一种用于人工心脏的快速换向阀的设计

2015-02-24金恒林胡晓兵

机床与液压 2015年22期

金恒林，胡晓兵

(四川大学制造科学与工程学院，四川成都 610065)

现有的换向阀种类繁多，按换向阀阀芯形状分类，有滑阀式、转阀式和球阀式3种;按操纵控制方式不同，分为手动、机动、电磁、液动、电液动和气动等。在各种换向阀中，电磁换向阀的换向频率相对较高，最高可达250～300次/分［1］。但稳态液动力是电磁阀换向过程中不可忽视的换向阻力，且液动力随着流量的增大而增大，由于电磁力大小所限，所以电磁换向阀的最大过流能力受到限制，其流量一般较小［2］。

鉴于目前没有一种既能够高速换向无液压冲击现象、又能换向平稳无液压卡紧现象的换向阀 (液压卡紧现象卡紧原因:脏物进入缝隙;温度升高，阀芯膨胀;但主要原因是滑阀副几何形状和同心度变化引起的径向不平衡力的作用)，在仿生心脏泵等应用中现有换向阀都不能同时满足使用要求，为此设计制造出一种旋转快速换向阀。

1 机械结构设计

一种用于人工心脏的快速换向阀结构原理如图1所示。快速换向阀采用旋转结构，为了保证良好径向密封，阀芯有一个5°～10°的锥度，工作时，阀芯在阀壳内旋转。阀芯结构如图2所示，在阀芯上有8个环形槽口 (槽口1—槽口8)，引导液压油流动方向，U形槽口圆心角为70°～80°，并开有槽口两两相互连通的4个通孔，槽口1与槽口2通过孔1连通，槽口3与槽口6通过孔3连通，槽口4与槽口5通过孔4连通，槽口7与槽口8通过孔2连通。阀芯与阀壳之间相对位置有两种:不改变外接部件与阀连接，阀芯处于位置1，即由孔1和孔2形成“通路1”;阀芯处于位置2时，即孔3和孔4形成反向“通路2”。在阀芯旋转过程中能够保持一定时间位置通路不变，控制进入阀的液体压力和流量并调节电机速度驱动阀芯相对阀壳以一速度旋转。改变阀进出口与正对槽口位置，就可以实现快速换向。通过执行机构的流量压力传感器等检测实际流量与理论流量之间的误差，反馈给控制系统，对进入阀液体的压力、流量进行误差补偿，从而实现执行部件的精确快速控制。如图3所示。

图1 快速换向阀结构原理图

图2 阀芯结构图

图3 快速换向阀应用于人工心脏换向实验原理图

2 动态性能试验

实验动物:健康成年公狗1只，质量 (8±2)kg，由四川大学华西医院提供隔膜式人工心脏泵与狗主动脉相连接。

实验仪器设备:滚柱泵 (动力泵)、各种直径管道、快速换向阀、压力测量系统 (BL-420S系统)、隔膜式人工心脏泵等。

实验步骤:组装液压驱动回路，调试并保持动力泵流量，做动物开胸手术并连接隔膜式人工心脏泵，调节阀转速，观察并记录狗体循环血压波形。在实验中快速换向阀匀速旋转，分别设置为12和41 r/min，即换向频率为24和82次/min。实验结果血压波形如图4和图5所示。

图4 阀换向频率24次/min人工心脏血压波形

图5 阀换向频率82次/min人工心脏血压波形

实验原理图如图3所示，试验中人工心脏是隔膜泵，实验过程中动力泵以恒定的流量输出液压油，快速换向阀匀速旋转，通过换向阀改变动力泵输出液压油的流向，当阀芯在位置1时，动力泵通过“通路1”向隔膜式心脏泵输入液压油，驱动隔膜运动，此过程在人工心脏泵实验中模拟心脏收缩，向外供血;当阀芯在位置2时，动力泵通过“通路2”将隔膜式心脏泵中液压油抽回油箱，此过程在人工心脏泵实验中模拟心脏舒张，驱动隔膜泵吸入血液。实验结果表明:阀在低频率和较高频率都能稳定工作，快速换向阀换向频率为24次/min(12 r/min)时人工心脏血压波形波峰值18.05 kPa(135.69 mmHg)，波谷值8.22 kPa(61.84 mmHg);而换向频率为82次/min(41 r/min)时人工心脏血压波形波峰值10.5 kPa(78.92 mmHg)，波谷值5.57 kPa(41.85 mmHg)。原因在于:加快换向频率，而动力泵流量没有变化，每一个周期进出隔膜式心脏泵的驱动液随着换向频率增加而减少，则泵血量也减少，所以压力波形波峰、波谷值均随频率增加而降低;而换向频率与血压下降规律不是线性关系，因为血管有弹性，压力高会胀大降低血压，压力低会收缩增加血压。实验结果表明，此快速换向阀能够很好适用于隔膜式人工心脏泵。