医疗比例阀流量特性建模研究

0引言

新冠疫情以来'世界各国对呼吸道疾病的重视程度普遍提高,呼吸机由于其能在治疗过程中发挥重要作用而被广泛使用^[1—2]。在流量控制系统中,阀门通常用于控制流体介质的方向、压力及流量,对执行机构的启停、运动、输出等功能进行控制与调节。医疗电磁阀是医疗装备中的常用阀门,其工作原理为给电磁线圈通电,电磁线圈将衔铁等执行机构磁化,在磁场作用下,衔铁受到电磁力会朝着减小气隙磁阻的方向运动,克服弹簧力,将衔铁从阀座位置吸起,从而实现阀门的打开;当电磁线圈断电时,衔铁受到的电磁力消失,弹簧元件带动衔铁恢复至初始位置,阀口封闭,从而实现阀门的关闭^[3]。呼吸机在工作过程中为了模拟人体呼吸,需要对输出氧气等气体流量进行实时精准控制。医疗比例阀是医疗电磁阀中的一种特殊阀门,相较于医疗电磁阀只有全开和封闭的两种状态,医疗比例阀可以按给定输入电流的不同,精准控制衔铁的位置,实现不同的阀口过流面积,连续成比例地控制气流的压力和流量等^[4—5]。

医疗比例阀具有体积小、流量控制精度高、功耗低等优点,在流量控制要求高的高端医疗装备中应用日趋广泛。相较于普通电磁比例阀,医疗比例阀的流量控制精度要求更高,即流量误差不超过10%。国内对医疗比例阀的研究起步较晚,相较于国外产品国内医疗比例阀流量控制精度较低,可靠性较差^[6]。针对这一问题,本文介绍了笔者所在团队设计的一款特定结构的高精度医疗比例阀,对流量特性进行了建模分析,并对影响比例阀流量特性的因素进行了研究。

1 设计原理

笔者所在团队设计的比例阀基本结构如图1所示,关键参数如表1所示。

产品主要由进出口接头、阀座、衔铁、弹簧、调节杆、线圈组件、磁轭等结构组成,通过调节杆可以调节弹簧预紧力。工作过程中,通过给线圈施加不同大小的电流,调节衔铁受到的电磁力,与弹簧力进行平衡,使衔铁停留在不同的行程上,实现阀口不同的过流面积,调节比例阀出口流量。空气、氧气、氮气、氦气等均可作为医疗比例阀的工作介质。

2流量数学模型

如图1所示,比例阀的出口流量主要由不同的阀口过流面积决定,收缩喷嘴型阀口质量流量计算公式如下:

式中:Gm为质量流量;Cf为阻力系数;AV为有效过流面积;C1,C2为流量系数;Pu为上游压力;Pd为下游压力;Pcr为临界压力系数;T为工作温度(绝对温度);k为流体比热比(空气为1.4)。

其中:

式中:R为气体常数,空气为287 J/(KG·K);D为孔口直径;x为阀口开度。

3建模与仿真研究

通过上述理论公式,可初步对比例阀的流量进行分析。为进一步得到准确的比例阀流量计算模型,在FLUENT平台对医疗比例阀进行了建模分析,在建模过程中,对部分结构进行了简化处理,在近壁面和流道变化较大位置,对网格进行了加密处理,流体区域如图2所示。

在0.3 Mpa下,对不同阀口开度下的比例阀流量进行仿真,得到速度流场云图如图3~5所示。

对不同阀口开度下的出口流量进行积分,得到比例阀不同开度下的出口体积流量如图6所示。

图6中,不同阀口开度下,比例阀流量增长近似线性,阀口每开0.1 mm,流量平均增长约15.2 L/min。如图3~5所示,在阀口附近,比例阀流场速度梯度较大,为进一步探究阀口附近零件尺寸对比例阀流量的影响,在保持阀口开度0.5 mm不变的情况下,改变阀口直径,其出口速度流场云图如图7~9所示;在保持阀口开度0.5 mm不变的情况下,改变阀口密封垫直径,其出口速度流场云图如图10~12所示;不同参数下的出口体积流量如图13所示。

由图7~13可知,比例阀的流量随着阀口直径的增大而增大,阀口直径每增大0.5 mm,流量增加20~25 L/min;不同密封垫底面直径对于比例阀流量的影响较小,流量波动仅为0.1 L/min。经分析,类似因素还有阀口入口处圆台的拔模角度、倒角等,其对比例阀流量的影响均较小。

4 结论

本文对特定结构的医疗比例阀流量模型进行了数学建模,并基于FLUENT进行建模分析,结果表明,比例阀流量随阀口开度线性增加,验证了比例阀结构设计的合理性;同时研究了比例阀不同结构参数对比例阀流量的影响,即比例阀的流量随着阀口直径的增大而增大,而密封垫底面直径、阀口入口处圆台的拔模角度、倒角等对于比例阀流量的影响较小,因此在比例阀设计中要着重考虑阀口直径等因素的影响。

[参考文献]

[1]姜雪,袁伟静,杨立霞,等.2020—2022年北京市某三级医院重症监护病房器械相关医院感染动态监测结果分析[J].预防医学情报杂志,2024,40(7):840—846.

[2] 沈佳燕.ICU中的“空气管家”:呼吸机如何维护我们的生命线[J].科学之友,2024(7):25—26.

[3]周明.电液比例技术在流动舞台车同步控制中的应用[J].专用汽车,2024(1):35—38.

[4]王帅.主动模拟肺的建模与控制关键技术研究[D].济南:山东大学,2023.

[5] 范昊男,黎明,张续,等.呼吸机用比例阀的控制、状态监测及诊断系统设计与实现[J].中国医疗设备,2022,37(10):29—32.

[6]黄燕.压电先导型气动阀位置比例控制系统研究[D].上海:上海交通大学,2017.

2025年第2期第11篇