不同結(jié)構(gòu)形式自攜式潛水呼吸器一級減壓器供氣性能研究

狄?guī)?，顧靖華，柳初萌，羅瑞豪

潛水裝具是提供潛水員在水下作業(yè)過程中正常呼吸的關(guān)鍵裝備，是一種特殊的個人防護裝備，直接影響水下人員的安全和工作效能［1］。潛水裝具按其重量分為輕、重2 種類型。其中，輕潛水裝具主要使用自攜式潛水呼吸器或管供式潛水呼吸器作為呼吸裝置［2］。潛水呼吸器是潛水員為適應(yīng)水下環(huán)境、保證水下正常呼吸，以保障其生命安全所攜帶的器材，是提供潛水員進行水下作業(yè)、探測的工具，是潛水裝具的核心部分［3］。目前廣泛使用的自攜式潛水呼吸器主要由氣瓶組件、一級減壓器、呼吸調(diào)節(jié)器和中壓軟管等組成，其中一級減壓器的作用是將氣瓶中的高壓空氣減壓至中壓，供給呼吸調(diào)節(jié)器，以滿足潛水員的呼吸需要，其性能對潛水呼吸器的供氣流量、呼吸阻力等均起關(guān)鍵作用。潛水呼吸器一級減壓器本質(zhì)上是氣動減壓器，主要性能包括動態(tài)過程與靜態(tài)過程的壓力特性和流量特性［4］、調(diào)壓范圍［5］和溢流特性［6］等。

潛水呼吸器一級減壓器按壓力機械結(jié)構(gòu)可以分為活塞式和隔膜式，從壓力感應(yīng)來看，活塞式是由外部水壓直接傳送至活塞；隔膜式是由水壓傳至彈性隔膜，由隔膜內(nèi)的連桿傳遞受壓后的運動來控制閥的作動。按閥的形式可以分為平衡式和非平衡式，非平衡式閥盡管故障率較低，但供氣流量會受氣瓶壓力或水深的影響；平衡式閥則不會受影響，能夠穩(wěn)定維持氣流供應(yīng)，因此現(xiàn)已基本采用平衡式閥。

本研究通過無人性能試驗，對不同結(jié)構(gòu)形式的自攜式潛水呼吸器一級減壓器的動態(tài)壓降、動靜壓差、最大供氣流量性能進行對比研究，分析討論不同結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點，為設(shè)計、評價和選用自攜式潛水呼吸器提供參考。

1 材料與方法

1.1 受試裝備 受試一級減壓器共15 型，其中平衡活塞式7 型，平衡隔膜式8 型。

1.2 試驗系統(tǒng) 試驗系統(tǒng)包括氣源、截止閥、壓力表、一級減壓器、中壓軟管和流量計。見圖1。

圖1 試驗系統(tǒng)圖

1.3 試驗方法 （1）將受試一級減壓器接入圖1試驗系統(tǒng)，其中壓力出口通過中壓軟管與流量計連接；（2）將進口壓力分別調(diào)整至3.5、12、20 MPa；（3）記錄不同進口壓力下出口壓力，即為靜態(tài)出口壓；（4）打開流量測試閥，待流量計讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄流量計讀數(shù)，即為最大供氣流量，并記錄此時一級減壓器的動態(tài)出口壓，即中壓端動態(tài)壓力，將靜態(tài)出口壓減去動態(tài)出口壓，即為動態(tài)壓降；（5）關(guān)閉流量測試閥，記錄此時一級減壓器出口壓力，將該壓力減去動態(tài)出口壓，即為動靜壓差。

每型一級減壓器均進行5 次試驗，取5 次試驗數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為最終試驗結(jié)果。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS 26.0 統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理，組間比較采用獨立樣本t檢驗。采用線性回歸分析探討最大供氣流量的影響因素。P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 最大供氣流量 隨著輸入壓力升高，平衡隔膜式一級減壓器的最大供氣流量平均值提高了7.2%，但不同輸入壓力下其差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；平衡活塞式一級減壓器的最大供氣流量平均值提高了5.0%，不同輸入壓力下其差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

輸入壓力為3.5 MPa 時，平衡活塞式一級減壓器最大供氣流量平均值［（1 529.1 ± 114.2） L/min］比平衡隔膜式一級減壓器最大供氣流量平均值［（1 286.2 ± 142.5） L/min］高18.9%，其差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.003）；輸入壓力為12 MPa 時，平衡活塞式一級減壓器最大供氣流量平均值［（1 575.0 ± 86.6） L/min］比平衡隔膜式一級減壓器最大供氣流量平均值［（1 355.6 ± 177.9） L/min］高16.2%，其差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.011）；輸入壓力為20 MPa 時，平衡活塞式一級減壓器最大供氣流量平均值［（1 606.2 ± 90.7） L/min］比平衡隔膜式一級減壓器最大供氣流量平均值［（1 379.7 ±210.6） L/min］高16.4%，其差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.021）。

由此可見，在不同的輸入壓力下，平衡活塞式一級減壓器比平衡隔膜式一級減壓器的最大供氣流量更大。

2.2 動態(tài)壓降 隨著輸入壓力升高，平衡隔膜式一級減壓器的動態(tài)壓降平均值下降了38.2%，但不同輸入壓力下其差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；平衡活塞式一級減壓器的動態(tài)壓降平均值提高了13.3%，不同輸入壓力下其差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

輸入壓力為3.5 MPa 時，平衡活塞式一級減壓器動態(tài)壓降平均值［（0.030 ± 0.019） MPa］比平衡隔膜式一級減壓器動態(tài)壓降平均值［（0.170 ±0.081） MPa］低82.4%，其差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.002）；輸入壓力為12MPa 時，平衡活塞式一級減壓器動態(tài)壓降平均值［（0.033 ± 0.011） MPa］比平衡隔膜式一級減壓器動態(tài)壓降平均值［（0.118 ±0.054） MPa］低72.0%，其差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.003）；輸入壓力為20 MPa 時，平衡活塞式一級減壓器動態(tài)壓降平均值［（0.034 ± 0.023） MPa］比平衡隔膜式一級減壓器動態(tài)壓降平均值［（0.105 ±0.052） MPa］低67.6%，其差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.005）。

由此可見，在不同的輸入壓力下，平衡活塞式一級減壓器比平衡隔膜式一級減壓器的動態(tài)壓降更低。

2.3 動靜壓差 隨著輸入壓力升高，平衡隔膜式一級減壓器的動靜壓差平均值下降了36.5%，但不同輸入壓力下其差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；平衡活塞式一級減壓器的動靜壓差平均值提高了63.6%，不同輸入壓力下其差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

輸入壓力為3.5 MPa 時，平衡活塞式一級減壓器動靜壓差平均值［（0.033 ± 0.029） MPa］比平衡隔膜式一級減壓器動靜壓差平均值［（0.170 ±0.080） MPa］低80.6%，其差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.001）；輸入壓力為12 MPa 時，平衡活塞式一級減壓器動靜壓差平均值［（0.047 ± 0.030） MPa］比平衡隔膜式一級減壓器動靜壓差平均值［（0.122 ±0.054） MPa］低61.5%，其差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.006）；輸入壓力為20 MPa 時，平衡活塞式一級減壓器動靜壓差平均值［（0.054 ± 0.042） MPa］比平衡隔膜式一級減壓器動靜壓差平均值［（0.108 ±0.035） MPa］低50.0%，其差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.019）。

由此可見，在不同的輸入壓力下，平衡活塞式一級減壓器比平衡隔膜式一級減壓器的動靜壓差更低。

3 最大供氣流量影響因素的線性回歸分析

3.1 平衡活塞式一級減壓器 分別建立平衡活塞式一級減壓器的單變量線性回歸模型和雙變量線性回歸模型。模型中，因變量都是“最大供氣流量”，單變量模型的自變量是“中壓端動態(tài)壓力”，雙變量模型的自變量是“中壓端動態(tài)壓力”和“國內(nèi)外”（國外賦值為1，國內(nèi)賦值為2）。

單變量模型中，德賓-沃森值（Durbin-Watson，DW）為1.848，樣 本 獨 立 性 良 好；R=0.947，R2=0.897，最大供氣流量的89.7%是由“中壓端動態(tài)壓力”造成的。

雙變量模型中，DW 值為2.034，具有非常好的樣本獨立性；方差膨脹系數(shù)（variance inflation factor， VIF）為1.942（＜5），說明模型沒有多重共線性問題，模型構(gòu)建良好；R=0.961，R2=0.923，最大供氣流量的92.3% 是由于“國內(nèi)外”和“中壓端動態(tài)壓力”造成的。因此，“中壓端動態(tài)壓力”是影響最大供氣流量的主要因素。線性回歸方程如下所示：

式（1）中，x表示中壓端動態(tài)壓力（MPa），y表示國內(nèi)外（國外賦值為1，國內(nèi)賦值為2），z表示預(yù)測最大供氣流量（L/min）。

從式（1）可以看出：

x系數(shù)為2 183.51，即中壓端動態(tài)壓力每提高0.1 MPa，最大供氣流量就能提升218.3 L/min。

y系數(shù)為43.765 是正值，表示當(dāng)x不變時，國內(nèi)產(chǎn)品的預(yù)測最大供氣流量要比國外產(chǎn)品高43.765 L/min。之前的數(shù)據(jù)分析中，國外產(chǎn)品的最大供氣流量普遍高于國內(nèi)產(chǎn)品，主要是因為國外產(chǎn)品中壓端動態(tài)壓力更高［7］。

3.2 平衡膈膜式一級減壓器 對于平衡隔膜式一級減壓器，其雙變量模型的DW 值為0.652，樣本獨立性欠佳；R=0.594，R2=0.353，最大供氣流量的35.3% 是由于“國內(nèi)外”和“中壓端動態(tài)壓力”造成的。

因此，在當(dāng)前數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，“中壓端動態(tài)壓力”并不是影響平衡隔膜式一級減壓器最大供氣流量的主要因素，有可能是樣本量不足，也有可能和平衡隔膜式一級減壓器的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

4 討論

一級減壓器的最大供氣流量決定了整個潛水呼吸器系統(tǒng)的最大供氣流量上限，是一級減壓器最重要的性能。供氣流量不足可能引起呼吸阻力大幅增加，甚至潛水員吸氣流量不能滿足其自身基本需求而造成危險。對于潛水呼吸器一級減壓器，獲取其“中壓端動態(tài)壓力”參數(shù)要比“最大供氣流量”更容易。本研究基于現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)建立了平衡活塞式一級減壓器的線性回歸方程，在已知“中壓端動態(tài)壓力”的情況下，可以利用線性回歸方程初步預(yù)估其“最大供氣流量”，有助于在缺乏試驗條件的情況下快速了解某平衡活塞式一級減壓器的供氣性能，方便使用者快速評價和選用自攜式潛水呼吸器的一級減壓器。

此外，本研究從最大供氣流量、動態(tài)壓降和動靜壓差3 個方面量化對比平衡活塞式和平衡隔膜式一級減壓器的無人試驗性能。從試驗數(shù)據(jù)來看，相比平衡隔膜式一級減壓器，平衡活塞式一級減壓器的最大供氣流量更大，動態(tài)壓降和動靜壓差更低，供氣性能更加穩(wěn)定，受氣瓶壓力變化的影響小。然而，平衡活塞式一級減壓器雖然結(jié)構(gòu)簡單，維護、維修成本低，但體積較大［8］，且每次使用必須導(dǎo)入水接觸活塞，所以使用后需要特別注意泥沙的清洗，否則容易劣化。

平衡隔膜式一級減壓器體積較小，空氣通道直徑較小，雖然無人試驗性能不如平衡活塞式一級減壓器，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與周圍的水完全隔離，這一特性使得其特別適合在寒冷水域或污濁水域使用。此外，平衡隔膜式一級減壓器結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，維護保養(yǎng)成本高。因此，評價一級減壓器的性能需要綜合考慮使用模式、使用需求和使用環(huán)境，而不能簡單地以某一項無人試驗性能來評價性能優(yōu)劣。無人試驗性能檢測可從實現(xiàn)基本功能、性能的角度對水下呼吸器進行評價，具有安全、快速、重復(fù)性好的特點，但不能反映潛水過程中處于應(yīng)激狀態(tài)下潛水員的心理、生理等因素的變化，而載人試驗評價能從人機交互的角度全面反映水下呼吸器的實際使用性能。因此，國際上通常認(rèn)為水下呼吸器在經(jīng)過無人試驗性能測試合格后，還必須要經(jīng)過載人試驗評價［9］。

一般情況下，一級減壓器在高壓端進口壓力為12～14 MPa 時，國內(nèi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求供氣流量應(yīng)大于600 L/min［10］，且動態(tài)壓降應(yīng)小于等于0.3 MPa［11］。本研究中所有受試一級減壓器的最大供氣流量和動態(tài)壓降均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗數(shù)據(jù)也可以為后續(xù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供參考。國外通常測量呼吸功來評價一級減壓器和二級減壓器的整體性能［12］。因此，后續(xù)可以結(jié)合二級減壓器測量其呼吸功以評價呼吸器的供氣性能。