Водолазное снаряжение c открытой схемой дыхания (автономное) - Дыхательные автоматы
- Details
- Parent Category: Лекции
- Published: 17 July 2014
Дыхательные автоматы
В настоящее время рынок предлагает покупателю, решившему приобрести комплект снаряжения аквалангиста, большой выбор дыхательных автоматов, различающихся друг от друга материалом корпуса, весом, формой, размерами, величиной максимального сопротивления дыханию, наличием внешней регулировки и т.п.
В качестве управляющего элемента клапана редукции второй ступени (в отличие от рассмотренных типов первой ступени) используется только мембрана. Выбор мембраны объясняется прежде всего тем, что вторая ступень представляет собой систему, объединяющую в одном блоке редуцирующее устройство, воздушную камеру низкого давления с клапанами вдоха, водную камеру с клапанами выдоха (иногда вынесенными отдельно от водной камеры), загубник для пловца и ряд других элементов. Мембрана просто решает проблемы как изоляции водной камеры от остальных компонентов системы, так и обеспечения простоты и надежности функционирования дыхательного автомата. Безусловно, можно разработать схему, в которой управляющим элементом будет поршень, но это значительно усложнит конструкцию, и, главное, утяжелит ее. А для дыхательного автомата с расположением его у рта пловца вес играет не последнюю роль с точки зрения комфортности подводного плавания
Тип редуцирующего устройства. Так как давление воздуха, поступающего по шлангу ВСД от редуктора к дыхательному автомату, теоретически постоянно превышает давление в камере ВНД автомата на величину установочного давления редуктора, то из этого следует, что составляющая сопротивления дыханию на открытие клапана редукции второй ступени не будет меняться независимо от того, какой тип редуцирующего устройства применен - поточного типа (downstream valve) или противоточного (upstream valve).
Достоинства и недостатки обоих типов редуцирующих устройств были рассмотрены при описании особенностей первой ступени регуляторов. Чаще всего в конструкциях второй ступени распространено редуцирующее устройство поточного типа, но наряду с этим встречаются регуляторы и с устройством противоточного типа.
Сбалансированность второй ступени. Как было отмечено, составляющая сопротивления дыханию второй ступени редукции остается практически постоянной величиной, хотя колебание значений установочного давления в редукторе от изменения давления воздуха в баллонах по мере его расходования все же имеется и составляет для различных моделей редукторов примерно около 2-3%. Поэтому наряду со сбалансированным клапаном редукции второй ступени часто используется и несбалансированный клапан. Но при использовании несбалансированного клапана, как правило, для уменьшения общего сопротивления дыханию применяют дополнительные технические решения во второй ступени, основные из которых мы рассмотрим ниже
Сбалансированная вторая ступень. Часто используемый вариант сбалансированного редуцирующего устройства (balanced 2-nd stage) рассмотрим на примере так называемого "подвижного сопла". Принцип работы устройства заключается в следующем
В фазе равновесия давлений сопло прижато пружиной к седлу уплотнение которого выполнено при помощи кольца типа "О-ring". Прижатие зависит только от силы упругости пружины, так как за счет промежуточной камеры среднего давления и формы подвижного сопла исключена рабочая поверхность клапана редукции. Действующее в промежуточной камере давление воздуха СД равномерно распределено по цилиндрической поверхности подвижного сопла и на перемещение сопла вдоль оси симметрии никакого влияния не оказывает. Таким образом, редуцирующее устройство оказывается полностью разгруженным, то есть изменение величины давления воздуха СД не оказывает влияния на усилие, требуемое для перемещения сопла (на открытие и закрытие клапана редукции).
При вдохе или увеличении глубины погружения равновесное состояние управляющего элемента (мембраны) нарушается и мембрана, прогибаясь вниз, давит на рычаг, соединенный через промежуточную шарнирную опору с торцом "подвижного сопла". Сопло перемещается вдоль оси и открывает доступ воздуха из камеры среднего давления второй ступени в воздушную камеру низкого давления. Давление в камере ВНД возрастает, что вызывает возвращение мембраны к первоначальному равновесному состоянию, и обратное перемещение под действием силы упругости пружины 'подвижного сопла" к гнезду клапана. В момент наступления равенства давлений с обеих сторон мембраны, сопло прижмется к уплотнению гнезда и перекроет поступление воздуха. В дальнейшем этот процесс циклически повторяется.
Представленное конструктивное решение сбалансированной второй ступени регулятора является исключительно простым и надежным. Большое поперечное сечение сопла позволяет обеспечить поступление значительного количества воздуха, что особенно важно при выполнении какой-либо физической работы под водой. Также к несомненному достоинству такой конструкции следует отнести возможность ее использования с любой первой ступенью (работа клапана редукции не зависит от величины установочного давления редуктора).
Кроме рассмотренного способа решения проблемы сбалансированности редуцирующего устройства в конкретных моделях дыхательных автоматов не менее часто используется способ введения дополнительной камеры разгрузки среднего давления. Принцип работы такого устройства был описан при рассмотрении сбалансированности первой ступени.
Торец штока клапана выведен в изолированную от камеры ВНД вспомогательную камеру разгрузки, соединенную посредством канала в клапане с камерой ВСД. Площади рабочей поверхности тарелки клапана (сечение седла) и торца штока равны, из чего следует, что при равенстве давлений устройство будет сбалансировано, то есть разгружено.
Достоинством такой конструкции является простота, надежность, а также обеспечение стабильности параметров воздушной смеси на вдохе (сглаживаются неизбежные пульсации давления воздуха в процессе работы дыхательного автомата).
Несбалансированная вторая ступень . Так как проблема сбалансированности или несбалансированности второй ступени регуляторов стоит значительно менее остро, чем аналогичная проблема для первой ступени, то многие из выпускаемых различными фирмами регуляторов имеют несбалансированную вторую ступень (unbalanced 2-nd stage). Но в этом случае, как правило, применяются некоторые дополнительные технические решения в конструкции дыхательного автомата, направленные на всемерное снижение сопротивления дыханию под водой. С целью уменьшения усилия, необходимого для приведения клапана редукции в рабочее положение, в основном используются два способа:
1. получение большой величины конечного усилия, воспринимаемого клапаном редукции, при незначительной величине усилия, приложенного к управляющему элементу (мембране);
2. обеспечение открытия основного клапана редукции за счет приложения незначительного усилия от управляющего элемента к вспомогательному дополнительному клапану управления ("пилотажному" клапану).
При реализации первого из вышеуказанных способов, наиболее часто применяют рычаг (или систему рычагов), позволяющий получить большое значение усилия на открытие клапана редукции за счет различного соотношения длин плеч рычага.
Второй из указанных способов основан на введении дополнительной (управляющей) камеры среднего давления с собственным клапаном управления ("пилотажным" клапаном). Иногда в литературе можно встретить термин "трехступенчатый" автомат с сервомеханизмом в применении к данному решению, что не совсем соответствует схеме работы автомата, так как снижение давления в нем осуществляется в две ступени, хотя количество клапанов и увеличено до трех.
Регулирование осуществляется втулкой с отверстием, которая составляет продолжение воздушного канала. Во втулке находится подвижной стержень. Вращая регулировочный винт, можно перемещать стержень внутри втулки, открывая или перекрывая выравнивающее отверстие, которое направляет часть поступающего воздуха не в загубник, а в воздушную камеру. При закрытом отверстии эффект инжектирования максимален, а при полностью открытом – минимален.
Оба из рассмотренных подходов обеспечивают уменьшение усилия пловца только на этапе открытия клапана редукции, то есть в первой фазе вдоха (начальной). Но совершенно очевидно, что для подводного пловца абсолютно не безразлично, какую работу будут совершать его легкие в течение второй фазы вдоха (во время продолжения потребления воздуха) - большую или маленькую. Рассмотрим более подробно решения, позволяющие сделать дыхание под водой легким и непринужденным, и приводящие общую величину сопротивления дыханию близкой к величине сопротивления дыханию на воздухе, а в некоторых случаях и значительно меньше ее.
Это деление общей продолжительности фазы вдоха на первую (начальную) и вторую (последующую) является довольно условным и базируется прежде всего на особенности работы регулятора как системы, состоящей из взаимосвязанных элементов.
Причем напомним, что в процессе функционирования регулятора первым реагирует на изменение давления внешней среды (глубины погружения) или давления в камере ВНД дыхательного автомата (вдох пловца) клапан редукции второй ступени, а затем первой ступени.
Общее время фазы вдоха при спокойном и глубоком дыхании (а именно таким и должно быть дыхание под водой) составляет в среднем около 4 секунд. Время, необходимое на создание разряжения (усилия) при вдохе для открытия клапана редукции второй ступени, для различных конструкций автоматов составляет в среднем от 0,5 до 1,0 с. Оставшееся время от общей продолжительности вдоха и составляет вторую (последующую) фазу вдоха.
Для полного и легкого вдоха недостаточно только разницы (перепада) давлений между камерой ВСД редуктора и камерой ВНД дыхательного автомата, так как легкие пловца должны поддерживать примерно на постоянном уровне разряжение, необходимое для удержания редукционного клапана сопротивления вдоху по времени фазы вдоха при открытом положении. Без принятия специальных технических решений в конструкции дыхательного автомата, направленных на поддержку притока воздуха к загубнику в процессе второй фазы, легкие пловца должны совершать работу пропорциональную площади. Очевидно, что дыхательный автомат с такой характеристикой сопротивления вдоху не является "плохим" в полном смысле этого слова. Однако, он при длительном погружении или выполнении какой-либо работы пловцом приведет к большей утомляемости мышц грудной клетки по сравнению с автоматом, оборудованным системой поддержки притока воздуха при вдохе.
Рассмотрим способы, уменьшающие нагрузки на мышцы грудной клетки пловца во второй фазе вдоха, то есть во время продолжающегося поступления воздуха в камеру ВНД при открытом редукционном клапане. Их три
1) использование эффекта инжектирования воздушного потока (turbo stream system),
2) применение байпасной трубки fey-pass tube) на пути воздушного потока от устройства редукции до загубника,
3) уменьшение объема камеры ВНД за счет введения дополнительной газопроницаемой перегородки.
