醫(yī)療比例閥流量特性建模研究

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(guó)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(guó)內(nèi)對(duì)醫(yī)療比例閥的研究起步較晚，相較于國(guó)外產(chǎn)品國(guó)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。空氣、氧氣、氮?dú)狻⒑獾染勺鳛獒t(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。

[參考文獻(xiàn)]

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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)。