新型五位四通旋轉型換向閥的設計與仿真分析

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，隨著現代化應急救援的需要，對氧氣呼吸器檢測儀的要求也在不斷提高。現在救援隊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五位四通換向閥，該閥體積和重量均較大，導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實現各種功能，就要求其內部的換向閥具備體積小、維修方便、氣密性強、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系統工作中主要是控制流體的流動方向、調節壓力、調節流量[2]。氧氣呼吸器檢測儀由于空間有限且氣路相對較多，需要使用旋轉型換向閥。旋轉型換向閥內部結構簡單，對污染不敏感，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，可以代替多個換向閥，減少安裝空間，進一步提高設備的集成化，廣泛應用在化工、冶金、礦山、工程機械、車輛、船舶、航空航天、軍事等領域[3]。

本研究設計了一種新型五位四通旋轉型換向閥，根據旋轉型換向閥需要滿足五位四通的基本要求進行了控制通路轉盤與閥芯組件的設計，采用仿真技術對閥芯組件的組合密封方式進行了模擬研究，確定了其承壓能力。根據設計和模擬結果加工出實體閥體，并將氣密性實驗測試結果與仿真結果進行對比分析，進一步驗證了設計滿足實際需求。此研究為旋轉型換向在不同工作場景的閥應用推廣提供了新的設計思路和解決方案。

1 新型五位四通旋轉型換向閥的結構設計

1.1 整體結構設計

根據氧氣呼吸器的檢測需要，旋轉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 新型五位四通旋轉型換向閥原理圖

根據原理圖，設計了如圖2所示的新型五位四通旋轉型換向閥，包括上部連接閥塊、中間控制閥塊、下部導通閥塊、控制通路轉盤、閥芯組件、增強密封銅套等部件。其中，閥芯組件內置于中間控制閥塊與下部導通閥塊之間，靠彈簧和特殊結構的環形增強密封銅套配合，通過O形圈密封，實現閥芯組件與下部導通閥塊之間的組合密封[4-5]，成功解決了傳統手轉閥密封性差的難題。上部連接閥塊、中間控制閥塊與下部導通閥塊通過螺釘連接在一起，靠密封圈實現端面密封；旋鈕軸與控制通路轉盤通過銷釘實現固定連接，控制通路轉盤與上部連接閥塊、中間控制閥塊通過轉軸連接,旋轉軸在360°轉動內可實現五位四通的功能。

1.旋鈕軸 2.上部連接閥塊 3.控制通路轉盤 4.中間控制閥塊 5.下部導通閥塊 6.閥芯組件(局部密封) 7.增強密封銅套 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 關鍵零部件設計

旋轉型換向閥之所以能實現五位四通，主要依賴于控制通路轉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]。通過轉動旋鈕可以改變兩者之間的配合方式，以此來改變通、斷組合進而實現五位四通。因此，該閥主要著眼于對控制通路轉盤、閥芯組件和下部導通閥塊進行結構設計。

1.控制通路轉盤導向槽 2.控制通路轉盤臺階結構

按照6個閥芯進行設計，控制通路轉盤由6個控制通路轉盤臺階和6個控制通路轉盤導向槽組成，其中，每一個同心圓上有2個控制通路轉盤臺階和控制通路轉盤導向槽，分別用于控制閥芯在動作時氣路的通與斷。

如圖4和圖5所示，閥芯組件主要功能是對整個氣路的密封，通過不同的結構配合，滿足通斷路的要求。根據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，在密封時采用了彈簧力與特殊結構的環形增強密封銅套組合，并在環形密封銅套(如圖6所示)上設置有環形密封凸臺，通過閥芯座上的橡膠密封O形圈進行密封，環形密封凸臺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，對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.下部導通閥塊 2.增強密封銅套

1.增強密封銅套 2.增強密封凸臺

1.3 密封彈簧力的計算

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，根據力學的理論計算，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。

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

(1)

(2)

(3)

式中,τp—— 許用切應力

F—— 彈簧的工作載荷

K—— 曲度系數

C—— 旋繞比

根據圓柱螺旋壓縮彈簧有效圈數計算式(4)可計算出彈簧的有效圈數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，根據圓柱螺旋壓縮彈簧外徑與內徑計算式(5)、式(6)可計算出彈簧的外徑D2=15.5 mm，內徑D1=13.5 mm：

D1=D-d

(5)

D2=D+d

(6)

式中，D1—— 彈簧內徑

D2—— 彈簧外徑

2 氣密仿真分析

2.1 物理模型及網格劃分

為了驗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行了有限元簡化與網格劃分[9]，設置網格類型為四面體網格，網格單元尺寸為0.5 mm，采用Fluent Meshing對物理模型進行網格劃分，其中網格數量為6×104，簡化有限元分析模型與計算網格如圖7所示。

圖7 氣路組件簡化示意圖

2.2 邊界條件設置

在實際測試過程中，入口的進氣壓力為1300 Pa，當氣路組件中全部充滿1300 Pa的氣體后，停止充氣。根據上述實際測試條件，模型邊界條件設置如圖8與表1所示[10]。

圖8 氣路組件邊界條件示意圖

表1 模型邊界條件設置

2.3 有限元計算分析

1) 氣體擴散速度

氣體從入口進入后，按照閥體中的氣體通路進行擴散，在氣體擴散過程中，沒有明顯的氣體聚集現象，如圖9所示。

圖9 氣體擴散示意圖

2) 氣路壓力計算分析

對模型進行求解，得到其應力分布情況[11]，如圖10所示，根據應力分布云圖可得，較大的壓力均發生在入口處，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 應力分布云圖

3) 彈簧壁面承受壓力的變化

隨著迭代步數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變化點線條圖

3 實驗驗證

根據前期的理論設計與仿真分析結果，對旋轉型換向閥所有零部件進行了加工和裝配[12]，組裝成了新型五位四通旋轉型換向閥，如圖12所示，并對該閥進行了氣密性實驗。

圖12 新型五位四通旋轉型換向閥實物

氣密性實驗所采用的實驗裝置及參數如表2和圖13所示。將旋轉型換向閥與微壓計、緩沖盒、手球、連接管等進行連接，保證氣路暢通，然后通過手球將閥體內部壓力p增加到1300 Pa后，進行保壓處理。整個氣路在1 min的保壓的過程中，壓力隨時間下降情況如圖14所示，最終微壓計中的水柱下降小于10 Pa，證明整個閥體滿足氣密性要求。

圖13 新型五位四通旋轉型換向閥氣密性實驗

圖14 氣密性實驗保壓變化圖

表2 實驗用設備

通過氣密性實驗驗證了設計時的理論計算與仿真分析的準確性，為將來設計此類換向閥提供了新的思路和方法。

4 應用實例

手動五位四通旋轉型換向閥應用于氧氣呼吸器檢測儀中，實現多位置、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五位四通旋轉型換向閥，將要檢測項目全部集成在轉盤式換向閥中，通過旋轉閥實現不同檢測功能的切換。檢測時，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行一次連接即可，有效減少了檢測過程中各個部件的拆、裝問題，與實際使用過程中的呼吸情況更為接近，檢測數據更加符合實際情況，數據準確性更高，檢測速度也更快，符合搶險救援時快速、準確的使用要求[13]。

1.集成轉盤式換向閥 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.手動氣泵 8.安全閥 9.單向閥組成

5 結論

本研究設計了一款體積小巧、功能多樣的手動五位四通旋轉型換向閥，巧妙的利用彈簧力與環形增強密封銅套組合實現端面的可靠密封，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個工作位置，且可實現在整個圓周上控制五位四通氣路。同時，將該閥應用于氧氣呼吸器檢測儀上，使檢測儀的體積和重量減小，滿足現代應急救援裝備的要求。