何雪永

(上海塔望科技智能有限公司,上海201601)

高压氧舱在医学上的应用极其广泛,临床主要用于厌氧菌感染、CO 中毒、气栓病、减压病、缺血缺氧性脑病、脑外伤、脑血管疾病等的治疗。我国高压氧舱的应用与研究起步较晚,是在解放以后才得以发展壮大起来的。经过了几十年的飞速发展现在已经有一定的规模。在“GB 12130-1995- 医用高压氧舱”颁布之后我国的高压氧舱的发展才算正式步入成熟阶段。其中动物实验用高压氧舱较医用高压氧舱技术更差,但动物用实验氧舱在医疗上的研究过程是必不可少的。

1 设计目的

我国现今使用的实验用高压氧舱多为国外进口设备,其存在诸多不便之处。又由于国内医疗蓬勃发展且更加重视基础实验数据,对科研的投入逐年增多,因此对医疗实验设备的需求日益迫切。为了解决广大客户对高压氧舱实验器材的需求,解决进口实验高压氧舱价格昂贵、维修困难、技术支持难以及时到位的问题我司研发了此款高压氧舱。

2 参数计算

设计要求为平时使用2 个大气压的压力,内容积需要放下四个小鼠笼或者两个大鼠笼。小鼠笼尺寸为29*17.8*15.8 公分,大鼠笼尺寸为46*30*16 公分,那么根据常规鼠笼的尺寸大小直接可以确认舱体长90 公分。压力容器圆形舱受力情况要比矩形舱的受力情况好的多,但圆形舱空间利用率低。根据鼠笼尺寸计算可知圆形舱内径60 公分可以满足要求。为了进出方便设备整体宽度不能比正常门宽,一般门的宽度为80 厘米。

3 整体结构设计

如图1 所示,本人将氧舱设计为上下两部分。

图1 动物高压氧舱整体结构图

上部分为氧舱主体部分,内放置鼠笼用于密封、加压、锁压；下面部分为底座用于支撑主体部分和安装电路和气路。由于考虑到设备安装完成之后移动和运输所以安装脚轮,氧舱为了实现在实验过程中随时观察动物的情况,所以选用了透明的材料。氧舱内部放置笼子的平台下做导轨以方便取放鼠笼。

氧舱为了达到精准控制气体浓度和压力指数在舱内安装一组传感器模块,这其中包括二氧化碳传感器、压力传感器、氧浓度传感器、温湿度传感器。一组实验可能需要几个小时到几天不等,这期间动物都要待在氧舱里,而动物呼吸需要消耗氧气会产生二氧化碳,二氧化碳浓度过高会导致实验体中毒死亡,同时氧浓度也不能低,会影响实验结果。温湿度传感器是动物在呼吸时会将体内的水分带出从而增加氧舱内的空气湿度,湿度过高时会在氧舱内露也不利于实验体呼吸及实验结果,所以对以上参数进行监控以便及时控制换气。设备在高压状态下由于材料、安装、管路、阀门漏气渗气现象会使氧舱内压力持续降低,所以选用压力传感器监控压力,及时补充合适的气体。

底座设计为钣金框架,内部空间充足,后面留有安装检修门。客户实验时常不定使用气体钢瓶做气源时钢瓶气体并不能达到不间断使用的效果,而且耗气量大时成本过于高昂,所以在底座内安装高压制氧模块以满足需求。底座前面做一个斜面上安装面板,面板上有流量计和显示屏及机械压力表。流量计用于调节进气流量定时到达某压力,机械压力表用于校正压力传感器,防止传感器坏了不知道舱内压力,显示屏是触摸屏可以读取舱内参数及设计实验参数。面板可与底座拆分以便维修。

4 设计要点

4.1 舱体的设计

舱体在前文已确定了基本尺寸大小,但是厚度和材料都没有确定。首先,查询了机械设计手册得知当前常用的透明材料有以下几种：聚甲基丙烯酸甲酯也就是人常说的亚克力有机玻璃、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、玻璃。其中玻璃相对于另外三种材料来说重量高、韧性差、加工不易、成本高、采购难度高被直接舍弃。笔者选用了亚克力来做舱体。

材质确定之后需要对其厚度进行确认,这其中计算需要借助计算机软件进行仿真模拟。笔者使用的是制图常用的Solidworks 进行建模仿真模拟的。结果如图2、3 所示。

图2 应力分析图

图3 位移分析图

从应力分析图中可以看出笔者选用的6 毫米厚的亚克力桶在一个大气压的倍使用压力下其应力远远未达到材料的许用应力极限,所以可以使用。在位移分析中可以看出筒体在这个压力下最大位移形变只有0.4 毫米左右,这对安装和使用都没有影响。从分析上来看可以选用厚度更低的筒体,笔者多次询问亚克力厂家得知直径超过600 毫米的亚克力桶壁厚要超过6 毫米才能做,所以舱体厚度选定为6 毫米。

4.2 舱门的设计

舱体确定之后需要设计舱门了,舱门的密封需要通过对密封圈进行挤压才能达到效果。舱门的有效受力面积S=πr2,π 取值3.14,舱门的有效接触半径为0.32 米,其所受压力F 等于额定压力乘以受力面积S。计算可得F=32153.6N。根据计算所得数据在软件上建模分析。(图4、5)

图4 应力分析图

图5 安全系数分析图

由受力分析图可以看在材料为6061 的T6 调质板在20 毫米厚的情况下一个大气压的压力远未达到材料的屈服极限。从安全系数分析图里可以看出其最小安全系数为3.29,比常用的1.3 还高2 个点。

舱门与前门环的连接设计需要做到当舱门闭合时使用锁紧装置压迫舱门时合页不能形成阻碍且舱门打开角度要超过180°。

图6 合页结构

笔者在合页设计时将合页的连接处留了一个腰型孔,其可调范围是+2～-2 毫米之间。舱门的重量约为22 公斤,其中心距合页固定点及连接点都远,为了防止合页装好了之后舱门出现下沉现象,所以对合页之间的配合要求极高,公差要求在0.01毫米之间同时材料选用刚性较好的304 不锈钢[1]。

为了保证舱门的密封对其锁紧结构进行设计。笔者对比了几种目前常用的锁紧装置,选用了一种活结配合L 型角码的锁紧结构。将两个L 型角码固定在前门环的背面,中间穿过一根轴,轴同时过活结,前门环上开四个开口让活结通过。活结上使用羊角轮以方便客户使用。

4.3 托盘的设计

氧舱需要要放置两个大鼠笼或者四个小鼠笼,为了保证空间充足笔者将氧舱的长度选为了0.9 米。从人机工程学的表格可以查出成年男性的臂展长70 厘米左右,成年女性臂长在60厘米左右,所以当氧舱内部需要操作时客户是不方便的。为了解决这个问题笔者为氧舱设计了一款可活动的托盘。

两个大鼠笼的满载重量在20 千克左右,所以托盘的盘面使用1.5 毫米不锈钢钣金折弯成型,表面使用镜面美观大方。氧舱需要保证各处的气体浓度基本一致,所以内部设计有混合系统但是单一钣金面会影响混合效果,所以托盘上开有大小不一的腰型孔。由于这么大的不锈钢板材平面度难以保证,故笔者设计了板材底面做加强筋对其进行校正加强。为了操作方便笔者参考抽屉的开关结构为托盘做了抽拉装置,选用了市面上常用的60 厘米三节阻尼滑轨,滑轨通过L 型铝型材固定在托盘上,这样既节省成本又能保证平面度。氧舱的筒壁不能直接开孔安装滑轨,所以笔者设计了一个亚克力的连接块用于固定滑轨,连接块直接使用胶水固定在氧舱上,胶水粘接强度可以做到跟母材的强度一致。

表1 扭紧力矩系数K

材料 适用介质 使用温度/℃�运动用 静止用 丁腈橡胶 矿物油,汽油,苯 80 -30～120 氯丁橡胶 空气,水,氧 80 -40～120 丁基橡胶 动、植物油,弱酸,弱碱 80 -30～110 永久变形大,不适用矿物油 丁苯橡胶 碱,动、植物油,水,空气 80 -30～100 不适用矿物油 天然橡胶 水,弱酸,弱碱 60 -30～90 不适用矿物油 硅橡胶 高、低温油,矿物油,动、植物油, 氧,弱酸,弱碱 -60～260 -60～260 不适用蒸汽,运动部位 应避免使用 氯磺化聚 乙烯 高温油,氧,臭氧 100 -10～150 运动部位应避免使用 聚氨酯橡胶 水,油 60 -30～80 耐磨但应避免高速适用 氟橡胶 热油,蒸汽,空气,无机酸,卤素类溶剂 150 -20～200 聚四氟乙烯 酸,碱,各种溶剂 -100～260 不适用运动部位

表2 O 形圈材料的选择

4.4 密封的设计

氧舱正常使用的时候为正压密封要求一定要高,否则压力难以保持,难以升上去。像这么大的筒体不好做复杂的机械结构时常选用垫片密封。垫片的材质选择查现代设计手册表18-2-1 可知。氧舱舱体的密封属于静密封,介质为空气所以邵氏度70 度的硅橡胶在压缩量20%左右时即可满足要求。

氧舱的拉杆使用的是16 毫米的不锈钢钢条,共六条,安装时使用8.8 级的M16 的螺母,根据螺栓的扭力计算公式：

预紧力矩Mt=K×P0×d×0.001 N.m

P0：预紧力；

P0=σ0×As；

As=π×ds×ds/4 ds:螺纹部分危险剖面的计算直径；

ds=(d2+d3)/2；

d3= d1-H/6 H：螺纹牙的公称工作高度；

σ0 =(0.5～0.7)σs；

σs——螺栓材料的屈服极限N/mm2(与强度等级相关,材质决定)；

K 值查表：(K 值计算公式略)。(表1)

螺母为一般加工表面无润滑K 取值0.21,预紧力P0的取值为后门环受力六分之一的1.5 倍。后门环受力取值为舱门的受力为32153.6 牛。螺纹的公称直径取16 毫米,计算得Mt等于27N.m。舱门使用的是四个M16 的活结所以它的Mt约为40N.m,使用臂长150 毫米的羊角轮时两臂的力为27 千克。

舱门与前门环的密封选用的是O 型圈密封,O 型圈密封在静密封时要求更低,有自密封的作用,安装部位结构紧凑,成本低廉。(表2)

O 型圈的材料查表选用硅橡胶,其异味小,常用于医疗设备。O 型圈的线径选为8.0 毫米,安装槽开在了前门环上,槽为矩形槽,深5 毫米宽7.8 毫米。这样开槽能直接不使用任何粘结剂,开门的时候O 型圈都不会脱落。氧舱的进出气口使用的是G1/4 快插接头,中间的气管为8*5 的PU 管,它的耐压在1.0Mpa。出气口后连接一个电磁阀并联一个安全泄压阀,后门板上零装一个手动泄压阀。

5 设备的测试与优化

设备的试验机生产安装完成之后需要进行功能性的测试。

首先开机检测：检测设备界面,各设置按键是否正常、检测各元器是否正常工作、检测各传感器时候有数据、数据是否正确。

第二步：打开舱门拉出托盘放鼠笼,能否放两个大鼠笼或者四个小鼠笼、满载时来回抽拉滑轨上百次看滑轨是否卡顿、托盘是否平稳。第三步：让一名小个子女测试员将舱门闭合以正常的出力将舱门锁紧,设定升压时间为一分钟,流量计开至最大,压力设定到130 千帕,启动设备,看压力是否能正常升压降压,检测安全阀是否正常工作,检测气密性如何是否有漏气的点。第四步：将手持的各个传感器放置在舱内的各个角落,放上动物,正常工作测试,气体是否分布均匀、设备长时间运行时是否会有其它问题。第五步：将设备在各种情况下进行仿真运输,看设备经过颠簸运输之后是否还能正常使用。

设备测试完成之后发现一些问题要对设备进行优化：

(1)选用的脚轮在运输过程中由于没有刹车存在安全风险；解决方案：改用锰钢带刹车的脚轮。

(2)单一的靠换气在满载的情况下,室内空气湿度比较高时无法有效降低舱内湿度；解决方案：设计了一款由风机和过滤桶组成的内循环除湿系统,可直接放在托盘的下方,不会占用空间。

(3)合页加工精度高,材料浪费样子,成本高；舱门下沉,舱门合上时锁孔对不上锁门的时候必须抬起舱门才能锁紧；优化方案：将合页结构改成由三部分组成的合页,最后安装时现场焊接安装,这样既节约的成本又能保证合页不下沉。

(4)在设备运输过程中发现设备进出门困难,过台阶时抬不动设备；解决方案：将上面的舱体与底座连接处分开,实现上下分体,安装时直接坐上去就可以了。

(5)氧舱在测试过程中发现传感器测出的浓度跟实际浓度不一致；解决方案：传感器模块设计上加装风扇用于通风。

6 结论

此设备基于动物实验高压氧实验需求就使用外部增压密封保压的设计要点展开结构设计。最终经过了气体密封技术、钣金折弯、电气监控控制等手段制造出了结构简单、使用方便、价格低廉,能有效的帮助致力于高压氧医疗研究方面的工作者们进行动物实验的设备。证明了制氧机在动物高压氧疗上使用可行性,建议使用能输出高压力的制氧机,且保证氧浓度。本文研究的一种动物实验用高压氧舱的设计过程为将来相关设计提供了一些参考。