CC BY
11
УДК 615.471
А. В. Жданов, канд. техн. наук, Ю. А. Новикова, канд. техн. наук,
Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых (ВлГУ)
Экспериментальные исследования тепловых характеристик имплантируемой системы вспомогательного кровообращения пульсирующего типа
Ключевые слова: вспомогательное кровообращение, мехатронный модуль, роликовинтовой механизм, тепловые характеристики имплантируемой системы.
Key words: auxiliary circulation, mechatronic module, termal characteristics of the implanted system
В статье представлены экспериментальные исследования тепловых характеристик имплантируемой системы вспомогательного кровообращения. В качестве экспериментального образца выбран мехатронный модуль с пониженным энергопотреблением, состоящий из модифицированного моментного двигателя ДБМ50 и роликовинто-вого механизма.
Одной из важнейших проблем при создании имплантируемых систем вспомогательного кровообращения (ВК) пульсирующего типа является обеспечение продолжительной, непрерывной работы механической системы без нагрева выше 40 °С в условиях ограниченного теплоотвода. Это особенно актуально для систем на базе модулей и приводов с двигателем, работающим в реверсивном режиме. Целью эксперимента было определение тепловых характеристик мехатронного модуля (ММ) поступательного перемещения, проверка пригодности разработанной конструкции в качестве исполнительного привода имплантируемой системы ВК.
В качестве экспериментального образца выбран ММ с пониженным энергопотреблением, состоящий из модифицированного моментного двигателя ДБМ50 и роликовинтового механизма (рис. 1) [1].
Определение тепловых характеристик проводилось на стенде, схема которого показана на рис. 2.
Стенд состоит из рамы 1, на которой закреплены две опоры 2 и 3 с нагрузочным устройством 5 и ограничителем 6, и теплоизолированного моноблочного привода 4, выходной шток которого совершает возвратно-поступательное перемещение. На корпусе привода установлен металлополимер-
ный термочувствительный датчик (МПТЧД) 9, выходы которого замкнуты на измерительный прибор.
Работа привода исследовалась в гармоническом режиме движения в условиях приложения позиционной нагрузки к выходному звену механизма. Позиционная нагрузка создается пружинным нагрузочным устройством, которое имитирует сопротивление, вызванное возрастающим давлением на поверхности мембраны в фазу изгнания. В ходе экспериментальных исследований проводились опыты для различных режимов нагружения, отличающихся частотой и амплитудой. В крайних положениях ход штока ограничен конечными выключателями на элементах Холла.
В табл. 1 приведены результаты измерений и обработки экспериментальных данных серии из трех
а)
б)
Рис. 1
Экспериментальный образец: а — деталь; б — твердотельная модель в Pro//Engineer WF4
№ 4(16)/2011 |
биотехносфера
7 5
4 2
Рис. 2
Схема экспериментального стенда: 1 — рама; 2, 3 — опоры; 4 — моноблочный привод; 5 — нагрузочное устройство; 6 — ограничитель; 7 — конечные выключатели (2 датчика); 8 — датчик положения вызодного штока; 9 — металлополимерный термочувствительный датчик (3 датчика)
Таблица 1 Результаты измерений и обработки
экспериментальных данных
при нагрузке 60 Н
Номер изме* Время Сопротивле- Температура Тв(В), °С Значения коэффициентов экспоненциальной регрессии
рения Ь, мин ние В, Ом
Частота 1,1 Гц
1 0 96,3 23,28
2 3 96,9 24,29
3 6 97,3 24,97
4 5 6 11 15 18 97,8 98,1 98,3 25,81 26,32 26,65 Т0 = 23,27 °С; Тд = 27,10 °С; гпер = 9,75 мин
7 21 98,3 26,65
8 24 98,3 26,65
Частота 1,5 Гц
1 0 97,6 25,47
2 3 98,5 26,99
3 6 99,0 27,84
4 5 9 12 99,4 99,7 28,51 29,02 Т0 = 25,56 °С; Тд = 30,79 °С;
6 15 100,0 29,52 гпер = 10,70 мин
7 18 100,1 29,69
8 21 100,3 30,03
9 24 100,5 30,37
Частота, 2,0 Гц
1 0 100,7 30,70
2 3 101,3 31,72
3 10 102,1 33,40
4 5 6 12 15 18 102,5 102,7 102,9 33,74 34,08 34,41 Т0 = 30,70 °С; Тд = 35,74 °С; гпер = 13,17 мин
7 21 103,1 34,75
8 24 103,2 34,92
последовательных опытов (при частоте реверса 1,1, 1,5 и 2,0 Гц) с амплитудой растяжения пружины ¿1 = 91 мм, что соответствует нагрузке Fl = FL(Ll) = = 60,67 Н.
Обработка экспериментальных данных заключалась в определении значений коэффициентов То, Тд, гпер экспоненциальной регрессии, наилучшим образом приближающей экспериментальную зависимость Т1(г1) и в соответствии с теоретической моделью имеющей вид:
Т (г) = Т0е ер + Тд ^ 1 -
г
. е пер
(1)
где То — начальная температура; Тд — установившаяся температура; гпер — постоянная времени теплопередачи.
В табл. 2 приведены результаты трех опытов (при частоте реверса 1,3, 1,5 и 2,0 Гц) с амплитудой растяжения пружины 102 мм, что соответствует нагрузке 79,79 Н; в табл. 3 — двух опытов при частоте 1,6 и 2,0 Гц с нагрузкой 100,6 Н (длиной пружины 114 мм), а в табл. 4 — двух опытов при частоте 1,5 и 2,0 Гц с нагрузкой 119,8 Н (длиной пружины 125 мм).
Таблица 2 Результаты измерений и обработки экспериментальных данных при нагрузке 80 Н
Номер измерения Время Ь, мин Сопро-тивле-ние В, Ом Температура Тв(В), °С Значения коэффициентов экспоненциальной регрессии
Частота 1,3 Гц
1 2 3 4 0 3 6 9 99,8 99,8 99,7 99,7 29,18 29,18 29,02 29,02 Т0 = 29,21 °С; Тд = 28,65 °С; гпер = 20,94 мин
Частота 1,5 Гц
1 0 94,1 19,57
2 3 95,5 21,93
3 6 96,5 23,62
4 9 97,4 25,14 Т0 = 19,61 °С;
5 12 98,1 26,32 Тд = 31,80 °С;
6 15 98,7 27,33 гпер = 14,91 мин
7 18 99,2 28,17
8 21 99,6 28,85
9 24 99,9 29,35
Частота 2,0 Гц
1 0 102,8 34,25
2 3 103,1 34,75
3 6 103,5 35,43
4 9 104,0 36,27
5 12 104,3 36,78
6 15 104,6 37,28
7 21 104,9 37,79
8 24 105,2 38,30
Т0 =
Тд
д=
гпер =
34,12 °С; 40,59 °С; 23,55 мин
6
3
8
9
1
биотехносфера
| № 4(16)/2011
Таблица 3 Результаты измерений и обработки экспериментальных данных при нагрузке 100 Н
Номер измерения Время t, мин Сопротивление R, Ом Температура TR(R), °С Значения коэффициентов экспоненциальной регрессии
Частота 1,6 Гц
1 0 97,2 24,80
2 3 98,1 26,32
3 6 99,3 28,34
4 10 100,0 29,52
5 12 100,5 30,37
6 15 101,2 31,55
7 18 101,7 32,39
8 21 102,2 33,23
9 24 102,5 33,74
Частота 2,0 Гц
1 0 93,7 18,89
2 4 96,6 23,79
3 6 97,6 25,47
4 9 99,3 28,34
5 12 100,3 30,03
6 15 101,4 31,88
7 23 103,4 35,26
8 26 103,9 36,10
9 24 100,5 30,37
T0 = 24,77 °C; TQ = 38,55 °C; fnep = 22,49 мин
t
T0 = 18,94 °C; TQ = 40,32 °C; nep = 16,05 мин
На рис. 3 приведены графики экспериментальных зависимостей температуры нагревания от времени по данным табл. 1—4. Символами обозначены экспериментальные данные, а линиями — кривые экспоненциальной регрессии.
Наиболее важным фактом, выявленным в ходе эксперимента, является то, что во всех случаях привод не нагревается выше температуры Ткр = = 42 °С. Данное обстоятельство позволяет переходить к этапу клинических испытаний опытного образца, так как локальный нагрев до Ткр без патологических последствий компенсируется фи-зио-логическими механизмами поддержки гомеостаза.
Другим важным фактом является то, что теоретическая зависимость очень хорошо описывает экспериментальную. Непосредственное сравнение экспериментальной и теоретической зависимостей затруднительно из-за того, что в модели не учитываются конвективные потоки в термостате, сильно влияющие на скорость теплопередачи (рис. 4). Экспериментальные значения постоянной времени теплопередачи tпер изменяются в диапазоне 9,75...23,55 мин, тогда как теоретическое значение, полученное по формуле (1), составляет tпер = = 30 мин.
Целью данного исследования была проверка температуры в установившихся режимах. На рис. 5 представлены сравнительные результаты определения теоретических и экспериментальных значений установившейся температуры нагревания. Для
Таблица 4
Результаты измерений и обработки экспериментальных данных при нагрузке 120 Н
Номер измерения Время t, мин Сопро-тивле-ние R, Ом Температура Tr(R), °С Значения коэффициентов экспоненциальной регрессии
Частота 1,5 Гц
1 0 106,1 39,81
2 4 105,8 39,31 T0 = 39,83 °C;
3 6 105,7 39,14 Tq = 37,64 °C;
4 9 105,4 38,63 ^ер = 14,09 мин
5 12 105,4 38,63
Частота 2,0 Гц
1 0 103,4 35,26
2 3 104,2 36,61
3 6 104,6 37,28
4 9 105,0 37,96
5 12 105,9 39,48
6 15 106,1 39,81
7 20 106,3 40,15
8 24 106,4 40,32
9 24 100,5 30,37
T0 = 35,19 °C; TQ = 41,46 °C; tnep = 12,69 мин
сравнения выбраны случаи с ¥ = 60 Н и ¥ = 80 Н, так как они имеют статистику из трех опытов.
Теоретические кривые построены на основе метода теплового баланса, исходя из которого зависимость температуры корпуса ММ 6(£) от времени описывается дифференциальным уравнением
= ~ И 9 + « ^ 9(0) = 9о,
где (( = Р8 + Рс — мощность электрических потерь (Р$ — мощность потерь, вызванных синфазной составляющей токов в обмотке; Рс — мощность потерь от квадратурного тока); С — теплоемкость корпуса; И — тепловое сопротивление ММ; 6о — температура окружающей среды.
Мгновенная температура может быть определена от времени в интегральной форме
0(t) =
0_ +
t
C i )
0
exp
T
V nep
dT
exp
T
nep
где Tnep = Rc — постоянная времени теплопередачи.
В частном случае при постоянной величине потерь Q(t) = const температура ММ может быть найдена из выражения
0(t)=0Q + (0o -0Q )exp
Q>
пер
где 6( = — установившаяся температура.
Из рис. 5 видно, что теоретическая кривая достаточно хорошо приближает экспериментальные значения. Более точно максимальное относительное
№ 4(1Б)/2011 |
биотехносфера
Экспериментальные и клинические исследования
а)
40
35
& ё
|30
25
20
2,0 Гц
1,5 Гц
/¿,-о-ег
.х-
ДЕТ"
, Х--Х-^ 1,1 Гц
10 15 Время, с
20
25
б)
40
35
а
\у
ё ра30
25
20
2,0 Гц
1,3 Гц
-В"
.О"
.43
о
41,5 Гц
и
10 15 20
Время, с
25
б)
40
а35 §
ё
а ера
2 30
25
20
10 15 20 Время, с
25
в)
40
а35 §
ё
а ера
8 30
25
20
1,5 Гц
'-Х-Х--
2,0 Гц
10 15 Время, с
20
25
Рис. 3
Экспериментальные зависимости температуры нагревания от времени: а — F = 60 Н; б — F = 80 Н; в — F = 100 Н; г — F = 120 Н
0
5
0
5
0
5
0
5
з 20
и
&
а
<§ 15 ере
§ 10
Вр 5
расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями составляет:
5. = тах 1 -
1 1</<3
52 = тах 1 -2 1<г <3
0усТ (60H, 1 )
Т
уст1. °уст (80H, ¡21)
Т
уст2.
100% = 4,17%;
100% = 4,59%.
2 3 4 5 6 7 Номер опыта
8 9
Рис. 4
Экспериментальные значения постоянной времени теплопередачи
Полученные значения находятся в пределах погрешности измерений, которая составляет примерно 10 % [37], что свидетельствует о высокой достоверности теоретической модели.
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
1. Проведены экспериментальные исследования тепловых характеристик и производительности насосной функции модуля. Анализ полученных
| № 4(16)/2011
биотехносфера
0
1
41
а
ё 37 «
& Й
3 33
Ь 29
25
Т ± кр
\ 1,6 Гц
2,0 Гц 1111 /х
1,0
1,2
1,4 1,6 1,8 Частота, Гц
2,0
9 41 а,
§ 137
33
29
25
Т кр
\ о/
1,5 Гц
2,0 Гц
1,0 1,2
1,4 1,6 1,8 Частота, Гц
2,0
Рис. 5
Сравнение теоретических и экспериментальных значении установившейся температуры нагревания: а — ^ = 60 Н; б — ^ = 80 Н
зависимостей показывает, что установившийся температурный режим наступает уже после 30 мин непрерывной работы для всех исследуемых режимов. Установившаяся температура зависит от частоты пульсации и величины нагрузки, но во всех случаях не превышает 40...42 °С. В настоящее время разработанный экспериментальный стенд модернизирован и может использоваться для комплексных исследований ММ [2].
2. Экспериментальные исследования тепловых характеристик показали удовлетворительные совпадения экспериментальных и расчетных зависимостей (относительная погрешность — менее 5 %). Нагрев корпуса опытного образца ММ не превышает 42 °С, что свидетельствует о пригодности привода для имплантации.
| Литература
1. Синтез имплантируемых систем вспомогательного кровообращения на базе мехатронных модулей / В. В. Морозов,
A. В. Жданов, Е. А. Новикова // Мехатроника и информационные технологии в медицине (Прил. к журналу «Мехатроника, автоматизация, управление»). М.: Новые технологии, 2007. № 8. С. 2-5.
2. Обоснование конструкций лабораторных стендов для исследования характеристик систем вспомогательного кровообращения и искусственного сердца / Л. В. Беляев,
B. В. Морозов, А.В. Жданов // Мехатроника, автоматизация, управление. М.: Новые технологии, 2010. № 2 (107).
C. 51-55.
ПРИГЛАШАЕМ РЕКЛАМОДАТЕЛЕЙ К СОТРУДНИЧЕСТВУ
Рекламные статьи и модули печатаются за плату согласно расценкам (в рублях, включая НДС 18 %)
Черно-белые полосы Цветные полосы Скидки при единовременной оплате
1 полоса А4 (180 х 250 мм) 6 000 2-я стр. обложки и каждая стр. вкладки: А4 (195 х 280) А5 (195 х 140) 12 000 8 000 2-х публикаций 10%
1/2 полосы (180 х 125 мм) 3 500 3-я стр. обложки А4 (195 х 280) А5 (195 х 140) 10 000 5 000 3-х публикаций 15%
1/4 полосы (85 х 110 мм) 2 125 4-я стр. обложки: А4 (195 х 280) А5 (195 х 140) 10 000 5 000 4-х и более 20%
1/8 полосы (85 х 50 мм) 800
№ 4(16)/20П |
биотехносфера
