СаратовскийГосударственный Технический Университет
Кафедра«Приборостроение»
Пояснительнаязаписка к курсовому проекту на тему:
«Аппаратискусственной вентиляции легких «Авенир-221»
Выполнил:
студент гр. ПБС-32
Проверил:
Черепанов Д.В.
Саратов2005
Содержаниепояснительной записки
Техническое задание на бланке
Аннотация.
1.Введение. Реализация современных медицинскихтехнологий в новой наркозно-дыхательной аппаратуре
2.ИВЛ «Авенир-221» Описание работы привода
3. Расчет дыхательного меха
4. Кинематический расчет. Обоснование выбораэлектродвигателя
5. Расчет зубчатой ременной передачи
6. Выбор и расчет подшипников
7. Заключение
8. Список литературы
Аннотация
В ходе курсовогопроектирования аппарата ИВЛ «Авенир-221» с помощью литературы, ГОСТов и наоснове необходимых данных выделены: технические характеристики прибора,отмечены его достоинства и недостатки, произведены расчет передач зубчатымремнем, шарикоподшипников, дыхательного меха, геометрических параметровдеталей, кинематический расчет.
1. Введение
Реализациясовременных медицинских технологий в новой наркозно-дыхательной аппаратуре
Наркозно-дыхательная аппаратура (НДА), включающая аппараты ИВЛ,аппараты ИА (ингаляционной анестезии) и мониторы для контроля параметров ихработы и состояния пациента, как один из основных видов медицинской техникибыла и остается одним из основных направлений деятельности«ВНИИМП-ВИТА». Несмотря на общеизвестные трудности в работе лечебныхучреждений и в промышленности, институт активно продолжает и будет развивать разработкуи освоение производства новых видов аппаратов и приборов по данной тематике.Своей задачей в данной области «ВЕПИИМП-ВИТА» по-прежнему считаеттехническое обеспечение важнейших направлений современной медицины — интенсивной терапии, реаниматологии и анестезиологии всей необходимой гаммойаппаратуры на основе реализации новых медицинских методов, методик и режимов.Для ускоренного внедрения новых разработок и обеспечения их финансирования вотсутствие бюджетных поступлений начато серийное производство изделий,пользующихся наибольшим спросом, на производственной базе института.Значительное усиление роли экономических факторов требует более глубокого исистемного подхода к выбору направлений работы и сосредоточения на нихмаксимально возможных усилий. Далее мы отметим основные конкретные проявленияподобного подхода для данного вида медицинской техники, а затем приведемнамечаемую на ближайший период систематизированную номенклатуру новыхразработок нашей фирмы.
Прогнозируется достаточно высокий спрос на НДА, что объясняется ееважностью для здравоохранения в целом, возрастающим числом врачейанестезиологов-реаниматологов, постоянно расширяющимися показаниями кприменению методов общей анестезии и интенсивной терапии и новыми тенденциямиих развития. Это положение подтверждается данными (скорее заниженными) табл. 1.
Таблица 1. Производство и разработка наркозно-дыхательнойаппаратуры в России в 2000 г.
Вид аппаратуры Число выпускаемых моделей Число разработок
Аппарат ИВЛ157
Аппараты ИА55
Мониторы для НДА 75
В ближайшее время представляется вероятным изменение соотношениямежду импортируемой и отечественной аппаратурой. Конкретные подсчетыпоказывают, что при тех же общих затратах на приобретение НДА за счетувеличения доли на закупку изделий российского производства оснащенностьлечебных учреждений может значительно увеличиться. Здесь необходимы двазамечания: 1) отечественная аппаратура в первую очередь должна быть рассчитанана реальные потребности и возможности массовых лечебных учреждений России, а еекачество не должно уступать качеству НДА данного назначения, выпускаемойведущими зарубежными фирмами и 2) для наиболее крупных научных центров, клиники больниц следует импортировать наиболее сложные, многофункциональные модели.
Необходимость обеспечения соответствия разрабатываемой НДАтребованиям, возможностям и особенностям отечественных потребителей в условияхконкуренции на рынке России определяют важность определения современных иперспективных тенденций развития аппаратуры, включая методы, режимы и основныетехнические решения. Ценную информацию о требованиях отечественного рынкапозволил получить анализ технических спецификаций к международным конкурсам(тендерам) на поставку аппаратов ИВЛ и ИН в лечебные учреждения России. Этиматериалы, анализ литературы и экспонатов выставок определяет вывод о том, чтопри сохранении общих методов интенсивной терапии (ИВЛ по методу вдувания газа вдыхательные пути) и анестезии (ингаляционная анестезия) выявляются следующиеновые медицинские технологии.
В области ИВЛ основная тенденция — переход от наиболее частоиспользуемой сейчас управляемой ИВЛ к менее агрессивным методикам. Для ниххарактерны различные сочетания навязываемого пациенту режима с самостоятельнымдыханием; при этом аппарат выполняет не всю, а только часть затрачиваемой навентиляцию работы, причем доля циклов управляемой ИВЛ может сильноварьироваться. Наиболее распространенная сейчас управляемой ИВЛ будетвытесняться режимом «вспомогательная/управляемая вентиляция», всебольшее распространение получат режимы, первичная цель которых — поддержание навходе в дыхательные пути заданного давления. Примерами таких режимов являетсяуправляемая ИВЛ, ориентированная на давление, в том числе с инверснымотношением продолжительностей вдоха и выдоха, т.н. «поддержкадавлением», самостоятельное дыхание с двумя чередующимися уровнямиположительного давления (Bi-PAP) и т.п. Распространение подобных методов привелок тому, что сейчас оправдана замена самого термина «искусственнаявентиляция легких» на более широкое понятие «вентиляционнаяподдержка».
В ИА интенсивно происходит замена традиционных анестетиков новыми,более безопасными для пациента и медицинского персонала. Не говоря уже опрактически забытом за рубежом эфире, вышли из употребления метоксифлуран(пентран) и трихлорэтилен (трилен). Наряду с фторотаном, все большераспространяются галогеносодержащие жидкие анестетики — энфлуран, изофлуран,севофлуран и дезфлуран. Единственным широко используемым газообразныманестетиком остается закись азота, но ряд исследований, в том числе иотечественных, подтверждают перспективность использования ксенона. Следуетотметить и явную тенденцию преобладающего применения реверсивного дыхательногоконтура с подачей малых количеств кислорода и закиси азота (методика «Low Flow»). Оснащениеаппаратов ИА мониторами и другими дополнительными устройствами обусловилиперспективную замену терминов «аппарат ИН» и даже «аппаратИА» на «анестезиологическая система». Общая тенденция дляаппаратов ИВЛ и ИА — применение неинвазивных способов присоединения аппарата кпациенту — трахеальных трубок, вводимых через нос, или масок, обтурирующихверхние дыхательные пути. Наиболее яркой общей тенденцией следует считатьоснащение аппаратов встроенными и придаваемыми мониторами — устройствами длядлительного определения характеристик системы, образованной пациентом иаппаратом ИВЛ или ИН, а также для сигнализации о выходе значений этиххарактеристик из установленных пределов и о различных нарушенияхработоспособности аппаратуры. Например, последние проекты международныхстандартов на эти аппараты требует обязательного комплектования аппаратов ИВЛмониторами дыхательного объема или минутной вентиляции, мониторами концентрациикислорода и средствами сигнализации об апноэ при увеличении интервала междупоследовательными дыхательными циклами. Для аппаратов ИА стандартизовано ихоснащение капнометрами, мониторами концентрации кислорода, выдыхаемого объема,давления в дыхательном контуре.
Современные мониторы данного назначения все чаще дополняются контролемпоказателей кровообращения, а вывод измеряемой информации осуществляется нетолько в цифровом, но и в графическом виде с возможностью показа ее измененийза длительный промежуток времени (тренд). Начала применяться т.н.«интеллектуальная сигнализация».
В части номенклатуры НДА можно выделить тенденцию объединения водном аппарате возможности применения как взрослых пациентов, так и детейначиная с 1 года.
Технические решения НДА имеют тенденцию к некоторой унификации.Общей стратегией является переход от пневмомеханических устройств к всеусложняющимся методам электронного управления. Можно выделить два основныхпринципа структуры современных аппаратах ИВЛ. Первый характеризуетсяприменением первично постоянного потока газа, который затем преобразуетсямалоинерционными электро-пневматическими преобразователями в нужные для дыханияпорции. Однако в некоторых из перспективных режимов вентиляционной поддержкипостоянный поток газа (т. н. «Flow By») используетсянепосредственно. Для реализации вспомогательной ИВЛ с переключением на вдох поизменению потока газа, а также в аппаратах для новорожденных и детей находитприменение разновидность такого приема, отличающаяся пропусканием постоянногопотока газа в фазе выдоха через весь дыхательный контур. Зарубежным аппаратам спостоянным потоком газа, преобладающим сейчас на рынке, обычно требуется подачасжатого кислорода и воздуха от внешних источников; в отечественные аппараты(«Спирон-201», «Фаза-5») источник подачи сжатого воздухавстроен. Примером аппарата ИВЛ для детей с приемом «Flow By» может служитьаппарата «Спиро-Вита-412». Принципиально другое техническое решениезаключается в применении генератора вдоха переменного потока в виде меха,цилиндра с поршнем и т.п., приводимых в движение специализированным электроприводом,который позволяет гибко управлять всеми характеристиками вентиляции. Данноерешение позволяет обойтись как без внешнего пневмопитания, так и безвстроенного компрессора. Снижение размеров и массы таких аппаратов определяетсятем, что потребляемая в данный момент мощность определяется режимом вентиляции,и максимальная нагрузка на привод нужна очень редко. Однако режимы, связанные сиспользованием «Flow By» реализовать в этом приводе трудно.Зарубежный пример -аппарат фирмы «Контрон», ведется разработкаподобной аппаратуры и во «ВНИИМП-ВИТА».
В аппаратах ИВЛ, предназначенных для применения во время ИА, дляполучения реверсивного дыхательного контура требуется отделить дыхательныйконтур от силового. С этой целью в аппаратах с генератором вдоха постоянногопотока применяется специальное разделительное устройство (аппараты типа РО).Ясно, что в аппаратах второго типа такое устройство излишне.
Данные особенности обосновывают вывод, что длямногофункциональных, наиболее сложных аппаратов ИВЛ перспективным являетсяприменение генератора вдоха постоянного потока, а для более массовых аппаратовс несколько ограниченным набором режимов и для аппаратов ИВЛ, используемых всоставе систем ИА, — генератора вдоха переменного потока.
В современных клинических аппаратах ИВЛ широко используютсямикропроцессорное управление. Его преимущества по гибкости, разнообразнойобработке и визуализации информации безграничны. Однако прослеживаетсятенденция придания аппаратуре возможностей, которые легко реализуются программнымиметодами, но четкие показания к их применению либо очень узки, либо неопределены. Важные характеристики аппарата ИВЛ во многом определяютсяпримененным принципом переключения с вдоха на выдох. Посколькумикропроцессорная техника легче всего справляется с заданием временныххарактеристик, наибольшее распространение получило переключение по времени, нодля реализации многих современных режимов работы оно дополняется переключениемна выдох и по достижению заданного давления в дыхательном контуре. Другимаспектом микропроцессорного управления стало широкое применение длястабилизации ряда характеристик внутренних обратных связей. Велики возможностимикропроцессорной техники и для организации в аппаратах ИВЛ различной обработкии визуализации информации, запоминания различных ситуаций, различнойсигнализации и т.п.
Основные технические решения стационарных аппаратов ИА остаютсястабильными, но ряд изменений конструкции аппаратов достаточно перспективен.Отказ от использования эфира упрощает конструкцию и позволит применять вдыхательном контуре более широкий спектр полимерных материалов. Универсальныеиспарители, позволяющие использовать различные анестетики, по соображениямбезопасности вытеснены испарителями, каждый из которых рассчитан наиспользование только одного вещества. Для обеспечения во время ИА аппаратнойИВЛ продолжают сосуществовать два способа — оснащение аппаратов ИВЛ блоками дляобеспечения ИА и включение в состав стационарных аппаратов ИА блоков ИВЛ садекватно ограниченными возможностями. Во втором случае, представляющемся болееперспективным, практически обязательным будет применение в блоках ИВЛ мехов,приводимых специальным программно управляемым электроприводом. Заметим, чтоперспективное применение реверсивных контуров с малой подачей газа, как ииспользование ксенона потребует введения в состав аппаратов ИА новых дозирующихустройств и значительного улучшения герметичности дыхательного контура.
Основной перспективной тенденцией технических решений аппаратов ИАследует считать внедрение электроники и, особенно, микропроцессорной техники.Уже сейчас она завоевала прочные позиции в блоках ИВЛ, мониторах и некоторыедругих дополнительных узлах. Поэтому несомненно, что в ближайшем будущемэлектронное микропроцессорное управление завоюет прочные позиции и в данномвиде НДА.
Мониторное обеспечение ранее было самым слабым местомотечественной НДА. Сейчас положение несколько улучшилось: многие виды НДАукомплектованы простым монитором АСТРА, во все новые аппараты разработки«ВНИИМП-ВИТА» встраиваются мониторы давления в дыхательном контуре,разработано и освоено производство пульсоксиметров, электронных волюметров,анализаторов содержания кислорода. Теперь стоит задача установить стратегиюобеспечения мониторного контроля ИВЛ и ИА, которая включает выбор оптимальныхнаборов контролируемых характеристик, надлежащее деление мониторов навстроенные в аппараты и отдельные, «привязка» характеристиквстроенных мониторов к сложившейся номенклатуре аппаратов ИВЛ и ИА. Требуетсяобосновать метрологические характеристики мониторов, унифицировать методыпредставления и обработки информации и технические решения. Видимо, рациональновыделить три группы мониторов:
1. Мониторыдля комплектования аппаратов ИА, включающие каналы измерения содержаниякислорода, закиси азота, паров анестетиков. Они должны контролировать ЭКГ,насыщение гемоглобина кислородом, частоту сердечных сокращений, артериальноедавление. Для контроля ИВЛ достаточен мониторинг давления в дыхательномконтуре.
2. Мониторыдля комплектования многофункциональных аппаратов ИВЛ, обрабатывающие информациюо давлении и скорости газа в дыхательном контуре, о насыщении гемоглобинакислородом, о содержании в дыхательном газе кислорода и СО2 об ЭКГ ичастоте сердечных сокращений. Необходим расчет значений примерно 20 различныхпоказателей, визуализация ряда функциональных кривых и трендов.
3. Мониторыдля встраивания в аппараты ИВЛ, предназначенных для длительной интенсивнойтерапии, могут иметь более узкий набор возможностей, но обязательноконтролировать объемные и другие показатели ИВЛ и самостоятельного дыхания (ссигнализацией) и вывод на экран одной – двух функциональных кривых.
Краткая характеристика некоторых изделий:
1. АппаратИА «Ксенон» предназначен для проведения ингаляционного наркозафторотаном, энфлураном, изофлураном, закисью азота и ксеноном по нереверсивномуи реверсивному контурам у взрослых и детей старше 1 г. Предусмотрен режим«Low Flow». ИВЛ осуществляется аппаратом «Элан-201» сэлектроприводом и электронным управлением. Может комплектоватьсяанестезиологическим монитором «Эксон-509».
2. АппаратИА «Полинаркон-Вита 2000» предназначен для проведения у взрослых идетей старше 1 года ингаляционного наркоза фторотаном, энфлураном, изофлураноми закисью азота по нереверсивному и реверсивному контурам. Предусмотрены режим«Low Flow» и ИВЛ с помощью аппарата «Элан-201». Можеткомплектоваться монитором «Эксон-509».
3. АппаратИА «Полинаркон-Вита» предназначен для проведения ингаляционногонаркоза фторотаном, энфлураном (опция), эфиром и закисью азота понереверсивному и реверсивному контурам у взрослых и детей старше 4-х лет. ИВЛобеспечивается аппаратом «Диана» с пневмоприводом и электроннымуправлением. Комплектуется пульсоксиметром и монитором FiO2. Выпускается имодификация этого аппарата для детей старше 1 г.
4. АппаратИА «Наркон — П» предназначен для проведения в условиях экстремальноймедицины и скорой помощи ингаляционного наркоза фторотаном и эфиром у взрослыхпо нереверсивному (открытому без подачи кислорода и полуоткрытому) дыхательномуконтуру. Комплектуется саморасправляющимся мешком для ИВЛ вручную.
5. АппаратИВЛ «Спирон-202» предназначен для интенсивной терапии. Обеспечиваютсясовременные режимы вентиляционной поддержки, в т.ч. управление по объему и подавлению, инверсное отношение вдох/выдох, вспомогательная/управляемая ИВЛ,поддержка давлением, синхронизированная периодическая ИВЛ, дыхание с двухфазнымположительным давлением и др. Предусмотрены увлажнитель, монитор давления ивоздушный компрессор. Может комплектоваться универсальным монитором СМ-15 .
6. АппаратИВЛ «Авенир-221» (с управляемым электродвигателем) предназначен дляинтенсивной терапии взрослых и детей старше 1 года. Обеспечиваются современныережимы вентиляционной поддержки, в т.ч. управление по объему и по давлению,инверсное отношение вдох/выдох, вспомогательная/управляемая ИВЛ, поддержкадавлением, синхронизированная периодическая ИВЛ, изменение формы скоростивдувания и др. Предусмотрены монитор давления и объема, измерение FiO2 и увлажнитель.
7. АппаратИВЛ «Элан-201» предназначен для применения в качестве блока систем ИАдля взрослых и детей старше 1 года. Имеет электропривод и микропроцессорноеуправление. Обеспечивает управляемую ИВЛ с ПДКВ, вспомогательную ипериодическую ИВЛ, предусмотрены встроенный монитор давления в дыхательномконтуре и цифровая индикация установленных значений параметров вентиляции.
8. АппаратИВЛ «Элан-301» предназначен для применения в качестве блока аппаратовИА для взрослых и детей старше 1 года. Имеет электропривод и микропроцессорноеуправление. Обеспечивает управляемую ИВЛ с ПДКВ, предусмотрены встроенныймонитор давления в дыхательном контуре и цифровая индикация установленныхзначений параметров вентиляции.
9. Универсальныймонитор СМ-15 предназначен для комплектования аппаратов ИВЛ в отделенияхреанимации и интенсивной терапии. Измеряет и контролирует характеристикидавления в дыхательном контуре, объемных показателей вентиляции. SpO2, FiO2, рСО2, ЭКГ,рассчитывает характеристики органов дыхания и контролирует исправностьаппарата. Кроме цифровых значений, на экран выводятся 5 видов функциональныххарактеристик и тренды.
10. Мониторанестезиологический «Эксон-509» предназначен для контроля основныхпараметров состояния пациентов (взрослых и детей) во время проведения анестезиии интенсивной терапии — SpO/>и частоты пульса методомпульсовой оксиметрии ЕТ СО2, частоты дыхания и вдыхаемойконцентрации N2O методом инфракрасной спектрометрии; FiO2 электрохимическимметодом; артериального давление осцилляционым методом и ЭКГ. Капнограмма,плетизмограмма, ЭКГ и тренды основных измеряемых параметров отображаются на.графическом люминисцентном дисплее.
11. Вентиляционныймонитор предназначен для встраивания в аппараты ИВЛ для взрослых и детей иобеспечивает контроль характеристик давления в дыхательном контуре, объемныхпоказателей вентиляции и FiO2. Результаты измерения и два вида функциональныхкривых выводятся на электролюминесцентный дисплей.
12. МониторАСТРА-2 предназначен для комплектования аппаратов ИВЛ и ИА для взрослых и детейи контролирует Рмакс, Рмин и Рср в дыхательном контуре, а также апноэ.Результаты измерения выводятся на шкальный индикатор.
2. ИВЛ «Авенир-221»
Аппарат ИВЛ «Авенир-221» состоит из дыхательного меха, ременнойпередачи зубчатым ремнем, траверсы, электродвигателя ДСТ-150. Рассмотримтехнические назначения каждого блока прибора:
1. Мехдыхательный представляет собой тонкостенную цилиндрическую оболочку споперечной гофрированной боковой поверхностью; расширяется и сжимается вдоль оси(подобно пружине) под действием разности давлений внутри и снаружи, или отвнешнего силового давления-воздействия. Применяется как чувствительный элемент,реагирующий на изменение давления заключенных в нем жидкости или газа. В данномслучае, мех дыхательный изготовлен из резины. Характеристикой меха являетсязависимость прогиба (хода) от действующего усилия растяжения Рр илисжатия. Одним из параметров меха является жесткость, она величина постоянная,зависит от материала и геометрических размеров меха.
2. Ременнаяпередача зубчатым ремнем — это механическая передача вращения двигателя припомощи натянутого зубчатого ремня, перекинутого через шкивы, закрепленные навалах.
Достоинствами ременных передач являются:
– относительновысокий КПД (0,92-0,98);
– большаянагрузочная способность;
– возможностьполучения больших передаточных отношений;
– малаявытяжка;
– малаянагрузка на валы и опоры;
— бесшумность работы при больших скоростях и без динамическихнагрузок.
Ремни изготавливают из эластичных пластмасс и резины.
3.Шкив — это деталь ременной передачи, колесо которого имеетцилиндрическую форму.
4.Траверса — это горизонтальная балка, опирающаяся на вертикальные
стойки. Является частью конструкции (обычно в виде поперечной балки). В
данной конструкции с помощью нее осуществляется сжимание разжимание меха.
5.Двигатель ДСТ-150 с частотой вращения до 1000 об/мин.
Для аппарата ИВЛ «Авенир-221» у дыхательного меха ход подвижнойкрышки меха от 0,744 — 9 см, скорость движения крышки меха при вдохе до 10 см/с.Скорость движения крышки меха при выдохе (заполнение меха смесью газа) до 10см/с.
Описание работы привода
При включении данного прибора ось эл.дв. (1) начинает вращаться.На оси эл.дв. (1) жестко закреплено З.К. (2), которое через ременную передачу(10) приводит во вращение шкив (3). На одном валу вместе с З.К.2 жесткозакреплено З.К.З (4), которое через ременную передачу (11) З.Р.2 приводит вовращение расположенные на одном валу З.К.5 (6) и З.К.7 (8). Расстояние междуЗ.К.5 (6) и З.К.7 (8) такое, что между ними помещается мех (11). Зубчатыеколеса З.К.6
(7) иЗ.К.8 (9) расположены параллельно оси зубчатых колес З.К.5 (6) и З.К.7 (8) соответственно.Они вращаются посредствам ременных передач З.Р.З (12) и З.Р.4 (13). На З.Р.З(12) и З.Р.4 (13) жестко закреплена траверса Т (16). С помощью траверсы Т (16)происходит сжатие и разжимание меха М. (11). Перемещение меха М. (1) происходитза счет того, что конец траверсы Т. (16), приходя в крайнее верхнее или нижнееположение, замыкает поочередно выключатели К.В.1 (14) (верхнее положение) иК.В.2 (15) (нижнее положение). За счет поочередного замыкания выключателейпроисходит изменение направления тока в обмотках электродвигателя Эл.дв. (17).В результате этого ротор электродвигателя вращается поочередно то в однусторону, то в другую, приводя мех в движение.
Таблица № 2Параметры Вариант № 1 Электродвигатель ДСП- 150 Длина ремня, мм 447,45
Частота вентиляции, мин/> 50 Дыхательный объем меха, мл 1000 Давление 0,6
/>
Рис 1. Кинематическая схема привода.
1 – электродвигатель; 2, 4, 5, 7, 8, 10, 12, 14 – шкивы; 3, 6, 9, 13 – зубчатые ремни; 11 – мех; 15– выключатель 1; 16 – траверса; 17 – выключатель 2; I, II, III, IV, V – валы.
3. Расчетдыхательного меха (расчет сильфона)
Сильфоны представляют собой тонкостенные трубки с гофрированнойбоковой поверхностью. Преимуществами сильфонов являются:
– Большая чувствительность по давлению и большое тяговое усилие;
/>/>
Рис 2.
– Линейность упругой характеристики.
Примем объем меха 1 литр = 10/>мм/>, высоту меха L = 100 мм.
Материал – резина.
Тогда эффективная площадьмеха будет рассчитываться по формуле
S = />= />=10/>мм/> (1)
Средний радиус меха R/>=/>=/>=39,9/>40мм. (2)
Зная, что R/>=/>=40, то R/>+R/>=2R/>. Отсюда R/>=30 мм, R/>=50 мм.
Угол наклона стенки гофрак горизонтали находится по формуле:
/>, [1. C. 265] (3)
где:
/> – угол наклона стенок гофр меха к горизонтали,
t – шаг волны гофрировки,
r/>– радиус закругления гофра.
/>/>=/>=0.3929/>.
Жесткость меха K/>рассчитывается по формуле:
K/>=/>/>/>, [1. C. 270] (4)
где:
Е – модуль упругости(Е=8*10/>Па для резины) [],
h/>– толщина стенки меха,
n – число рабочих гофров,
/>/> – безразмерная жесткость, определяется по номограммам (по штриховымлиниям, характеризующим относительную жесткость) и зависит от величин:
/>, />,/>; [1. C. 265] (5)
Пусть r/>= 3 мм, t = 15 мм, h/>= 1 мм, n = 7. Тогда:
/>, k = [1,5…1,7]; m = />=0,1; />=/>=0,03
По номограммам определяем/>/> для случая нагружения осевой силой при растяжении и сжатии(условие свободного хода /> /> 0, p = 0). Она равна 6,05.
Тогда K/>=6,05/>=8,6843 Н/м
К числу основыных рабочих свойств сильфона относятся циклическаяпрочность, под которой подразумевается число циклов, выдерживаемое сильфоном доразрушения, при переменных нагрузках.
Исследование циклической прочности проводят в основномэксперементальным путем. В ГОСТ 21482-76 и ГОСТ 21754-76 приведены номограммыдля определения числа циклов до разрушения бесшовных и сварных сильфонов.
Традиционная оценка циклической прочности, принятая при расчетедеталей машин, основанная на сопоставлении напряжений цикла в опасной точкедетали с пределом выносливости материала, который определяют при испытаниистандартных образцов. Однако изучение усталостных характеристик материалов,применяемых для изготовления сильфонов, на образцах практически невозможноиз-за трудностей точного воспроизведения в образце механического состоянияматериала сильфона. Это связано с тем, что технология изготовления бесшовныхсильфонов предопределяет существенный разброс велечины пластической деформации,а следовательно и механических свойств в разных точках сильфона. По этомуследует считать целесообразным изучение циклопрочности не на образцахматериала, а на самих сильфонах, которые испытывают при каком-нибудь определенномцикле нагружения.
В [1] приведены усредненные номограммы для определения циклическойпрочности сильфонов, выполненных из металлов. Известно, что полимерные изделияболее пластичны и могут выдержать бóльшие относительные удлиннения, чемметаллы. Так, выбранный тип резины выдерживает удлиннение в 400% безразрушения, и 600% с последующим разрушением, при этом остаточная деформациясоставляет не более 25%.
Для определения примерной циклической прочности необходимо знатьотношение максимально допустимого удлиннения сильфона к рабочему. Наибольшеечисло циклов, которое можно определить по номограмме – 1’000’000 и более, приэтом отношение удлиннений соответствует около 10. Далее будет вычеслен рабочийход сильфона – 90 мм. Т.е. для обеспечения максимального ресурса, сильфондолжен быть способен растягиваться до 900 мм., при этом не разрушаясь. Легкопосчитать длину цилиндра – заготовки, из которой будет сделан сильфон, егодлина составит 477 мм. Удлиннение до 900мм составит всего 188%. Этим можнопоказать, что сильфон получился очень надежным, и его ресурс будет определятьсяпрактически только естественным старением полимера.
/>
Рис 3.
4. Кинематическийрасчет передачи зубчатым ремнем
/>
Рис 4.
Кинематическийрасчет привода осуществляется в следующем виде:
Линейнаяскорость передвижения меха записывается в виде:
/> (6)
где:
/>– радиус зубчатого колеса 5;
/>– угловая скорость этогозубчатого колеса.
С другойстороны линейная скорость меха можно записать в виде:
/> (7)
где:
/> – закон движения крышкимеха, который имеет следующий вид:
/> (8)
где
/>– ход крышки меха, />мм,
/>– частота вентиляции равная 50мин/>=/>=0,83 Гц.
Находимпроизводную по времени от /> и подставляем в формулу (7), получим:
/> (9)
Из формулы (6)выражаем />:
/> (10)
Теперьподставим формулу (9) в формулу (10), получим:
/>/> (11)
Здесь />можно пренебречь потому что этовыражение изменяет только направление движения меха. Угловая скорость /> будет зависеть от частотывентиляции />.
Подставляемчисловые значения в формулу (11), получим:
/>=/>=26,062 рад/с
Найдем угловую скорость двигателя по формуле:
/> (12)
где:
n – частотавращения ротора двигателя (об/мин).
Подставив числовые данные, получим:
/>рад/с.
Найдем общее передаточное отношение.
Общее передаточное отношение запишется в виде:
/> (13)
где:
/>-соответственнопередаточные отношения первой и второй ступени зубчатых передач.
/>; /> (14)
Подставляя (14) в (13) получаем, что общее передаточное отношениепримет вид:
/> (15)
Диаметр делительной окружности:
/> (16)
где:
z – числозубьев З.К.,
m – модуль(характеристика масштаба колеса)
Значение модуля примем по таблице 5 [5. С. 248] с учетом мощностии числа оборотов. m = 2.
Диаметр вершин зубьев:
/> (17)
Диаметр впадин зубьев:
/> (18)
Определение мощности двигателя основывается на балансе мощностей встатическом режиме работы:
N/>=/>, [2. т. 1, с. 30] (19)
где:
N/>– минимально необходимая мощность двигателя, Вт;
M/>– статический момент сил сопротивления на выходном валуредуктора, Н*с;
/> – номинальнаяугловая скорость выходного вала редуктора, рад/с;
/> – к.п.д.редуктора;
/> – коэффициентзапаса, />=1,05…1,1.
Подставим числовые данные:
1. Рассчитаем передаточное отношение:
/>.
2. Пусть число зубьев первого зубчатого колеса />, тогда т.к. используются 2 одинаковыеклиноременные понижающие передачи, то передаточное отношение каждой из нихбудет i = 2, а следовательно количество зубьев на большем зубчатом колесебудет z/>= />.
3. Рассчитаем делительные диаметры зубчатых колес:
/>мм.
/>мм.
/>мм.
4. Рассчитаем диаметры вершин зубьев:
/>мм.
/>мм.
/>мм.
5. Рассчитаем диаметры впадин зубьев:
/>мм.
/>мм.
/>мм.
6. Момент двигателя выходного вала:
/>Н×м.
Номинальная мощность электродвигателя:
N/>=/>=/>=48,5 Вт.
Определим расчетную мощность электродвигателя по формуле: />/>
5. Расчет ременной зубчатой передачи
/>
Рис 5.
Межосевое расстояние находится по формуле:
/> (20)
где /> находитсяпо формуле при выполнении условия /> (в нашем случае это условие выполняется):
/> (21)
где:
/> — число зубьевпервого (меньшего) и второго (большого) зубчатого колеса соответственно.
/>
/> — число зубьевзубчатого ремня, которое выражается из формулы:
/>,/> (22)
/> для 5, 6, 7 и8-го зубчатых колес находится по формуле:
/> (23)
После определения межосевого расстояния определяются угол обхвата /> ремня и число зацепляющихся сошкивами зубьев n.
Угол обхвата для большего шкива:
/> (24)
Угол обхвата для меньшего шкива:
/> (25)
Число зубьев в зацеплении соответственно с большим и меньшим шкивамиопределяется по формуле:
/> (26)
Число n округляется до ближайшего меньшего целого.
Подставляем числовые данные:
/>.
z/>
/>
/>.
/> для 5, 6, 7 и8-го зубчатых колес находится по формуле:
/>.
/>.
Угол обхвата для большего шкива:
/>.
/>.
Угол обхвата для меньшего шкива:
/> > 120/>.
Число зубьев в зацеплении с большим зубчатым колесом:
/>.
/>
Число зубьев в зацеплении с меньшим зубчатым колесом:
/>.
Расчет зубчатого ремня
Найдем скорость ремня /> [5. C. 251].
По табл. 2 [5. C. 246] при /> = 28 мм и /> = 1.466 м/с находим мощность, передаваемую однимремнем – W/>и вычислим потребноечисло ремней по формуле: /> [5.C. 245] (27)
где:
K/>= 1 при спокойной нагрузке;
К = /> – корректирующий коэффициент,
/> – коэффициент угла обхвата, при />, />= 0,97.
/> = 1,167;
/> = 1.
/>.
Значит достаточно одногоремня.
Рассчитаем общую мощностьпередачи Wи полезную нагрузку Р:
/> [5. C. 245], (28)
/> [5. C. 245], (29)
W = 0.15/>кВ;
P =/>кН.
6. Расчетподшипников
В данном аппарате ИВЛ применяются радиальные однорядныешарикоподшипники.
Расчет шарикоподшипника из условия долговечности.
Выбор подшипников качения производят по приведенной нагрузке Р ирасчетному ресурсу L в млн. оборотов по формуле:
С/>=Р/>[5. С. 152], (30)
где р=3 для шарикоподшипников.
Долговечность вычисляется по формуле:
L=/>[5. C. 149], (31)
где L/>– долговечность, ч.;
/>–частота вращения подшипника />;
/>–динамическая грузоподъемность.
Приведенную динамическую нагрузку определяют по следующейзависимости для радиальных и радиально-упорных шарикоподшипников
/> [3. C. 268] (32)
где:
R – радиальная нагрузка (Н);
А – осевая нагрузка (Н);
/>-коэффициентбезопасности />, т.к. нагрузкаспокойная.
/>– Температурныйкоэффициент (при рабочей температуре до 100°С />);
/> – коэффициентвращения (при вращении внутреннего кольца />);
X и Y – коэффициенты нагрузки, определяютсяпо таблице.
Зададимся диаметром вала: d = 8 мм.
По ГОСТу 8338-75 выберем типоразмер подшипника, внутренний диаметркоторого равен диаметру цапфы вала – подшипник 1000098:
Внешний диаметр D = 19, количество шариков z = 8. Диаметр шарика Dw=3 мм, предельное количествооборотов в минуту nпр=25000(об/мин). Максимальнаядинамическая грузоподъемность для данного подшипника С/>= 900 Н.
Рассчитаем осевую нагрузку А.
Находим по номограмме соответствующий момент трения:/>. Зная момент трения и числошариков z, по номограмме находим соответствующую осевую нагрузку: />.
Рассчитаем радиальную нагрузку R по формуле:
M/>=M/>+1,5А+1,25fR/> (33)
где:
f – коэффициенттрения качения (f=0,02мм).
M/>– Начальный момент трения ненагруженного подшипника, М/>/>0,04D/>,
/> – диаметр окружностицентров шариков (D/>/>(D+d)/2 ( мм)),
D/>=/>=13.5 мм.
М/>/>0,54 Н/>
Из формулы (30) выражая радиальную нагрузку R, получим:
/>.
Отношение осевой нагрузки к радиальной А/R=2,5/38,126=0,066
Находим коэффициенты X и Y по таблице 44 [3. C. 268]:
Найдем значение отношения:
/>
Исходя из неравенства /> определяем по таблице X и Y. [3. C. 268]
0,066/>0,19,следовательно X = 1 и Y = 0.
Вычислим значение приведенной нагрузки Р:
/>.
Зададимся долговечностью работы L/>= 10/>часов.
Вычислим долговечность:
/>млн. оборотов.
Найдем динамическую грузоподъемность:
/> Н.
Максимальная динамическая грузоподъемность для данного подшипникаС/>= 900 Н. Следовательноподшипник удовлетворяет режиму работы.
7. Заключение
В ходе работы над курсовым проектом было дано описание техническиххарактеристик прибора, достоинства и недостатки, расчет передач зубчатымремнем, расчет подшипников, расчет дыхательного меха и кинематический расчет.
Графическая часть курсового проекта включает в себя сборочныйчертеж прибора ИВЛ «Авенир-221», деталировку и схему кинематического привода.
8. Список литературы
1.Упругие элементы приборов. 2-е издание. Андреева С.М. – М.:Машиностроение, 1981.
2.Тищенко О.Ф. Элементы приборных устройств. Курсовоепроектирование, ч. 1,2. – М.: Высшая школа, 1978.
3.Милосердин Ю.М. Расчет и конструирование механизмов, приборов иустановок. – М.: Машиностроение, 1987г.
4Шик А.Н. Руководство по классической физиологии дыхания. Л.:Медицина, 1980 г.
5.Расчет на прочность деталей машин: Справочник/ И.А. Биргер, Б.Ф.Шорр, Г.Б. Иосилевич. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1979. –702 с.
6.Справочник конструктора точного машиностроения/ Г.А. Веркович,Е.Н. Головенкин, В.А. Голубков и др.; Под общ. ред. К.Н. Явленского, Б.П.Тимофеева, Е.Е. Чаадаевой. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 792 с.
7.http://www.mks.ru/ «Медицинские компьютерные системы».
www.mks.ru/library/conf/biomedpribor/2000/plen08.html
«РЕАЛИЗАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХМЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ В НОВОЙ НАРКОЗНО-ДЫХАТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ». Р.И. Бурлаков,А.А. Бунятян, Ю.С. Гальперин, Ю.Г. Стерлин, А.И. Трушин. ЗАО “ВНИИМП-ВИТА” (НИИмедицинского приборостроения) РАМН, РНЦХ РАМН, г. Москва.