CN117456795A - 一种正压式空气呼吸器仿真模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正压式空气呼吸器仿真模拟装置，用于教学、作训，涉及呼吸器训练装置技术领域，包括高压气瓶模型、面罩、供气阀、风机和报警压力表模型；供气阀与面罩连接且供气阀的出气口和面罩的进气口连通，风机集成设置于供气阀内，风机进风口连通大气，风机的出风口连通供气阀的出气口；供气阀配置有微控电路板，微控电路板控制风机变频工作，报警压力表模型设置于高压气瓶模型自身配置的高压气管末端，面罩内气压大于第一阈值时，面罩内的混合气体能够依次经过供气阀的出气口、风机的出风口、风机的进风口后排出。本发明提供的正压式空气呼吸器仿真模拟装置利用风机进行供气，提高训练安全性、降低训练成本，仿真效果好，进而提高训练质量。

Description

一种正压式空气呼吸器仿真模拟装置

技术领域

本发明涉及呼吸器训练装置技术领域，特别是涉及一种正压式空气呼吸器仿真模拟装置。

背景技术

正压式空气呼吸机（以下简称“装备”）是地面应急救援消防队员，个人自救主要装备之一，其主要功能一线指战员在高危（无呼吸条件）环境，抢险、救灾、救援，全程安全的保障。

正压式空气呼吸机基本由面罩组件、供气阀组件、减压器组件、高压气瓶组件、背托组件和监测组件组成。其工作原理是通过对高压储气瓶技术处理（高压储气、减压、调压等），使用者实施对面罩舱呼气（打开排空阀—“吐废气”）、吸气（打开供气阀“纳新气”）间接供、排气运行，同时要求其运行过程面罩舱内始终保持舱内压力大于舱外压力，循环往复，依据系统设定额定指标完成既定时间内的替代呼吸。

目前教学、作训仅采用真实装备进行，因装备内存在高压气体，不安全且成本高，现行推出的一些训练用“模拟呼吸机”仍处于模型阶段，仿真性差。

基于此，急需一种新型的方案来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种正压式空气呼吸器仿真模拟装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高安全性，降低训练成本，提高训练水准。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种正压式空气呼吸器仿真模拟装置，包括高压气瓶模型、面罩、供气阀、风机和报警压力表模型；所述高压气瓶模型配置有背托，所述供气阀与所述面罩连接且所述供气阀的出气口和所述面罩的进气口连通，所述风机集成设置于所述供气阀内，所述风机进风口连通大气，所述风机的出风口连通所述供气阀的出气口；所述供气阀内配置有微控电路板，所述微控电路板控制所述风机变频工作，所述报警压力表模型设置于所述高压气瓶模型自身配置的高压气管末端，所述报警压力表模型能够模拟压力显示，所述面罩内气压大于第一阈值时，所述面罩内的混合气体能够依次经过所述供气阀的出气口、所述风机的出风口、所述风机的进风口后排出。

优选的，所述风机和所述高压气瓶模型的电力来源于电能基站，所述电能基站设置于所述高压气瓶模型内部，所述高压气瓶模型内部配置有配重机构，所述电能基站与所述风机之间的电线穿设于所述高压气瓶模型自身配置的输气管中，所述电能基站与所述高压气瓶模型之间的电线穿设于所述高压气管中。

优选的，所述正压式空气呼吸器仿真模拟装置配置有电气总开关，所述电气总开关为接点开关，所述高压气瓶模型配置有气瓶阀模型，所述接点开关配置于所述气瓶阀模型内部，通过旋转所述气瓶阀模型的手轮来改变所述接点开关的通断状态。

优选的，所述报警压力表模型包括表针、报警器以及驱动所述表针旋转的电机；所述报警压力表模型的外观与真实的报警压力表一致，所述报警压力表模型还配置有与真实的报警压力表相同的平视显示、无线远传、仪表背光、开关机提示、寻求他救及欠电提示功能。

优选的，所述面罩内配置有平视显示系统，所述平视显示系统自身配有电池，所述平视显示系统和所述报警压力表模型无线通信连接。

优选的，所述供气阀的出气口和所述面罩的进气口插接，且两者之间的距离不大于30mm。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的正压式空气呼吸器仿真模拟装置中的风机集成设置于供气阀内配置有微控电路板以实现变频工作，且供气阀的出气口和面罩的进气口直接连通，两者之间的距离短，风量损耗小，进而实现向面罩内充分的供气，摒弃了传统的高压储气，降低了训练成本，提高了使用安全性，且外形仿真设置，其中直接借用真正的正压式空气呼吸器中的原件及结构，以获取最好的仿真程度，进而提高训练质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为真实装备的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明实施例提供的正压式空气呼吸器仿真模拟装置的结构示意图；

图4为高压气瓶模型的内部结构示意图；

图5为气瓶阀模型的结构示意图；

图6为报警压力表模型的结构示意图；

图7为图6的剖视图；

图8为风机静态动态工作时，每分钟的进风量与面罩内压强之间的关系曲线图；

图1和图2中：101-装备背托、102-装备连接螺栓、103-装备减压阀；104-装备瓶阀；105-装备气瓶；106-装备气瓶保护胶套；107-装备中压导管；108-装备快插接头；109-装备供气阀；110-装备平视显示系统；111-装备面罩；112-装备压力表导管；113-装备气瓶紧固带；114-装备报警压力表。

图3~图8中：1-气瓶阀模型；2-背托；3-配重机构；4-电能基站；5-高压气瓶模型；6-报警压力表模型；8-平视显示系统；9-风机；10-面罩；11-配重支撑杆；12-配重块；13-供气阀；14-带有蜂鸣器组的后盖；15-主控线路板；16-步进电机；18-仪表盘；19-外供电源；20-表接头；21-外胶套；22-表针；23-气瓶阀外壳；24-接点开关支架；25-接点开关；26-支撑弹簧；27-开关压帽；28-开关杆；29-手轮；30-手轮上盖；31-开关杆紧固螺丝；32-垫片；33-压帽垫圈；34-开关正极输出；35-开关正极输入。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为真实装备的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

本发明的目的是提供一种正压式空气呼吸器仿真模拟装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高安全性，降低训练成本，提高训练水准。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在研发阶段，发明人深度分析技术层面的缺陷大概率是由高压存储单元，即高压气瓶而导致的，分析如下：

a：高压气瓶(隶属高压容器)、安全管控级别高、发生安全隐患的根源（Pmax=106MPa）；

b：产品造价高；

c：应用管理成本高（气体充填、配套设备、专职工程师适值、定期检定、附属设备维护保养）；

d：不适应作训教学（集群教学、高频使用、辅助设备供求比、技术管理、安全监护、维护、保养、存储）；

基本结论：替代正压式空呼机训练用装置首先需要舍弃高压气瓶。

然而若不利用高压气瓶充填压缩空气，正压式空气呼吸器将直接面临“监测报警”和“供气阀”这两个动态执行单元在无压源状况下，将无法正常工作。只有新构建两个模拟、仿真输供气及模拟报警替代单元，才能实现真正意义上实现仿真模拟。

最终得出结论:仿真模拟装置除无需高压储气单元外，还应至少配置仿真、模拟供气阀及模拟监测报警两动态执行单元。

基于此，本发明提供了如下方案来解决上述问题。

如图3~图7所示，本发明提供一种正压式空气呼吸器仿真模拟装置，用于教学、作训，以下简称空模机，空模机包括高压气瓶模型5、面罩10、供气阀13、风机9和报警压力表模型6；高压气瓶模型5配置有背托2，供气阀13与面罩10连接且使得供气阀13的出气口与面罩10的进气口连通，插接，且两者之间的距离不大于30mm，以尽量减小供气阀13的出气口与面罩10进气口之间的距离，减小风量损失，进而使得风机9产生的风量满足呼吸需求，风机9集成设置于供气阀13内，风机9进风口连通大气，风机9的出风口连通供气阀13的出气口；风机9由微控电路板以实现变频工作，报警压力表模型6设置于高压气瓶模型5自身配置的高压气管末端，报警压力表模型6能够模拟压力显示。

因空模机的面罩10借用真实装备中的构造，然而，装备面罩111排气阀开启压力一般为350~380Pa，空模机最高动态压力300~330Pa，显然借用面罩10无法正常开阀排气。为了解决这一难题，本专利依据输供气气流量为矢量特征，利用气流矢量叠加特性，既系统最高动态压力330Pa及系统静态工作140~150Pa瞬态矢量差值，自然完成借用风机9的送气通道，实施风机9瞬态反向输排气。因此，当面罩10内气压大于第一阈值时，面罩10内的混合气体能够依次经过供气阀13的出气口、风机9的出风口、风机9的进风口后排出。

其中的高压气瓶模型5、面罩10、供气阀13均直接借用真实装备中的结构，高压气瓶模型5中并不填充压缩气体，为了适应安装风机9，在供气阀13相应位置设置一个安装腔体。空模机仅适合无毒无害大气空间、无需充填压缩空气，可替代真实装备对所需人群进行培训，例如对消防员进行做训等。

本发明提供的正压式空气呼吸器仿真模拟装置中的风机9集成设置于供气阀13内，风机9由微控电路板以实现变频工作，且供气阀13的出气口和面罩10的进气口直接连通，两者之间的距离短，风量损耗小，进而实现向面罩10内充分的供气，摒弃了传统的高压气瓶储气，降低了训练成本，提高了安全性，且外形仿真设置，其中的组件直接借用真正压式空气呼吸器中组件及结构，例如背托2、面罩10以及高压气瓶上的帽堵、气管等组件，以获取最好的仿真程度，进而提高训练质量。

优选的，风机9转数在4700~6700转/min之间变频控制，以此满足使用者常规、疲劳不同的状态供气需求。

本发明实施例中报警压力表模型6包括表针22、报警器以及驱动表针22旋转的步进电机16；报警压力表模型6的外观与真实的报警压力表一致，报警压力表模型6还配置采用无线远传形式的平视显示、仪表背光、开关机提示、寻求他救及欠电提示功能，这些功能借用真实的报警压力表中的结构。

本实施例选择步进电机16利用微控管理技术实现空模机模拟报警压力表监测、显示功能，报警压力表模型6自身配置有主控线路板15，主控线路板15控制步进电机16工作，进而带动表针22旋转以模拟动态运行的瞬态压力值，当表针22旋转所设定的角度时，即在仪表盘18上，表针22指向一个最低设定阈值，此时，主控线路板15即控制报警器进行报警，报警器的样式借用真实装备中的结构，例如采用声、光报警。

如图6和图7所示，本实施例中报警压力表模型6的表接头20、背光板、防护（即图中的外胶套21）等均与真实装备一致；同时移植所有内在功能，例如报警设定值，声、光报警，平视显示，无线远传、开关机提示、寻求他救及欠电提示功能等均也与真实装备高度仿真。

具体实施例中，报警压力表模型6是由带有蜂鸣器组的后盖14、主控线路板15、步进电机16、背光板、仪表盘18、外供电源19、表针22、外胶套21、表接头20等组成，当空模机上电后，模拟报警压力表开机，步进电机16拖动仪表指针匀速顺时旋转至设定上限（30MPa）、10s计时后步进电机16开始拖动仪表指针逆时针按设定速率回归至“0”位（规定下限），断电（模拟关闭瓶阀），系统恢复待机状态。

报警压力表模型6和风机9的电能均来自于电能基站4，电能基站4设置于高压气瓶模型5内部，对电能基站4隐藏设置，以获得最好的外形仿真效果。电能基站4与风机9之间的电线穿设于高压气瓶模型5自身配置的输气管中，电能基站4与高压气瓶模型5之间的电线穿设于高压气管中。

考虑到高压气瓶模型5中并没有充填高压气体，因此其重量低于规定值，不符合训人员的负载训练标准，基于此，本发明优选的实施例中，高压气瓶模型5内部配置有配重机构3。配重机构3的具体重量根据真实装备中气瓶的重量来进行设定。配重机构3包括配重支撑杆11和配重块12等，配重块12可更换。

本发明优选的实施例中，如图5所示，正压式空气呼吸器仿真模拟装置配置有电气总开关，电气总开关为接点开关25，高压气瓶模型配置有气瓶阀模型，为高仿原气瓶阀，对原气阀内腔做技术改造，模拟利用原气瓶阀开、关动作、力度（扭矩），完成电气总开关功能，气瓶阀模型1内部配置有常闭型接点开关25，通过旋转气瓶阀模型1的手轮29来改变接点开关25的通断状态。

具体的，气瓶阀模型1借用真实的气瓶阀，并在气瓶阀内部设置一个容纳接点开关25的位置，并对应设置有一个开关杆28，开关杆28的一端与手轮29建立连接关系，另一端朝向接点开关25延伸，接点开关25的开关在不受压力时，触点处于闭合状态（整个装置通电状态），当旋转手轮29带动开关杆28靠近接点开关25时，开关杆28顶接点开关25的开关使其受压并移动一定的距离后触点即处于分离状态（断电状态），这样能够更加真实地模拟真实装备中手轮29拧动规律，即关阀断气时逆时针向拧动手轮29使得手轮29朝内侧移动，开阀供气时顺时针拧动手轮29使得手轮29朝外侧移动。为了模拟真实气瓶阀打开和闭合时的扭矩，在开关杆28朝向接点开关25的一侧设置一个支撑弹簧26，通过支撑弹簧26的弹力作用来模拟真实手轮29拧动时的扭矩。

更为具体的，制作气瓶阀模型1时，摒弃真实气瓶阀内的阀芯以及阀杆，采用接点开关25以及开关杆28来替代阀芯以及阀杆。

于优选的实施例中，面罩10内配置有平视显示系统8完成使用者自监（即使用者自己能够观察到信号），平视显示系统8内自备锂电池并和报警压力表模型6实施无线通信连接，实现信号联动，即报警压力表模型6报警后即可控制平视显示系统8进行信号显示。

风机的微控电路板设计为“二级运行”变频模式，一级运行模式：常规型供气阀13输供模式（运行中、前期）；二级运行模式：增强型供气阀13输供模式（运行后期）满足大进风量需求。

本发明提供的空模机的工作过程是：打开气瓶阀模型1上的开关，报警压力表模型6启动（背光亮）顺时旋转至设定上限，平视显示系统绿灯同时常亮，风机9主板上电，在供气阀上设置有功能键，功能键控制风机9的运行模式，单点功能键，风机9一级旋转造气、随着风机9做功汇合腹腔储气呼出达到面罩10舱动态压力上限，混合废气通过风机9进气口排向大气空间，循环往复，直至完成设定任务。当后期呼吸运行，感觉供气不足，双点功能键，风机9进入二级加速工作状态，除增加气量外，所有环节均保持不变。

本发明通过引入电能基站4使风机9（风动元件），在供气阀13内舱高速运转，风机9在微控管理条件下，完成呼、吸动态用气储备；实现电能转换为风能，使面罩10舱内静压、动态风压、呼阻力、吸阻力各参数均达到装备GB124-2013《正压式消防空气呼吸器》标准要求。

风机9静态、动态工作工作时，每分钟的进风量与面罩10内压强之间的关系曲线图；如图8，静态是指仅存在风机9的供气过程，无人员呼气过程，动态是指风机9的供气过程与人员呼气过程（胸腔内压）同时存在。需要说明的是，图8中示意的曲线中，静态工作时，当面罩10内的气压达到220Pa时，因气阻的存在，在风机9功率不变的情况下，进气量趋近于零，当面罩10内压强趋近于0时，进气量达到最大值；动态工作时，当面罩10内的气压达到330Pa时，因气阻的存在会使得进气量趋近于零，当面罩10内压强趋近于0时，进气量达到最大值。

空模机设计初衷追求在模拟中恪守高仿原则，具体做到：两技术核心：供气阀13，内在通过风动元件的动态运行完全达到自救装备技术要求；外形高仿逼真自救装备造型、进气口、开关操作、防护外胶套21等所有细节均在严格管控中。报警压力表模型6内在通过步进电机16模拟动态运行及移植自救装备用报警表所有相关技术；外观直接选用自救装备用报警表的表壳、外胶套、表盘、指针等。两单元均实现高仿原则。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种正压式空气呼吸器仿真模拟装置，其特征在于：包括高压气瓶模型、面罩、供气阀、风机和报警压力表模型；所述供气阀与所述面罩连接且所述供气阀的出气口和所述面罩的进气口连通，所述风机集成设置于所述供气阀内，所述风机进风口连通大气，所述风机的出风口连通所述供气阀的出气口；所述供气阀内配置有微控电路板，所述微控电路板控制所述风机变频工作，所述报警压力表模型设置于所述高压气瓶模型自身配置的高压气管末端，所述报警压力表模型能够模拟压力显示，所述面罩内气压大于第一阈值时，所述面罩内的混合气体能够依次经过所述供气阀的出气口、所述风机的出风口、所述风机的进风口后排出，所述高压气瓶模型配置有背托。

2.根据权利要求1所述的正压式空气呼吸器仿真模拟装置，其特征在于：所述风机和所述高压气瓶模型的电力来源于电能基站，所述电能基站设置于所述高压气瓶模型内部，所述高压气瓶模型内部配置有配重机构，所述电能基站与所述风机之间的电线穿设于所述高压气瓶模型自身配置的输气管中，所述电能基站与所述高压气瓶模型之间的电线穿设于所述高压气管中。

3.根据权利要求1所述的正压式空气呼吸器仿真模拟装置，其特征在于：所述正压式空气呼吸器仿真模拟装置配置有电气总开关，所述电气总开关为接点开关，所述高压气瓶模型配置有气瓶阀模型，所述接点开关配置于所述气瓶阀模型内部，通过旋转所述气瓶阀模型的手轮来改变所述接点开关的通断状态。

4.根据权利要求2所述的正压式空气呼吸器仿真模拟装置，其特征在于：所述报警压力表模型包括表针、报警器以及驱动所述表针旋转的电机；所述报警压力表模型的外观与真实的报警压力表一致，所述报警压力表模型还配置有与真实的报警压力表相同的平视显示、无线远传、仪表背光、开关机提示、寻求他救及欠电提示功能。

5.根据权利要求4所述的正压式空气呼吸器仿真模拟装置，其特征在于：所述面罩内配置有平视显示系统，所述平视显示系统自身配有电池，所述平视显示系统和所述报警压力表模型采用无线通信连接。

6.根据权利要求1所述的正压式空气呼吸器仿真模拟装置，其特征在于：所述供气阀的出气口和所述面罩的进气口插接，且两者之间的距离不大于30mm。