摘 要:隨著呼吸機(jī)等中高端呼吸道氣體治療設(shè)備的應(yīng)用日趨廣泛,醫(yī)療比例閥作為流量控制系統(tǒng)中的核心元器件愈發(fā)受到重視。鑒于此,設(shè)計(jì)了一款特定結(jié)構(gòu)的比例閥,介紹了其工作原理,基于FLUENT平臺(tái)搭建了流量特性模型,對(duì)不同開度下的流量進(jìn)行了仿真,并對(duì)影響流量特性的主要參數(shù)做了研究,結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)比例閥隨著閥口開度的增加,流量也線性增加,閥口直徑的變化對(duì)流量影響較大。
關(guān)鍵詞:醫(yī)療比例閥;閥口開度;行程;流量特性;線性
中圖分類號(hào):TH77""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A""" 文章編號(hào):1671-0797(2025)02-0045-04
DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.011
0""" 引言
新冠疫情以來,世界各國對(duì)呼吸道疾病的重視程度普遍提高,呼吸機(jī)由于其能在治療過程中發(fā)揮重要作用而被廣泛使用[1-2]。在流量控制系統(tǒng)中,閥門通常用于控制流體介質(zhì)的方向、壓力及流量,對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟停、運(yùn)動(dòng)、輸出等功能進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)。醫(yī)療電磁閥是醫(yī)療裝備中的常用閥門,其工作原理為給電磁線圈通電,電磁線圈將銜鐵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)磁化,在磁場(chǎng)作用下,銜鐵受到電磁力會(huì)朝著減小氣隙磁阻的方向運(yùn)動(dòng),克服彈簧力,將銜鐵從閥座位置吸起,從而實(shí)現(xiàn)閥門的打開;當(dāng)電磁線圈斷電時(shí),銜鐵受到的電磁力消失,彈簧元件帶動(dòng)銜鐵恢復(fù)至初始位置,閥口封閉,從而實(shí)現(xiàn)閥門的關(guān)閉[3]。呼吸機(jī)在工作過程中為了模擬人體呼吸,需要對(duì)輸出氧氣等氣體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。醫(yī)療比例閥是醫(yī)療電磁閥中的一種特殊閥門,相較于醫(yī)療電磁閥只有全開和封閉的兩種狀態(tài),醫(yī)療比例閥可以按給定輸入電流的不同,精準(zhǔn)控制銜鐵的位置,實(shí)現(xiàn)不同的閥口過流面積,連續(xù)成比例地控制氣流的壓力和流量等[4-5]。
醫(yī)療比例閥具有體積小、流量控制精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn),在流量控制要求高的高端醫(yī)療裝備中應(yīng)用日趨廣泛。相較于普通電磁比例閥,醫(yī)療比例閥的流量控制精度要求更高,即流量誤差不超過10%。國內(nèi)對(duì)醫(yī)療比例閥的研究起步較晚,相較于國外產(chǎn)品國內(nèi)醫(yī)療比例閥流量控制精度較低,可靠性較差[6]。針對(duì)這一問題,本文介紹了筆者所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一款特定結(jié)構(gòu)的高精度醫(yī)療比例閥,對(duì)流量特性進(jìn)行了建模分析,并對(duì)影響比例閥流量特性的因素進(jìn)行了研究。
1""" 設(shè)計(jì)原理
筆者所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的比例閥基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。
產(chǎn)品主要由進(jìn)出口接頭、閥座、銜鐵、彈簧、調(diào)節(jié)桿、線圈組件、磁軛等結(jié)構(gòu)組成,通過調(diào)節(jié)桿可以調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力。工作過程中,通過給線圈施加不同大小的電流,調(diào)節(jié)銜鐵受到的電磁力,與彈簧力進(jìn)行平衡,使銜鐵停留在不同的行程上,實(shí)現(xiàn)閥口不同的過流面積,調(diào)節(jié)比例閥出口流量??諝?、氧氣、氮?dú)?、氦氣等均可作為醫(yī)療比例閥的工作介質(zhì)。
2""" 流量數(shù)學(xué)模型
如圖1所示,比例閥的出口流量主要由不同的閥口過流面積決定,收縮噴嘴型閥口質(zhì)量流量計(jì)算公式如下:
Gm= ,""""""""""""""""""""""""""""""""" "≤Pcr,""" , >Pcr(1)
式中:Gm為質(zhì)量流量;Cf為阻力系數(shù);Av為有效過流面積;C1,C2為流量系數(shù);Pu為上游壓力;Pd為下游壓力;Pcr為臨界壓力系數(shù);T為工作溫度(絕對(duì)溫度);k為流體比熱比(空氣為1.4)。
其中:
"""C1= """"""""""""""(2)
C2= """"(3)
Pcr=" """""""(4)
Av=πDx""""""""" (5)
式中:R為氣體常數(shù),空氣為287 J/(kg·K);D為孔口直徑;x為閥口開度。
3""" 建模與仿真研究
通過上述理論公式,可初步對(duì)比例閥的流量進(jìn)行分析。為進(jìn)一步得到準(zhǔn)確的比例閥流量計(jì)算模型,在FLUENT平臺(tái)對(duì)醫(yī)療比例閥進(jìn)行了建模分析,在建模過程中,對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,在近壁面和流道變化較大位置,對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理,流體區(qū)域如圖2所示。
在0.3 MPa下,對(duì)不同閥口開度下的比例閥流量進(jìn)行仿真,得到速度流場(chǎng)云圖如圖3~5所示。
對(duì)不同閥口開度下的出口流量進(jìn)行積分,得到比例閥不同開度下的出口體積流量如圖6所示。
圖6中,不同閥口開度下,比例閥流量增長(zhǎng)近似線性,閥口每開0.1 mm,流量平均增長(zhǎng)約15.2 L/min。如圖3~5所示,在閥口附近,比例閥流場(chǎng)速度梯度較大,為進(jìn)一步探究閥口附近零件尺寸對(duì)比例閥流量的影響,在保持閥口開度0.5 mm不變的情況下,改變閥口直徑,其出口速度流場(chǎng)云圖如圖7~9所示;在保持閥口開度0.5 mm不變的情況下,改變閥口密封墊直徑,其出口速度流場(chǎng)云圖如圖10~12所示;不同參數(shù)下的出口體積流量如圖13所示。
由圖7~13可知,比例閥的流量隨著閥口直徑的增大而增大,閥口直徑每增大0.5 mm,流量增加20~25 L/min;不同密封墊底面直徑對(duì)于比例閥流量的影響較小,流量波動(dòng)僅為0.1 L/min。經(jīng)分析,類似因素還有閥口入口處圓臺(tái)的拔模角度、倒角等,其對(duì)比例閥流量的影響均較小。
4""" 結(jié)論
本文對(duì)特定結(jié)構(gòu)的醫(yī)療比例閥流量模型進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,并基于FLUENT進(jìn)行建模分析,結(jié)果表明,比例閥流量隨閥口開度線性增加,驗(yàn)證了比例閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性;同時(shí)研究了比例閥不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比例閥流量的影響,即比例閥的流量隨著閥口直徑的增大而增大,而密封墊底面直徑、閥口入口處圓臺(tái)的拔模角度、倒角等對(duì)于比例閥流量的影響較小,因此在比例閥設(shè)計(jì)中要著重考慮閥口直徑等因素的影響。
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收稿日期:2024-09-13
作者簡(jiǎn)介:楊淮文(1997—),男,河南鄭州人,碩士研究生,助理工程師,研究方向:閥門設(shè)計(jì)。