防雾霾呼吸鼻模的结构设计及分析

任务书题 目 防雾霾呼吸鼻模的结构设计及分析题目来源 教师自拟学生姓名 学 号 专业班级指导教师 职 称 教 研 室毕业论文（设计）任务与要求设计一种防雾霾呼吸式鼻模，要求能解决目前市场的防雾霾口罩的密封性，及呼吸不顺畅的问题；结构设计合理，便于携带，通用性强，具体要求如下：1. 设计合理的防雾霾鼻模的结构。2. 设计合理的过滤系统，对雾霾过滤效率高。3. 绘制鼻模的三维结构图，并对主要部件进行受力分析和密封性检测。4. 撰写毕业论文一份。毕业论文（设计）工作进程起止时间 工作内容2017 年 12 月-2018年 5 月1.收集资料，确定设计系统总方案，查询有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。2.防雾霾呼吸鼻模总体结构方案分析。3.防雾霾呼吸鼻模总体方案及结构的确定、详细设计与计算。4.防雾霾呼吸鼻模助吸系统的设计与计算。5.防雾霾呼吸鼻模关键部件及装配图的绘制。6.编写毕业论文。7.毕业答辩准备和答辩。指导教师（签字） 毕业论文工作组组长（签字） 学生（签字） 毕业论文（设计）起止时间： 20XX 年 12 月 27 日 至 20XX 年 05 月 25 日 注：本表由指导教师填写，于每学年第 1 学期 18 周，经毕业论文工作组审批，随毕业论文装订由学院存档。开题报告论文（设计）题目 防雾霾呼吸鼻模的结构设计及分析学生姓名 学号 指导教师1、研究目的及意义雾霾是雾和霾的统称，是一种天气现象，也称灰霾（烟霞），指空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等大量极细微的干尘粒子均匀的浮游在空中，使空气浑浊，视野模糊并导致能见度恶化，如果水平能见度小于 10000 米时，将这种非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍称为霾(Haze)或灰霾（Dust-haze）；当水汽凝结加剧、空气湿度增大时，霾就会转化为雾。因为空气质量的恶化，雾霾天气现象便会增多，危害加重。中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。近些年来，随着空气质量逐渐恶化，雾霾天气现象出现频率越来越高，它们在人们毫无防范的时候侵入人体呼吸道和肺叶中，从而引起呼吸系统疾病、心血管系统疾病、血液系统、生殖系统等疾病，诸如咽喉炎、肺气肿、哮喘、鼻炎、支气管炎等炎症，长期处于这种环境还会诱发肺癌、心肌缺血及损伤。雾霾天气易诱发心血管疾病，雾霾天气时气压低，湿度大，人体无法排汗，诱发心脏病的几率会越来越高。诱发呼吸道疾病，雾霾中含有大量的颗粒物，这些包括重金属等有害物质的颗粒物一旦进入呼吸道并粘着在肺泡上，轻则会造成鼻炎等鼻腔疾病外，重则会造成肺部硬化，甚至还有可能造成肺癌。就此，对新型的便携式防雾霾装备的研究与分析变得极为迫切。传统的防雾霾口罩已经远远不能满足广大群众的需求,我们的研究目的是要求在传统意义上的防雾霾系统上增加助吸系统，并加入双层防雾霾过滤网，包括静电吸附过滤网以及活性炭过滤网，结构上进行优化使佩戴更加舒适，携带更加便捷。在防雾霾系统的研究上将贡献出结构上以及功效上的研究新成果，开创这一领域的新概念，对今后的便携式呼吸系统的研究有着深刻的意义。二、国内外发展状况1. 国外发展趋势联合国空气环保领域的众多专家研究证实，生态级负离子（小粒径负离子）可以主动出击捕捉小粒微尘，使其凝聚而沉淀，有效除去空气 2.5 微米（PM2.5）及以下的微尘，甚至 1微米的微粒，从而减少 PM2.5 对人体健康的危害，生态级负离子对空气的净化作用是源于负离子与空气中的细菌、灰尘、烟雾等带正电的微粒相结合，并聚成球降落而消除 PM2.5 危害，巧合的是负离子在空气中做布朗运动（“之”字型运动），而布朗运动本身就是消除微小粉尘物的有效方法，负离子结合飘尘后促进飘尘布朗运动而消除飘尘，实验证明，飘尘直径越小，越易被负离子沉淀。N95 型口罩，是 NIOSH（美国国家职业安全卫生研究所 ）认证的 9 种防颗粒物口罩中的一种。“N”的意思是不适合油性的颗粒（炒菜产生的油烟就是油性颗粒物，而人说话或咳嗽产生的飞沫不是油性的）；“95”是指，在 NIOSH 标准规定的检测条件下，过滤效率达到95%。N95 不是特定的产品名称。只要符合 N95 标准，并且通过 NIOSH 审查的产品就可以称为“ N95 型口罩 ”。在一个覆盖五大洲的研究中，研究者做了 100 多项研究，综合更多的统计数据和更大的样品，计算心脏病风险与粉尘、臭氧、一氧化氮、一氧化碳和二氧化硫等空气中大多数污染物的关系。他们发现，对于除了臭氧以外的大多数空气污染物，即便是少于 7 天时间的暴露也会增加心脏病并发的概率。对于粉尘而言，空气中每增加 1 微升的浓度，将增加 2.5%的心脏病几率。这就意味着，如果一个城市中粉尘颗粒的浓度达到 10 微克/立方米，而临近城市的浓度达到 20 微克/立方米，该城市中患心脏病的几率要比第一个城市增加 2.5%。2. 国内发展趋势相对国外，我国主要有以下几种防雾霾器具：PM2.5 口罩：市场上的口罩主要分工业用、医用和民用。工业用口罩执行 GB2626-2006呼吸防护用品自吸过滤式防颗粒物呼吸器标准，医用防护口罩执行 GB19083-2010医用防护口罩技术要求标准。针对细颗粒物，分“KN”（防非油性颗粒）和“KP”（防非油性和油性颗粒）两个系列，每系列分 90，95，100 三个等级，如“KN95”表示对直径 0.075 微米的氯化钠颗粒过滤效率95%。民用口罩没有防护等级的相关标准。医用外科口罩、普通医用口罩、棉/纱质口罩对 PM2.5 的过滤效率低，只能起到一定阻隔作用，防护效果不佳；活性炭口罩主要用于防异味，不能防颗粒物。心脏或呼吸系统有困难的人（如哮喘肺气肿）、佩戴后头晕、呼吸困难和皮肤敏感者不建议佩戴口罩，尽量减少室外活动；骑行或运动时不宜戴过滤效率过高的口罩，以防造成呼吸不畅。隐形口罩：隐形口罩，类似鼻塞，一节支架的两端附着纤维滤片，将两段塞进鼻孔即可发挥作用，其中的活性碳能自动隔离粉尘，并不影响正常呼吸，隐形口罩大多为进口产品，售价从数十元到百元不等，可滤净空气污染物，包括粉尘、PM2.5、汽车尾气、花粉等。一般这样的口罩能用 3 到 4 次。这种隐形口罩对一些大颗粒物有用，也就是能挡挡灰、花粉，但可以肯定的是，构造如此简单的隐形口罩对于 PM2.5 是没用的。买此款隐形口罩的消费者，如果用于防 PM2.5，建议还是放弃吧。空气净化器：空气净化器更不用说了，五花八门，价格惊人，且不属于便携式一类。高科技离子围巾：这种围巾在羊绒中混纺了特殊的晶体结构碳镁离子材质，这些特殊的材质能很好的吸收其他物质分子摩擦所产生的静电能量，其电离能放大人体的生物电磁场，影响范围半径约 35cm，从而对直径小于 2.5 微米的微粒，尤其是含有碳源的正极颗粒具有极强的排斥作用。在围巾周围形成一个抗霾的保护区。不过事实是这样的，高科技离子围巾声称依靠电磁场来排斥有害微粒，暂不说是否真的能达到排斥作用，即便所谓的电磁场拦住了有害微粒，但人的呼吸作用或外界的力量都会让外力冲破拦截，进入呼吸系统。所以，这种防雾霾的新装备对防雾霾并不靠谱。婴儿车防雾霾：此种装备是利用将外部受污染空气阻断，然后采用垂直层流式气流管理技术，将放雾霾空气清洁机置于阻隔区上部，清洁后的空气，从上往下挤压，形成单向的自上而下的气流流动，从而阻隔雾霾，但同样体积大不便于大众化，便携化。三、研究内容本文研究的主要内容如下：1）防雾霾系统的基本工作原理；2）防雾霾系统的助吸系统设计，包括多种方案的筛选与调试；3）防雾霾系统鼻模系统设计，包括导气系统、鼻模本体、固定装置；4）整体控制系统设计；四、研究方案以及步骤经分析、考量，该设计划分为以下阶段：第一阶段：1）查阅相关资料，整理出所需的信息。2）明确设计要求，借鉴其他文章研究思路。3）学习相关气压系统与机械结构的设计。第二阶段：1）整理分析方案，进行演算操作。2）初步确定方案，并对其可行性、操作性能进行分析并改进。3）对改进后的计算方法演算，确定最终分析方案。4）绘制一份完整的三位动态模拟图。 第三阶段： 测试并分析实验数据，进行改进并反思总结。五、论文提纲摘 要Abstract1 绪论1.1 相关知识与材料1.1.1 雾霾的主要危害及其方式1.1.2 目前对雾霾的主要防治措施1.1.3 人体呼吸过程与外界大气压强相关资料2 设计方案2.1 设计方案的提出2.1.1 方案一2.1.2 方案二2.2 设计方案的论证2.3 设计方案的选定3 设计实现3.1 材料及器件的选取3.2 结构设计3.2.1 鼻模结构3.2.2 助吸系统及过滤系统结构3.3 材料加工成型3.3.1 加工设备3.3.2 加工过程3.3.3 成型零件3.4 零件装配3.5 主要机构运动学分析及强度校核3.6 主要部件有限元分析3.7 功能测试3.7.1 通气量检测3.7.2 PM2.5 检测3.8 功能论证3.8.1 通气量检测结果论证3.8.2 PM2.5 检测结果论证3.9 设计成果3.10 实际意义结论五、进度计划2017 年 12 月-2018 年 1 月：收集资料，确定设计系统总方案，查询有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告，2018 年 2 月-2018 年 3 月：防雾霾呼吸鼻模总体结构方案分析2018 年 3 月-2018 年 4 月：防雾霾呼吸鼻模总体方案及结构的确定、详细设计与计算2018 年 4 月-2018 年 5 月：防雾霾呼吸鼻模助吸系统的设计与计算2018 年 5 月：防雾霾呼吸鼻模关键部件及装配图的绘制，编写毕业论文2018 年 5 月 25 日：答辩六、工作条件1）自学相关绘图软件；2）查阅相关防雾霾呼吸鼻模的相关文献；3）老师的专业指导。4）利用相关软件进行仿真模拟。七、参考文献1 机械优化设计（第六版）白清顺、孙靖民、梁迎春主编 机械工业出版社2 机械制造技术基础课程设计指导教程（第二版）邹青、呼咏主编 机械工业出版社3 机械制造工艺学（第三版）王先逵主编 机械工业出版社4 机械设计（第九版）濮良贵、陈国定、吴立言主编 高等教育出版社5 理论力学（第七版）哈尔滨工业大学理论力学教研室 编指导教师意见及建议（从选题、理论与实证准备、研究（设计）方法、工作安排等方面给出评价，并提出指导意见）：选题符合专业要求，学生通过此论文能将理论和实际相结合，锻炼实际动手能力，工作量饱满，现同意开题，继续进行后期工作。指导教师签名：年 月 日毕业论文工作组意见及建议毕业论文工作组组长签字：年 月 日注：1.此表由学生填写后，交指导教师签署意见，经毕业论文（设计）工作组审批后，才能开题。中期检查表论文（设计）题目 防雾霾呼吸鼻模的结构设计及分析学生姓名 学号 指导教师计划完成时间 2018 年 05 月 25 日按照进度安排应完成的任务2017 年 12 月-2018 年 1 月：收集资料，确定设计系统总方案，查询有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告，2018 年 2 月-2018 年 3 月：防雾霾呼吸鼻模总体结构方案分析2018 年 3 月-2018 年 4 月：防雾霾呼吸鼻模总体方案及结构的确定、详细设计与计算2018 年 4 月-2018 年 5 月：防雾霾呼吸鼻模助吸系统的设计与计算2018 年 5 月-2018 年 5 月：防雾霾呼吸鼻模关键部件及装配图的绘制2018 年 5 月-2018 年 6 月：编写毕业论文实际完成情况2017 年 12 月-2018 年 1 月：收集资料，确定设计系统总方案，查询有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告，2018 年 2 月-2018 年 3 月：防雾霾呼吸鼻模总体结构方案分析2018 年 3 月-2018 年 4 月：防雾霾呼吸鼻模总体方案及结构的确定、详细设计与计算2018 年 4 月-2018 年 5 月：防雾霾呼吸鼻模助吸系统的设计与计算2018 年 5 月-2018 年 5 月：防雾霾呼吸鼻模关键部件及装配图的绘制目前有哪些问题和困难，拟采取的解决方法整体系统的过滤效率较低，还需调试。(以上栏目由学生填写)检查中发现的问题与建议目前，工作完成情况良好，遇到问题需和老师继续沟通。毕业论文工作组组长签名： 年 月 日注：1.最后一栏由指导教师填写。2.此表随毕业论文装订并由学院存档。指导教师评分表学院：XXX 专业班级：XXXXX 学生姓名：XXXX 学号：XXXX毕业论文题目 防雾霾呼吸鼻模的结构设计及分析评 价 项 目（参考） 分值 打分01 工作态度，工作作风工作态度 02 毕业论文完成情况 20 20.003 查阅文献资料能力04 综合运用知识能力05 研究方案的设计能力06 研究方法和手段的运用能力能力水平07 外文应用能力40 33.008 文题相符程度09 写作水平10 写作规范程度11 篇幅，论文工作量论文质量12 论文的理论或实际价值40 32.0综合评定成绩 85.0评价意见1. 学习态度认真，能按时参加定期辅导，并按要求完成规定的任务工作量。2. 论文内容设计合理，工作量符合要求；通过设计过程很好了得锻炼了学生的设计分析能力，设计方案具有一定的应用价值。3. 论文写作较规范，格式符合要求。达到了本科生的毕业设计要求同意答辩。是否同意答辩 同意指导教师（签名）： 年 月 日注：此表随毕业论文装订并由学院存档。评阅教师评分表学院：XXXXXX 专业班级： XXXX 学生姓名： XXX 学号：XXXX毕业论文题目 防雾霾呼吸鼻模的结构设计及分析评 价 项 目（参考） 分值 打分01 查阅文献资料能力02 综合运用知识能力03 研究方案的设计能力04 研究方法和手段的运用能力能力水平05 外文应用能力50 36.006 文题相符程度07 写作水平08 写作规范程度09 篇幅，论文工作量论文质量10 论文的理论或实际价值50 42.0综合评定成绩 78.0评价意见本文设计了一种防雾霾系统，并对系统中主要零部件进行了有限元分析，进而用实物模型进行了功能测试实验，具有一定的应用价值。论文观点正确，论据充分，论证方法正确，可用来指导实际。但存在部分问题，如方案一和方案二原理的阐述与对比不充分，英文文献缺乏，文中部分标点符号不合理等。同意该生参加答辩。是否同意答辩 同意评阅教师（签名）： 年 月 日注：此表随毕业论文装订并由学院存档。答辩及成绩评定表学生姓名 学号 专业名称答辩时间 答辩地点 指导教师题 目 防雾霾呼吸鼻模的结构设计及分析 记录人 吴神丽姓 名 职 称 姓 名 职 称答辩小组成 员提问及回答情况记录（34 个主要问题）：1、图中标注明细不用字母用数字（何老师）。答：已修改。2、是否能做专业用途？针对大型颗粒？（余老师）答：完全可以，技术上实现的难度不大，会考虑这方面的用途。3、流量测定仪器及 PM2.5 测量仪的来源？（何老师）答：网购。4、过滤采用的材料？（何老师）答：活性炭吸附材料以及静电吸附材料。记录人签字：年 月 日答辩小组评语及成绩：该生能在规定时间内比较流利、清晰地阐述论文的主要内容，能恰当回答与论文有关的问题。答辩小组经过充分讨论，根据该生论文质量和答辩中的表现，答辩成绩建议 85 分，评定论文成绩为“良好”答辩小组组长签字： 年 月 日指导教师成绩 85.040% =34评阅教师成绩 78.020% =15.6答辩成绩 85.040% =34毕业论文总评成绩83.6 论文 等级 良好毕业论文工作组意见：毕业论文工作组组长签名： 年 月 日注：1、总评成绩=指导教师成绩40%评阅教师成绩20%答辩成绩40%。2、论文等级分优秀（90 分）、良好（80-89 分）、中等（70-79 分）、及格（60-69 分）、不及格（60 分）。3、此表随毕业论文装订并由学院存档防雾霾呼吸鼻模的结构设计及分析摘 要本课题研究的背景是基于我国目前越来越严重的雾霾污染为主，在过去几年，空气质量恶化的非常严重，雾霾天气现象频繁不断出现，愈演愈烈，对人的身体造成的伤害越来越大。现有防雾霾设备存在纤维层透气率低下，容易造成呼吸困难，某些设备不易携带的缺点。 本设计将尽量消除以上技术不足，本课题设计新型防雾霾系统的目的在于提出一种全新概念的能够在过滤掉空气中有害物质的同时具有使人呼吸顺畅便于携带的防雾霾器具。为了实现上述目的，本课题设计的新型防雾霾系统包括佩戴舒适的硅胶材料鼻模、助吸系统以及双层过滤网系统。本课题中的系统采用双层过滤网材料，活性炭过滤网与静电吸附过滤网结合的过滤方式，极大的增强了过滤系统的过滤能力。助吸系统的加入有效的解决了传统纤维制防雾霾口罩容易造成呼吸不畅的弊端。硅胶质鼻模贴合皮肤，极大的改进了佩戴舒适度。关键词：防雾霾；空气过滤；助吸系统；舒适便携AbstractThe background of this study is based on the more and more serious haze in China.In the past few years, the deterioration of air quality has been very serious. Haze and haze has become more and more frequent, causing more and more damage to human body.The exist smog prevention equipment has that defects of low air permeability of the fib layer, easy difficulty in breathing and difficult carrying of certain equipment.This design will try to eliminate the above technical deficiencies，the purpose of designing a novel smog prevention system is to provide a novel concept of smog prevention device which can filter out harmful substances in the air and simultaneously has the advantages of smooth breathing and portability.In order to achieve the above objectives, the new anti-haze system designed in this paper includes a comfortable silicone nose mold, a suction system and a double-layer filter screen system.The system of this subject adopts double-layer filter material, active carbon filter and electrostatic adsorption filter, which greatly enhances the filtration capacity of the filter system. The addition of the suction aid system effectively solves the defect that the traditional fiber-made smog - preventing mask is easy to cause dyspnea. Silicone nose fit to the skin, greatly improving wear comfort.Keywords：Anti-haze ，Air filtration，Suction aid system，Comfortable and portable目 录摘 要 .ABSTRACT.1 绪论 .11.1 相关知识与材料 .11.1.1 雾霾的主要危害及其方式 .11.1.2 目前对雾霾的主要防治措施 .21.1.3 人体呼吸过程与外界大气压强相关资料 .42 设计方案 .62.1 设计方案的提出 .62.1.1 方案一 .62.1.2 方案二 .72.2 设计方案的论证 .82.3 设计方案的选定 .83 设计实现 .93.1 材料及器件的选取 .93.2 结构设计 .103.2.1 鼻模结构 .103.2.2 助吸系统及过滤系统结构 .113.3 材料加工成型 .173.3.1 加工设备 .173.3.2 加工过程 .183.3.3 成型零件 .183.4 零件装配 .203.5 主要机构运动学分析及强度校核 .213.6 主要部件有限元分析 .223.7 功能测试 .243.7.1 通气量检测 .243.7.2 PM2.5 检测 .253.8 功能论证 .263.8.1 通气量检测结果论证 .263.8.2 PM2.5 检测结果论证 .273.9 设计成果 .273.10 实际意义 .27结论 .28参考文献 .29致 谢 .3011 绪论本课题的目的在于研发一种新型防雾霾系统，使其具有更加强大的空气净化能力，并且佩戴舒适，便于携带。目前的防雾霾设备主要由纤维层或大型通气系统组成，其工作原理是通过多层不同物理化学性质的纤维过滤掉空气中的有害物质或由大型通气设备将清洁空气送入到作用部位，但是其存在纤维层透气率低下，容易造成呼吸困难，而大型设备不易携带的缺点。1.1 相关知识与材料本课题旨在从现有防雾霾设备的基础上对其过滤系统加以改进，引入多层过滤网，加入助吸系统，在整体结构上做到最小化来实现高效过滤，佩戴舒适便于携带的目的。1.1.1 雾霾的主要危害及其方式（1）雾霾的主要危害：雾霾是一种能引发严重疾病的天气现象，他通常是由于人类的活动产生的，比如汽车的运作排出的尾气，耕种田地等一些农业活动带来的空气污染，建筑房地产的粉尘污染，工厂的废料气体排放等等原因都会造成雾霾天气产生，当然，各国都出现过雾霾天气，第一次出现实在 18 世纪的英国，当时英国首都伦敦被称为雾都就是因为雾霾这个坏天气。各国都在各自的工业发展中关注过或解决过这样的问题，英国用了 30 年才彻底解决雾霾这样的不良现象，我国现如今处在这样的环境下，也出台了不少针对雾霾的措施，比如像是禁止燃放烟花爆竹，汽车限行，工厂限产，空气过滤等级的制定等等，虽然这些措施具有一定的成效，但相对来说还是杯水车薪的，目前来看要完全治理雾霾还需要很长的一段路要走，雾霾这种东西会引起的严重后果有很多，经常性的会导致很多人的呼吸系统出现疾病、老年人就会出现心血管系统的疾病、年轻一点的就会出现生殖系统的疾病，说的通俗点，近比如我们平常说的鼻炎，咽喉炎，哮喘等等。而且严重一点的，如果人类长期在这种环境下工作生活就很有可能产生肺癌！这绝不是危言耸听。雾霾还不仅仅是这些危害，老人家在这种环境下会非常容易得心血管疾病。而且有一点需要特别注意，由于雾霾天会产生低气压，会有很大的湿度，心脏病的发病几率是直线上升，严重的危害了人体健康。还2有小孩子如果没有任何防护措施的待在这种环境下，极其容易得呼吸道疾病，在过去几年这种案例层出不穷，经常有报道说某某医院在雾霾天接到了大量患病儿童，所以在这方面一定要多加注意，孕妇在这种天气下要关好门窗尽量不要出门。雾霾中拥有很多的小颗粒物，这些颗粒物包括有害金属等物质的颗粒物进入呼吸道后粘着在肺泡上，轻一点生成鼻炎等鼻腔疾病，重重一点就会造成肺部硬化，极大可能病变成肺癌。（2）雾霾的主要危害形式：雾霾作为一种灾害天气，他主要是通过漂浮在空气中的细小颗粒来侵入人体，对人体造成大量的伤害，这种颗粒中不仅有细小的灰尘，经研究，这些颗粒中还含有大量的有害物质，例如化学物质、重金属、细菌、病毒等等，它会从人体的呼吸过程中侵入到人体呼吸道和肺叶中，从而开始一连串的破坏。雾霾天气下人类的生活和工作环境极度恶化，必须要采取一种行之有效的方法去解决这个问题。并且在这种天气里太阳照射的光线会被大气里的各种粒子挡住，光线变得非常微弱。这个时候生活在地面生的动物植物昆虫都会因为缺乏阳光的照射而出现一定的生理及心理问题，并且这个时候正是细菌乃至病毒的最佳生存繁殖的时期，他们会疯狂繁殖传播，地面上的动植物将大大的增加患病几率。1.1.2 目前对雾霾的主要防治措施（1）PM2.5 口罩：目前市面上销售的一些所谓的防雾霾口罩都是打着防雾霾的旗号，而口罩实际上并没有达到防止雾霾的要求，例如，在市场上销售的口罩的类型主要分为三个方面，工业用口罩、医用口罩和民用口罩。这些都是有国家标准的，工业用的口罩必须执行 GB2626-2006呼吸防护用品自吸过滤式防颗粒物呼吸器 的标准，医用的防护口罩必须执行 GB19083-2010医用防护口罩技术要求的标准。对于细小颗粒物的标准，分为“KN”（防非油性颗粒）和“KP”（防非油性和油性颗粒）两个标准系列，每一系列都会分为 90，95，100 这三个等级，如“KN95”就表示对直径 0.075 微米的氯化钠颗粒的过滤效率95%。而民用口罩就没有防护等级方面的相关标准。所以说，我国对于防雾霾的 PM2.5口罩暂时完全没有相关的标准规定，确切的说，这些口罩都是假的。（2）医用外科口罩、普通医用口罩、棉/纱质口罩：针对医用口罩说说它的用途和作用，医用口罩是为了防止医生或者病人病3从口出或者病从口入的，这对一些病菌非常的有效，但它的材质还远远没有达到可以过滤掉雾霾中的有害物质，所以其对 PM2.5 的过滤效率极低，它只能起到非常有限的阻挡作用，防护能力极其底下，仅仅对一些常见的病菌有一点作用；棉纱质口罩的过滤方式的口罩一般都用于祛除异味，不用于防范颗粒物。心脏上或呼吸系统上有一定困难的人群（如哮喘肺气肿）、佩戴后会产生严重的头晕、呼吸困难和皮肤敏感者最好不要佩戴口罩，以免产生危险，严重雾霾天气时，这种口罩就像形同虚设一般；骑车出行或跑步等运动时不宜佩戴这种通气效率很低的口罩，否则会造成严重的呼吸不顺畅，甚至是缺氧晕倒。（3）隐形口罩：所谓某宝上的隐形口罩，是一种塞入鼻腔的填充物，就好像鼻塞一样，一组扣鼻支架的两边贴附着纤维材料的很薄的过滤片，把两端塞进鼻孔内中间的鼻夹夹住鼻子，这样就佩戴成功了，里面声称的活性碳材料网膜可以自动的完成隔离灰尘的工作，并不会影响正常的呼吸工作，可是其实这种填充物过滤效率也并不高，它的过滤部分总会由于位置的偏移而产生一定的空隙，这时大量未过滤的气体就会从缝隙流入，此时隐形口罩已经完全失去效用，并且隐形口罩这类产品大多声称为进口美国、欧洲或者是日本的产品，销售价格从十几元到几百元不等，代价高昂，但是效果不佳，一般的包装上都会写上可过滤干净空气中的有害污染物质，例如粉尘、PM2.5 颗粒、汽车的尾气、花粉等。通常此类的口罩最多使用 2 到 3 次，如果多次使用就会产生大量细菌反而伤害到人体，并且不能清洗。此类隐形口罩针对一些大颗粒物具有有限的效果。（4）空气净化器：空气净化器现在如同买一台空调的的价格，价格惊人，并且很少有空气净化器能够被轻松地带出门，不属于便携式一类。（5）高科技离子围巾：高科技离子围巾是还处于实验室里的科技产品在羊绒材料中混纺了一些特殊的晶体结构的碳镁离子材质，这样特殊的材质具有能很好的吸收其他物质中分子摩擦时所产生的大量静电能量，它的电离能有限的放大人体中的生物电磁场，影响的范围大约有半径 35cm，因此可以对直径一般小于 2.5 微米的颗粒，特别是具备碳源的一些正极颗粒具有非常强的排斥作用。在此围巾的周围形成一个抵抗雾霾的人体保护范围。但是现实总是残酷的，此类高科技产品自称通过电磁场的产生来抵御有害颗粒，先不讨论能否一定能达到抵御的效果，就算4所说的电磁场抵御住了有害颗粒，但是人类的呼吸作用或者外界的力量每一个都会让外力直接冲破拦截，进入到呼吸系统中。所以此种科技产品是完全无法在短时间内进入人们的生活中的，它还有很长的一段路要走。（6）婴儿车防雾霾：此种装备是利用将外部受污染空气阻断，然后采用的是一种垂直方向层流式运作气流的管理新型技术，会将防雾霾空气清洁机放在阻挡区域的上部，过滤过的气流，由上到下运作挤压，变成单方向的由上到下的气体流动，因此达到阻挡雾霾的效果，缺点是体积大不便于携带。只针对婴儿。1.1.3 人体呼吸过程与外界大气压强相关资料（1）人体整个呼吸过程主要资料：在研究本课题之前我们要对人类呼吸系统有一个大概的了解，因为我们的设计中的核心几点中就包括了人体呼吸流量的研究，因为我们的设计中存在助吸系统，所以一定要在整个设计开始之前，确定人体每次呼吸需要多少气体，并且我在保证气体足够的情况下如何能让体积变到最小，这就是我们要研究的一部分，以下是人体中呼吸系统的一些简单的资料需要了解，一般人类成年个体在无强烈运动平静的环境下呼吸运作时, 每次呼吸进入或呼吸出去的气体流量被叫做潮气，平均的流量大概是 400 到 500 毫升左右。每一分钟呼吸出入肺系统的气体总流量被叫做“每分通气量”，此流量的值等于潮气量乘以呼吸频率。通常人类成年个体在平和状态下呼吸的频率大概为 16 到 18 次/分，可得到每分通气量大概为 6000 到 8000 毫升左右，我们研究的状态不仅仅要停留在人在平和不做任何运动时的通气量，那是远远不够的。在剧烈运动需要加大呼吸量时，通常每分通气量就可以达到 70 升，我们的关注点将集中在一个合适的范围，通常人体在平静呼气之后，再做一次最大呼气被称为补呼气，大概为 1000到 1500 毫升。在平静吸气之后，再做一次最大的吸气，被称为补吸气，大概为1000 到 1800 毫升。潮气、补呼气、补吸气这三个之和整体被称为肺活量，男性肺活量大概为 3500 毫升，女性肺活量大概为 2500 毫升，我们就将基于这两点数据进行通气量方面的设计，这是一次肺通气量的最大范围值，可以看出肺通气功能的储气能力还有适应环境的能力。肺活量的总体大小和人体的身高、胸围、年龄、健康等等都存在较大关联，所以我们将选择比平均值稍大的数据，因为本设计是要在大多数人群中起到作用的。肺活量不等于肺内可以容纳的全部气体量，就算是在被呼气之后，肺内也还残留着一部分气体不能完全排出，被叫做余气。健康的青年人体的余气大概为 1000 到 1500 毫升。人体每次吸进5的气体，从整个鼻腔到支气管的这段呼吸道内的空气，不可以和血液进行气体交换。是气体交换的无效部位，它的容量在成年人体内大概为 150 毫升。我们要保护呼吸系统，防止雾霾的侵入，那么我们就要知道什么会伤害我们的身体，而我们又需要阻挡哪些物质。呼吸系统是人身体中的各个系统里和外界接触最为频繁的一个，接触的面积很大。通常成年人体在平静的状态下，每天大约有 12000L 气体会进出呼吸道，呼进的气体会在数以亿计的肺泡上，接收的面积大约为 100 平方米，此时这些呼进的气体在肺泡中与毛细血管交互各种气体，例如氧气和二氧化碳，在这整个过程中，大自然中的许多有害物质会被鼻腔和呼吸道过滤掉，但是一旦污染物浓度升高，鼻腔和呼吸道已经来不及处理这些有害物质了，它们就会进入肺中引起疾病，人体的肺非常的脆弱，会被各种有害物质感染，引发各种肺部疾病，和呼吸道疾病，如急性肺水肿就是其中的一种。（2）标准大气压：标准大气的条件下，海平面上的气压，1644 年，由著名物理学家托里拆利提出，值为 101.325kPa，压强的单位，记作 atm。62 设计方案2.1 设计方案的提出基于上一章的完整资料，分析现有各种防雾霾设备的优点与不足，再结合人体呼吸的特点，总结出以下两种方案：2.1.1 方案一采用硅胶质鼻模，在保证佩戴舒适的同时使其与皮肤尽量贴合来保证内外气体的隔离。过滤系统采用蜂窝状活性炭滤网以及静电吸附过滤网：1）蜂窝状活性炭过滤网：完全继承了活性炭的高效能力，被用于空气的净化，祛除具有挥发性质的有机化合物，如甲醛、甲苯、硫化氢、氯苯和空气中的大量污染物质。阻断空气的特性低，耗费能量非常小，能工作在平均风速流量下祛除臭味、异味，使环境清新。2）静电吸附过滤网：化学纤维材质的不织布是一种高滤效、低压差，使用寿命长的过滤材料，波纹状的特殊结构可以使它在风阻极低的情况下具有很高的污染物容纳量。助吸系统采用电动风扇驱动气体流动。方案一结构示意图如图 2.1。图 2.1 方案一结构示意图a. 气体流动方向；b. 进气口；7c. 风扇缸；d. 风扇；e. 活性炭过滤网；f. 静电吸附过滤网；g. 底盖；h. 过滤仓；i. 输气管；m. 硅胶鼻模；n. 顶盖；o. 电机。2.1.2 方案二采用硅胶质鼻模，在保证佩戴舒适的同时使其与皮肤尽量贴合来保证内外气体的隔离。过滤系统采用蜂窝状活性炭滤网以及静电吸附过滤网。助吸系统采用压气活塞驱动气体流动。方案二结构示意图如图 2.2。图 2.2 方案二结构示意图a. 电机；b. 电机支架；c. 活塞缸顶板；d. 活塞缸；e. 进气口单向阀；f. 进气口；g. 气体流动方向；h. 过滤仓；i. 底板；8j. 静电吸附过滤网；k. 活性炭过滤网；l. 输气管；m. 出气口单向阀；n. 活塞；o. 活塞连杆；p. 硅胶鼻模；q. 连杆；r. 曲柄。2.2 设计方案的论证方案一与方案二在鼻模材质与过滤系统上并无区别，区别在于助吸系统的选择上。方案一采用电动风扇驱动气体流动，将外部未经处理的空气送入过滤仓进行过滤处理。方案二采用压气活塞配合单向阀造成活塞缸与外部气压差使得外部未处理空气被送入过滤舱内进行过滤处理。方案一采用的方式气体流量流失严重，而且并没有气体导流措施，会使得通过双层过滤网的气体少之又少，无法达到人体呼吸所需要的气体流量，反观方案二提出的压气活塞配合单向阀的方法，在最大程度上减少了气体流量的流失，并且在单向阀的导流作用下将会最有效的将经过过滤处理的气体输送给人体呼吸所用。2.3 设计方案的选定通过上一节的方案论证，我们在保证其他条件和设备相同的情况下，方案二在满足通气量的要求下更加的有效，因此本设计决定采用方案二为本设计的最终方案。93 设计实现3.1 材料及器件的选取本设计中鼻模材料、活性炭材料以及静电吸附材料已经确定，其他材料如下：（1） 电机：GA12-N20 直流电 6V 600n/min 电机，如图 3.1。图 3.1 GA12-N20 电机（2） 电机支架、底板、顶板、气缸、活塞连杆、连杆、曲柄、活塞：透明亚克力板材，如图 3.2。图 3.2 透明亚克力板（3） 输气管：医用橡胶软管，如图 3.3。图 3.3 医用橡胶软管10（4） 单向阀：贴片式单向阀，具有小巧、价廉、易拆装、导气止气功能优异的特点。型号：WJ01P。尺寸：20mm20mm 0.5mm。开启典型值：1300Pa。开启压力：1200Pa1500Pa。如图 3.4。图 3.4 贴片式单向阀3.2 结构设计本设计在结构上要求小巧便携，但越小的结构意味着越高的加工、装配难度以及越高的材料性能要求。在满足设计要求的前提下考虑到易于加工装配并且经济的条件，本设计将把整体的结构控制在一定范围内。结构设计中所用的绘图软件为 Creo 2.0 绘图软件。3.2.1 鼻模结构本设计采用的硅胶质鼻模拥有质软、透明、可塑性强的特点，因此为了佩戴舒适并具有美感，鼻模的结构设计以包裹住口鼻，接触鼻梁、脸颊及下巴，留有一定的气体储存空间为基准。如图 3.5。11图 3.5 鼻模结构图注：为了固定在脸部，鼻模会与松紧带相连佩戴在头部。3.2.2 助吸系统及过滤系统结构本设计采用的压气活塞助吸系统以及双层过滤网过滤系统需要在同一密闭空间内协调工作，将气体连续的输出过滤，因此本设计将二者的结构融合在一起形成一个统一的结构。本设计采用曲柄连杆机构，连杆头连接一个活塞，由第一章得知成人每分钟呼吸气量 6000-8000ml，根据加工难度、轻便易携带以及经济最优化的要求，设计过滤系统整体高为 113mm，宽为 68mm，长为 50mm。气缸外径 40mm，内径 38mm，高度 38mm。气缸有效气体容积为192022682mm22.682ml。由以上确定活塞大小为半径 38mm，厚度 3mm 运动速率约为 265 下每分钟到