一種用于人工心臟的快速換向閥的設(shè)計(jì)

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(dòng)、機(jī)動(dòng)、電磁、液動(dòng)、電液動(dòng)和氣動(dòng)等。在各種換向閥中，電磁換向閥的換向頻率相對(duì)較高，最高可達(dá)250～300次/分［1］。但穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是電磁閥換向過(guò)程中不可忽視的換向阻力，且液動(dòng)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(guò)流能力受到限制，其流量一般較小［2］。

鑒于目前沒(méi)有一種既能夠高速換向無(wú)液壓沖擊現(xiàn)象、又能換向平穩(wěn)無(wú)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(shí)滿足使用要求，為此設(shè)計(jì)制造出一種旋轉(zhuǎn)快速換向閥。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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。快速換向閥采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，為了保證良好徑向密封，閥芯有一個(gè)5°～10°的錐度，工作時(shí)，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(gè)環(huán)形槽口 (槽口1—槽口8)，引導(dǎo)液壓油流動(dòng)方向，U形槽口圓心角為70°～80°，并開(kāi)有槽口兩兩相互連通的4個(gè)通孔，槽口1與槽口2通過(guò)孔1連通，槽口3與槽口6通過(guò)孔3連通，槽口4與槽口5通過(guò)孔4連通，槽口7與槽口8通過(guò)孔2連通。閥芯與閥殼之間相對(duì)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(shí)，即孔3和孔4形成反向“通路2”。在閥芯旋轉(zhuǎn)過(guò)程中能夠保持一定時(shí)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(dòng)閥芯相對(duì)閥殼以一速度旋轉(zhuǎn)。改變閥進(jìn)出口與正對(duì)槽口位置，就可以實(shí)現(xiàn)快速換向。通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量壓力傳感器等檢測(cè)實(shí)際流量與理論流量之間的誤差，反饋給控制系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)入閥液體的壓力、流量進(jìn)行誤差補(bǔ)償，從而實(shí)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?yàn)原理圖

2 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(dòng)脈相連接。

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備:滾柱泵 (動(dòng)力泵)、各種直徑管道、快速換向閥 、壓力測(cè)量系統(tǒng) (BL-420S系統(tǒng))、隔膜式人工心臟泵等。

實(shí)驗(yàn)步驟:組裝液壓驅(qū)動(dòng)回路，調(diào)試并保持動(dòng)力泵流量，做動(dòng)物開(kāi)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理圖如圖3所示，試驗(yàn)中人工心臟是隔膜泵，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)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(guò)換向閥改變動(dòng)力泵輸出液壓油的流向，當(dāng)閥芯在位置1時(shí)，動(dòng)力泵通過(guò)“通路1”向隔膜式心臟泵輸入液壓油，驅(qū)動(dòng)隔膜運(yùn)動(dòng)，此過(guò)程在人工心臟泵實(shí)驗(yàn)中模擬心臟收縮，向外供血;當(dāng)閥芯在位置2時(shí)，動(dòng)力泵通過(guò)“通路2”將隔膜式心臟泵中液壓油抽回油箱，此過(guò)程在人工心臟泵實(shí)驗(yàn)中模擬心臟舒張，驅(qū)動(dòng)隔膜泵吸入血液。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(dòng)力泵流量沒(méi)有變化，每一個(gè)周期進(jìn)出隔膜式心臟泵的驅(qū)動(dòng)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?yàn)檠苡袕椥裕瑝毫Ω邥?huì)脹大降低血壓，壓力低會(huì)收縮增加血壓。實(shí)驗(yàn)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(jì)思路出發(fā)，結(jié)合隔膜式人工心臟泵實(shí)驗(yàn)，可知:此旋轉(zhuǎn)快速換向電動(dòng)閥的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)初衷，在保證換向平穩(wěn)可靠、無(wú)噪聲和液壓沖擊等前提下，實(shí)現(xiàn)了快速換向功能。在人工心臟等領(lǐng)域有一定使用價(jià)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(duì)槽口形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓閥的流體阻力更小，讓換向更快更平穩(wěn)。還需要接下來(lái)用流體分析來(lái)完善。

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