一种用于人工心脏的快速换向阀的设计.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ０２３ 收稿日期 ２０１４－０９－２５ 作者简介 金恒林 （１９９０）， 男， 硕士研究生， 研究方向为数控设备及自动化。 Ｅ－ｍａｉｌ ７７１３４９６９０＠ ｑｑ􀆱 ｃｏｍ。 一种用于人工心脏的快速换向阀的设计 金恒林， 胡晓兵 （四川大学制造科学与工程学院， 四川成都 ６１００６５） 摘要 自动换向阀的换向频率高、 换向响应速度快与换向平稳无液压冲击、 噪声低是互相矛盾的。 为了提升自动换向 阀的换向频率和减少换向延迟时间， 并保证换向可靠无液压卡紧现象、 稳定无液压冲击现象， 设计并制作了一种用于人工 心脏的快速换向电动阀。 理论分析表明 通过改变阀通孔尺寸， 此快速换向电动阀在大、 小流量场合均能适用； 实验结果 证明 快速换向阀在换向频率为 ２４ 次／ ｍｉｎ 和 ８２ 次／ ｍｉｎ 时， 人工心脏血压波形稳定， 表明此快速换向阀能稳定可靠适用于 高频的人工心脏等场合。 关键词 快速换向阀； 结构设计； 动态性能实验 中图分类号 ＴＨ１３４ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－０６７－２ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｆａｓｔ Ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ Ｖａｌｖｅ ｆｏｒ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｈｅａｒｔ ＪＩＮ Ｈｅｎｇｌｉｎ， ＨＵ Ｘｉａｏｂｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００６５， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｖａｌｖｅ， ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ， ｆａｓｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｎｏ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ， ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ａｒｅ ｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｏｒｙ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｖａｌｖｅ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｄｅｌａｙ ｔｉｍｅ， ａｎｄ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｗｉｔｈｏｕｔ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｌａｍｐｉｎｇ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｉｍｐａｃｔ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ， ａ ｑｕｉｃｋ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖａｌｖｅ ｆｏｒ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｈｅａｒｔ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｍａｄｅ． Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｈｏｌｅ ｓｉｚｅ， ｔｈｉｓ ｑｕｉｃｋ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖａｌｖｅ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｍａｎｙ ｏｃｃａｓｉｏｎｓ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ａｒｅ ２４ ａｎｄ ８２ ｔｉｍｅｓ／ ｍｉｎ， ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆａｓｔ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｖａｌｖｅ， ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｈｅａｒｔ ｂｌｏｏｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ． Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｆａｓｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｖａｌｖｅ ｃａｎ ａｐｐｌｙ ｔｏ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｃｃａｓｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｈｅａｒｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｆａｓｔ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｖａｌｖｅ； Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ； Ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 现有的换向阀种类繁多， 按换向阀阀芯形状分 类， 有滑阀式、 转阀式和球阀式 ３ 种； 按操纵控制方 式不同， 分为手动、 机动、 电磁、 液动、 电液动和气 动等。 在各种换向阀中， 电磁换向阀的换向频率相对 较高， 最高可达 ２５０～３００ 次／ 分［１］。 但稳态液动力是 电磁阀换向过程中不可忽视的换向阻力， 且液动力随 着流量的增大而增大， 由于电磁力大小所限， 所以电 磁换向阀的最大过流能力受到限制， 其流量一般 较小［２］。 鉴于目前没有一种既能够高速换向无液压冲击现 象、 又能换向平稳无液压卡紧现象的换向阀 （液压 卡紧现象卡紧原因 脏物进入缝隙； 温度升高， 阀芯 膨胀； 但主要原因是滑阀副几何形状和同心度变化引 起的径向不平衡力的作用）， 在仿生心脏泵等应用中 现有换向阀都不能同时满足使用要求， 为此设计制造 出一种旋转快速换向阀。 １ 机械结构设计 一种用于人工心脏的快速换向阀结构原理如图 １ 所示。 快速换向阀采用旋转结构， 为了保证良好径向 密封， 阀芯有一个 ５ ～ １０的锥度， 工作时， 阀芯在 阀壳内旋转。 阀芯结构如图 ２ 所示， 在阀芯上有 ８ 个 环形槽口 （槽口 １槽口 ８）， 引导液压油流动方向， Ｕ 形槽口圆心角为 ７０～８０， 并开有槽口两两相互连 通的 ４ 个通孔， 槽口 １ 与槽口 ２ 通过孔 １ 连通， 槽口 ３ 与槽口 ６ 通过孔 ３ 连通， 槽口 ４ 与槽口 ５ 通过孔 ４ 连通， 槽口 ７ 与槽口 ８ 通过孔 ２ 连通。 阀芯与阀壳之 间相对位置有两种 不改变外接部件与阀连接， 阀芯 处于位置 １， 即由孔 １ 和孔 ２ 形成 “通路 １”； 阀芯处 于位置 ２ 时， 即孔 ３ 和孔 ４ 形成反向 “通路 ２”。 在 阀芯旋转过程中能够保持一定时间位置通路不变， 控 制进入阀的液体压力和流量并调节电机速度驱动阀芯 相对阀壳以一速度旋转。 改变阀进出口与正对槽口位 置， 就可以实现快速换向。 通过执行机构的流量压力 传感器等检测实际流量与理论流量之间的误差， 反馈 给控制系统， 对进入阀液体的压力、 流量进行误差补 偿， 从而实现执行部件的精确快速控制。 如图 ３ 所示。 图 １ 快速换向阀结构原理图 图 ２ 阀芯结构图 图 ３ 快速换向阀应用于人工心脏换向实验原理图 ２ 动态性能试验 实验动物 健康成年公狗 １ 只， 质量 （８２） ｋｇ， 由四川大学华西医院提供隔膜式人工心脏泵与狗主动 脉相连接。 实验仪器设备 滚柱泵 （动力泵）、 各种直径管 道、 快速换向阀 、 压力测量系统 （ＢＬ⁃４２０Ｓ 系统）、 隔膜式人工心脏泵等。 实验步骤 组装液压驱动回路， 调试并保持动力 泵流量， 做动物开胸手术并连接隔膜式人工心脏泵， 调节阀转速， 观察并记录狗体循环血压波形。 在实验 中快速换向阀匀速旋转， 分别设置为 １２ 和 ４１ ｒ／ ｍｉｎ， 即换向频率为 ２４ 和 ８２ 次／ ｍｉｎ。 实验结果血压波形如 图 ４ 和图 ５ 所示。 图 ４ 阀换向频率 ２４ 次／ ｍｉｎ 人工心脏血压波形 图 ５ 阀换向频率 ８２ 次／ ｍｉｎ 人工心脏血压波形 实验原理图如图 ３ 所示， 试验中人工心脏是隔膜 泵， 实验过程中动力泵以恒定的流量输出液压油， 快 速换向阀匀速旋转， 通过换向阀改变动力泵输出液压 油的流向， 当阀芯在位置 １ 时， 动力泵通过 “通路 １” 向隔膜式心脏泵输入液压油， 驱动隔膜运动， 此 过程在人工心脏泵实验中模拟心脏收缩， 向外供血； 当阀芯在位置 ２ 时， 动力泵通过 “通路 ２” 将隔膜式 心脏泵中液压油抽回油箱， 此过程在人工心脏泵实验 中模拟心脏舒张， 驱动隔膜泵吸入血液。 实验结果表 明 阀在低频率和较高频率都能稳定工作， 快速换向 阀换向频率为 ２４ 次／ ｍｉｎ （１２ ｒ／ ｍｉｎ） 时人工心脏血 压波形波峰值 １８􀆱 ０５ ｋＰａ（１３５􀆱 ６９ ｍｍＨｇ）， 波谷值 ８􀆱 ２２ ｋＰａ（６１􀆱 ８４ ｍｍＨｇ）； 而换向频率为 ８２ 次／ ｍｉｎ （４１ ｒ／ ｍｉｎ） 时人工心脏血压波形波峰值 １０􀆱 ５ ｋＰａ （７８􀆱 ９２ ｍｍＨｇ）， 波谷值 ５􀆱 ５７ ｋＰａ（４１􀆱 ８５ ｍｍＨｇ）。 原 因在于 加快换向频率， 而动力泵流量没有变化， 每 一个周期进出隔膜式心脏泵的驱动液随着换向频率增 加而减少， 则泵血量也减少， 所以压力波形波峰、 波 谷值均随频率增加而降低； 而换向频率与血压下降规 律不是线性关系， 因为血管有弹性， 压力高会胀大降 低血压， 压力低会收缩增加血压。 实验结果表明， 此 快速换向阀能够很好适用于隔膜式人工心脏泵。 ３ 结论 从设计思路出发， 结合隔膜式人工心脏泵实验， 可知 此旋转快速换向电动阀的设计符合设计初衷， 在保证换向平稳可靠、 无噪声和液压冲击等前提下， 实现了快速换向功能。 在人工心脏等领域有一定使用 价值。 （下转第 ７２ 页） ８６机床与液压第 ４３ 卷 图 １０ 阀口最大开度 （１６ ｍｍ） 时现有阀噪声场分布 图 １１ 阀口最大开度 （２３􀆱 ５ ｍｍ） 时俄罗斯阀噪声分布 噪声场仿真分析表明 首先应说明噪声场的仿真 结果只能描述由于气体流动引起的噪声情况， 不能得 到阀芯在交变径向偏载力作用下与壁面撞击产生的噪 声情况。 噪声场的仿真结果表明 气体流动产生的噪 声主要发源于压缩空气流过阀芯与阀口间的间隙后至 出口间的空间， 该处湍流度非常高因而气动噪声突 出。 仿真结果对比表明 在 ３ 种阀的开启过程中， 噪 声范围相差不大。 而在 ３ 种阀完全开启进入工作后， 与现有阀相比， 新型单向阀由于有阀芯尖锥导流帽等 合理的结构， 流场湍流度较小因而较高噪声范围较 小； 俄罗斯阀虽然也有尖锥导流帽的引流作用， 但由 于有收缩口的存在气体流速相对较高， 也将产生比新 型单向阀更大的噪声。 ４ 结论 通过实际应用， 并与现有阀和俄罗斯阀进行对 比， 由于新型单向阀采用了创新的结构设计和优化的 参数， 有效解决了原现有阀开启快速性差、 易卡死、 噪声大的缺点， 性能和可靠性得到了大幅提高。 与俄 罗斯阀比较， 在具有和其类似的优良气动和结构特性 的同时， 有效增大了单位时间的空气流量， 使进气效 率得到大幅提高， 进一步验证了上述仿真对比分析的 研究结果。 参考文献 ［１］ ＬＵＭＫＥＳ Ｊ，ＢＡＴＤＯＲＦＦ Ｍ Ａ，ＭＡＨＲＥＮＨＯＬＺ Ｊ Ｒ．Ｍｏｄｅｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｖｉｒｔｕａｌｌｙ Ｖａｒｉ⁃ ａｂｌｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｐｕｍｐ Ｓｙｓｔｅｍ ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｐｏｗｅｒ，２００９，１０（３）１７－２７． ［２］ ＭＡＨＲＥＮＨＯＬＺ Ｊｏｈｎ Ｒ． Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｍｕｌｔｉ⁃ｄｏｍａｉｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｏｎ／ Ｏｆｆ Ｖａｌｖｅｓ［Ｄ］．Ｐｕｒｄｕｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ，２００９． ［３］ 王静，邱容，张弓．基于 ＣＦＤ 的单向节流阀流场分析［Ｊ］． 液压与气动，２００９（８）７８－８０． ［４］ 陈瑜，魏文鹏，张立祥，等．基于 Ｆｌｕｅｎｔ 的截止阀壳内流 道流场分析［Ｊ］．煤矿机械，２０１３，３４（１０）９０－９１． ［５］ 徐志鹏，王宣银，罗语溪．基于 ＣＦＤ 的高压气动减压阀 流场分析［Ｊ］．液压与气动，２００７（１０）５４－５６． ［６］ 成大先．机械设计手册［Ｍ］．北京化学工业出版社， ２００２． ［７］ 刘霞．ＦＬＵＥＮＴ 软件及其在我国的应用［Ｊ］．能源研究与 利用，２００３（２）３６－３８． （上接第 ６８ 页） 快速换向阀依然存在一些不足， 例如 如何优化 阀芯与阀壳锥度可以将阀的径向密封做得更好； 或者 对槽口形状进行优化设计， 让阀的流体阻力更小， 让 换向更快更平稳。 还需要接下来用流体分析来完善。 参考文献 ［１］ 张利平．液压阀原理、使用与维修［Ｍ］．北京化学工业 出版社，２００５． ［２］ 常伟，傅戈雁，王献超，等．高频大流量旋转换向阀设计 研究［Ｊ］．新技术新工艺，２００８（３）５２－５４． ［３］ 刘安民．自动换向阀［Ｊ］．液压与气动，２００９（７）７８－７９． ［４］ 王京先．蓄热式加热炉用旋转换向阀组的研制［Ｊ］．冶金 设备，２００７（Ｓ１）５０－５１． ［５］ 贾文华，殷晨波，曹东辉．基于 ＡＭＥＳｉｍ／ ＭＡＴＬＡＢ 的液压 换向阀的优化设计［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（１５）１８２－ １８３． ［６］ 宋鸿尧，丁忠尧．液压阀设计与计算［Ｍ］．北京机械工 业出版社，１９８２． ［７］ 雷天觉．液压工程手册［Ｍ］．北京机械工业出版社， １９９０． ［８］ 成大先．机械设计手册［Ｍ］．北京化学工业出版社， ２００２． ２７机床与液压第 ４３ 卷