一種純機械式無電源的輸液泵動力源

解放軍第174醫(yī)院 器械科，福建 廈門 361003

一種純機械式無電源的輸液泵動力源

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 361003

目的設(shè)計一種動力源，驅(qū)動純機械式無電源輸液泵。方法通過氣源、磁場、發(fā)條三種能量動力源的比較，采用發(fā)條作為儲能媒介，設(shè)計發(fā)條定時器；通過無固有周期擒縱調(diào)速器，保證發(fā)條勻速穩(wěn)定輸出，帶動輸液泵蠕動泵頭的轉(zhuǎn)動。結(jié)果發(fā)條定時器儲能、釋放能量驅(qū)動勻速機勻速運輸，取代傳統(tǒng)電機驅(qū)動蠕動泵頭。結(jié)論與氣源、磁場相比較，發(fā)條作為動力源具有易控制、維護簡單、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)點。

輸液泵；發(fā)條；定時器；渦卷彈簧

0 前言

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

1 動力源的選擇

能源種類繁多，在當(dāng)今世界各種生產(chǎn)活動中，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量增長迅速，已占世界能源消費總量的60%左右，但是石油和天然氣的儲存是有限的，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，通過對氣源、磁場能、發(fā)條三種適合無電源環(huán)境的能源進行分析比較，以確定本研究需要的動力源。

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和控制系統(tǒng)正常工作所不可缺少的動力源，包括產(chǎn)生壓縮空氣的空氣壓縮機和后冷卻器、氣罐、過濾器、干燥器等氣源處理裝置，相對于本研究的小型設(shè)備而言，體積較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

1.2 磁場能

地球場蘊涵著巨大的電磁能，利用取之不盡的地球電磁能資源來工作，不需要提供任何的動力和燃料，通過控制機構(gòu)能可靠自如地實現(xiàn)電磁能到動能的轉(zhuǎn)換，工作過程中無輻射、無污染、不發(fā)生突發(fā)事故（如爆炸、起火等）。但地球場的電磁強度很低，而且電磁場主要作用于通電導(dǎo)體[3]，不符合純機械無電源的設(shè)計要求。

1.3 發(fā)條

發(fā)條是平面渦卷彈簧的一種，作為一種動力源或儲能元件被廣泛應(yīng)用于定時器、電機等產(chǎn)品中，如機械鐘表、發(fā)條玩具都是靠上緊發(fā)條帶動的。當(dāng)發(fā)條被上緊時發(fā)條產(chǎn)生彎曲變形，存儲一定的彈性勢能，釋放后，彈性勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，通過傳動裝置帶動轉(zhuǎn)動。

在各種彈簧中使用最廣泛、研究最透徹的要算渦卷彈簧，通過等截面的細長材料繞制成螺旋型[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，多用于長時間做功的機構(gòu)中；因其具有不易疲勞的特性，一般在不用電能的情況下，作為微小型機械的動力來使用。

本研究選用發(fā)條彈簧作為動力源，它具有抗疲勞能力強、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

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

2.1 發(fā)條的類型及應(yīng)用

發(fā)條是由帶料繞成平面渦卷形狀的彈簧，當(dāng)外力對發(fā)條彈簧做功后，這部分功轉(zhuǎn)化為發(fā)條的彈性勢能，當(dāng)發(fā)條工作時彈性勢能慢慢釋放，驅(qū)動機械運轉(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)條彈簧的類型及結(jié)構(gòu)圖

發(fā)條處于自由狀態(tài)時占有龐大的體積，是完全卷緊時體積的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)，更有利于潤滑油的保護。

發(fā)條的外端固定方式可分為鉸式固定、銷式固定、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，圈間摩擦力小，結(jié)構(gòu)較簡單，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機中，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構(gòu)中；銷式固定結(jié)構(gòu)簡單，用于不太重要的機構(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，見圖4。A點為繞制前狀態(tài)，繞制后處于自由狀態(tài)的B點力矩為零；C點發(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，盡管此時發(fā)條材料有一定的應(yīng)力，但受發(fā)條盒的限制無法繼續(xù)放開，因此實際發(fā)出的力矩也為零；當(dāng)發(fā)條逐漸上緊時，壓到盒壁上的各圈發(fā)條將逐漸離開內(nèi)壁并彼此分開、分布在條盒內(nèi)，即D點的狀態(tài)，但最后一圈尚未離開盒壁；F點為發(fā)條完全上緊時刻，此時發(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)動機構(gòu)運轉(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)包圍的面積表示儲存在發(fā)條內(nèi)的能量；面積BNF與CIJF之間的差值，說明了發(fā)條盒雖然減小了發(fā)條占有空間，但發(fā)條儲存的部分能量卻受條盒的限制不能輸出。

2.3 發(fā)條定時器的設(shè)計

發(fā)條作為動力源，帶動時鐘齒輪轉(zhuǎn)動，勻速輸出的能量驅(qū)動泵頭的運轉(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)條定時器，目前尚無成型東西可選用，需自行設(shè)計制作，結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，見圖5。

圖5 發(fā)條定時器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

采用原全國統(tǒng)一機械鬧鐘走時用發(fā)條機構(gòu)，包括發(fā)條、條軸、條盒和止逆機構(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)條在卷緊時輸出力矩大，而接近全放松時，輸出力矩會減小很多，因此調(diào)速機構(gòu)采用發(fā)條定時器通用的無固有振動周期擒縱調(diào)速器[8]，以減小發(fā)條的這種不均勻輸出力矩，達到穩(wěn)定發(fā)條機構(gòu)勻速轉(zhuǎn)動的目的。

圖6 實物俯視圖

圖7 實物正視圖

手動旋轉(zhuǎn)上條軸，發(fā)條產(chǎn)生預(yù)緊，當(dāng)停止上條時，發(fā)條便產(chǎn)生扭力驅(qū)動輸出軸桿和頭輪旋轉(zhuǎn)[9-10]，使齒輪級級傳動，通過二級增速傳動到秒軸，可滿足輸出扭矩的要求，但必須設(shè)計加大機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量，以增大振動周期，減少傳動機構(gòu)的傳動比，保證秒軸輸出轉(zhuǎn)速達到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。實物設(shè)計視圖，見圖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泵的轉(zhuǎn)動，實現(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)速周期需要通過試驗最終確定。由于輸出轉(zhuǎn)速和扭矩的約束，無法實現(xiàn)項目中輸出時間達到1h的要求，因此需要做更深一步的探討和研究。

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[3] 崔秀娟．電磁場的物理性質(zhì)[J]．中國校外教育,2012,(2):74-75．

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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)新項目資助課題（10MA071）。

專利：實用新型專利（ZL200820103375．0）。

本文作者：周文光，主任技師。

孔悅，副主任護師，護理部主任。

作者郵箱：zhouwgsun@126．com