一種用于人工心臟的快速換向閥的設(shè)計

金恒林，胡曉兵

(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065)

現(xiàn)有的換向閥種類繁多，按換向閥閥芯形狀分類，有滑閥式、轉(zhuǎn)閥式和球閥式3種;按操縱控制方式不同，分為手動、機(jī)動、電磁、液動、電液動和氣動等。在各種換向閥中，電磁換向閥的換向頻率相對較高，最高可達(dá)250～300次/分［1］。但穩(wěn)態(tài)液動力是電磁閥換向過程中不可忽視的換向阻力，且液動力隨著流量的增大而增大，由于電磁力大小所限，所以電磁換向閥的最大過流能力受到限制，其流量一般較?。?］。

鑒于目前沒有一種既能夠高速換向無液壓沖擊現(xiàn)象、又能換向平穩(wěn)無液壓卡緊現(xiàn)象的換向閥 (液壓卡緊現(xiàn)象卡緊原因:臟物進(jìn)入縫隙;溫度升高，閥芯膨脹;但主要原因是滑閥副幾何形狀和同心度變化引起的徑向不平衡力的作用)，在仿生心臟泵等應(yīng)用中現(xiàn)有換向閥都不能同時滿足使用要求，為此設(shè)計制造出一種旋轉(zhuǎn)快速換向閥。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

一種用于人工心臟的快速換向閥結(jié)構(gòu)原理如圖1所示?？焖贀Q向閥采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，為了保證良好徑向密封，閥芯有一個5°～10°的錐度，工作時，閥芯在閥殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)。閥芯結(jié)構(gòu)如圖2所示，在閥芯上有8個環(huán)形槽口 (槽口1—槽口8)，引導(dǎo)液壓油流動方向，U形槽口圓心角為70°～80°，并開有槽口兩兩相互連通的4個通孔，槽口1與槽口2通過孔1連通，槽口3與槽口6通過孔3連通，槽口4與槽口5通過孔4連通，槽口7與槽口8通過孔2連通。閥芯與閥殼之間相對位置有兩種:不改變外接部件與閥連接，閥芯處于位置1，即由孔1和孔2形成“通路1”;閥芯處于位置2時，即孔3和孔4形成反向“通路2”。在閥芯旋轉(zhuǎn)過程中能夠保持一定時間位置通路不變，控制進(jìn)入閥的液體壓力和流量并調(diào)節(jié)電機(jī)速度驅(qū)動閥芯相對閥殼以一速度旋轉(zhuǎn)。改變閥進(jìn)出口與正對槽口位置，就可以實現(xiàn)快速換向。通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量壓力傳感器等檢測實際流量與理論流量之間的誤差，反饋給控制系統(tǒng)，對進(jìn)入閥液體的壓力、流量進(jìn)行誤差補(bǔ)償，從而實現(xiàn)執(zhí)行部件的精確快速控制。如圖3所示。

圖1 快速換向閥結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 閥芯結(jié)構(gòu)圖

圖3 快速換向閥應(yīng)用于人工心臟換向?qū)嶒炘韴D

2 動態(tài)性能試驗

實驗動物:健康成年公狗1只，質(zhì)量 (8±2)kg，由四川大學(xué)華西醫(yī)院提供隔膜式人工心臟泵與狗主動脈相連接。

實驗儀器設(shè)備:滾柱泵 (動力泵)、各種直徑管道、快速換向閥 、壓力測量系統(tǒng) (BL-420S系統(tǒng))、隔膜式人工心臟泵等。

實驗步驟:組裝液壓驅(qū)動回路，調(diào)試并保持動力泵流量，做動物開胸手術(shù)并連接隔膜式人工心臟泵，調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)速，觀察并記錄狗體循環(huán)血壓波形。在實驗中快速換向閥勻速旋轉(zhuǎn)，分別設(shè)置為12和41 r/min，即換向頻率為24和82次/min。實驗結(jié)果血壓波形如圖4和圖5所示。

圖4 閥換向頻率24次/min人工心臟血壓波形

圖5 閥換向頻率82次/min人工心臟血壓波形

實驗原理圖如圖3所示，試驗中人工心臟是隔膜泵，實驗過程中動力泵以恒定的流量輸出液壓油，快速換向閥勻速旋轉(zhuǎn)，通過換向閥改變動力泵輸出液壓油的流向，當(dāng)閥芯在位置1時，動力泵通過“通路1”向隔膜式心臟泵輸入液壓油，驅(qū)動隔膜運動，此過程在人工心臟泵實驗中模擬心臟收縮，向外供血;當(dāng)閥芯在位置2時，動力泵通過“通路2”將隔膜式心臟泵中液壓油抽回油箱，此過程在人工心臟泵實驗中模擬心臟舒張，驅(qū)動隔膜泵吸入血液。實驗結(jié)果表明:閥在低頻率和較高頻率都能穩(wěn)定工作，快速換向閥換向頻率為24次/min(12 r/min)時人工心臟血壓波形波峰值18.05 kPa(135.69 mmHg)，波谷值8.22 kPa(61.84 mmHg);而換向頻率為82次/min(41 r/min)時人工心臟血壓波形波峰值10.5 kPa(78.92 mmHg)，波谷值5.57 kPa(41.85 mmHg)。原因在于:加快換向頻率，而動力泵流量沒有變化，每一個周期進(jìn)出隔膜式心臟泵的驅(qū)動液隨著換向頻率增加而減少，則泵血量也減少，所以壓力波形波峰、波谷值均隨頻率增加而降低;而換向頻率與血壓下降規(guī)律不是線性關(guān)系，因為血管有彈性，壓力高會脹大降低血壓，壓力低會收縮增加血壓。實驗結(jié)果表明，此快速換向閥能夠很好適用于隔膜式人工心臟泵。

3 結(jié)論

從設(shè)計思路出發(fā)，結(jié)合隔膜式人工心臟泵實驗，可知:此旋轉(zhuǎn)快速換向電動閥的設(shè)計符合設(shè)計初衷，在保證換向平穩(wěn)可靠、無噪聲和液壓沖擊等前提下，實現(xiàn)了快速換向功能。在人工心臟等領(lǐng)域有一定使用價值。

快速換向閥依然存在一些不足，例如:如何優(yōu)化閥芯與閥殼錐度可以將閥的徑向密封做得更好;或者對槽口形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，讓閥的流體阻力更小，讓換向更快更平穩(wěn)。還需要接下來用流體分析來完善。

［1］張利平.液壓閥原理、使用與維修［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］常偉，傅戈雁，王獻(xiàn)超，等.高頻大流量旋轉(zhuǎn)換向閥設(shè)計研究［J］.新技術(shù)新工藝，2008(3):52－54.

［3］劉安民.自動換向閥［J］.液壓與氣動，2009(7):78－79.

［4］王京先.蓄熱式加熱爐用旋轉(zhuǎn)換向閥組的研制［J］.冶金設(shè)備，2007(S1):50－51.

［5］賈文華，殷晨波，曹東輝.基于AMESim/MATLAB的液壓換向閥的優(yōu)化設(shè)計［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(15):182－183.

［6］宋鴻堯，丁忠堯.液壓閥設(shè)計與計算［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［7］雷天覺.液壓工程手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［8］成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.