新型五位四通旋轉(zhuǎn)型換向閥的設(shè)計(jì)與仿真分析

張 堃

(山西虹安科技股份有限公司， 山西 太原 030032)

引言

救援用氧氣呼吸器檢測儀是檢測氧氣呼吸器的重要裝備，隨著現(xiàn)代化應(yīng)急救援的需要，對(duì)氧氣呼吸器檢測儀的要求也在不斷提高?，F(xiàn)在救援隊(duì)伍要求氧氣呼吸器檢測儀體積小、功能全、氣密性好、方便攜帶。但是，目前氧氣呼吸器檢測儀采用的是手動(dòng)五位四通換向閥，該閥體積和重量均較大，導(dǎo)致檢測儀不方便攜帶。因此，氧氣呼吸器檢測儀要在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種功能，就要求其內(nèi)部的換向閥具備體積小、維修方便、氣密性強(qiáng)、可滿足檢測儀不同氣路的切換等要求[1]。

換向閥在液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)工作中主要是控制流體的流動(dòng)方向、調(diào)節(jié)壓力、調(diào)節(jié)流量[2]。氧氣呼吸器檢測儀由于空間有限且氣路相對(duì)較多，需要使用旋轉(zhuǎn)型換向閥。旋轉(zhuǎn)型換向閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)污染不敏感，能夠保證油路、氣路通暢，換向更加靈敏，體積小，使用壽命長，維修方便，可靠度高，可以代替多個(gè)換向閥，減少安裝空間，進(jìn)一步提高設(shè)備的集成化，廣泛應(yīng)用在化工、冶金、礦山、工程機(jī)械、車輛、船舶、航空航天、軍事等領(lǐng)域[3]。

本研究設(shè)計(jì)了一種新型五位四通旋轉(zhuǎn)型換向閥，根據(jù)旋轉(zhuǎn)型換向閥需要滿足五位四通的基本要求進(jìn)行了控制通路轉(zhuǎn)盤與閥芯組件的設(shè)計(jì)，采用仿真技術(shù)對(duì)閥芯組件的組合密封方式進(jìn)行了模擬研究，確定了其承壓能力。根據(jù)設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果加工出實(shí)體閥體，并將氣密性實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)滿足實(shí)際需求。此研究為旋轉(zhuǎn)型換向在不同工作場景的閥應(yīng)用推廣提供了新的設(shè)計(jì)思路和解決方案。

1 新型五位四通旋轉(zhuǎn)型換向閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)氧氣呼吸器的檢測需要，旋轉(zhuǎn)型換向閥需要具備五位四通的功能，原理圖如圖1所示。

圖1 新型五位四通旋轉(zhuǎn)型換向閥原理圖

根據(jù)原理圖，設(shè)計(jì)了如圖2所示的新型五位四通旋轉(zhuǎn)型換向閥，包括上部連接閥塊、中間控制閥塊、下部導(dǎo)通閥塊、控制通路轉(zhuǎn)盤、閥芯組件、增強(qiáng)密封銅套等部件。其中，閥芯組件內(nèi)置于中間控制閥塊與下部導(dǎo)通閥塊之間，靠彈簧和特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)形增強(qiáng)密封銅套配合，通過O形圈密封，實(shí)現(xiàn)閥芯組件與下部導(dǎo)通閥塊之間的組合密封[4-5]，成功解決了傳統(tǒng)手轉(zhuǎn)閥密封性差的難題。上部連接閥塊、中間控制閥塊與下部導(dǎo)通閥塊通過螺釘連接在一起，靠密封圈實(shí)現(xiàn)端面密封；旋鈕軸與控制通路轉(zhuǎn)盤通過銷釘實(shí)現(xiàn)固定連接，控制通路轉(zhuǎn)盤與上部連接閥塊、中間控制閥塊通過轉(zhuǎn)軸連接,旋轉(zhuǎn)軸在360°轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)五位四通的功能。

1.旋鈕軸 2.上部連接閥塊 3.控制通路轉(zhuǎn)盤 4.中間控制閥塊 5.下部導(dǎo)通閥塊 6.閥芯組件(局部密封) 7.增強(qiáng)密封銅套 8.通氣接頭 9.密封橡膠墊片 10.同步銷軸 11.閥塊連接螺栓

1.2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)型換向閥之所以能實(shí)現(xiàn)五位四通，主要依賴于控制通路轉(zhuǎn)盤的弧槽與閥芯組件和中間控制閥塊上表面的氣路之間形成的不同配合[6]。通過轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕可以改變兩者之間的配合方式，以此來改變通、斷組合進(jìn)而實(shí)現(xiàn)五位四通。因此，該閥主要著眼于對(duì)控制通路轉(zhuǎn)盤、閥芯組件和下部導(dǎo)通閥塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.控制通路轉(zhuǎn)盤導(dǎo)向槽 2.控制通路轉(zhuǎn)盤臺(tái)階結(jié)構(gòu)

按照6個(gè)閥芯進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制通路轉(zhuǎn)盤由6個(gè)控制通路轉(zhuǎn)盤臺(tái)階和6個(gè)控制通路轉(zhuǎn)盤導(dǎo)向槽組成，其中，每一個(gè)同心圓上有2個(gè)控制通路轉(zhuǎn)盤臺(tái)階和控制通路轉(zhuǎn)盤導(dǎo)向槽，分別用于控制閥芯在動(dòng)作時(shí)氣路的通與斷。

如圖4和圖5所示，閥芯組件主要功能是對(duì)整個(gè)氣路的密封，通過不同的結(jié)構(gòu)配合，滿足通斷路的要求。根據(jù)氧氣呼吸器檢測的要求，檢測儀中氣體的最大壓力為1300 Pa，為了滿足閥體氣密性的要求，在密封時(shí)采用了彈簧力與特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)形增強(qiáng)密封銅套組合，并在環(huán)形密封銅套(如圖6所示)上設(shè)置有環(huán)形密封凸臺(tái)，通過閥芯座上的橡膠密封O形圈進(jìn)行密封，環(huán)形密封凸臺(tái)能夠完全壓在橡膠密封墊片上，使橡膠密封O形圈受力面積更小，承受壓力更大，密封性能更強(qiáng)，對(duì)氣路起到了有效的密封作用[7]。

1.通氣閥芯 2.閥芯桿部密封O形圈 3.閥芯座密封O形圈 4.閥芯支撐彈簧

1.下部導(dǎo)通閥塊 2.增強(qiáng)密封銅套

1.增強(qiáng)密封銅套 2.增強(qiáng)密封凸臺(tái)

1.3 密封彈簧力的計(jì)算

氧氣呼吸器檢測儀在檢測的過程中，最主要的功能就是保持閥體的氣密性，在閥體中的氣體最大壓力為1300 Pa，根據(jù)力學(xué)的理論計(jì)算，作用到閥芯組件上的最大壓力為1300 Pa，最大作用力為0.13 N，彈簧最大工作載荷為0.13 N。

根據(jù)圓柱螺旋壓縮彈簧直徑的計(jì)算公式[8]式(1)～式(3)可計(jì)算出彈簧的直徑d=1 mm，彈簧的中徑D=14.5 mm：

(1)

(2)

(3)

式中,τp—— 許用切應(yīng)力

F—— 彈簧的工作載荷

K—— 曲度系數(shù)

C—— 旋繞比

根據(jù)圓柱螺旋壓縮彈簧有效圈數(shù)計(jì)算式(4)可計(jì)算出彈簧的有效圈數(shù)n=3.5：

(4)

式中,G—— 材料的切變模量

k—— 彈簧剛度

f—— 工作載荷下的變形量

因此，根據(jù)圓柱螺旋壓縮彈簧外徑與內(nèi)徑計(jì)算式(5)、式(6)可計(jì)算出彈簧的外徑D2=15.5 mm，內(nèi)徑D1=13.5 mm：

D1=D-d

(5)

D2=D+d

(6)

式中，D1—— 彈簧內(nèi)徑

D2—— 彈簧外徑

2 氣密仿真分析

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

為了驗(yàn)證彈簧力是否滿足閥體的氣密性要求，將閥體中需要密封的氣路組件進(jìn)行了有限元簡化與網(wǎng)格劃分[9]，設(shè)置網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元尺寸為0.5 mm，采用Fluent Meshing對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格數(shù)量為6×104，簡化有限元分析模型與計(jì)算網(wǎng)格如圖7所示。

圖7 氣路組件簡化示意圖

2.2 邊界條件設(shè)置

在實(shí)際測試過程中，入口的進(jìn)氣壓力為1300 Pa，當(dāng)氣路組件中全部充滿1300 Pa的氣體后，停止充氣。根據(jù)上述實(shí)際測試條件，模型邊界條件設(shè)置如圖8與表1所示[10]。

圖8 氣路組件邊界條件示意圖

表1 模型邊界條件設(shè)置

2.3 有限元計(jì)算分析

1) 氣體擴(kuò)散速度

氣體從入口進(jìn)入后，按照閥體中的氣體通路進(jìn)行擴(kuò)散，在氣體擴(kuò)散過程中，沒有明顯的氣體聚集現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 氣體擴(kuò)散示意圖

2) 氣路壓力計(jì)算分析

對(duì)模型進(jìn)行求解，得到其應(yīng)力分布情況[11]，如圖10所示，根據(jù)應(yīng)力分布云圖可得，較大的壓力均發(fā)生在入口處，而在閥芯處其壓力均未超過彈簧力，因此可以保證閥體的氣密性。

圖10 應(yīng)力分布云圖

3) 彈簧壁面承受壓力的變化

隨著迭代步數(shù)N的增加，彈簧壁面承受的壓力也在不斷增加，但是，彈簧壁面承受的壓力pb始終在1300 Pa以下(如圖11所示)，而彈簧彈力為1300 Pa，這樣就保證了閥體氣路的密封性。

圖11 彈簧壁面隨迭代步數(shù)變化點(diǎn)線條圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前期的理論設(shè)計(jì)與仿真分析結(jié)果，對(duì)旋轉(zhuǎn)型換向閥所有零部件進(jìn)行了加工和裝配[12]，組裝成了新型五位四通旋轉(zhuǎn)型換向閥，如圖12所示，并對(duì)該閥進(jìn)行了氣密性實(shí)驗(yàn)。

圖12 新型五位四通旋轉(zhuǎn)型換向閥實(shí)物

氣密性實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置及參數(shù)如表2和圖13所示。將旋轉(zhuǎn)型換向閥與微壓計(jì)、緩沖盒、手球、連接管等進(jìn)行連接，保證氣路暢通，然后通過手球?qū)㈤y體內(nèi)部壓力p增加到1300 Pa后，進(jìn)行保壓處理。整個(gè)氣路在1 min的保壓的過程中，壓力隨時(shí)間下降情況如圖14所示，最終微壓計(jì)中的水柱下降小于10 Pa，證明整個(gè)閥體滿足氣密性要求。

圖13 新型五位四通旋轉(zhuǎn)型換向閥氣密性實(shí)驗(yàn)

圖14 氣密性實(shí)驗(yàn)保壓變化圖

表2 實(shí)驗(yàn)用設(shè)備

通過氣密性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)時(shí)的理論計(jì)算與仿真分析的準(zhǔn)確性，為將來設(shè)計(jì)此類換向閥提供了新的思路和方法。

4 應(yīng)用實(shí)例

手動(dòng)五位四通旋轉(zhuǎn)型換向閥應(yīng)用于氧氣呼吸器檢測儀中，實(shí)現(xiàn)多位置、多通路的氣路控制，如圖15所示。氧氣呼吸器檢測儀利用手動(dòng)五位四通旋轉(zhuǎn)型換向閥，將要檢測項(xiàng)目全部集成在轉(zhuǎn)盤式換向閥中，通過旋轉(zhuǎn)閥實(shí)現(xiàn)不同檢測功能的切換。檢測時(shí)，只需要通過呼吸器檢測接口直接將檢測儀與被檢測的氧氣呼吸器進(jìn)行一次連接即可，有效減少了檢測過程中各個(gè)部件的拆、裝問題，與實(shí)際使用過程中的呼吸情況更為接近，檢測數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際情況，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更高，檢測速度也更快，符合搶險(xiǎn)救援時(shí)快速、準(zhǔn)確的使用要求[13]。

1.集成轉(zhuǎn)盤式換向閥 2.控制電路 3.緩沖盒 4.檢測接口 5.連接氣路 6.排氣閥組 7.手動(dòng)氣泵 8.安全閥 9.單向閥組成

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一款體積小巧、功能多樣的手動(dòng)五位四通旋轉(zhuǎn)型換向閥，巧妙的利用彈簧力與環(huán)形增強(qiáng)密封銅套組合實(shí)現(xiàn)端面的可靠密封，從而解決了此類閥密封性差的難題。利用通路轉(zhuǎn)盤的弧槽與閥芯組件和中間控制閥塊上表面氣路之間的不同配合，使得閥體具有5個(gè)工作位置，且可實(shí)現(xiàn)在整個(gè)圓周上控制五位四通氣路。同時(shí)，將該閥應(yīng)用于氧氣呼吸器檢測儀上，使檢測儀的體積和重量減小，滿足現(xiàn)代應(yīng)急救援裝備的要求。