解放軍第174醫(yī)院 器械科，福建 廈門(mén) 361003

一種純機(jī)械式無(wú)電源的輸液泵動(dòng)力源

周文光，魏培德，陳慶，孔悅

解放軍第174醫(yī)院 器械科，福建 廈門(mén) 361003

目的設(shè)計(jì)一種動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)純機(jī)械式無(wú)電源輸液泵。方法通過(guò)氣源、磁場(chǎng)、發(fā)條三種能量動(dòng)力源的比較，采用發(fā)條作為儲(chǔ)能媒介，設(shè)計(jì)發(fā)條定時(shí)器；通過(guò)無(wú)固有周期擒縱調(diào)速器，保證發(fā)條勻速穩(wěn)定輸出，帶動(dòng)輸液泵蠕動(dòng)泵頭的轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)果發(fā)條定時(shí)器儲(chǔ)能、釋放能量驅(qū)動(dòng)勻速機(jī)勻速運(yùn)輸，取代傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵頭。結(jié)論與氣源、磁場(chǎng)相比較，發(fā)條作為動(dòng)力源具有易控制、維護(hù)簡(jiǎn)單、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

輸液泵；發(fā)條；定時(shí)器；渦卷彈簧

0 前言

現(xiàn)在臨床上常采用電動(dòng)輸液泵進(jìn)行輸液治療，以達(dá)到藥量準(zhǔn)確、速度均勻的目的。針對(duì)野戰(zhàn)、高壓氧艙等對(duì)電源有特殊要求的環(huán)境，需探討一種解決該類(lèi)輸液泵驅(qū)動(dòng)的能源系統(tǒng)。為此，本項(xiàng)目研制一種純機(jī)械式無(wú)電源的輸液泵動(dòng)力源[1]。

1 動(dòng)力源的選擇

能源種類(lèi)繁多，在當(dāng)今世界各種生產(chǎn)活動(dòng)中，最廣泛使用的能源有煤炭、石油、天然氣和水力，特別是石油和天然氣的消費(fèi)量增長(zhǎng)迅速，已占世界能源消費(fèi)總量的60%左右，但是石油和天然氣的儲(chǔ)存是有限的，而煤炭資料雖然比石油和天然氣資源豐富，但是直接應(yīng)用煤炭嚴(yán)重污染環(huán)境，因此亟需研究持久的、多樣化的、可再生的能源系統(tǒng)[2]。根據(jù)要求，通過(guò)對(duì)氣源、磁場(chǎng)能、發(fā)條三種適合無(wú)電源環(huán)境的能源進(jìn)行分析比較，以確定本研究需要的動(dòng)力源。

1.1 氣源

常用的氣源主要以天然氣、液化石油氣等燃料氣體居多，易發(fā)生安全事故。氣源作為保證氣壓傳動(dòng)和控制系統(tǒng)正常工作所不可缺少的動(dòng)力源，包括產(chǎn)生壓縮空氣的空氣壓縮機(jī)和后冷卻器、氣罐、過(guò)濾器、干燥器等氣源處理裝置，相對(duì)于本研究的小型設(shè)備而言，體積較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

1.2 磁場(chǎng)能

地球場(chǎng)蘊(yùn)涵著巨大的電磁能，利用取之不盡的地球電磁能資源來(lái)工作，不需要提供任何的動(dòng)力和燃料，通過(guò)控制機(jī)構(gòu)能可靠自如地實(shí)現(xiàn)電磁能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，工作過(guò)程中無(wú)輻射、無(wú)污染、不發(fā)生突發(fā)事故（如爆炸、起火等）。但地球場(chǎng)的電磁強(qiáng)度很低，而且電磁場(chǎng)主要作用于通電導(dǎo)體[3]，不符合純機(jī)械無(wú)電源的設(shè)計(jì)要求。

1.3 發(fā)條

發(fā)條是平面渦卷彈簧的一種，作為一種動(dòng)力源或儲(chǔ)能元件被廣泛應(yīng)用于定時(shí)器、電機(jī)等產(chǎn)品中，如機(jī)械鐘表、發(fā)條玩具都是靠上緊發(fā)條帶動(dòng)的。當(dāng)發(fā)條被上緊時(shí)發(fā)條產(chǎn)生彎曲變形，存儲(chǔ)一定的彈性勢(shì)能，釋放后，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

在各種彈簧中使用最廣泛、研究最透徹的要算渦卷彈簧，通過(guò)等截面的細(xì)長(zhǎng)材料繞制成螺旋型[4]，由于螺旋圈數(shù)可以卷繞很多，變形較大，并能以較小的體積儲(chǔ)存較多的能量。因其具有高扭力、多角度的扭轉(zhuǎn)力矩，多用于長(zhǎng)時(shí)間做功的機(jī)構(gòu)中；因其具有不易疲勞的特性，一般在不用電能的情況下，作為微小型機(jī)械的動(dòng)力來(lái)使用。

本研究選用發(fā)條彈簧作為動(dòng)力源，它具有抗疲勞能力強(qiáng)、耐熱、耐寒、耐腐蝕性能佳，阻燃性、耐油性和耐磨性良好。發(fā)條彈簧的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單純，所以影響結(jié)構(gòu)和性能的參變量少。

2 發(fā)條設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)者很早就運(yùn)用解析法、圖解法或圖解分析法尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，取得了一定成效。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行非線性規(guī)劃的優(yōu)化設(shè)計(jì)，成效顯著。

2.1 發(fā)條的類(lèi)型及應(yīng)用

發(fā)條是由帶料繞成平面渦卷形狀的彈簧，當(dāng)外力對(duì)發(fā)條彈簧做功后，這部分功轉(zhuǎn)化為發(fā)條的彈性勢(shì)能，當(dāng)發(fā)條工作時(shí)彈性勢(shì)能慢慢釋放，驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)而做功[5]。

發(fā)條根據(jù)外形結(jié)構(gòu)可分為螺旋型和S型（圖1）。前者廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、家用電器[6]，后者一般用于鐘表等儀器裝置中。

圖1 發(fā)條彈簧的類(lèi)型及結(jié)構(gòu)圖

發(fā)條處于自由狀態(tài)時(shí)占有龐大的體積，是完全卷緊時(shí)體積的10倍之多、甚至更大。因此，通常將其固定在發(fā)條盒內(nèi)，以便獲得較小的外形尺寸，同時(shí)還可以使發(fā)條彈簧具有比較完善的外端固定形式，以改善其工作狀態(tài)，更有利于潤(rùn)滑油的保護(hù)。

發(fā)條的外端固定方式可分為鉸式固定、銷(xiāo)式固定、V型固定和襯片固定4種（圖2）。其中，V型固定能使外端能有一定的近似徑向移動(dòng)，圈間摩擦力小，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，適用于尺寸較小的發(fā)條彈簧，但彎曲處很容易斷裂。 發(fā)條的內(nèi)端固定方法也有4種（圖3）。

圖2 發(fā)條彈簧外端固定方法結(jié)構(gòu)圖

圖3 發(fā)條彈簧內(nèi)端固定方法結(jié)構(gòu)圖

V型槽固定用于大型原動(dòng)機(jī)中，用大心軸直徑的彈簧；彎鉤固定材料較厚的彈簧；齒式固定適用于精密機(jī)構(gòu)中；銷(xiāo)式固定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用于不太重要的機(jī)構(gòu)中。

2.2 發(fā)條特性

置于發(fā)條盒內(nèi)的發(fā)條力矩與圈數(shù)特性曲線，見(jiàn)圖4。A點(diǎn)為繞制前狀態(tài)，繞制后處于自由狀態(tài)的B點(diǎn)力矩為零；C點(diǎn)發(fā)條盒內(nèi)的發(fā)條處于完全放松狀態(tài)，發(fā)條各圈壓到盒壁上，盡管此時(shí)發(fā)條材料有一定的應(yīng)力，但受發(fā)條盒的限制無(wú)法繼續(xù)放開(kāi)，因此實(shí)際發(fā)出的力矩也為零；當(dāng)發(fā)條逐漸上緊時(shí)，壓到盒壁上的各圈發(fā)條將逐漸離開(kāi)內(nèi)壁并彼此分開(kāi)、分布在條盒內(nèi)，即D點(diǎn)的狀態(tài)，但最后一圈尚未離開(kāi)盒壁；F點(diǎn)為發(fā)條完全上緊時(shí)刻，此時(shí)發(fā)條緊繞在條軸上。

圖4 置于盒內(nèi)發(fā)條的彈簧特性曲線圖

圖4中曲線CIJ為發(fā)條輸出力矩與發(fā)條圈數(shù)的關(guān)系，表明驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的輸出力矩及其變化情況；曲線CI段力矩變化較大，不能利用，其大小與發(fā)條的長(zhǎng)度和厚度有關(guān)；直線BN代表發(fā)條的理論力矩曲線，其與橫坐標(biāo)包圍的面積表示儲(chǔ)存在發(fā)條內(nèi)的能量；面積BNF與CIJF之間的差值，說(shuō)明了發(fā)條盒雖然減小了發(fā)條占有空間，但發(fā)條儲(chǔ)存的部分能量卻受條盒的限制不能輸出。

2.3 發(fā)條定時(shí)器的設(shè)計(jì)

發(fā)條作為動(dòng)力源，帶動(dòng)時(shí)鐘齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，勻速輸出的能量驅(qū)動(dòng)泵頭的運(yùn)轉(zhuǎn)。關(guān)鍵參數(shù)如下：

輸出扭矩M＞0.3N·m；

輸出轉(zhuǎn)速：20 r/min ；

連續(xù)輸出時(shí)間：1 h；

輸出軸直徑：3～5 mm；

發(fā)條加發(fā)條盒外形尺寸≤ 100×50（mm2）。

此要求的發(fā)條定時(shí)器，目前尚無(wú)成型東西可選用，需自行設(shè)計(jì)制作，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，見(jiàn)圖5。

圖5 發(fā)條定時(shí)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

采用原全國(guó)統(tǒng)一機(jī)械鬧鐘走時(shí)用發(fā)條機(jī)構(gòu)，包括發(fā)條、條軸、條盒和止逆機(jī)構(gòu)等。根據(jù)要求，本研究擬采用螺旋型發(fā)條彈簧，外端固定采用簡(jiǎn)單的V型固定，即由發(fā)條殼固定，內(nèi)端采用彎鉤固定方法，與輸出秒軸相接。

由于發(fā)條在卷緊時(shí)輸出力矩大，而接近全放松時(shí)，輸出力矩會(huì)減小很多，因此調(diào)速機(jī)構(gòu)采用發(fā)條定時(shí)器通用的無(wú)固有振動(dòng)周期擒縱調(diào)速器[8]，以減小發(fā)條的這種不均勻輸出力矩，達(dá)到穩(wěn)定發(fā)條機(jī)構(gòu)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。

圖6 實(shí)物俯視圖

圖7 實(shí)物正視圖

手動(dòng)旋轉(zhuǎn)上條軸，發(fā)條產(chǎn)生預(yù)緊，當(dāng)停止上條時(shí)，發(fā)條便產(chǎn)生扭力驅(qū)動(dòng)輸出軸桿和頭輪旋轉(zhuǎn)[9-10]，使齒輪級(jí)級(jí)傳動(dòng)，通過(guò)二級(jí)增速傳動(dòng)到秒軸，可滿足輸出扭矩的要求，但必須設(shè)計(jì)加大機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以增大振動(dòng)周期，減少傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，保證秒軸輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到20 r/min。在60 min內(nèi)，發(fā)條釋放約6圈，正可利用發(fā)條釋放的平穩(wěn)圈數(shù)段，保證輸出扭矩的平穩(wěn)性。實(shí)物設(shè)計(jì)視圖，見(jiàn)圖6～7。

3 討論與思考

人工卷緊發(fā)條，發(fā)條勻速輸出能量帶動(dòng)泵的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)勻速輸液的目的[10-11]。發(fā)條參數(shù)及擒縱調(diào)速器調(diào)速周期需要通過(guò)試驗(yàn)最終確定。由于輸出轉(zhuǎn)速和扭矩的約束，無(wú)法實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目中輸出時(shí)間達(dá)到1h的要求，因此需要做更深一步的探討和研究。

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Power Supply of Mechanical Infusion Pump without Electricity

ZHOU Wen-guang, WEI Pei-de, CHENG Qing, KONG Yue
Department of Equipment, the 174thHospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China

ObjectiveTo develop a kind of power supply to drive mechanical infusion pump without electric power.MethodsThrough energy source comparison of gas, magnetic feld and spring, using spring as storage to design a timer with no fxed periodic escapement which could ensure stable output at a constant speed and drive peristaltic pump head of infusion pump.ResultsInstead of driving pump head by traditional motors, the spring timer stores energy and the energy will be released at a constant speed by storage agency.ConclusionCompared with gas source, magnetic feld, spring as power source has advantages such as easy controlling, simple maintenance, heat-resisting and better corrosion resistance.

infusion pump; spring; timer; volute spiral spring

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.05.007

1674-1633(2013)05-0021-03

2012-11-17

2012-12-13

南京軍區(qū)2010年度醫(yī)學(xué)科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助課題（10MA071）。

專(zhuān)利：實(shí)用新型專(zhuān)利（ZL200820103375．0）。

本文作者：周文光，主任技師。

孔悅，副主任護(hù)師，護(hù)理部主任。

作者郵箱：zhouwgsun@126．com