動物高壓氧艙機械結構設計

何雪永

(上海塔望科技智能有限公司,上海201601)

高壓氧艙在醫學上的應用極其廣泛,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。我國高壓氧艙的應用與研究起步較晚,是在解放以后才得以發展壯大起來的。經過了幾十年的飛速發展現在已經有一定的規模。在“GB 12130-1995- 醫用高壓氧艙”頒布之后我國的高壓氧艙的發展才算正式步入成熟階段。其中動物實驗用高壓氧艙較醫用高壓氧艙技術更差,但動物用實驗氧艙在醫療上的研究過程是必不可少的。

1 設計目的

我國現今使用的實驗用高壓氧艙多為國外進口設備,其存在諸多不便之處。又由于國內醫療蓬勃發展且更加重視基礎實驗數據,對科研的投入逐年增多,因此對醫療實驗設備的需求日益迫切。為了解決廣大客戶對高壓氧艙實驗器材的需求,解決進口實驗高壓氧艙價格昂貴、維修困難、技術支持難以及時到位的問題我司研發了此款高壓氧艙。

2 參數計算

設計要求為平時使用2 個大氣壓的壓力,內容積需要放下四個小鼠籠或者兩個大鼠籠。小鼠籠尺寸為29*17.8*15.8 公分,大鼠籠尺寸為46*30*16 公分,那么根據常規鼠籠的尺寸大小直接可以確認艙體長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。根據鼠籠尺寸計算可知圓形艙內徑60 公分可以滿足要求。為了進出方便設備整體寬度不能比正常門寬,一般門的寬度為80 厘米。

3 整體結構設計

如圖1 所示,本人將氧艙設計為上下兩部分。

圖1 動物高壓氧艙整體結構圖

上部分為氧艙主體部分,內放置鼠籠用于密封、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。由于考慮到設備安裝完成之后移動和運輸所以安裝腳輪,氧艙為了實現在實驗過程中隨時觀察動物的情況,所以選用了透明的材料。氧艙內部放置籠子的平臺下做導軌以方便取放鼠籠。

氧艙為了達到精準控制氣體濃度和壓力指數在艙內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。一組實驗可能需要幾個小時到幾天不等,這期間動物都要待在氧艙里,而動物呼吸需要消耗氧氣會產生二氧化碳,二氧化碳濃度過高會導致實驗體中毒死亡,同時氧濃度也不能低,會影響實驗結果。溫濕度傳感器是動物在呼吸時會將體內的水分帶出從而增加氧艙內的空氣濕度,濕度過高時會在氧艙內露也不利于實驗體呼吸及實驗結果,所以對以上參數進行監控以便及時控制換氣。設備在高壓狀態下由于材料、安裝、管路、閥門漏氣滲氣現象會使氧艙內壓力持續降低,所以選用壓力傳感器監控壓力,及時補充合適的氣體。

底座設計為鈑金框架,內部空間充足,后面留有安裝檢修門。客戶實驗時常不定使用氣體鋼瓶做氣源時鋼瓶氣體并不能達到不間斷使用的效果,而且耗氣量大時成本過于高昂,所以在底座內安裝高壓制氧模塊以滿足需求。底座前面做一個斜面上安裝面板,面板上有流量計和顯示屏及機械壓力表。流量計用于調節進氣流量定時到達某壓力,機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壓力,顯示屏是觸摸屏可以讀取艙內參數及設計實驗參數。面板可與底座拆分以便維修。

4 設計要點

4.1 艙體的設計

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,查詢了機械設計手冊得知當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。

材質確定之后需要對其厚度進行確認,這其中計算需要借助計算機軟件進行仿真模擬。筆者使用的是制圖常用的Solidworks 進行建模仿真模擬的。結果如圖2、3 所示。

圖2 應力分析圖

圖3 位移分析圖

從應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大氣壓的倍使用壓力下其應力遠遠未達到材料的許用應力極限,所以可以使用。在位移分析中可以看出筒體在這個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 艙門的設計

艙體確定之后需要設計艙門了,艙門的密封需要通過對密封圈進行擠壓才能達到效果。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。計算可得F=32153.6N。根據計算所得數據在軟件上建模分析。(圖4、5)

圖4 應力分析圖

圖5 安全系數分析圖

由受力分析圖可以看在材料為6061 的T6 調質板在20 毫米厚的情況下一個大氣壓的壓力遠未達到材料的屈服極限。從安全系數分析圖里可以看出其最小安全系數為3.29,比常用的1.3 還高2 個點。

艙門與前門環的連接設計需要做到當艙門閉合時使用鎖緊裝置壓迫艙門時合頁不能形成阻礙且艙門打開角度要超過180°。

圖6 合頁結構

筆者在合頁設計時將合頁的連接處留了一個腰型孔,其可調范圍是+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及連接點都遠,為了防止合頁裝好了之后艙門出現下沉現象,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構進行設計。筆者對比了幾種目前常用的鎖緊裝置,選用了一種活結配合L 型角碼的鎖緊結構。將兩個L 型角碼固定在前門環的背面,中間穿過一根軸,軸同時過活結,前門環上開四個開口讓活結通過。活結上使用羊角輪以方便客戶使用。

4.3 托盤的設計

氧艙需要要放置兩個大鼠籠或者四個小鼠籠,為了保證空間充足筆者將氧艙的長度選為了0.9 米。從人機工程學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,所以當氧艙內部需要操作時客戶是不方便的。為了解決這個問題筆者為氧艙設計了一款可活動的托盤。

兩個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,所以內部設計有混合系統但是單一鈑金面會影響混合效果,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,故筆者設計了板材底面做加強筋對其進行校正加強。為了操作方便筆者參考抽屜的開關結構為托盤做了抽拉裝置,選用了市面上常用的60 厘米三節阻尼滑軌,滑軌通過L 型鋁型材固定在托盤上,這樣既節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,所以筆者設計了一個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,膠水粘接強度可以做到跟母材的強度一致。

表1 扭緊力矩系數K

材料 適用介質 使用溫度/℃?運動用 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、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、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、植物油, 氧,弱酸,弱堿 -60～260 -60～260 不適用蒸汽,運動部位 應避免使用 氯磺化聚 乙烯 高溫油,氧,臭氧 100 -10～150 運動部位應避免使用 聚氨酯橡膠 水,油 60 -30～80 耐磨但應避免高速適用 氟橡膠 熱油,蒸汽,空氣,無機酸,鹵素類溶劑 150 -20～200 聚四氟乙烯 酸,堿,各種溶劑 -100～260 不適用運動部位

表2 O 形圈材料的選擇

4.4 密封的設計

氧艙正常使用的時候為正壓密封要求一定要高,否則壓力難以保持,難以升上去。像這么大的筒體不好做復雜的機械結構時常選用墊片密封。墊片的材質選擇查現代設計手冊表18-2-1 可知。氧艙艙體的密封屬于靜密封,介質為空氣所以邵氏度70 度的硅橡膠在壓縮量20%左右時即可滿足要求。

氧艙的拉桿使用的是16 毫米的不銹鋼鋼條,共六條,安裝時使用8.8 級的M16 的螺母,根據螺栓的扭力計算公式：

預緊力矩Mt=K×P0×d×0.001 N.m

P0：預緊力；

P0=σ0×As；

As=π×ds×ds/4 ds:螺紋部分危險剖面的計算直徑；

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(與強度等級相關,材質決定)；

K 值查表：(K 值計算公式略)。(表1)

螺母為一般加工表面無潤滑K 取值0.21,預緊力P0的取值為后門環受力六分之一的1.5 倍。后門環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,計算得Mt等于27N.m。艙門使用的是四個M16 的活結所以它的Mt約為40N.m,使用臂長150 毫米的羊角輪時兩臂的力為27 千克。

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

O 型圈的材料查表選用硅橡膠,其異味小,常用于醫療設備。O 型圈的線徑選為8.0 毫米,安裝槽開在了前門環上,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劑,開門的時候O 型圈都不會脫落。氧艙的進出氣口使用的是G1/4 快插接頭,中間的氣管為8*5 的PU 管,它的耐壓在1.0Mpa。出氣口后連接一個電磁閥并聯一個安全泄壓閥,后門板上零裝一個手動泄壓閥。

5 設備的測試與優化

設備的試驗機生產安裝完成之后需要進行功能性的測試。

首先開機檢測：檢測設備界面,各設置按鍵是否正常、檢測各元器是否正常工作、檢測各傳感器時候有數據、數據是否正確。

第二步：打開艙門拉出托盤放鼠籠,能否放兩個大鼠籠或者四個小鼠籠、滿載時來回抽拉滑軌上百次看滑軌是否卡頓、托盤是否平穩。第三步：讓一名小個子女測試員將艙門閉合以正常的出力將艙門鎖緊,設定升壓時間為一分鐘,流量計開至最大,壓力設定到130 千帕,啟動設備,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。第四步：將手持的各個傳感器放置在艙內的各個角落,放上動物,正常工作測試,氣體是否分布均勻、設備長時間運行時是否會有其它問題。第五步：將設備在各種情況下進行仿真運輸,看設備經過顛簸運輸之后是否還能正常使用。

設備測試完成之后發現一些問題要對設備進行優化：

(1)選用的腳輪在運輸過程中由于沒有剎車存在安全風險；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,室內空氣濕度比較高時無法有效降低艙內濕度；解決方案：設計了一款由風機和過濾桶組成的內循環除濕系統,可直接放在托盤的下方,不會占用空間。

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

(4)在設備運輸過程中發現設備進出門困難,過臺階時抬不動設備；解決方案：將上面的艙體與底座連接處分開,實現上下分體,安裝時直接坐上去就可以了。

(5)氧艙在測試過程中發現傳感器測出的濃度跟實際濃度不一致；解決方案：傳感器模塊設計上加裝風扇用于通風。

6 結論

此設備基于動物實驗高壓氧實驗需求就使用外部增壓密封保壓的設計要點展開結構設計。最終經過了氣體密封技術、鈑金折彎、電氣監控控制等手段制造出了結構簡單、使用方便、價格低廉,能有效的幫助致力于高壓氧醫療研究方面的工作者們進行動物實驗的設備。證明了制氧機在動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,且保證氧濃度。本文研究的一種動物實驗用高壓氧艙的設計過程為將來相關設計提供了一些參考。