CC BY
40
УДК 615.47
Н.В. Корнилова, М.А. Щербаков
СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ОБОЛОЧКИ АППАРАТА «ИСКУССТВЕННОЕ СЕРДЦЕ»
Рассмотрена конструкция электромагнитной генерирующей оболочки. Описан полный цикл работы семисекционного электромагнитного привода. Разработан экспериментальный стенд и представлены результаты исследований.
Генерирующая оболочка, эксперимент, статическая характеристика, динамическая характеристика
N.V. Kornilova, M.A. Scherbakov
STATIC AND DYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE ELECTROMAGNETIC OPERATING COVER OF THE DEVICE «ARTIFICIAL HEART»
The design of an electromagnetic generating cover is considered. The full cycle of work of a seven-section electromagnetic drive is described. The experimental stand is developed and results of researches are presented.
A generating cover, experiment, the static characteristic, the dynamic characteristics
В нашем организме, как в любой сложной системе, иногда происходят сбои. Случается, что жизненно важный орган отказывается правильно функционировать. Когда никакие лекарства и прочие лечебные процедуры помочь не в состоянии, прибегают к различным операциям. В некоторых случаях во время операций, сердце может быть остановлено и для временного выполнения его функций используют аппарат «Искусственное сердце» (АИС).
Системы вспомогательного кровообращения (ВК) помогают насосной функции сердца, снижая нагрузку на левый желудочек (ЛЖ), и обеспечивают достаточный кровоток для гарантированной адекватной перфузии органов и тканей. Временное подключение аппарата ВК позволяет в 25% случаев восстановить сердечную деятельность, и впоследствии отключить его.
С технической точки зрения сердце представляет собой насос и клапаны для осуществления циркуляции крови. Но существует проблема, без решения которой невозможно создание эффективно действующего аппарата, а именно механическое взаимодействие узлов трения АИС с плазмой крови, которые постепенно разрушают последнюю без возможности её восстановления. Перспективным является использование упруго-оболочечных магнитожидкостных элементов для создания низконапорных клапанов и электрогидравлического насоса. При использовании магнитных жидкостей в упругих оболочках для имитации работы сердечных клапанов и насоса возникла задача разработки пространственно распределенного генератора электромагнитных полей. Таким элементом явилась генерирующая оболочка, создающая электромагнитное поле, и обеспечивающая технологические параметры электрогидравлического насоса и клапанов с магнито-жидкостными элементами для аппарата «Искусственное сердце» [1, 2].
При проектировании оболочки в качестве генератора распределенных электромагнитных полей была выбрана многослойная семисекционная цилиндрическая катушка, предназначенная для создания градиентного управляющего электромагнитного поля внутри секций. Крайние две секции (первая и седьмая) предназначены для обеспечения функционирования входного и выходного исполнительного элемента клапанного типа, а секции со второй по шестую обеспечивают управление электрогидравли-ческим насосом, то есть исполнительным элементом волнового типа. Конструкция генерирующей оболочки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Базовая конструкция электромагнитной генерирующей оболочки для аппарата «Искусственное сердце»: 1 - исполнительный элемент волнового типа;
2 - исполнительные элементы клапанного типа
Допустимая сила тока при заданной норме плотности тока:
I = І ■ * (1)
где ] - допустимая плотность тока, А/мм2; 8 - площадь поперечного сечения проводника, мм2.
Для медного проводника диаметром 1 мм допустимая плотность тока ]=13 А/мм2.
Площадь поперечного сечения:
5=0,785 ^=0,785 мм2 (2)
Подставим значения ] и 8 в формулу (1)
7=13-0,785=10,2 А
Допустимая сила тока I = 10,2 А.
Для перемещения эквивалента магнитожидкостного элемента внутри исполнительного механизма достаточно, чтобы каждая секция катушки состояла из двухсот витков [3].
Для расчета индуктивности Ь многослойной цилиндрической катушки воспользуемся формулой
Ь = 42 ■ Ьсл, (3)
где 4 - количество слоев катушки; Ьсл - индуктивность одного слоя катушки, Гн.
Радиус слоя катушки гСЛ :
Гсл = Г2ш1п + 0,25(4 - 1)^1 = 23мм (4)
где г2ш;п - радиус цилиндрического каркаса, м; И1 - шаг между соседними слоями катушки, м Индуктивность одного слоя катушки определяется:
Ьсл = 38 ■ Гсл -1 = 13,9 мкГн (5)
Н2 1
где 1 - длина намотки катушки, м; И2 - шаг намотки.
Тогда, индуктивность многослойной цилиндрической катушки:
Ь = 42 ■ Ьсл = 2,35 мГн (6)
Полный цикл работы семисекционной электромагнитной оболочки состоит из трех этапов:
1) Начальное положение: входной клапан открыт, выходной закрыт, на обмотках исполнительного элемента напряжение отсутствует, рабочая полость заполнена жидкостью.
2) Сжатие жидкости. В этом режиме положение клапанов не меняется, но на обмотки исполнительного элемента поочередно подается напряжение питания с частотой переключения 10 Гц. Образованная волна захватывает часть жидкости и как поршень передвигается к выходному клапану, создавая избыточное давление жидкости внутри рабочей полости.
3) Выпуск жидкости производится одновременным открытием выходного клапана и закрытием входного. После этого происходит возвращение в начальное положение [4].
Для питания электромагнитной оболочки разработано устройство на основе микроконтроллера, которое согласно заданному алгоритму подает напряжение на требуемую секцию.
Для проведения исследований был собран экспериментальный стенд. Внешний вид стенда представлен на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид экспериментального стенда
Экспериментальный стенд включает:
- семисекционный исполнительный элемент;
- эквивалент магнитожидкостного поршня;
- преобразовательный блок;
- блок питания;
- видеокамера;
- ось для эквивалента магнитожидкостного поршня;
- мультиметр.
При определении динамических характеристик исполнительного элемента, менялось время подачи напряжения на секции оболочки, путем программирования микроконтроллера преобразовательного устройства, и замерялось перемещение эквивалента магнитожидкостного поршня. Замер осуществлялся в условиях «сухой камеры» при использовании эквивалента в форме маленького магнитного шара (ё=5 мм) и кольцевого магнита размером 32x18x5,5 мм.
В результате эксперимента при различном времени поочередной подачи напряжения на все секции оболочки наблюдалось быстрое перемещение магнитного шарика, с частыми подпрыгиваниями и кручением в свободном пространстве и при максимальном времени прохождения эквивалента, равном 1 секунде наблюдалось практически равномерное перемещение магнитного шарика, с редкими колебаниями (рис. 3).
и
к
К
«
о
н
о
о
ей
Рч
1сек
0 142 284 426 568 710 852 994
Время, мс
Рис. 3. Динамические характеристики магнитного шара за 1 секунду
Кольцевой эквивалент при подаче допустимого тока на катушку перемещался на постоянное расстояние Ь=20 мм в пределах двух соседних секций исполнительного элемента. При любом токе I > 1пуск эквивалент проходил одинаковое расстояние от центра предыдущей секции до центра последующей. При движении от крайней секции катушки эквивалент должен находиться не далее одного сантиметра от ее начала. За пределами одного сантиметра от краев исполнительного элемента начинается мертвая зона, в котором эквивалент не подвержен втягивающему воздействию магнитного поля. Для обеспечения нормального температурного режима работы стенда, время подачи питания на одну секцию ограничено 30 секундами, что позволяет избежать перегрева. При времени, равном 1 секунде, кольцевой магнит устойчиво проходил все секции, отсутствовал эффект проскакивания. При меньшем времени прохождения наблюдалось колебание магнита, остановка в середине исполнительного элемента и перемещение с пропуском хода. Таким образом, в результате проведенных экспериментов было определено оптимальное время прохождения эквивалента семи секций, равное 1 секунде.
Экспериментальные исследования проводились как с поршнями в виде эквивалентов магнитожидкостных элементов, так и с поршнем в виде магнитной жидкости марки Т-40 в упругой силиконовой оболочке. Под действием магнитного поля, при изменении постоянной скорости переключения управляющих обмоток определили зависимость перемещения поршня от времени. Эксперименты проводились в условиях «мокрой камеры», что позволило выяснить возможность использования данной конструкции поршня в электрогидравлическом насосе, для вытеснения рабочей жидкости.
Динамические характеристики поршня с магнитной жидкостью в упругой оболочке представлены в табл. 1.
По табличным данным построен график, представленный на рис. 4.
Из полученного графика видно, что время прохождения поршнем семи секций оболочки увеличивается до 11 секунд.
Результаты полученной статической характеристики поршня с МЖ в упругой оболочке представлены в табл. 2.
Таблица 1
Динамические характеристики поршня с МЖ в упругой оболочке
Время перемещения, с
Пройденное расстояние, мм
11 140
9 90
6 60
5 50
4 40
3 30
2 20
0 0
Ъ с
12
Рис. 4. Динамическая характеристика поршня с магнитной жидкостью в упругой оболочке («мокрая» камера)
Таблица 2
Статические характеристики поршня с МЖ в упругой оболочке
Пройденное расстояние, мм Частота переключения обмоток, Гц
5 8
10 6
50 5
70 4
90 3
140 2
По табличным данным построен график статической характеристики, представленный на рис. 5. Ц мм 160
140 120 100 80 60 40 20 0
0
Рис. 5. Статическая характеристика поршня с МЖ в упругой оболочке («мокрая» камера)
В связи с трудностями исследования работы насосного устройства и электромагнитной генерирующей оболочки на животных и пациентах, возникает задача анализа работы аппарата при помощи сравнения результатов проведенных экспериментов с результатами последующего математического моделирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корнилова Н.В. Постановка задачи разработки пространственно распределенного генератора электромагнитных полей для аппарата «Искусственное сердце» / Н.В. Корнилова, А.В. Власов // Современные технологии в машиностроении: сб. ст. 12 Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: ПДЗ, 2008. С. 245-247.
2. Корнилова Н.В. Электромагнитная управляющая оболочка для магнитно-жидкостных элементов аппарата «Искусственное сердце» / Н.В. Корнилова, А.В. Власов // Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкостей: сб. докл. IX Междунар. науч. конф. СПб: СОЛО, 2009. С. 330-332.
3. Корнилова Н.В. Обоснование параметров управляющей электромагнитной оболочки для МЖ сенсоров аппарата «Искусственное сердце» / Н.В. Корнилова, А.В. Власов // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах: межвуз. сб. науч. тр. Балаково: СООО «АН ВЭ», 2009. С. 44-48.
4. Корнилова Н.В. Создание модели секции электромагнитного исполнительного элемента/ Н.В. Корнилова, М.А. Щербаков // Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: ПДЗ, 2010. С. 106-110.
Корнилова Наталья Валерьевна -
аспирант кафедры «Автоматика и телемеханика» Пензенского государственного университета, ассистент кафедры «Управление и информатика в технических системах» БИТТУ Саратовского государственного технического университета
Natalia V. Kornilova -
Postgraduate Student of the Department «Automatics and telemechanics» Penza state university, assistant of the Department «Management and computer science in technical systems» BITTU Saratov State Technical University
Щербаков Михаил Александрович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматика и телемеханика» Пензенского государственного университета
Власов Андрей Вячеславович -
кандидат технических наук, докторант кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
Статья по
Michail A. Shcherbakov -
Doctor of technical sciences, professor,
head Department «Automatics and telemechanics»
Penza state university
Andrey V. Vlasov -
Ph.D., Associate Professor of «Automation and process control»
Saratov State Technical University
i в редакцию 13.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011
