸器提供参考。

1 材料与方法

1.1 受试装备 受试一级减压器共15 型，其中平衡活塞式7 型，平衡隔膜式8 型。

1.2 试验系统 试验系统包括气源、截止阀、压力表、一级减压器、中压软管和流量计。见图1。

图1 试验系统图

1.3 试验方法 （1）将受试一级减压器接入图1试验系统，其中压力出口通过中压软管与流量计连接；（2）将进口压力分别调整至3.5、12、20 MPa；（3）记录不同进口压力下出口压力，即为静态出口压；（4）打开流量测试阀，待流量计读数稳定后，记录流量计读数，即为最大供气流量，并记录此时一级减压器的动态出口压，即中压端动态压力，将静态出口压减去动态出口压，即为动态压降；（5）关闭流量测试阀，记录此时一级减压器出口压力，将该压力减去动态出口压，即为动静压差。

每型一级减压器均进行5 次试验，取5 次试验数据的算术平均值作为最终试验结果。

1.4 统计学处理 采用SPSS 26.0 统计软件进行数据处理，组间比较采用独立样本t检验。采用线性回归分析探讨最大供气流量的影响因素。P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 最大供气流量 随着输入压力升高，平衡隔膜式一级减压器的最大供气流量平均值提高了7.2%，但不同输入压力下其差异无统计学意义（P＞0.05）；平衡活塞式一级减压器的最大供气流量平均值提高了5.0%，不同输入压力下其差异无统计学意义（P＞0.05）。

输入压力为3.5 MPa 时，平衡活塞式一级减压器最大供气流量平均值［（1 529.1 ± 114.2） L/min］比平衡隔膜式一级减压器最大供气流量平均值［（1 286.2 ± 142.5） L/min］高18.9%，其差异有统计学意义（P=0.003）；输入压力为12 MPa 时，平衡活塞式一级减压器最大供气流量平均值［（1 575.0 ± 86.6） L/min］比平衡隔膜式一级减压器最大供气流量平均值［（1 355.6 ± 177.9） L/min］高16.2%，其差异有统计学意义（P=0.011）；输入压力为20 MPa 时，平衡活塞式一级减压器最大供气流量平均值［（1 606.2 ± 90.7） L/min］比平衡隔膜式一级减压器最大供气流量平均值［（1 379.7 ±210.6） L/min］高16.4%，其差异有统计学意义（P=0.021）。

由此可见，在不同的输入压力下，平衡活塞式一级减压器比平衡隔膜式一级减压器的最大供气流量更大。

2.2 动态压降 随着输入压力升高，平衡隔膜式一级减压器的动态压降平均值下降了38.2%，但不同输入压力下其差异无统计学意义（P＞0.05）；平衡活塞式一级减压器的动态压降平均值提高了13.3%，不同输入压力下其差异无统计学意义（P＞0.05）。

输入压力为3.5 MPa 时，平衡活塞式一级减压器动态压降平均值［（0.030 ± 0.019） MPa］比平衡隔膜式一级减压器动态压降平均值［（0.170 ±0.081） MPa］低82.4%，其差异有统计学意义（P=0.002）；输入压力为12MPa 时，平衡活塞式一级减压器动态压降平均值［（0.033 ± 0.011） MPa］比平衡隔膜式一级减压器动态压降平均值［（0.118 ±0.054） MPa］低72.0%，其差异有统计学意义（P=0.003）；输入压力为20 MPa 时，平衡活塞式一级减压器动态压降平均值［（0.034 ± 0.023） MPa］比平衡隔膜式一级减压器动态压降平均值［（0.105 ±0.052） MPa］低67.6%，其差异有统计学意义（P=0.005）。

由此可见，在不同的输入压力下，平衡活塞式一级减压器比平衡隔膜式一级减压器的动态压降更低。

2.3 动静压差 随着输入压力升高，平衡隔膜式一级减压器的动静压差平均值下降了36.5%，但不同输入压力下其差异无统计学意义（P＞0.05）；平衡活塞式一级减压器的动静压差平均值提高了63.6%，不同输入压力下其差异无统计学意义（P＞0.05）。

输入压力为3.5 MPa 时，平衡活塞式一级减压器动静压差平均值［（0.033 ± 0.029） MPa］比平衡隔膜式一级减压器动静压差平均值［（0.170 ±0.080） MPa］低80.6%，其差异有统计学意义（P=0.001）；输入压力为12 MPa 时，平衡活塞式一级减压器动静压差平均值［（0.047 ± 0.030） MPa］比平衡隔膜式一级减压器动静压差平均值［（0.122 ±0.054） MPa］低61.5%，其差异有统计学意义（P=0.006）；输入压力为20 MPa 时，平衡活塞式一级减压器动静压差平均值［（0.054 ± 0.042） MPa］比平衡隔膜式一级减压器动静压差平均值［（0.108 ±0.035） MPa］低50.0%，其差异有统计学意义（P=0.019）。

由此可见，在不同的输入压力下，平衡活塞式一级减压器比平衡隔膜式一级减压器的动静压差更低。

3 最大供气流量影响因素的线性回归分析

3.1 平衡活塞式一级减压器 分别建立平衡活塞式一级减压器的单变量线性回归模型和双变量线性回归模型。模型中，因变量都是“最大供气流量”，单变量模型的自变量是“中压端动态压力”，双变量模型的自变量是“中压端动态压力”和“国内外”（国外赋值为1，国内赋值为2）。

单变量模型中，德宾-沃森值（Durbin-Watson，DW）为1.848，样 本 独 立 性 良 好；R=0.947，R2=0.897，最大供气流量的89.7%是由“中压端动态压力”造成的。

双变量模型中，DW 值为2.034，具有非常好的样本独立性；方差膨胀系数（variance inflation factor， VIF）为1.942（＜5），说明模型没有多重共线性问题，模型构建良好；R=0.961，R2=0.923，最大供气流量的92.3% 是由于“国内外”和“中压端动态压力”造成的。因此，“中压端动态压力”是影响最大供气流量的主要因素。线性回归方程如下所示：

式（1）中，x表示中压端动态压力（MPa），y表示国内外（国外赋值为1，国内赋值为2），z表示预测最大供气流量（L/min）。

从式（1）可以看出：

x系数为2 183.51，即中压端动态压力每提高0.1 MPa，最大供气流量就能提升218.3 L/min。

y系数为43.765 是正值，表示当x不变时，国内产品的预测最大供气流量要比国外产品高43.765 L/min。之前的数据分析中，国外产品的最大供气流量普遍高于国内产品，主要是因为国外产品中压端动态压力更高［7］。

3.2 平衡膈膜式一级减压器 对于平衡隔膜式一级减压器，其双变量模型的DW 值为0.652，样本独立性欠佳；R=0.594，R2=0.353，最大供气流量的35.3% 是由于“国内外”和“中压端动态压力”造成的。

因此，在当前数据基础上，“中压端动态压力”并不是影响平衡隔膜式一级减压器最大供气流量的主要因素，有可能是样本量不足，也有可能和平衡隔膜式一级减压器的结构有关。

4 讨论

一级减压器的最大供气流量决定了整个潜水呼吸器系统的最大供气流量上限，是一级减压器最重要的性能。供气流量不足可能引起呼吸阻力大幅增加，甚至潜水员吸气流量不能满足其自身基本需求而造成危险。对于潜水呼吸器一级减压器，获取其“中压端动态压力”参数要比“最大供气流量”更容易。本研究基于现有试验数据建立了平衡活塞式一级减压器的线性回归方程，在已知“中压端动态压力”的情况下，可以利用线性回归方程初步预估其“最大供气流量”，有助于在缺乏试验条件的情况下快速了解某平衡活塞式一级减压器的供气性能，方便使用者快速评价和选用自携式潜水呼吸器的一级减压器。

此外，本研究从最大供气流量、动态压降和动静压差3 个方面量化对比平衡活塞式和平衡隔膜式一级减压器的无人试验性能。从试验数据来看，相比平衡隔膜式一级减压器，平衡活塞式一级减压器的最大供气流量更大，动态压降和动静压差更低，供气性能更加稳定，受气瓶压力变化的影响小。然而，平衡活塞式一级减压器虽然结构简单，维护、维修成本低，但体积较大［8］，且每次使用必须导入水接触活塞，所以使用后需要特别注意泥沙的清洗，否则容易劣化。

平衡隔膜式一级减压器体积较小，空气通道直径较小，虽然无人试验性能不如平衡活塞式一级减压器，但其内部结构与周围的水完全隔离，这一特性使得其特别适合在寒冷水域或污浊水域使用。此外，平衡隔膜式一级减压器结构相对复杂，维护保养成本高。因此，评价一级减压器的性能需要综合考虑使用模式、使用需求和使用环境，而不能简单地以某一项无人试验性能来评价性能优劣。无人试验性能检测可从实现基本功能、性能的角度对水下呼吸器进行评价，具有安全、快速、重复性好的特点，但不能反映潜水过程中处于应激状态下潜水员的心理、生理等因素的变化，而载人试验评价能从人机交互的角度全面反映水下呼吸器的实际使用性能。因此，国际上通常认为水下呼吸器在经过无人试验性能测试合格后，还必须要经过载人试验评价［9］。

一般情况下，一级减压器在高压端进口压力为12～14 MPa 时，国内技术标准要求供气流量应大于600 L/min［10］，且动态压降应小于等于0.3 MPa［11］。本研究中所有受试一级减压器的最大供气流量和动态压降均满足技术标准要求，试验数据也可以为后续技术标准的修订提供参考。国外通常测量呼吸功来评价一级减压器和二级减压器的整体性能［12］。因此，后续可以结合二级减压器测量其呼吸功以评价呼吸器的供气性能。