CN115095620B - 一种弹片、比例阀及比例阀流量线性度优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于比例阀技术领域，特别涉及一种弹片、比例阀及比例阀流量线性度优化方法，弹片包括弹片主体和设置在弹片主体上的多个异型孔，多个异型孔围绕弹片主体的中心轴呈环形阵列分布；异型孔包括第一孔段、第二孔段和第三孔段，第二孔段连接在第一孔段和第三孔段之间，第一孔段设置在弹片主体的外边缘处，第三孔段设置在弹片主体的中心处，相邻两个异型孔之间，在弹片主体的径向上，其中一个异型孔的第一孔段位于另一个异型孔的第三孔段的外侧。本发明中弹片上的异型孔的大小和数量会影响弹片的结构强度，弹片的弹片力和变形量相匹配，接近正比例关系，具有较好的线性度，使得比例阀的流量曲线也具有较好的线性度，提高控制精度和响应度。

Description

一种弹片、比例阀及比例阀流量线性度优化方法

技术领域

本发明属于比例阀技术领域，特别是涉及一种弹片、比例阀及比例阀流量线性度优化方法。

背景技术

比例阀是呼吸机气路控制系统的核心部件，安装在通气模块上，主要用于控制气源(氧气和空气)流量变化及开关，实现呼吸机压力和流量的精准控制。由于呼吸机用比例阀要求低功耗、低磁滞、长寿命、高响应、体积小、重量轻，涉及电-磁-机械-气等多学科交叉耦合，设计难度大。

呼吸机是通过控制比例阀实现对输出流量的精确控制。而目前呼吸机采用的比例阀的理想流量特性曲线大多是线性的，但在实际应用上，大部分比例阀的线性度不高，比例阀的线性度差会影响整机控制精度及功能实现响应速度，极大影响用户体验及产品市场推广，并且影响整机功能的调试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的比例阀的线性度不高的问题，提供一种弹片、比例阀及比例阀流量线性度优化方法。

为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种弹片，包括弹片主体和设置在所述弹片主体上的多个异型孔，多个所述异型孔围绕所述弹片主体的中心轴呈环形阵列分布；

所述异型孔包括第一孔段、第二孔段和第三孔段，所述第二孔段连接在所述第一孔段和所述第三孔段之间，所述第一孔段设置在所述弹片主体的外边缘处，所述第三孔段设置在所述弹片主体的中心处，相邻两个所述异型孔之间，其中一个所述异型孔的所述第一孔段在所述弹片主体的径向上，位于另一个所述异型孔的所述第三孔段的外侧。

可选地，所述第一孔段包括第一边缘和第二边缘，所述第三孔段包括第三边缘和第四边缘，多个所述第一孔段的所述第一边缘位于第一圆形上，多个所述第三孔段的所述第三边缘位于第二圆形上，多个所述第三孔段的第四边缘位于第三圆形上，所述第一圆形、所述第二圆形和所述第三圆形共圆心且直径依次减小。

可选地，所述第一边缘的弧度大于所述第二边缘的弧度。

可选地，所述第二孔段的第一端连接所述第一孔段，所述第二孔段的第二端连接所述第三孔段，所述第二孔段的第一端的宽度和所述第二孔段的第二端的宽度均大于所述第二孔段的中间部分的宽度。

可选地，所述弹片主体上具有中心孔，多个所述异型孔设置在所述中心孔与所述弹片主体的外边缘之间。

另一方面，本发明实施例提供一种比例阀，包括如前所述的弹片。

再一方面，本发明实施例提供一种比例阀流量线性度优化方法，应用于如前所述的比例阀，包括以下步骤：

获取弹片的初始图案；

对所述弹片的变形量与弹片力进行仿真模拟得到第一关系曲线；

将所述第一关系曲线与预设的标准曲线进行对比；

根据对比结果，修改所述弹片的初始图案，以得到优化图案，所述优化图案为具有所述异型孔的所述弹片的图案；

对修改后的所述弹片的变形量与弹片力进行仿真模拟得到第二关系曲线；

试做弹片样品，测试弹片样品的变形量与弹片力，以得到实测曲线；

将所述实测曲线与所述第二关系曲线进行对比，验证所述弹片样品的结构的合理性；

将所述弹片样品装配到比例阀中，测试比例阀的流量曲线。

可选地，所述根据对比结果，修改所述弹片的图案，以得到优化图案包括：

在同等的变形量下，对所述第一关系曲线的弹片力与所述标准曲线的弹片力进行对比；

所述第一关系曲线的弹片力小于所述标准曲线的弹片力时，减小所述异型孔在所述弹片上所占的面积；

所述第一关系曲线的弹片力大于所述标准曲线的弹片力时，增大所述异型孔在所述弹片上所占的面积。

可选地，试做弹片样品之前还包括：

判断所述第二关系曲线与预设的标准曲线之间的偏离值是否在误差范围内，偏离值不在误差范围内时，重复修改所述弹片的初始图案的操作。

可选地，所述将所述实测曲线与所述第二关系曲线进行对比，验证所述弹片样品的结构的合理性包括：

判断所述实测曲线与所述第二关系曲线之间的偏离值是否在误差范围内，偏离值不在误差范围内时，重复修改所述弹片的初始图案以及测试弹片样品的变形量与弹片力以得到实测曲线的操作。

本发明实施例提供的弹片，所述弹片上具有多个所述异型孔，所述异型孔的大小和数量会影响所述弹片的结构强度，所述弹片的弹片力和变形量相匹配，接近正比例关系，具有较好的线性度，装配在比例阀上后使得比例阀的流量曲线也具有较好的线性度，能够提高控制精度和响应度。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的弹片的示意图；

图2是本发明一实施例提供的流量曲线优化方法的步骤图；

图3是本发明一实施例提供的第一关系曲线的示意图；

图4是本发明一实施例提供的第二关系曲线的示意图；

图5是本发明一实施例提供的优化前的实测曲线的示意图；

图6是本发明一实施例提供的优化后的实测曲线的示意图；

图7是本发明一实施例提供的优化前的比例阀的流量曲线示意图；

图8是本发明一实施例提供的优化后的比例阀的流量曲线示意图；

图9是本发明一实施例提供的优化前的比例阀的流量滞回曲线示意图；

图10是本发明一实施例提供的优化后的比例阀的流量滞回曲线示意图；

说明书中的附图标记如下：

1、弹片主体；11、中心孔；2、第一孔段；21、第一边缘；22、第二边缘；3、第二孔段；4、第三孔段；41、第三边缘；42、第四边缘。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明一实施例提供的一种弹片，包括弹片主体1和设置在所述弹片主体1上的多个异型孔，所述弹片主体1为圆形，多个所述异型孔围绕所述弹片主体1的中心轴呈环形阵列分布。

所述异型孔包括第一孔段2、第二孔段3和第三孔段4，所述第二孔段3连接在所述第一孔段2和所述第三孔段4之间，所述第一孔段2设置在所述弹片主体1的外边缘处，所述第三孔段4设置在所述弹片主体1的中心处，所述异型孔整体呈镰刀形结构，相邻两个所述异型孔之间，在所述弹片主体1的径向上，其中一个所述异型孔的所述第一孔段2位于另一个所述异型孔的所述第三孔段4的外侧。

本发明实施例提供的弹片，所述弹片上具有多个所述异型孔，所述异型孔的大小和数量会影响所述弹片的结构强度，所述弹片的弹片力和变形量相匹配，接近正比例关系，具有较好的线性度，装配在比例阀上后使得比例阀的流量曲线也具有较好的线性度，能够提高控制精度和响应度。

呼吸机用比例阀通常包括电磁铁、弹片、阀芯、阀座、膜片等组成。阀芯和动衔铁采用一体式设计，在电磁铁作用下，由所述弹片支撑进行运动，降低运功过程中的摩擦力，所述弹片对阀芯提供一个向下的预紧力，比例阀的进气通道的进气口的气体被引入到膜片一侧的密闭腔内，使膜片对阀芯产生一个向下的压力，从而降低弹片的预压缩力，形成“平衡式”结构的气动力布局，电磁铁可在2.5W低功率下开启阀芯，功率降低后使得电磁铁体积减小，动衔铁和阀芯尺寸也随之减小，比例阀的响应速度得到提高，同时满足比例阀体积小、重量轻的要求。

比例阀还包括隔磁环，通过隔磁环设计能够对磁路进行特殊分配，使动衔铁和静衔铁之间电磁吸力在阀芯移动过程中基本保持恒定，通过增加电流能够改变电磁力，从而调节比例阀的出口流量。阀芯移动时气隙变化，电磁吸力大小会随铁芯位置的改变而改变，若要达到稳定调节，需要阀芯在气隙范围内任意位置都能达到平衡，即，电磁力、弹片力及膜片上下压力差三力达到平衡，实现流量的比例调节。其中，电磁力的方向为向上，弹片力和压力差值均是向下。

进一步地，膜片上下面积及进口压力是固不变的，因此，膜片上下压力差近似为定值，这就使得电磁力与弹片力为两条等距平行斜线，两条平行斜线之间的差距即为膜片上下压力差值。需要增大阀芯开口时，增大电磁力，所述弹片向上移动，所述弹片的变形量增加，弹片力也随之增加，相应地，需要减小阀芯开口时，减小电磁力，所述弹片向下移动，所述弹片的变形量减小，弹片力也随之减小。

在比例阀中，流量与阀芯开口量成线性关系，通过增大电流可以调节阀芯开口量，即电流与阀芯开口量成正比例关系，而电流大小能决定电磁力大小，再者，电磁力、弹片力及膜片上下压力差平衡才能保证阀芯开口稳定，膜片上下压力差为定值，因此，流量与弹片力成正比例关系，通过控制所述弹片的弹片力就能控制流量变化，提高流量的线性度。所述弹片的弹片力由所述弹片的变形量决定，所以，弹片力与变形量的关系能够决定比例阀流量曲线的变化趋势，具体地，当弹片力与变形量呈线性关系时，就能够实现流量的线性调节，比例阀流量曲线呈线性状态，当弹片力与变形量呈非线性关系时，比例阀流量曲线也呈非线性状态。而在本发明中，所述弹片的弹片力和变形量相匹配，接近正比例关系，具有较好的线性度，从而提高了比例阀流量的线性度。

在一实施例中，所述异型孔设置有三个。

在一实施例中，所述第一孔段2包括第一边缘21和第二边缘22，所述第一边缘21和所述第二边缘22为弧形，所述第一边缘21相对于所述第二边缘22靠近所述弹片主体1的外边缘，所述第三孔段4包括第三边缘41和第四边缘42，所述第三边缘41和所述第四边缘42为弧形，多个所述第一孔段2的所述第一边缘21位于第一圆形上，多个所述第三孔段4的所述第三边缘41位于第二圆形上，多个所述第三孔段4的第四边缘42位于第三圆形上，所述第一圆形、所述第二圆形和所述第三圆形共圆心且直径依次减小。

在一实施例中，所述弹片主体1上具有中心孔11，比例阀的阀芯从所述中心孔11中穿过，多个所述异型孔设置在所述中心孔11与所述弹片主体1的外边缘之间，所述第三圆形位于所述中心孔11外侧，所述中心孔11与所述第三图形为同轴。

在一实施例中，所述第一边缘21的弧度大于所述第二边缘22的弧度，使得所述第一孔段2呈现中间宽两头窄的结构。

在一实施例中，所述第二孔段3的第一端连接所述第一孔段2，所述第二孔段3的第二端连接所述第三孔段4，所述第二孔段3的第一端的宽度和所述第二孔段3的第二端的宽度均大于所述第二孔段3的中间部分的宽度，使得所述第二孔段3呈中间窄两头宽的结构。

在一实施例中，所述第一孔段2的长度最大，所述第三孔段4的长度次之，所述第二孔段3的长度最小。

另外，本发明一实施例提供一种比例阀，包括如前所述的弹片，所述弹片的弹片力和变形量相匹配，接近正比例关系，使得所述比例阀的流量曲线也呈线性状态，提高了比例阀流量的线性度。

最后，如图2所示，本发明一实施例提供一种比例阀流量线性度优化方法，应用于如前所述的比例阀，通过该优化方法得到具有所述异型孔的弹片，将弹片装配到比例阀中能够得到线性度较好的比例阀，具体包括以下步骤：

S10、获取弹片的初始图案；

S20、对所述弹片的变形量与弹片力进行仿真模拟得到第一关系曲线；

S30、将所述第一关系曲线与预设的标准曲线进行对比；

S40、根据对比结果，修改所述弹片的初始图案，以得到优化图案，所述优化图案为具有所述异型孔的所述弹片的图案；

S50、对修改后的所述弹片的变形量与弹片力进行仿真模拟得到第二关系曲线；

S60、试做弹片样品，测试弹片样品的变形量与弹片力，以得到实测曲线；

S70、将所述实测曲线与所述第二关系曲线进行对比，验证所述弹片样品的结构的合理性；

S80、将所述弹片样品装配到比例阀中，测试比例阀的流量曲线。

本发明实施例提供的比例阀流量线性度优化方法，通过对现有的弹片进行仿真模拟，修改弹片的初始图案，即，改变弹片的结构，使得弹片的变形量和弹片力接近于线性关系，从而提高比例阀的流量线性度。

在一实施例中，如图3所示，步骤S10中可选取现有的弹片的初始图案，利用仿真软件模拟所述弹片的实际工作状态，从而得到未优化前的所述弹片的变形量与弹片力之间的所述第一关系曲线。

在一实施例中，预设的标准曲线为根据比例阀的理想流量线性曲线计算得到标准的弹片力与变形量，进行作图，能够得到完全呈线性的标准曲线，在该标准曲线下，所述比例阀的流量曲线也为线性。

未优化前，所述第一关系曲线为非线性的曲线，将所述第一关系曲线和所述标准曲线放在一起进行对比，在对比时，在所述第一关系曲线上选取多个第一离散点，在所述标准曲线选取多个第二离散点，所述第一离散点和所述第二离散点的横坐标相同，对所述第一离散点和所述第二离散点的纵坐标值的进行比较，根据所述第一关系曲线的纵坐标值与所述标准曲线的纵坐标值之间的差值，来判断增大所述弹片的结构强度或者减小所述弹片的结构强度。

在一实施例中，所述第一关系曲线和所述标准曲线中横坐标为变形量，纵坐标为弹片力，根据对比结果，修改所述弹片的初始图案，以得到优化图案具体包括：

在同等的变形量下，对所述第一关系曲线的弹片力与所述标准曲线的弹片力进行对比。所述第一关系曲线的弹片力小于所述标准曲线的弹片力时，表明弹片力值偏小，需要减少所述异型孔在所述弹片上的占比，以增强所述弹片的结构强度，从而增加所述弹片的弹片力，来接近所述标准曲线的弹片力。

所述第一关系曲线的弹片力大于所述标准曲线的弹片力时，表明弹片力值偏大，需要增加所述异型孔在所述弹片上的占比，以减小所述弹片的结构强度，从而减小所述弹片的弹片力，来接近所述标准曲线的弹片力。根据弹片力的对比结果，通过改变所述异型孔的形状和大小来改变弹片的结构强度，进而改变弹片力的大小。

在一实施例中，如图4所示，修改所述弹片的初始图案后，再次利用仿真软件模拟所述弹片的实际工作状态，得到优化后的所述弹片的变形量与弹片力的第二关系曲线。

试做弹片样品之前还包括：

判断所述第二关系曲线与预设的标准曲线之间的偏离值是否在误差范围内，偏离值不在误差范围内时，重复修改所述弹片的初始图案的操作。

在一实施例中，所述误差范围为20％，将所述第二关系曲线和所述标准曲线放在一起进行对比，其对比方法与第一关系曲线和所述标准曲线之间的对比方法相同，在相同的变形量下，计算所述第二关系曲线上的弹片力相对于所述标准曲线上的弹片力的偏离值，所述偏离值在20％的误差范围内时，则由所述第二关系曲线计算得到的弹片力位于所述标准曲线的弹片力的-20％～20％的范围内，表明所述第二关系曲线为线性状态或者接近线性状态，满足设计需求。所述偏离值不在20％的误差范围内时，则表明需要返回步骤S40继续修改所述弹片的初始图案，修改图案后进行仿真模拟，步骤S40可重复多次执行，直至所述偏离值位于误差范围内，修改后能够得到具有多个所述异型孔的弹片，通过所述异型孔使得所述弹片的弹片力向着所述标准曲线上的弹片力靠近。

在一实施例中，根据修改后的所述弹片的优化图案进行样品试做，通过相关设备测试所述弹片样品的变形量与弹片力，根据测试结果绘制得到所述实测曲线，将所述弹片样品的实测曲线与所述第二关系曲线进行对比，查看两个曲线之间的差异性，验证仿真曲线的准确性，从而确定所述弹片样品的结构的合理性。

如图5所示，为修改前的弹片通过测试变形量与弹片力得到的实测曲线，如图6所示，为测试所述弹片样品的变形量与弹片力得到的实测曲线，图中的虚线为趋势线，可以看出，所述弹片样品的所述实测曲线更加接近于线性状态。

在一实施例中，所述将所述实测曲线与所述第二关系曲线进行对比，验证所述弹片样品的结构的合理性包括：

判断所述实测曲线与所述第二关系曲线之间的偏离值是否在误差范围内，偏离值不在误差范围内时，重复修改所述弹片的图案以及测试弹片样品的变形量与弹片力以得到实测曲线的操作。

在一实施例中，所述误差范围为20％，将所述实测曲线与所述第二关系曲线放在一起进行对比，其对比方法与第一关系曲线和所述标准曲线之间的对比方法相同，在相同的变形量下，计算所述实测曲线上的弹片力相对于所述第二关系曲线上的弹片力的偏离值，所述偏离值在20％的误差范围内时，则由所述实测曲线计算得到的弹片力位于所述第二关系曲线的弹片力的-20％～20％的范围内，表明所述实测曲线与所述第二关系曲线比较接近，所述弹片样品的结构满足需求。所述偏离值不在20％的误差范围内时，表明所述实测曲线与所述第二关系曲线之间的差距较大，则表明需要返回并重复进行步骤S40至步骤S70，继续对弹片的结构进行优化，直至步骤S70中所述实测曲线与所述第二关系曲线之间的所述偏离值位于误差范围内。

在一实施例中，如图8所示，将所述弹片样品装配到比例阀中，测试比例阀的流量曲线，另外，如图7所示，将步骤S10中优化前的弹片装配到比例阀中，能够得到优化前的比例阀的流量曲线，可以明显的看出，流量曲线的线性度改善效果明显，且流量曲线的趋势与所述实测曲线的趋势非常接近。

在一实施例中，比例阀流量线性度优化方法还包括测试优化前和优化后的比例阀的流量滞回曲线，如图10所示，为流量线性度优化前的比例阀的流量滞回曲线。如图9所示，为流量线性度优化后的比例阀的流量滞回曲线，其中，位于下方的曲线为比例阀通电电流上升时对应的流量线，位于上方的曲线为比例阀通电电流下降时对应的流量线，两条线之间越接近，则代表流量滞回越小。从图中能够明显的看出，优化完成后，比例阀的流量滞回减小。

比例阀的线性度增加，流量滞回减小，有助于实现比例阀的流量连续可调，从而提高比例阀的控制精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种比例阀流量线性度优化方法，其特征在于，应用于比例阀，所述比例阀包括弹片，所述弹片包括弹片主体和设置在所述弹片主体上的多个异型孔，多个所述异型孔围绕所述弹片主体的中心轴呈环形阵列分布；

所述异型孔包括第一孔段、第二孔段和第三孔段，所述第二孔段连接在所述第一孔段和所述第三孔段之间，所述第一孔段设置在所述弹片主体的外边缘处，所述第三孔段设置在所述弹片主体的中心处，相邻两个所述异型孔之间，其中一个所述异型孔的第一孔段在所述弹片主体的径向上位于另一个所述异型孔的第三孔段的外侧；

所述比例阀的流量与弹片力成正比例关系，通过控制所述弹片的弹片力能控制流量变化，所述比例阀流量线性度优化方法包括以下步骤：

获取弹片的初始图案；

对所述弹片的变形量与弹片力进行仿真模拟得到第一关系曲线；

将所述第一关系曲线与预设的标准曲线进行对比；所述标准曲线呈线性；

根据对比结果，修改所述弹片的初始图案，以得到优化图案，所述优化图案为具有所述异型孔的所述弹片的图案；

对修改后的所述弹片的变形量与弹片力进行仿真模拟得到第二关系曲线；

试做弹片样品，测试弹片样品的变形量与弹片力，以得到实测曲线；

将所述实测曲线与所述第二关系曲线进行对比，验证所述弹片样品的结构的合理性；

将所述弹片样品装配到比例阀中，测试比例阀的流量曲线；

所述根据对比结果，修改所述弹片的图案，以得到优化图案包括：

在同等的变形量下，对所述第一关系曲线的弹片力与所述标准曲线的弹片力进行对比；

所述第一关系曲线的弹片力小于所述标准曲线的弹片力时，减小所述异型孔在所述弹片上所占的面积；

所述第一关系曲线的弹片力大于所述标准曲线的弹片力时，增大所述异型孔在所述弹片上所占的面积；

试做弹片样品之前还包括：

判断所述第二关系曲线与预设的标准曲线之间的偏离值是否在误差范围内，偏离值不在误差范围内时，重复修改所述弹片的初始图案的操作。

2.如权利要求1所述的比例阀流量线性度优化方法，其特征在于，所述第一孔段包括第一边缘和第二边缘，所述第三孔段包括第三边缘和第四边缘，多个所述第一孔段的第一边缘位于第一圆形上，多个所述第三孔段的第三边缘位于第二圆形上，多个所述第三孔段的第四边缘位于第三圆形上，所述第一圆形、所述第二圆形和所述第三圆形共圆心且直径依次减小。

3.如权利要求2所述的比例阀流量线性度优化方法，其特征在于，所述第一边缘的弧度大于所述第二边缘的弧度。

4.如权利要求1所述的比例阀流量线性度优化方法，其特征在于，所述第二孔段的第一端连接所述第一孔段，所述第二孔段的第二端连接所述第三孔段，所述第二孔段的第一端的宽度和所述第二孔段的第二端的宽度均大于所述第二孔段的中间部分的宽度。

5.如权利要求1所述的比例阀流量线性度优化方法，其特征在于，所述弹片主体上具有中心孔，多个所述异型孔设置在所述中心孔与所述弹片主体的外边缘之间。

6.如权利要求1所述的比例阀流量线性度优化方法，其特征在于，所述将所述实测曲线与所述第二关系曲线进行对比，验证所述弹片样品的结构的合理性包括：

判断所述实测曲线与所述第二关系曲线之间的偏离值是否在误差范围内，偏离值不在误差范围内时，重复修改所述弹片的初始图案以及测试弹片样品的变形量与弹片力以得到实测曲线的操作。