（机械电子工程专业论文）医用水刀清创机的设计.pdf

摘要医用水刀已经被广泛应用于创伤外科手术、耳鼻喉科手术、颌面外科手术等外科手术中。并且具有自己的特点：利用水锤效应对人体组织进行分离，无热损伤，对周围组织影响小；切割速度快，出血量少，且手术耗时少；由于不同组织具有不同的力学性能，利用抗压差的水刀具有高度选择性，可有效保护神经、血管和周围组织；创口小，术后恢复快。清创设备是一种在清创手术中常用的基本设备，而清创手术是最基本的外壳手术操作，主要是清洗受到污染的伤口，除去破损坏死的组织细胞，降低伤口感染风险，其方法相对简单，难度不大，但其作用是相当重要的。本文设计了的医用水刀清创机，能够同时完成清创术和水刀切割手术，且适合微创手术使用。本文首先进行了结构分析和机械设计，确定了主要组成部分及其具体设计，包括电动机、液压泵、蓄能器、手术喷枪、电磁泵、清洗喷枪、高压软管、电磁阀、溢流阀、水箱、负压吸引器等。在设备设计制造完成后，应用新设备进行猪肝脏的切割实验，验证了设备的功能和性能，并得出该设备达到了设计目的的结论。关键词：清创机，医用水刀，手术喷枪，受力分析，动物实验a b s t r a c tm e d i c a lw a t e rj e th a sb e e nw i d e l yu s e di nm a x i l l o f a c i a is u r g e r y ，t r a u m as u r g e r y 。e n ts u r g e r y a n dh a si t so w nc h a r a c t e d s t i c s ：t h eu s eo ft h ew a t e rh a m m e re f f e c to nh u m a nt i s s u e sw e r ed i s s o c i a t e d ，w i t h o u tt h e r m a id a m a g et os u r r o u n d i n gt i s s u e 。s m a l ii m p a c t ；c u t t i n gs p e e d ，i e s sb l e e d i n g ，i e s st i m ec o n s u m i n ga n do p e r a t i o n ；d u et od i f f e r e n tt i s s u e sh a v ed i f f e r e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 。u s eo fc o m p r e s s i v ed i f f e r e n c eo fw a t e r - j e th i g h l ys e l e c t i v e ，c a ne f f e c t i v e l yp r o t e c tt h en e r v e 。b l o o dv e s s e la n dt h es u r r o u n d i n go r g a n i z a t i o n ；as m a l lw o u n d ，r a p i dr e c o v e r ya f t e ro p e r a t i o n a p p a r a t u sf o rd e b n d e m e n ti sad e b d d e m e n to p e r a t i o nu s e di nt h eb a s i ce q u i p m e n t ，a n dd e b n d e m e n to p e r a t i o ni st h em o s tb a s i cs h e l lo p e r a t i o n ，m a i n l yc l e a n i n gc o n t a m i n a t e dw o u n d s ，r e m o v i n gn e c r o t i ct i s s u ec e l ld a m a g e ，r e d u c et h er i s ko fw o u n di n f e c t i o n ，t h em e l h o di sr e l a t i v e l ys i m p l e ，w i t hl i t t l ed i f f i c u l t y ，b u ti t sr o l ei sv e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e rt h ed e s i g no fm e d i c a l w a t e ri e tm a c h i n ec a ns i m u l t a n e o u s l yc o m p l e t ed e b r i d e m e n t 。d e b n d e m e n ta n dc u t t i n go p e r a t i o n 。a n di ss u i t a b l ef o ru s ei nm i n i m a l l yi n v a s i v eo p e r a t i o n t h i sp a p e rf i r s ta n a l y s e st h es t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i c a id e s i g n ，d e n t i f i e dt h em a i nc o m p o n e n ta n di t ss p e c i f i cd e s i g n ，i n c l u d i n gm o t o r ，h y d r a u l i cp u m p ，a c c u m u l a t o r , o p e r a t i o nt o r c h ，e l e c t r o m a g n e t i cp u m p ，c l e a n i n gs p r a yg u n ，h i g hp r e s s u r eh o s e ，e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ，r e l i e fv a l v e ，w a t e rt a n k ，an e g a t i v ep r e s s u r es u c t i o nd e v i c e i nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fe q u i p m e n ti sc o m p l e t e d ，t h ea p p l i c a t i o no fd e we q u i p m e n tf o rp o r c i n ei i v e rc u t t i n ge x p e n m e n t v e d f yt h ee q u i p m e n tf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e 。a n dt h a tt h ed e v i c ea c h i e v e st h ed e s i g ng o a lo ft h ec o n c l u s i o n k e yw o r d s ：d e b n d e m e n tm a c h i n e ，m e d i c a lw a t e rj e t ，o p e r a t i o no fs p r a yg u n ，s t r e s sa n a l y s i s ，a n i m a le x p e r i m e n to第一章绪论1 1 医用水刀清创设备的研究现状1 1 1 水刀技术的简介第一章绪论水刀是一种利用高压水射流产生的冲击效果切割材料的设备。采用专用设备，把水加压到2 5 0 m p a 至4 0 0 m p a ，再利用直径为0 1 5 毫米到0 2 5 毫米的喷嘴射出高速水柱，其速度可达到8 0 0 千米秒左右。一般的工业水刀如图1 1 ：n毋l图一一1 一殷的工业水刀在利用水刀进行切割时，一般不使用有毒介质，也就不产生有毒有害的废物，不会在被切割材料表面留下变形。水刀具有冷切割、清洁卫生、切割精度高，材料损耗小等优点。在金属材料加工、汽车生产、航天航空制造、等领域中的应用非常广泛。水刀按射流介质可分为纯水射流型以加磨料射流型，一般加入磨砂做磨料。纯水切割的水刀是最先使用的水切割设备，从2 0 世纪7 0 年代开始进入商业运营。被用于切割纸板等材料。纯水射流的水刀主要应用于切割质地较软的材料，如皮革、帆布、木料和纸张等口1 。其主要特点是：1 水柱较细，其喷嘴直径一般在0 1 毫米到0 2 5 毫米之间；2 容易控制切割深度；3 切割时速度较快。在水的射流过程中加入磨料增加切割能力的水刀不仅可以利用高速水射流的侵蚀效果，还可以利用粒子对材料的撞击效果。所以其切割能力纯水射流的水刀更高。这种加入磨料的水刀通常被用来切割质地较硬的材料，如玻璃、石头、瓷砖、钢铁以及复合材料。1 1 2 医用水刀的简介将水刀切割技术首先引入医学领域是德国两位医学教授：p a p a c h r is t o u 和b a r t e r sb 1 。医用水刀的应用是从上世纪9 0 年代开始的，从那时起水刀被广泛的应用于外科临床第一章绪论手术中n 1 。在医用水刀的研制生产方面，德国的e r b e 公司的产品最为领先，其螺旋水刀产品如图i - 2 所示。这种螺旋式水刀技术与普通的水刀技术相比，具有自己的特点：螺旋水刀的原理是，在几何学上采用的较低压力和较小的流速，能达到选择性的组织分离且对器官组织的保护具有很好的效果临1 。藉i 戮桫嘞霹獭一荔蓥黛鬈榉图卜2e r b e j e t l 、e r b e j e t 2 实物图两代产品的性能对比如表1 1 所示：e r b e j e t1e r b e j e t2压力源介质转换器无菌单作用柱塞泵压力范围0 1 1 5 ( m p a )o 1 8 ( m p a )射流孔径0 1 2 m m0 1 2 m m射流介质无菌生理盐水无菌生理盐水设备重量1 1 k g7 5 k g外形尺寸4 1 0 木3 7 0 术1 3 0 03 5 0 永3 5 0 木1 2 2 0负压吸引0 1 - 0 8 ( m p a )0 1 - 0 8 ( m p a )开启方式脚踏开关脚踏开关电源电压1 2 0 - 2 2 0 ( v )1 2 0 - 2 2 0 ( v )电源频率5 0 一6 0 ( h z )5 0 6 0 ( h z )表1 - 1e r b e j e t l 、e r b e j e t 2 技术参数对比如今医用水刀已经被广泛应用于颌面手术、创伤处理、耳鼻喉科等外科手术领域。并且具有自己的特点：i ) 利用水射流产生的水锤效应对器官组织进行快速分离，不产生热损伤，对无病变组织的影响较小；2 ) 切割容易控制，减少手术时间，同时降低出血量；3 ) 由于不同组织具有不同的力学性能，利用抗压差的水刀具有高度选择性，可有效保护神经、血管和周围组织；4 ) 创口小，术后恢复快。2一第一章绪论以水刀切割肝脏与常规切割肝脏为例如1 ：手术过程中的出血量恢复时间等具体情况的对比如表1 2 所示。在表中可明显看出水刀切割的优点，两组数据问的差异有显著性( p 0 0 1 ) 引。组别例数术中出血量术后引流量转氨酶恢复术后拔管时时问间水刀切割组3 63 0 5 ( 5 0 6 0 0 )18 0 ( 5 0 - 4 8 0 )3 5 ( 2 7 )5 5 ( 2 9 ) ( 天)( m 1 )( m 1 )( 天)常规切割组3 64 2 0 ( 5 0 1 2 0 0 )3 9 0 ( 8 0 1 8 0 0 )1 1 5 ( 2 6 5 )1 0 0 ( 2 2 6 )m 1 )( m 1 )( 天)( 天)表1 - 2 术后情况对比水刀技术最早应用于肝胆外科领域，常用于肝切除、肝门区肿瘤切除、小儿肝切除、肝血管切除手术中口1 们。目前，除肝脏外，水刀的应用在其他外科中，也已经比较成熟。1 在颌面外科的应用：m a g r i t z 等人在利用实验犬身上进行的保留面部神经的前提下切除双侧腮腺但的实验结果说明，在术后的试验犬依然保留着面神经功能1 。s i e r g e r t 等报告的对腮腺肿瘤的水刀切除结果表明，术中进行面神经功能检测和术后一周的随访结果都是，水刀切割能克服常规手术中面神经受损引起的面神经功能障碍n 刳。诸多实践结果表明：水刀技术在颌面外科的应用是非常成功的。2 在泌尿外科的应用：p e n c h e v 等在9 0 年代就做了的采用水刀进行肾部分切除的手术，从而治疗肾结石和肾肿瘤。术中肾组织被高压水流有效的切开，而肾的实质断面的血管和则被保留下来，从而使整个手术的血量仅在百余毫升左右【1 3 - 1 5 3 在神经外科中的应用：根据广州军区总医院的医生所做的七例脑肿瘤全切除手术可以看到：水刀技术的应用做到了精确切割，术中出血少，有效保留了血管、神经，没有造成临近组织的破坏和充血，无术后脑水肿加重或严重并发症发生 1 6 】4 在妇产科的应用：根据暨南大学附属第一医院，罗新等人所做的两例宫颈癌衙腔淋巴清除手术了解到：在宫颈癌的手术中，由于笳腔淋巴的数量非常多，需要清除的工作量大，需要解剖的部位较复杂。其中大小动静脉、淋巴网洛、神经、静脉丛、输尿管的组织变异多样。使得手术复杂，易出现很严重的术后并发症状。而在应用水刀技术手术时，不仅粗大血管清晰可见，在常规手术时容易误伤的小血管，毛细血管也非常清晰。在水射流的冲击作用下，较为疏松的组织被有效分离，且不损伤神经组织、淋巴网、血管网等，在手术过程中出血量非常少n7 1 。3第一章绪论在头颈科、眼科、骨科、耳鼻喉科水刀技术的应用也已经比较普遍各种相关的报道也有很多，其中国内的相关报道要相应的比国外的晚一些，但也可以看出国内各大医院对水刀技术的关注与重视程度越来越高。在国内，与各大医院对医用水刀技术的需求形成鲜明对比的是，工业水刀设备的应用与研究已经非常成熟普遍，而医用水刀设备的相关研究却远不及工业也水刀，只是凤毛麟角而已。各大医院已经将水刀技术应用于临床，并先后进行了肿瘤切除、肝切除、腮腺手术n 、胆道结石碎石卅等手术，但所使用的医用水刀设备无一例外，都是进口自国外的，且价格不菲。医用水刀具备特有的选择性切割和无热损伤性能使其具有着巨大的使用价值，未来我国自行研制的医用水刀设备也必然有着广阔的市场前景。1 1 3 清创设备的简介清创设备是一种在清创手术中常用的基本设备，而清创手术是最基本的外壳手术操作，主要是清沈受到污染的伤口，除去破损坏死的组织细胞，降低伤口感染风险，其方法相对简单，难度不大，但其作用是相当重要的。通常用的清创方法主要分为倒水清洗、橡皮球冲洗和采用专用清洗装置等。倒水清洗及简易装置冲洗虽然简单，但往往清洗效果比较有限，对于窦道伤、贯穿伤等特殊性伤口无法做到彻底有效的清洗，所以在科学技术比较发达的今天，此种方法已被淘汰。专业性强，高效，方便的清创设备早已成为研究热点。各种清创设备也由此而生，种类也比较多。主要分为：1 喷液清洗机：医用清沈机是由一个可压缩的容器和喷头组成的简易装置，可由医务人员手动挤压产生压力喷出清洗液。常用的清洗液有水，碘酒，生理盐水，双氧水，乙酸，抗生素和含氯消毒剂等。喷洗喷嘴的优势在于，它具有一个类似莲蓬状的喷头，使流体成分散装，有利于清洗伤口。但由于是手工操作，所以有压力不足和喷射不连续等缺点。因此只能清洗深度较浅，面积较小的简单伤口。清创手术车或清创手术台：目前清创手术台和清创手术车的种类和样式已经发展的比较多，一般都具有多种功能。一般都具有冲洗盆、污水容器啪1 、手术床、储物柜、带刹车万向轮等构件口。清创台由不锈钢材料制作，议案不能可以移动，升降，且带有漏斗状冲洗盆。冲洗后的污水由专门的容器承装。这种手术车可以避免大量清洗液飞溅到地面污染手术环境。超声清创机：超声清创的原理是采用超声波作用于人体组织，利用超声波产生的生物热效应，空化效应，机械效应等改变生物组织细胞的结构、功能等状态，来达到消毒杀菌目的的；如u w l l 型超声清创机就是利用超声波在冲洗过程中产生的“空化 效应。通过声空化气泡爆裂时产生的微小射流及高达lo o m p a 的压力去除和破坏伤口表面及深层创伤处的真菌，病毒，细菌等有害生物的。该超声清创机不仅对伤口有灭菌效果，还能清除创伤表面的污物和杂志，加快创面愈合堙引。目前超声清创机己被广泛应用瞳3 2 引。典型的超声4第章绪论清创机工作原理如图1 - 3 所示：图一1 超声换能器水中工作图4 洗消式清创机：洗消式清创机工作的原理与水射流清创机有较大的相似之处，不同点在于它融合了臭氧发生器和水射流清创机，采用气液两相流射流技术。使射流介质由纯水改为成高浓度臭氧水，在清洗的同时还利用臭氧的消毒作用，对伤口同时进行消毒。它还可以在射流介质中混入麻醉药、消炎药等功能性药物，在清洗的同时完成麻醉、止痛等程序，取代了繁琐的处理步骤，功能比较全。5 水射流清创机：水射流清创机在进行清创手术时，冲击水流的压力是经过严格控制的。压力过大时会损伤伤口周围的组织细胞，造成不必要的二次伤害。压力过小又很难清除掉嵌在伤口深处的杂质、异物和破损的组织细胞。所以多数清创机无法满足这一要求，因此人们专门设计了水射流清创机来弥补这一缺陷。典型的水刀清创机实物如图l - 4 所示：图1 4 水射流清创机黧第一章绪论在军队中战战争武器造成的伤害，感染率、致残率都非常高，为提高伤口清创冲洗的效率，电脑清创( 冲洗) 机也应运而生。在经过肢体模型建立，武器伤害动物模型并用冲洗机、淋水冲洗、橡皮球冲沈法清理伤口的实验后。表明在降低伤口感染率，提高清洗效果方面，淋水冲洗，冲沈机与橡皮球法相比：冲洗机具有明显优势，它在去除伤口碎屑，去除异物等大颗粒物质的方面效果明显，冲洗效果比其它传统冲沈方法好的多 ：! ；】目前的清创设备种类虽然多，但往往只具有清创功能比较单一。只能进行简单的清创手术当有需要切除腐肉等工作出现时，还需要依靠医务人员采用传统的手术刀剪去切除。因此还具备很大的改进空间。可以增大水射流的压力，在低压时可进行清洗，高压时可进行组织切割。1 2 课题研究的意义在经济高速发展的今天，我国的建筑、交通等事业的发展速度很快，同时也带来的负面影响，其中意外伤害的发生数量也较前些年大幅增加。各种创伤中，开放性的伤口占了大多数，这就需要急诊清创术的处理。这就要求更方便，功能更全面的专业设备。战争期间，清创设备将成为更为重要的医疗设备，它是处理战伤的必须设备，若能在最短的时间对伤口进行清创处理，将大幅降低伤口感染率从而减少伤残率和死亡率。因此发展更为先进的清创机对于保存部队的持续战斗力具有非常重要的意义。现代战争是后勤的战争，因为现代战争较过去，大量的消耗物资。在尽量少的占用运输资源的情况下，多功能灵活方便的设备有明显优势，所以一部结合了水射流清创功能和水刀手术切割功能的设备拥有很大的使用价值。作为民用医疗设备，它也同样拥有重要的意义。在欧美国家，医用水刀技术早已经被广泛应用的今天，我国的医疗机构也在投入越来越多的经历在医用水刀技术的应用上，然而所用水刀都是从国外进口的高价水刀，这就使得我国自行研制生产的医用水刀设备有了广阔的市场潜力。1 3 课题主要研究内容本文的主要研究内容是：1 ) 水刀部分：主要是高压水射流部分的设计；2 ) 清创机部分：主要是低压水射流部分的设计；3 ) 负压吸引器的选择，改造和使用方案设计；4 ) 水箱、外壳、喷枪等附件的设计并组装成完整的设各；5 ) 通过动物实验验证设备的性能及获得具体的数据参数。6第二章水刀部分的设计第二章水刀部分的设计2 1 液压系统回路的选择液压回路是指由若干个液压元件及附件所构成的能完成某种特定功能的回路。任何液压系统都可拆分为若干个基本回路。在进行液压系统设计时，参照基本回路去搭建主机系统回路，可使设计变得相对简单。对于同一种功能的基本回路，有很多种搭建方式。但需要工作者对所使用的液压元器件比较熟悉，以便灵活掌握理论与工程实际的差别。在液压回路中，按控制方式主要有速度控制回路和压力控制回路等。在压力控制回路回路中主要有，主要有以下几种：1 ) 调压回路；2 ) 减压回路；3 ) 增压回路；4 ) 卸压回路；5 ) 平衡回路；6 ) 保压回路；7 ) 卸荷回路；8 ) 缓冲回路不同回路有着不同的作用，同时也有着各自的使用要求。对于医用水刀来说有着广泛的压力使用范围，所以回路的压力必然是可调节的。然而在调压回路中又有各种基本回路，其中单压回路主要可分为以下几种：( 1 ) 压力调定回路( 如图2 - 1 所示) ，这是最基本的调压回路。其使用要求为：溢流阀的调定压力必须大于或等于液压系统执行机构的最高压力和管路上各种压力的损失之和。图2 1 压力调1 ，同路第二章水力钚分的设计( 2 ) 远程调压回路( 如图2 - 2 所示) 。下方溢流阀调定系统安全季力，下方溢流阀的遥控口与远程溢流阀相接，从而起到远程对液压泵进行控制的作用。；：! f 一一11 ：l j容j图2 - 2 远程调压同路( 3 ) 比例调压叫路( 如图2 3 所不) o 比例溢流恻的溢流胜力是由输入的弪制电流决定的，且成正比例，因此可以调节比例溢流阀的电流来达到控制系统工作压力的目的。燮一圣t 孓手矗山i ：一一。山图2 - 3 比例调压回路( 4 ) 多级调压回路( 如图2 - 4 所示) 。比例溢流阀的溢流压力是由输入的控制电流决定的，且成正比例，因此可以调节比例溢流阀的电流来达到控制系统工作压力的目的。守第二章水刀部分的没计l 攫。 晋j，fi ：j 二：一， ，i f v 、一l j 。ji j ，a f v v l jlll j一- 图2 - 4 多级调压同路由于本机的性能要求决定压力回路为调定压力后，稳定在该压力下使用，且根据手术需要随时重新设定压力，故采用比例调压回路为基础，加入过滤器、电磁阀、压力表、压力传感器和蓄能器组来共同组成水刀部分的压力回路。其中采用传感器进行压力采集，构成闭环的系统，做到精确控制压力的目的。从低压到高压的调节可由变频器电机加大泵的流量来达到，而传感器和比例溢流阀所组成的溢流子系统，可保证系统可以完成从高压向低压的调节。蓄能器则可用来消除流量脉动，稳定压力，该管路系统图如2 5所示：至射流枪f组图2 - 5 水刀部分压力同路图在清创部分的管路中，由于其基本原理与水刀部分相同。但因流量和使用压力范围不同，管路也不一样。压力的精确控制需采用压力传感器和变量泵来组成闭环系统，但因本身射流量大，可不采用溢流管路。压力稳定器件因工作压力范围小，可采用单蓄能器。清创部分射流管路系统图如图2 - 6 下：9第二章水刀部分的设计2 2 医用高压泵的设计至射流枪图2 6 清创部分压力同路图液压泵式液压西东的动力元件，心脏元件。整个液压系统能否达到设计要求的压力、流量等重要指标参数，液压泵起着决定性的作用。所以液压泵的设计至关重要。液压泵的设计内容主要有三方面：1 液压泵的工作原理；2 液压泵的工作压力；3 液压泵的额定或最大流量。首先，选择合适的工作原理。目前液压泵按工作原理分，主要有叶片泵、齿轮泵、柱塞泵，这三种泵有着各自的特点。如图2 7 所示：厂一菠面f 碉罔网i 片1j 轮：塞!。泵i 泵l；泵!i 单 取l协啊! 螺：i同r 轴 作j ：作j! 啮i 啮l 杆j! 向 ；向l 周j ：用jl 剑l 令jl 泵jl 豕jl 泵图2 7 液压泵分类表1 0令i 刖6 l第二章水刀部分的设计1 叶片泵叶片泵按结构可分为单作用叶片泵和双作用叶片泵。单作用叶片泵主要是变量泵；双作用叶片泵主要是定量泵汹1 。叶片泵的工作原理是：转自旋转时，叶片在离心力和油液压力的作用下，叶片项部边缘压紧定子内表面，从而在定子与转子以及两片叶片之间形成容积。该容积先由小到大完成吸油，再从大到小完成卸油。通过在卸油时容积有大到小，挤压液压油给与压力能。叶片泵图如2 8 所示：图2 - 8 叶片泵工作原理图高压叶片泵目前主要有七种：1 圆弧头叶片式高压叶片泵；2 双叶片式高压叶片泵；3 阶梯叶片式高压叶片泵；4 母子叶片式高压叶片泵；5 弹簧叶片式高压叶片泵；6 柱销叶片式高压叶片泵；7 定比减压阀式高压叶片泵晗7 1 。叶片泵的主要特点是流量较均匀、结构紧凑、噪声较低且运转平稳，叶片泵在中、低压液压系统中的应用较多。缺点是吸油能力差、结构复杂、抗冲击性能较差，对油液污染比较敏感，容易卡住，端面问隙或叶槽间隙不合适都会影响j 下常工作。另外转速较低时，叶片的离心力较小，不易压紧在外科的内表面从而造成泄漏现象。由于医用水刀的流量较小，要求泵的转速较低，故不适合采用叶片泵。2 齿轮泵齿轮泵主要有齿轮、轴、泵体、泵盖、轴承套、轴端密封等组成，是容积式回转泵的一种，其工作原理如图2 1 所示汹1 。齿轮泵通过一对相互啮合的齿轮，利用齿轮端面与泵内壁之问的空间大小的变化产生正负压力。另外齿轮将泵体内部的空间分成左、右两个独立的空间。当齿轮按着固定方向旋转时，一侧的齿轮逐渐脱离啮合，增大轮齿之间的容积形成局部的真空，此时油液在大气压的作用下经过吸入口进入该密封容积，形成吸油腔。经过转动后油液从左腔被带到右腔，并在开始啮第二章水刀部分的设计合的时候，把齿间油液挤压出去，并从压油口输出，该输出腔就是压油腔。因在齿轮啮合过程中，捏喝点沿着啮合线移动，把左、右两个密封容积分开，起到了配油的作用，所以齿轮泵不需要另外的配油装置。齿轮泵的工作原理如图2 9 所示：图2 - 9 内啮合齿轮泵的工作原理齿轮泵的主要特点是体积小、重量轻、结构紧凑且价格低，但也存在着不适合作为医用泵的缺点，如：齿轮泵在泵体表面和齿顶径向间隙的泄露；齿面啮合处间隙的泄露：齿轮端面与泵体内表面间隙的泄漏；径向力不平衡造成对齿轮的冲击，以及冲击时泵体震动产生噪音；困油现象造成泵体内部容易出现气蚀等。因此医用高压泵不适合采用齿轮泵。3 柱塞泵柱塞泵属于容积泵的一种，它是依靠柱塞的来回运动时与泵体内表面所形成的密闭空间的变化实现吸油和压油的。柱塞泵是泵类产品中，出现较早的一种。在旋转式原动机出现以前，柱塞泵几乎是唯一的泵。后出现的泵具有结构简单，操作方便等优势，使得柱塞泵的地位有所下降。但是，柱塞泵的特点决定，他不可能被完全取代。柱塞泵的工作压力比其他泵高，工作压力一般为2 0m p a 到4 0 m p a 之间，最大压力在1 0 0 0 m p a 左右，而且容易控制流量，只要改变柱塞行程即可，通过改变柱塞数量，流量范围大，因此在日常生活中柱塞泵的使用也比较广泛。柱塞泵如图卜中问泵体；2 一圆柱滚子轴承；3 滑靴；4 一柱塞；5 一缸体；6 一销；7 一配流盘；8 一前泵体；9 一传动轴；1 0 - 定心弹簧；l l 一内套；1 2 - 套；1 3 一钢球；1 4 一同程盘；1 5 一手轮；1 6 一螺母；1 7 一螺杆；1 8 - 变量活塞；1 9 - 键；2 0 一斜盘；2 卜刻度盘；2 2 一销轴；2 3 - 变量壳体图二一l o 柱塞泵结构图1 2第二章水刀部分的设计柱塞泵的特点是：1 流量瞬时脉动在柱塞泵的运行过程中，吸液与压液交替进行，工作不连续，且在运动过程中，柱塞速度不恒定，因此泵的瞬间流量有变化。但会随着柱塞数量的增加而减小脉动。如下图2 1 1 所示：qq图2 - 1 1 单缸泵与三缸泵流量脉动对比2 平均流量恒定柱塞泵的流量是由柱塞的容积决定的，即柱塞的行程s 、柱塞的外径r 、柱塞的往复次数n m i n 和柱塞的数量z ，与排出压力、介质粘度系数、介质的温度、化学性质无关。所以当以上参数不变的情况下，流量是恒定的。3 压力与管路有关往复泵的排出压力不能由泵本身限定，也与流量无关，而是取决于系统的管路特性，因此可以根据管路特性建立所需要的工作压力。然而，由于动力源和泵本身的结构特性限制，柱塞泵依然存在最高输出压力。4 对输送介质适应性好柱塞泵理论上讲，可以用来输送任何介质。它不受所传输介质的化学性能和物理性能的影响。只是液力端得制造材料必须能够保证不被传输介质所腐蚀。5 自吸能力强柱塞泵既有良好的吸入能力，也有良好的自吸性能，因此，柱塞泵启动时不需要灌泵。跟据柱塞泵的以上特点，可以选择柱塞泵作为医用水刀泵。但由于医用泵还需要符合自己的要求，如：( 1 ) 体积小，重量轻，移动方便；( 2 ) 流量不能出现明显脉动，压力要稳定，否则会影响手术；( 3 ) 流体经过的管路，不能有毒有污染，对材料要求高。一一第二章水刀部分的设计_ 二二_ 二二二二一一2 2 1 流量计算剜：( 1 ) 理论流量：q = 彳s z 刀( 2 1 )q 理论流量彳柱塞面积r 往复次数( 每分钟)s 梓塞行程z 枉塞数量( 2 )实际流量：q = q f - a 0 ( 2 - 2 )q 实际流量q 理论流量q 损欠流量由上式可以看出。往复泵的实际流量是由主要参数n 、s 、d 决定的。根据实际需要确定n = o l o m i n ，s = 7 0 m m ，d = 2 0 m m 。2 2 2 压力计算排出压力：段= 磊+ 噍1 0( 2 3 )岛排出压力a 绝对压力，每升重量吃泵出口与水箱液面高度差。由于泵的压力与管路特性相关，还需根据管路特性进行计算：半= 挚+ 九幌+ l ：2 9( 2 川仍叫出容器液面压力力排出液面与吸入液面高度差吃2 排出液体的加速度水头，且吃：= 生口2以z 排出时的摩擦水头，且哆：2 磊去受排出管路摩擦系数乞管路长度。由以上计算结果可知：管路中最主要的影响来自于管路直径，而管路直径又远小于喷嘴直径。喷嘴直径小，但长度很短，故可认为压力在管路中的损失很小，喷嘴处压力等于泵口处压力。根据水刀手术压力表如2 - 1 ：1 4第二章水刀部分的设计手术类型肝脏手术肾脏手术宫颈手术腮腺手术脑手术直肠手术压力3 3 52 - 一34 - 一64 - 60 8 一1 24( m p a )表2 1 水刀切割手术压力表可以确定工作压力最高在8 m p a ，就可以满足一般性手术的需求。再结合流量的计算结果可确定该泵的主要参数：输出功率：4 0 0 w ；最高压力：8 m p a ；柱塞数量：2 个；柱塞往复频率：每分钟1 0 次；柱塞直径：2 0 m m ；柱塞行程：7 0 m m ；传动方式：丝杠；泵体结构设计如图2 1 2 所示燃2 1 2 整体结构图第二章水刀部分的设计2 3 主要元件有限元受力分析在现代的机械设计制造过程中，最基本也最为常见的问题是校验和计算各部件的结构强度和运动学、动力学分析等。尽管人们可以运用力学原理得到他们的基本方程和边界条件，但是解析方法也只能求解算法相对简单的问题，绝大多数工程技术问题不能用解析方法求出结果。这类问题通常的解决方法有两个：1 保留问题的复杂性，通过对数值的计算获得与真值相近似的数值解：2 是先进行简化假设，一直简化到解析方法可以求得结果为止，然而用此方法求得的简化状态的解析解，并不是十分可靠，很容易产生错误的答案啪1 。有限元法具有着独特的优势，主要包括：1 可以计算出一般力学中无法或不容易求得结果的复杂结构分析。2 它不仅适用子复杂结构问题的解决，也适合复杂材料的分析问题。3 引入边界条件的方法简单，给操作带来方便。4 计算机模拟的速度较快，可进行大量的假设实验。5 可以减少模型试验的数量。6 可进行任意的假设，能得到更加可靠和品质更好的设计方案。2 3 1 保持架的受力分析保持架的材料为4 5 号钢，其弹性模量为e = 2 0 6 x 1 0 p a 、泊松比为= 0 3 、材料密度为p = 7 8 0 0 k g m 3 、单元类型为s o l i d 4 5 ，采用自由网络划分，模型后端面施加约束。m i s e s 应力云图、位移云图如图2 1 3 所示：1 6第二章水刀部分的设计( 1 ) x 向位移云图( 2 ) y 向位移云图( 3 ) z 向位移云图( 4 ) 总位移云图图2 - 1 3 保持架受力分析由分析结果得知，合成位移云图中的最大值仍然很小，可忽略不计。最大位移出现在称重传感器保持架的左上角，其变形量在允许范围之内。最大应力也远小于该材料的抗拉强度吒= 5 2 0 m p a ，及屈服强度吒= 3 6 0 m p a ，所以该结构满足强度要求。2 3 2 液压缸体的受力分析液压缸体的材料为不锈钢，其弹性模量为e = 2 0 6 x 1 0 p a 、泊松比为z = 0 3 、材料密度为p = 7 8 0 0 k g m 3 、单元类型为s o l i d 4 5 ，采用自由网络划分，模型前端面施加约束。m i s e s 应力云图、位移云图如图2 1 4 所示1 7第二章水刀部分的设计m i s e s 应力( 1 ) x 向位移云图( 2 ) y 向位移云图( 3 ) z 向位移云图( 4 ) 总位移云图图2 - 1 4 液压缸体的应力分析由分析结果得知，合成位移云图中的最大值仍然很小，可忽略不计。最大位移出现1 8第二章水刀部分的设计在缸体的最后方，由于最后方只是理论中承受与缸体前段一样的压力而在实际使用中，由于柱塞不能退到最后，所以虽然位移量稍大，但仍然满足强度要求。而前段最大应力也远小于该材料的抗拉强度吒= 5 2 0 m p a ，及屈服强度吒= 3 6 0 m p a ，所以该结构满足强度要求。2 3 3 泵体抱爪的受力分析液压缸体的材料为不锈钢，其弹性模量为e = 2 0 6 x 1 0 p a 、泊松比为= 0 3 、材料密度为p = 7 8 0 0 k g m 3 、单元类型为s o l i d 4 5 ，采用自由网络划分，模型前端面施加约束。m i s e s 应力云图、位移云图如图2 1 5 所示：m i s o s 云图( 1 ) x 向位移云图1 9( 2 ) y 向位移云图第二章水刀部分的设计( 3 ) z 向位移云图( 4 ) 总位移云图图2 1 5 泵体抱爪受力分析由分析结果得知，合成位移云图中的最大值仍然很小，可忽略不计。最大位移出现在抱爪的最后正中的位置上但仍然满足强度要求。而前段最大应力也远小于该材料的抗拉强度o b = 5 2 0 m p a ，及屈服强度o b = 3 6 0 m p a ，所以该结构满足强度要求。2 3 4 传动丝杠及柱塞卡槽的受力分析传动丝杠及柱塞卡槽的材料为4 5 号钢，其弹性模量为e = 2 0 6 x 1 0 p a 、泊松比为= o 3 、材料密度为p = 7 8 0 0 k g m 3 、单元类型为s o l i d 4 5 ，采用自由网络划分，模型后端面施加约束。m i s e s 应力云图、位移云图如图2 1 6 所示m i s e s 应力2 0第二章水刀部分的设计( 1 ) x 向位移云图( 2 ) y 向位移云图( 3 ) z 向位移云图( 4 ) 总位移云图图2 - 1 6 泵体抱爪受力分析由分析结果得知，最大位移出现在丝杠的最后方，合成位移云图中的最大值仍然很小，不影响正常传动工作。燕尾槽导轨的最大应力集中在导轨根部，应力远小于该材料的抗拉强度吒= 5 2 0 m p a ，及屈服强度= 3 6 0 m p a ，仍然满足强度要求。所以该结构满足强度要求。2 4 电动机的选择由于需要系统压力可调节，只有两种方法，其一是采用定速原动机和变量泵，其二是选择变速原动机与定量泵。由于水刀的系统的压力需要经常调动，故不宜采用变量泵。所以本文采用调速原动机的方法来调节系统的压力。而调速原动机由主要分为两种，其一是采用变频调速电机。其二是采用三相异步电动机加变频器的组合作为动力源。变频调速电机是把三相异步电动机与变频器集成为一体的一种电动机，结构紧凑，但价格较贵。故本文采用三相异步电动机加变频调速器的方式作为动力源。根据柱塞泵的相关技术参数，确定电机的技术参数。根据功率计算公式( 2 5 ) 式，选择电机功率。2 i，第二章水刀部分的设计：堡6 0 r ( 2 5 )式中一实际使用的电机功率，k w ；q 一实际流量，单位l m i mp 一实际使用压力，单位m p a ，本文取系统最大工作压力p = 1 2 m p a ；，7 一总效率，取0 8 5 ；一实际功率，单位k w 。实际流量取喷嘴的最大流量q = o 4 l m i n根据技术性能指标的要求，结合五金市场的实际情况，本文选择嘉田g v 2 2 0 4 - 2 5 c型减速电机作为本文的动力源。2 5 蓄能器的选择由于柱塞泵工作时输送的射流介质的压力和流量是脉动的。如果中间没有专门的稳压机构的调节，整个液压系统的压力就会是不稳定的，这在临床手术上绝对不允许的。因为如果压力跳的比较高，就会对需要保护的组织产生损伤。因此，为了稳定水射流，需要采用蓄能器消除这种脉动效应。典型的蓄能器如图2 1 7 所示。、赫? ，7_ 萎、要_图- - - 1 7 蓄能器结构示意图蓄能器也叫空气室，它利用惰性气体的膨胀和压缩来吸收或压出比高于平均流量的且压力高于平均压力的液体，从而达到缓解流量变化减消管路中流量脉动的目的口。以气体蓄能器为例，当管路的流量大于平均流量时，液体压力大于平均压力，此时气体就会被压缩，液体占据压缩出来的空间。此时蓄能器内的液体体积就会增加，这就把所管路内的瞬时流量大与平均流量的部分存进了蓄能器。从而使蓄能器下方的管路内的瞬时流量接近平均流量。当泵排出的瞬时流量小于平均流量，排出压力也就随之小于平均压力。此时气体就会膨胀，蓄能器内液体量减小，使蓄能器后面管路内的瞬时流量大于该瞬间泵排出的瞬时流量。由此可见蓄能器是通过短暂的快速的储存和释放压力能起到稳定压力，吸收流量脉动的作用。第一二章水刀部分的设计蓄能器吸收流量脉动的效果，取决于其中气体的容积和管路的特性。如果管路没有压力，则蓄能器起不到应有的作用。所以需要根据柱塞泵的容量和管路的特性设计合理的蓄能器。如果蓄能器的容量太大，会造成系统响应时间的延迟。具有蓄能器的液压系统工作示意图如图2 - 1 8 所示。图二一1 8 具有蓄能器的泵驶备不恿图由图2 6 可以建立以下方程：一d v = 9 2 一g pp v = c o n s tq p = a pp = 秀t + - y g t 锄却一h d式中4 排出管孔截面积，单位m 2 ；矿一气体容积，单位m 3 ；p 一气体压力，单位k g f m 2 ：乞一总摩擦阻力系数；岛一液位之上的压力，单位k g f m 2 ；一流速，单位m s ；吃一液面高度差，单位m ；厂一介质密度，单位k g f m a ；一排出管长度，单位m ；g 一重力加速度，单位m s 2 。( 2 - 6 )( 2 - 7 )( 2 - 8 )( 2 - 9 )第二章水刀部分的设计由( 2 - 6 ) 式可得：又有得：! 卅y ：童( 吼郎) 以= 丢了( 吼一郎p 矿c 2 一，。，q 2 = a r o 神( q 2 )q p = 彳，砷( g p )一= 爿，了卜( 吼) 一( 口p ) ：等m ( 9 ：) 一( g ，) 枷式中么一活塞的端面积，单位i l l 2 ，一半径，单位i l l ，钐一角速度，矿一转角，屹一行程容积，单位m 3 ，一蓄能器中气体的最小容积，单位一，一蓄能器中气体的最大容积，单位m 3 ，( g ：) 一泵的无因次瞬时排出流量，( g p ) 一后管路内的无因次瞬时流量。当q 。的脉动率低于l o 时，有：2 ) - 叫k 舯2 ) - 掣卜又有。g 。i 。= i 。y 棚。所以卸2 仉。吼。警= 告y式中卸一压力的变化值，单位k g f m 2 。2 4( 2 - 1 1 )( 2 1 2 )、，嘲一一一一陋阻阻第二章水刀部分的设计。一最大压力，单位k g f m 2 ；i l l 一最小压力，单位k g f m 2 ；如果蓄能器不工作时的气体压力为p o ，气体容积为v o ，则：口( p m ) 2 n 9 2 ) 一掣i= 盟p o 圪= 屿4 - p o p z _ k ( 2 1 7 )其中一蓄能器的预压力k g f m 2 ；对于本设计，岛等于大气压；p m 为平均压力( 系统- t 作压力) ；圪一蓄能器不工作状态的气体体积m j 。根据上式设计蓄能器的容积，但还需要根据市场的实际情况选择合适的蓄能器的容积。本设计容量定为0 5 l ，且由于市场上的蓄能器多为储存液压油的蓄能器，材料多为铸钢。而本设计的储存介质是水，且用于医疗，故本蓄能器的材料选为不锈钢。另外充气式蓄能器在使用前还需要充入惰性气体，通常为氮气或二氧化碳，这就需要专门的充气工具。由于是单件2 j n - r _ ，故本设计采用较为简便的c q j 型充氮工具，如下图2 1 9 所示：2 6 密封件的选择图2 - 1 9 充气- t 具对于国内外研究水刀的学者来说，水刀的密封问题一直是首要解决的问题。地1 。在水刀密封设计中应首先了解和分析密封的使用条件和要求。首先按条件设计需考虑：i 工作参数：压力、温度、周速；2 工作特点：连续运转、开停频率、周期、转向；第二章水刀部分的设计3 工作环境：在室内工作还是在室外工作、环境气氛、环境温度和压力等；4 介质性质：密度、粘度、饱和蒸气压、固体颗粒的浓度和粒度、腐蚀性和结晶、聚合、分解等条件；5 泵体种类：使用轴封的泵的种类和密封部位。训。其次还需考虑机械密封的要求：1 允许误差：泄露量、泄露点、泄露方向等；2 使用寿命：抗振动性、耐腐蚀性、耐高温性、耐磨性等；3 限制条件：主要指主机对密封部分外形尺寸的要求和限制；4 可靠稳定：密封件还要有足够的稳定性和可靠性；5 生产要求：主要是对操作及生产工艺的稳定性做考虑，同时还要考虑材料和价格等因素川。本章中的密封主要是指柱塞密封，属于往复运动的动密封，且为接触式。在动密封中，按密封位置又分为轴向密封和径向密封。柱塞的密封属于径向密封，由于。型密封具有往复运动性能好，耐压性高，乃高速行好且主要应用于活塞密封。故采用o 型密封圈做为柱塞的密封件。密封件对材料的要求一般是：致密性好，不易泄漏介质；有适当的机械强度和硬度；在工作介质中具有足够的物理和化学稳定性，在使用过程中不发生溶胀现象；压缩性和回弹性好，永久变形小，能够消除活塞偏心引起的间隙；具有较强的温度适应能力，低温下不硬化脆裂。高温下不软化分解；具有抗腐蚀能力，在酸碱环境中能长期工作，不被侵蚀，且硬度、体积等参数变化小，不与金属材料粘合；摩擦因数小，耐磨性好：与密封面接触处的弹性和柔软性好；长期使用中耐疲劳，耐氧化；便于取材和加工，成本低嘶1 。显然一种材料难以满足所有要求，但橡胶材料可满足大部分要求，故选择橡胶做为密封圈材料。2 7 高压管件的选用高压管件主要包括高压软管、管接头、对丝等。其中主要工作是选择高压软管，管接头和对丝等标准件，可根据高压软管的通径尺寸选择搭配。根据液压工程手册查得：万：婴( 2 -