萬玉琴 趙競?cè)?曾 宇

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191)

航空氧氣調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)參數(shù)設計計算

萬玉琴 趙競?cè)?曾 宇

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191)

闡述了某型航空氧氣調(diào)節(jié)器肺式機構(gòu)和空氣進氣機構(gòu)的工作原理，對運動部件進行了受力分析并建立相應的數(shù)學模型.以供氧系統(tǒng)的性能技術指標和使用條件作為設計計算約束，根據(jù)數(shù)學模型，利用MATLAB/simulink軟件建立仿真計算模型.在此基礎上通過仿真計算特性曲線分析完成了系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取，并得出了系統(tǒng)的流量特性以及整個飛行高度上的含氧百分比特性.仿真結(jié)果表明:以上提出的設計計算方法對航空氧氣調(diào)節(jié)器進行設計與改進是可行的.

供氧系統(tǒng);氧氣調(diào)節(jié)器;計算機仿真;優(yōu)化設計

氧氣調(diào)節(jié)器是航空供氧系統(tǒng)的核心控制單元和中央處理器，它可以隨環(huán)境壓力和使用者呼吸的變化，按不同供氧方式、不同高度的供氧要求，向氧氣面罩供給一定壓力、流量和含氧濃度的混合氣或純氧.其中，肺式機構(gòu)和空氣進氣機構(gòu)是氧氣調(diào)節(jié)器中十分重要的組成部件，主要特性包括吸氣面、流量特性以及含氧分數(shù).肺式機構(gòu)能夠根據(jù)使用者的呼吸頻率和肺通氣量大小自動供給氧氣，而空氣進氣機構(gòu)能夠通過控制活門開度來調(diào)節(jié)空氣流量［1－2］.

肺式機構(gòu)和空氣進氣活門的性能直接關系到氧氣調(diào)節(jié)器以及整個航空供氧系統(tǒng)性能的好壞，而目前我國在供氧系統(tǒng)的研發(fā)設計中多采用試驗方法，暴露出設計方案定位不準、成本高昂、周期較長、限制較多等不足，尤其是對于氧氣調(diào)節(jié)器這種工藝復雜、內(nèi)部流道繁多的設備，試驗測試很難達到預期目標.

本文利用仿真技術手段對氧氣調(diào)節(jié)器進行設計研究，針對氧氣調(diào)節(jié)器的肺式機構(gòu)和空氣進氣活門建立數(shù)學模型，在MATLAB/simulink平臺上進行仿真計算，得到了氧氣調(diào)節(jié)器在特定工作狀態(tài)下的性能特性和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設計方案，同時提出了單結(jié)構(gòu)參數(shù)或多結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合優(yōu)化方法對氧氣調(diào)節(jié)器性能進行優(yōu)化改進［3］.

1 氧氣調(diào)節(jié)器工作原理簡介

圖1為氧氣調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理示意圖，主要包括肺式機構(gòu)和空氣進氣機構(gòu).肺式機構(gòu)主要由雙搖桿機構(gòu)、主活門6和輔助活門5構(gòu)成，空氣進氣機構(gòu)主要由活塞7、彈簧8和空氣活門9構(gòu)成.

圖1 氧氣調(diào)節(jié)器簡化示意圖

該氧氣調(diào)節(jié)器的工作過程簡介如下:來自高壓氧源的氧氣經(jīng)減壓之后進入氧氣調(diào)節(jié)器.在沒有氧氣輸出的時候，氧氣滯留在感壓腔，使得感壓腔內(nèi)的壓力增大進而迫使膜片向上彎曲帶動雙搖桿機構(gòu)關閉主肺式活門和輔助活門.同時隨著入口氧氣的進入，入口壓力不斷增大進而推動活塞關閉空氣活門，外界空氣停止進入氧氣調(diào)節(jié)器.

當使用者吸氣時，感壓腔內(nèi)形成一定的真空度.在壓差的作用下膜片1向下彎曲帶動雙搖桿機構(gòu)打開活門5和6，使氧氣流入感壓腔.與此同時，入口壓力的降低使得活塞與空氣活門脫離，活門在壓差作用下被打開，外界空氣進入感壓腔并與氧氣混合，形成一定含氧濃度的混合氣流向氧氣調(diào)節(jié)器出口并經(jīng)輸氧軟管到達供氧面罩以供使用.呼氣時，感壓腔壓力增加，膜片在壓差作用下帶動搖桿脫離肺式機構(gòu)活門，使其在彈簧作用下關閉，停止供氣.

氧氣調(diào)節(jié)器入口處的流量隨感壓腔壓力的變化稱之為流量特性.通過雙搖桿機構(gòu)來聯(lián)動控制肺式機構(gòu)主活門和輔助活門的開啟及開啟量，進而控制氧氣流量，是一個典型的先進的機構(gòu).

2 氧氣調(diào)節(jié)器數(shù)學模型

在建立數(shù)學模型時，作以下假設:系統(tǒng)中氣體作理想氣體處理;認為各調(diào)節(jié)腔氣體溫度不變，取值為290K;系統(tǒng)沒有氣體泄漏;活門流量系數(shù)認為不變，取值為 0.85［4－5］.

2.1 肺式機構(gòu)數(shù)學模型

氧氣調(diào)節(jié)器的流量特性主要由肺式機構(gòu)保證，吸氣阻力作為肺式機構(gòu)的主要特性，應滿足以下設計條件:

當有穩(wěn)定流量輸出時，主活門處于平衡狀態(tài)，其受力平衡方程為

在氧氣調(diào)節(jié)器的技術指標要求下，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)應分別滿足以下條件

式中，Pp，Ph，P0分別為膜片下腔壓力、座艙高度對應的大氣壓力、氧調(diào)器入口氧氣壓力;ΔPmax為機構(gòu)允許的最大吸氣阻力;Fz為主活門彈簧力;ds，dz分別為輔助活門活塞和主活門直徑;fm為膜片有效面積;i，i'分別為搖桿2，3的傳動比;L為主活門開啟量;Gmax為可能出現(xiàn)的最大瞬間質(zhì)量流量;μ為活門流量系數(shù);T為流體溫度;B為流體亞臨界狀態(tài)質(zhì)量流量系數(shù);Sz為活門靈敏度;μ為活門流量系數(shù).

肺式機構(gòu)主要參數(shù)根據(jù)吸氣阻力特性確定，通過式(4)求出fmi之后，可根據(jù)結(jié)構(gòu)布置情況確定膜片及杠桿參數(shù)，活門彈簧視密封條件確定.

2.2 空氣進氣機構(gòu)數(shù)學模型

假定活塞彈簧在某一高度H開始作用于空氣活門，在此之前空氣活門與活塞之間沒有力的相互作用，當空氣活門開度L'與活塞位移l1之和大于彈簧8距空氣活門的初始距離時，彈簧8開始作用于空氣活門，從而使空氣活門關閉的力增加，據(jù)此可得活門開啟量穩(wěn)態(tài)模型:

式中，L'是空氣活門開啟量;l1是活塞的位移;L0是彈簧8距空氣活門的初始距離;dh是空氣活門的直徑;f7是活塞7的橫截面積;k7，l7是活塞彈簧的剛度及預壓縮量;k8，l8是彈簧8的剛度及預壓縮量;k9，l9是空氣活門彈簧的剛度及預壓縮量.

空氣活門流通面積為min(πdhL'

2.3 含氧百分比計算模型

吸入氣含氧分數(shù)可按下式計算:

式中，進入氧氣調(diào)節(jié)器的氧氣流量QO2和空氣流量Qair分別為

其中，F(xiàn)O2%為吸入氣含氧百分比;d4為限流孔4的直徑;E，E*分別為流體亞臨界和超臨界狀態(tài)的體積流量系數(shù);k為氣體等熵指數(shù).

不同高度下系統(tǒng)含氧分數(shù)如表1所示，據(jù)此，可根據(jù)不同高度對含氧分數(shù)的要求得出空氣活門直徑的取值范圍.

表1 不同高度下系統(tǒng)供氧濃度

3 系統(tǒng)仿真計算結(jié)果及分析

3.1 肺式機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設計

3.1.1 主肺式活門直徑的選取

主活門直徑的選擇與最大瞬間流量和活門靈敏度有關［5］.最大瞬間流量依使用者工作條件的不同而有區(qū)別，一般在重工作條件下為185 L/min.活門靈敏度越高表示活門只要有較小的開啟量變化，就可能引起較大的流量變化，所以靈敏系數(shù)要根據(jù)調(diào)節(jié)活門的靈敏度要求進行選擇，根據(jù)經(jīng)驗值一般取為5.0.

取氧氣調(diào)節(jié)器入口壓力的最低壓力為設計點.依前所述，主活門直徑取為4.5mm.因此，只要確定了系統(tǒng)使用條件以及要求，就可以根據(jù)圖2中的曲線來確定主肺式活門直徑.

3.1.2 感壓腔膜片及搖桿傳動比的選取

圖3所示曲線為式(4)的仿真計算結(jié)果，為滿足吸氣阻力的技術要求，fmi的取值應該為曲線以上所包含的區(qū)域.隨著高度的增加，fmi的值趨近于0.0072，該值越大，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸也越大.為了兼顧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸以及高空的正常使用，fmi應不小于0.007 2.膜片的有效面積由其直徑?jīng)Q定，傳動比由杠桿臂長決定.在不影響結(jié)構(gòu)尺寸的前提下應盡量增加傳動比，這樣就可以在較小的吸氣阻力下獲得較大的開啟供氧活門的力.綜上，取兩臂長度為37mm，5mm，膜片直徑為35mm，48mm，則 i=37/5=7.4，fm≈3.14 ×0.0352/12=0.001m2，fmi=0.0074 滿足吸氣阻力要求.

圖2 主活門直徑的選取

圖3 f m i隨高度的變化規(guī)律

以上通過某一特定工作點的參數(shù)選取介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取的方法.當工作點或者工作條件發(fā)生變化時，亦可據(jù)此方法重新確定結(jié)構(gòu)參數(shù).例如，前面所述均為高壓氧氣瓶作為氧源，當氧源變?yōu)榉肿雍Y制氧時，提供給氧氣調(diào)節(jié)器的氧氣壓力要小很多.這時，只需重新設置氧氣調(diào)節(jié)器入口壓力，然后按上述步驟就可以得到相應的參數(shù)取值［6］.

3.1.3 肺式機構(gòu)流量特性計算

在前兩節(jié)確定好結(jié)構(gòu)主要參數(shù)之后，可以得出系統(tǒng)的流量特性，即肺式機構(gòu)的流量變化對吸氣阻力的影響，如圖4所示.

圖4 肺式機構(gòu)流量特性

可見，當系統(tǒng)輸出流量發(fā)生變化時，吸氣阻力的波動值在20 kPa以內(nèi)，故該肺式機構(gòu)具有良好的流量特性.

3.2 含氧分數(shù)性能及參數(shù)優(yōu)化設計

3.2.1 空氣進氣活門直徑的選擇

依據(jù)式(10)可以得出圖5的仿真結(jié)果，其中肺換氣量為30 L/min.圖5顯示了在不同座艙高度時含氧分數(shù)隨活門直徑的變化范圍.根據(jù)表1給定的數(shù)據(jù)，可以通過圖5曲線得出空氣活門直徑的取值范圍，詳見表2.

圖5 空氣活門直徑的選擇

表2 不同高度下活門直徑的取值

為保證4個設計高度下系統(tǒng)的含氧分數(shù)都能滿足設計要求，需取表2各集合的交集，即為0.0155 ～0.018m.

3.2.2 含氧分數(shù)性能

在確定了系統(tǒng)的各主要參數(shù)之后，可以求得整個座艙高度上的含氧分數(shù)變化規(guī)律，其中空氣活門直徑取為0.017m，如圖6所示.

圖6 含氧分數(shù)示意圖

3.2.1 節(jié)中肺換氣量的設計點取為30 L/min，為了檢驗通用性，圖 6增加了 20 L/min和40 L/min肺換氣量下的含氧分數(shù)特性.可以看出，當肺換氣量發(fā)生變化時，系統(tǒng)含氧分數(shù)仍然滿足設計要求.所以空氣活門的設計在肺換氣量發(fā)生變化時仍然適用.

隨著高度的增加，含氧分數(shù)逐漸增大并符合表1的技術要求.同時，隨著吸氣流量的增加，含氧分數(shù)也逐漸增大.這是由于進入調(diào)節(jié)器的氧氣

流量逐漸增加的時候，空氣活門前的氧氣壓力變化很微弱，導致空氣活門的開啟量變化很微弱進而使空氣流量幾乎沒有變化，使混合氣中氧氣流量的增加率大于空氣流量的增加率，所以系統(tǒng)含氧分數(shù)隨著氧氣流量的增加而增加.

4 結(jié)束語

以上對航空氧氣調(diào)節(jié)器的運動部件建立了受力平衡方程，根據(jù)性能技術指標給出了系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學模型.然后在MATLAB上建立仿真模型，并進行了仿真計算，得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化曲線.通過對曲線的分析，闡明了參數(shù)選擇的方法.在選定參數(shù)的情況下，對系統(tǒng)的流量特性、含氧分數(shù)特性、吸氣阻力特性進行了仿真計算和驗證，針對仿真結(jié)果做了詳細分析.本文提出的設計方法可以為系統(tǒng)的改良以及故障處理提供參考依據(jù)，具有一定的實用價值.

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(編 輯:李 晶)

Investigation of aviation oxygen regulator

Wan Yuqin Zhao Jingquan Zeng Yu

(School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

The working principle of the two components(pulmonary-based institutions and air intake body of oxygen regulator)was presented，and the ma the matical model was established based on the analysis of the balance of the imposed forces on the kinetic components.The numerical simulation was implemented through MATLAB/simulink with the technical performance and operating conditions of oxygen supply system as the designing and calculating constraints.The selection of the main structural para meters was achieved through the analysis of the characteristic curve attained from the simulation results，and the flow characteristics of the system together with the characteristics of the oxygen percentage on a whole altitude were drawn.The simulation results show that the method are feasible for design and performance improvement for the oxygen regulator.

oxygen supply system;oxygen regulator;computer simulation;optimization design

V 245.3+1

A

1001-5965(2011)03-0351-04

2010-01-04

萬玉琴(1986－)，女，甘肅會寧人，碩士生，wanyuqin123@sina.com.