何雪永

(上海塔望科技智能有限公司,上海201601)

高壓氧艙在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用極其廣泛,臨床主要用于厭氧菌感染、CO 中毒、氣栓病、減壓病、缺血缺氧性腦病、腦外傷、腦血管疾病等的治療。我國高壓氧艙的應(yīng)用與研究起步較晚,是在解放以后才得以發(fā)展壯大起來的。經(jīng)過了幾十年的飛速發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)有一定的規(guī)模。在“GB 12130-1995- 醫(yī)用高壓氧艙”頒布之后我國的高壓氧艙的發(fā)展才算正式步入成熟階段。其中動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用高壓氧艙較醫(yī)用高壓氧艙技術(shù)更差,但動(dòng)物用實(shí)驗(yàn)氧艙在醫(yī)療上的研究過程是必不可少的。

1 設(shè)計(jì)目的

我國現(xiàn)今使用的實(shí)驗(yàn)用高壓氧艙多為國外進(jìn)口設(shè)備,其存在諸多不便之處。又由于國內(nèi)醫(yī)療蓬勃發(fā)展且更加重視基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對科研的投入逐年增多,因此對醫(yī)療實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需求日益迫切。為了解決廣大客戶對高壓氧艙實(shí)驗(yàn)器材的需求,解決進(jìn)口實(shí)驗(yàn)高壓氧艙價(jià)格昂貴、維修困難、技術(shù)支持難以及時(shí)到位的問題我司研發(fā)了此款高壓氧艙。

2 參數(shù)計(jì)算

設(shè)計(jì)要求為平時(shí)使用2 個(gè)大氣壓的壓力,內(nèi)容積需要放下四個(gè)小鼠籠或者兩個(gè)大鼠籠。小鼠籠尺寸為29*17.8*15.8 公分,大鼠籠尺寸為46*30*16 公分,那么根據(jù)常規(guī)鼠籠的尺寸大小直接可以確認(rèn)艙體長90 公分。壓力容器圓形艙受力情況要比矩形艙的受力情況好的多,但圓形艙空間利用率低。根據(jù)鼠籠尺寸計(jì)算可知圓形艙內(nèi)徑60 公分可以滿足要求。為了進(jìn)出方便設(shè)備整體寬度不能比正常門寬,一般門的寬度為80 厘米。

3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1 所示,本人將氧艙設(shè)計(jì)為上下兩部分。

圖1 動(dòng)物高壓氧艙整體結(jié)構(gòu)圖

上部分為氧艙主體部分,內(nèi)放置鼠籠用于密封、加壓、鎖壓；下面部分為底座用于支撐主體部分和安裝電路和氣路。由于考慮到設(shè)備安裝完成之后移動(dòng)和運(yùn)輸所以安裝腳輪,氧艙為了實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程中隨時(shí)觀察動(dòng)物的情況,所以選用了透明的材料。氧艙內(nèi)部放置籠子的平臺(tái)下做導(dǎo)軌以方便取放鼠籠。

氧艙為了達(dá)到精準(zhǔn)控制氣體濃度和壓力指數(shù)在艙內(nèi)安裝一組傳感器模塊,這其中包括二氧化碳傳感器、壓力傳感器、氧濃度傳感器、溫濕度傳感器。一組實(shí)驗(yàn)可能需要幾個(gè)小時(shí)到幾天不等,這期間動(dòng)物都要待在氧艙里,而動(dòng)物呼吸需要消耗氧氣會(huì)產(chǎn)生二氧化碳,二氧化碳濃度過高會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)體中毒死亡,同時(shí)氧濃度也不能低,會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。溫濕度傳感器是動(dòng)物在呼吸時(shí)會(huì)將體內(nèi)的水分帶出從而增加氧艙內(nèi)的空氣濕度,濕度過高時(shí)會(huì)在氧艙內(nèi)露也不利于實(shí)驗(yàn)體呼吸及實(shí)驗(yàn)結(jié)果,所以對以上參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控以便及時(shí)控制換氣。設(shè)備在高壓狀態(tài)下由于材料、安裝、管路、閥門漏氣滲氣現(xiàn)象會(huì)使氧艙內(nèi)壓力持續(xù)降低,所以選用壓力傳感器監(jiān)控壓力,及時(shí)補(bǔ)充合適的氣體。

底座設(shè)計(jì)為鈑金框架,內(nèi)部空間充足,后面留有安裝檢修門。客戶實(shí)驗(yàn)時(shí)常不定使用氣體鋼瓶做氣源時(shí)鋼瓶氣體并不能達(dá)到不間斷使用的效果,而且耗氣量大時(shí)成本過于高昂,所以在底座內(nèi)安裝高壓制氧模塊以滿足需求。底座前面做一個(gè)斜面上安裝面板,面板上有流量計(jì)和顯示屏及機(jī)械壓力表。流量計(jì)用于調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量定時(shí)到達(dá)某壓力,機(jī)械壓力表用于校正壓力傳感器,防止傳感器壞了不知道艙內(nèi)壓力,顯示屏是觸摸屏可以讀取艙內(nèi)參數(shù)及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。面板可與底座拆分以便維修。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 艙體的設(shè)計(jì)

艙體在前文已確定了基本尺寸大小,但是厚度和材料都沒有確定。首先,查詢了機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得知當(dāng)前常用的透明材料有以下幾種：聚甲基丙烯酸甲酯也就是人常說的亞克力有機(jī)玻璃、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、玻璃。其中玻璃相對于另外三種材料來說重量高、韌性差、加工不易、成本高、采購難度高被直接舍棄。筆者選用了亞克力來做艙體。

材質(zhì)確定之后需要對其厚度進(jìn)行確認(rèn),這其中計(jì)算需要借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真模擬。筆者使用的是制圖常用的Solidworks 進(jìn)行建模仿真模擬的。結(jié)果如圖2、3 所示。

圖2 應(yīng)力分析圖

圖3 位移分析圖

從應(yīng)力分析圖中可以看出筆者選用的6 毫米厚的亞克力桶在一個(gè)大氣壓的倍使用壓力下其應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到材料的許用應(yīng)力極限,所以可以使用。在位移分析中可以看出筒體在這個(gè)壓力下最大位移形變只有0.4 毫米左右,這對安裝和使用都沒有影響。從分析上來看可以選用厚度更低的筒體,筆者多次詢問亞克力廠家得知直徑超過600 毫米的亞克力桶壁厚要超過6 毫米才能做,所以艙體厚度選定為6 毫米。

4.2 艙門的設(shè)計(jì)

艙體確定之后需要設(shè)計(jì)艙門了,艙門的密封需要通過對密封圈進(jìn)行擠壓才能達(dá)到效果。艙門的有效受力面積S=πr2,π 取值3.14,艙門的有效接觸半徑為0.32 米,其所受壓力F 等于額定壓力乘以受力面積S。計(jì)算可得F=32153.6N。根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)在軟件上建模分析。(圖4、5)

圖4 應(yīng)力分析圖

圖5 安全系數(shù)分析圖

由受力分析圖可以看在材料為6061 的T6 調(diào)質(zhì)板在20 毫米厚的情況下一個(gè)大氣壓的壓力遠(yuǎn)未達(dá)到材料的屈服極限。從安全系數(shù)分析圖里可以看出其最小安全系數(shù)為3.29,比常用的1.3 還高2 個(gè)點(diǎn)。

艙門與前門環(huán)的連接設(shè)計(jì)需要做到當(dāng)艙門閉合時(shí)使用鎖緊裝置壓迫艙門時(shí)合頁不能形成阻礙且艙門打開角度要超過180°。

圖6 合頁結(jié)構(gòu)

筆者在合頁設(shè)計(jì)時(shí)將合頁的連接處留了一個(gè)腰型孔,其可調(diào)范圍是+2～-2 毫米之間。艙門的重量約為22 公斤,其中心距合頁固定點(diǎn)及連接點(diǎn)都遠(yuǎn),為了防止合頁裝好了之后艙門出現(xiàn)下沉現(xiàn)象,所以對合頁之間的配合要求極高,公差要求在0.01毫米之間同時(shí)材料選用剛性較好的304 不銹鋼[1]。

為了保證艙門的密封對其鎖緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。筆者對比了幾種目前常用的鎖緊裝置,選用了一種活結(jié)配合L 型角碼的鎖緊結(jié)構(gòu)。將兩個(gè)L 型角碼固定在前門環(huán)的背面,中間穿過一根軸,軸同時(shí)過活結(jié),前門環(huán)上開四個(gè)開口讓活結(jié)通過?；罱Y(jié)上使用羊角輪以方便客戶使用。

4.3 托盤的設(shè)計(jì)

氧艙需要要放置兩個(gè)大鼠籠或者四個(gè)小鼠籠,為了保證空間充足筆者將氧艙的長度選為了0.9 米。從人機(jī)工程學(xué)的表格可以查出成年男性的臂展長70 厘米左右,成年女性臂長在60厘米左右,所以當(dāng)氧艙內(nèi)部需要操作時(shí)客戶是不方便的。為了解決這個(gè)問題筆者為氧艙設(shè)計(jì)了一款可活動(dòng)的托盤。

兩個(gè)大鼠籠的滿載重量在20 千克左右,所以托盤的盤面使用1.5 毫米不銹鋼鈑金折彎成型,表面使用鏡面美觀大方。氧艙需要保證各處的氣體濃度基本一致,所以內(nèi)部設(shè)計(jì)有混合系統(tǒng)但是單一鈑金面會(huì)影響混合效果,所以托盤上開有大小不一的腰型孔。由于這么大的不銹鋼板材平面度難以保證,故筆者設(shè)計(jì)了板材底面做加強(qiáng)筋對其進(jìn)行校正加強(qiáng)。為了操作方便筆者參考抽屜的開關(guān)結(jié)構(gòu)為托盤做了抽拉裝置,選用了市面上常用的60 厘米三節(jié)阻尼滑軌,滑軌通過L 型鋁型材固定在托盤上,這樣既節(jié)省成本又能保證平面度。氧艙的筒壁不能直接開孔安裝滑軌,所以筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)亞克力的連接塊用于固定滑軌,連接塊直接使用膠水固定在氧艙上,膠水粘接強(qiáng)度可以做到跟母材的強(qiáng)度一致。

表1 扭緊力矩系數(shù)K

材料 適用介質(zhì) 使用溫度/℃?運(yùn)動(dòng)用 靜止用 丁腈橡膠 礦物油,汽油,苯 80 -30～120 氯丁橡膠 空氣,水,氧 80 -40～120 丁基橡膠 動(dòng)、植物油,弱酸,弱堿 80 -30～110 永久變形大,不適用礦物油 丁苯橡膠 堿,動(dòng)、植物油,水,空氣 80 -30～100 不適用礦物油 天然橡膠 水,弱酸,弱堿 60 -30～90 不適用礦物油 硅橡膠 高、低溫油,礦物油,動(dòng)、植物油, 氧,弱酸,弱堿 -60～260 -60～260 不適用蒸汽,運(yùn)動(dòng)部位 應(yīng)避免使用 氯磺化聚 乙烯 高溫油,氧,臭氧 100 -10～150 運(yùn)動(dòng)部位應(yīng)避免使用 聚氨酯橡膠 水,油 60 -30～80 耐磨但應(yīng)避免高速適用 氟橡膠 熱油,蒸汽,空氣,無機(jī)酸,鹵素類溶劑 150 -20～200 聚四氟乙烯 酸,堿,各種溶劑 -100～260 不適用運(yùn)動(dòng)部位

表2 O 形圈材料的選擇

4.4 密封的設(shè)計(jì)

氧艙正常使用的時(shí)候?yàn)檎龎好芊庖笠欢ㄒ?否則壓力難以保持,難以升上去。像這么大的筒體不好做復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)常選用墊片密封。墊片的材質(zhì)選擇查現(xiàn)代設(shè)計(jì)手冊表18-2-1 可知。氧艙艙體的密封屬于靜密封,介質(zhì)為空氣所以邵氏度70 度的硅橡膠在壓縮量20%左右時(shí)即可滿足要求。

氧艙的拉桿使用的是16 毫米的不銹鋼鋼條,共六條,安裝時(shí)使用8.8 級(jí)的M16 的螺母,根據(jù)螺栓的扭力計(jì)算公式：

預(yù)緊力矩Mt=K×P0×d×0.001 N.m

P0：預(yù)緊力；

P0=σ0×As；

As=π×ds×ds/4 ds:螺紋部分危險(xiǎn)剖面的計(jì)算直徑；

ds=(d2+d3)/2；

d3= d1-H/6 H：螺紋牙的公稱工作高度；

σ0 =(0.5～0.7)σs；

σs——螺栓材料的屈服極限N/mm2(與強(qiáng)度等級(jí)相關(guān),材質(zhì)決定)；

K 值查表：(K 值計(jì)算公式略)。(表1)

螺母為一般加工表面無潤滑K 取值0.21,預(yù)緊力P0的取值為后門環(huán)受力六分之一的1.5 倍。后門環(huán)受力取值為艙門的受力為32153.6 牛。螺紋的公稱直徑取16 毫米,計(jì)算得Mt等于27N.m。艙門使用的是四個(gè)M16 的活結(jié)所以它的Mt約為40N.m,使用臂長150 毫米的羊角輪時(shí)兩臂的力為27 千克。

艙門與前門環(huán)的密封選用的是O 型圈密封,O 型圈密封在靜密封時(shí)要求更低,有自密封的作用,安裝部位結(jié)構(gòu)緊湊,成本低廉。(表2)

O 型圈的材料查表選用硅橡膠,其異味小,常用于醫(yī)療設(shè)備。O 型圈的線徑選為8.0 毫米,安裝槽開在了前門環(huán)上,槽為矩形槽,深5 毫米寬7.8 毫米。這樣開槽能直接不使用任何粘結(jié)劑,開門的時(shí)候O 型圈都不會(huì)脫落。氧艙的進(jìn)出氣口使用的是G1/4 快插接頭,中間的氣管為8*5 的PU 管,它的耐壓在1.0Mpa。出氣口后連接一個(gè)電磁閥并聯(lián)一個(gè)安全泄壓閥,后門板上零裝一個(gè)手動(dòng)泄壓閥。

5 設(shè)備的測試與優(yōu)化

設(shè)備的試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)安裝完成之后需要進(jìn)行功能性的測試。

首先開機(jī)檢測：檢測設(shè)備界面,各設(shè)置按鍵是否正常、檢測各元器是否正常工作、檢測各傳感器時(shí)候有數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)是否正確。

第二步：打開艙門拉出托盤放鼠籠,能否放兩個(gè)大鼠籠或者四個(gè)小鼠籠、滿載時(shí)來回抽拉滑軌上百次看滑軌是否卡頓、托盤是否平穩(wěn)。第三步：讓一名小個(gè)子女測試員將艙門閉合以正常的出力將艙門鎖緊,設(shè)定升壓時(shí)間為一分鐘,流量計(jì)開至最大,壓力設(shè)定到130 千帕,啟動(dòng)設(shè)備,看壓力是否能正常升壓降壓,檢測安全閥是否正常工作,檢測氣密性如何是否有漏氣的點(diǎn)。第四步：將手持的各個(gè)傳感器放置在艙內(nèi)的各個(gè)角落,放上動(dòng)物,正常工作測試,氣體是否分布均勻、設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行時(shí)是否會(huì)有其它問題。第五步：將設(shè)備在各種情況下進(jìn)行仿真運(yùn)輸,看設(shè)備經(jīng)過顛簸運(yùn)輸之后是否還能正常使用。

設(shè)備測試完成之后發(fā)現(xiàn)一些問題要對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化：

(1)選用的腳輪在運(yùn)輸過程中由于沒有剎車存在安全風(fēng)險(xiǎn)；解決方案：改用錳鋼帶剎車的腳輪。

(2)單一的靠換氣在滿載的情況下,室內(nèi)空氣濕度比較高時(shí)無法有效降低艙內(nèi)濕度；解決方案：設(shè)計(jì)了一款由風(fēng)機(jī)和過濾桶組成的內(nèi)循環(huán)除濕系統(tǒng),可直接放在托盤的下方,不會(huì)占用空間。

(3)合頁加工精度高,材料浪費(fèi)樣子,成本高；艙門下沉,艙門合上時(shí)鎖孔對不上鎖門的時(shí)候必須抬起艙門才能鎖緊；優(yōu)化方案：將合頁結(jié)構(gòu)改成由三部分組成的合頁,最后安裝時(shí)現(xiàn)場焊接安裝,這樣既節(jié)約的成本又能保證合頁不下沉。

(4)在設(shè)備運(yùn)輸過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)出門困難,過臺(tái)階時(shí)抬不動(dòng)設(shè)備；解決方案：將上面的艙體與底座連接處分開,實(shí)現(xiàn)上下分體,安裝時(shí)直接坐上去就可以了。

(5)氧艙在測試過程中發(fā)現(xiàn)傳感器測出的濃度跟實(shí)際濃度不一致；解決方案：傳感器模塊設(shè)計(jì)上加裝風(fēng)扇用于通風(fēng)。

6 結(jié)論

此設(shè)備基于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)高壓氧實(shí)驗(yàn)需求就使用外部增壓密封保壓的設(shè)計(jì)要點(diǎn)展開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最終經(jīng)過了氣體密封技術(shù)、鈑金折彎、電氣監(jiān)控控制等手段制造出了結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉,能有效的幫助致力于高壓氧醫(yī)療研究方面的工作者們進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。證明了制氧機(jī)在動(dòng)物高壓氧療上使用可行性,建議使用能輸出高壓力的制氧機(jī),且保證氧濃度。本文研究的一種動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用高壓氧艙的設(shè)計(jì)過程為將來相關(guān)設(shè)計(jì)提供了一些參考。