Научная статья на тему 'Ультразвуковой инструмент'

Ультразвуковой инструмент Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
203
54
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Дюдин Б. В., Тарасова Г. Б.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Ультразвуковой инструмент»

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИНСТРУМЕНТ Б.В. Дюдин, Г.Б. Тарасова

Ультразвуковые хирургические инструменты состоят обычно из полуволнового магнитострикционного или пьезокерамического преобразователя, связанного с волноводом, имеющим рабочий наконечник, форма которого соответствует выполняемым операциям. Амплитуда колебания наконечника может составлять от 15 до 150 мкм, а рабочая частота выбирается из диапазона до 40 кГ ц.

Поскольку трение между двумя поверхностями уменьшается, если одна из ,

требует меньших усилий по сравнению с традиционными скальпелями. Высокая , , сосуд до 2 мм в диаметре. Это уменьшает кровотечение в операционной зоне и, та, .

Активное воздействие ультразвука на вещество приводит к необратимым изменениям в нем либо воздействие ультразвука на физические процессы, влияющие на их ход, обусловлено нелинейными эффектами в звуковом поле. Колебания частиц среды в волне вызывают своеобразный микромассаж тканей, поглощение УЗ - локальное нагревание их; одновременно под действием УЗ происходят физикохимические превращения в биологических средах. Для хирургических операций целесообразно использовать фокусированный ультразвук, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах, без повреждения окружающих тканей. В ультразвуковой хирургии используются инструменты, рабочий конец которых имеет вид скальпеля, пилки, иглы, трубки и др. Наложение ультразвуковых колебаний на такие волноводы придает им новые качества. Контактное воздействие тупым УЗ - инструментом применяется для разрушения новообразований либо камней в почках или мочеточниках, используя частоты 20 - 50 кГц с амплитудой колебаний рабочего конца 10 - 50 мкм.

Инструмент начинает работать только при нажимании ногой педали запуска, , , . поступать в инструмент биологически активная жидкость. При отпускании педали, жидкость отсасывается из инструмента вместе с камнем, в отдельную ванночку через штуцер инструмента.

Так как инструмент имеет специфическую для него форму, он ведет всю энергию к концу волновода, периодически усиливая ее на отдельных частях инстру-.

Экспоненциальная часть инструмента концентрирует энергию на конец волновода, который совершает направленные колебательно-ударные движения. За счет точечного направленного удара на камень и нагрева волновода камень разрушается и отсасывается через волноводную полость вместе с биологически активной жидкостью (рис.1).

Нагрев волновода вызывается высокочастотными колебаниями. Биологически активная жидкость в инструменте служит для охлаждения инструмента, а также промывочной жидкостью, которая вымывает частицы разрушенного камня. На данном инструменте рабочая поверхность - это алмазное напыление на волноводе, которое и выполняет основную функцию.

Ультразвуковые концентраторы представляют собой различные комбинации , , ,

. .

Инструменты с большим коэффициентом усиления отдельных звеньев неустойчивы в работе и обычно не дают ожидаемого результата. При небольших коэффи-

циентах усиления звена (ку=4) практическое усиление может оказаться большим. Однако все эти инструменты оказываются довольно громоздкими и неудобными в работе, особенно с длинным волноводом. Оригинальная методика расчета представлена в работе с использованием чисел Фибоначчи. На основании этой методики раз, .

Ультразвуковой инструмент состоит из собственно пьезоэлектрического преобразователя (включающего в себя две накладки и пьезокерамический блок, состоящий из 2 или 4 шайб, включенных по поляризации встречно), а также концентра,

(рис.2) [3]. _

Здесь 1 - длина преобразователя от нерабочей поверхности тыльной накладки до узловой линии преобразова-

,

пьезоблока. Метод «золотого сечения» позволяет с помощью чисел Фибоначчи значительно сократить размеры экспоненциальной части преобразователя [2, 4].

Площадь выходного сечения определится как д = д0 . у(N -У4), а длина экспоненциальной части (которая

Твердое тело

Раздробленные частицы

Канал откачки частиц

.лмазное напыление

Рис.1

обычно больше полуволновой длины стержня) будет равна /, =^1, где N - целое

’ пФ

число в пределах от 2 до 8; п - число ряда Фибоначчи (каждое число этого ряда равно сумме двух предыдущих); Ф=1,618 - коэффициент «золотого сечения». Тогда диаметр конической части будет равен Бти = у[&~1/л . При расчете накладки по мето-« » -чей накладки и инструмент становится чисто полуволновым.

с с I , йп/4

дС=до---------- /э =------

N ■ М4 п ■ Ф

Ф=1,618

N=2...8

Ряд Фибоначчи п = 1,12,3,5,8.

1 - тыльная накладка; 2 - пьезокерамический блок; 3 - излучающая накладка; 4 - экспоненциальная часть; 5 - коническая часть

.2

Требования к пьезокерамике определяются режимом работы инструмента. Поскольку требуется высокая амплитуда смещения при непрерывном режиме работы до 3 - 5

минут без дополнительного охлаждения, пьезокерамика должна обладать высокой

динамической прочностью, высокой добротностью и достаточно большой точкой Кюри.

Для тыльной накладки, назначение которой только обеспечить заданную частоту, необходимо выбрать материал с высокой плотностью и невысоким коэффициентом линейного расширения. При необходимости минимизировать размеры, следует обратить внимание на материалы с меньшей скоростью звука.

Для обеспечения теплового режима в слое склейки желательно между тыльной накладкой и пьезокерамикой иметь термокомпенсирующую шайбу из титанового сплава. К тому же форма шайбы может обеспечить центровку пьезоблока и накладки при склей.

Несоосность очень сильно влияет на качество инструмента (особенно его добротность). Излучающая накладка обычно выполняется вместе с концентратором как одна деталь. Поэтому материал должен выбираться сразу для всей правой части инструмента Материал должен быть легким, коррозийно-стойким, хорошо обрабатываться, быть механически прочным к высоким уровням вибрации, обеспечивать высокую добротность конструкции; иметь низкий коэффициент линейного расширения.

Эквивалентная схема такого инструмента приведена на рис.3 [1].

На эквивалентной схеме показаны следующие элементы. На электрической стороне имеем: С0 - емкость заторможенного пьезоблока; Я0 - сопротивление электрических потерь в пьезоблоке; п - коэффициент электромеханической трансформации; и, I - напряжение, подведенное к пьезоблоку, и ток, протекающий через него.

На механической стороне расположены элементы, относящиеся

- :

в(Л) 0 •

(2п (/))і = ли)п к

)п

(?П (/))2 = -{Ри)п

в(/) I

- тыльной накладке: 2Т (/) = ](рШ)т - (в(/)1 )т,

-

(г" (/))і = Лри (в(/)і) п;

(2" (/)) 2 =■

- лих, в(/) I 2

Здесь р - плотность и стержневая скорость звука, і - площадь поперечного

сечения и длина, Р=2ж/1 - волновое число, Л = ь/ / - длина волны соответствующего элемента.

к

2

2

II

Параметры соответствуют выбранным материалам и геометрическим размерам каждого элемента. При этом для пьезокерамики выбирается скорость У3Е. В точках а, б подключается концентратор. Так как относительно узловой линии элементы несимметричны, все три сопротивления различны и зависят от показателя кривизны.

Для экспоненциальной составляющей концентратора (51 = 50е_аимее м: при

у < Р; у'

= -\1у2 - в2 ; %0Э = рУБ0. N = В0/- отношение диаметра излучающей накладки к диаметру конической части

у\/ )(1 - Ы-сИ(У(/) I) /(/)

0(/){ N - зИ(у1)

--У (/) :

N -в- эк(у' (/) I)

7(/))з = ]1аэ -^--г

/(/) 1 (N - сЬ(у'(/)1) у

в(/) N^ зЫ/(/) I) у'(/)

Для конической части

(7к (/))і = о

в(/) Л Nк-1

1 —

в(/) I $іп(в(/) 1)

(2к (/))2 =

- /70

^в(/>іп(в(/) 1)

2

^ I. £(вС/) I)

Данные расчета преобразователя для выбора конструкции инструмента сведем в

. 1.

Таблица 1

Сводная таблица размеров и параметров элементов конструкции преобразователя для

частоты f = 35 кГц

У

2

№ Элемент Размер, мм 2о=(ри8)ср 8, см2 1, см X, см Р, 1/м

1 Пьезоблок ЦТБС-3 0 20, 0 10 И=5 5 858 (р=7 200 кг/м3 и=3 360 м/с) 2,35- 1к2=2 9,6 65,4

2 Тыльная накладка Ст.35 0 29 0™ 9 23 690 (р=7 800 кг/м3, и=5 050 м/с) 6 1^=0,7 3 14,4 43,5

3 Излучающая накладка 3-1 0 32 0ВН 4 18 300 (р=4 500 кг/м3 и=5100м/с) 7,91 102, Ы=0,9 14,6 43

Результаты расчета инструмента в разных сочетаниях накладок и размеров пьезоблока приведены в табл. 2

Таблица 2

Размеры рабочего инструмента для частоты f = 35 кГц

1т 1 ^(N=2) ^(N=5) ^(N=8) Д

0,036 0,023 0,018 1=1 1Т+0,51К1= =0,035 1т+ 0,51К2 = =0,028 п=1 0,031 п=3 0,0103 п=5 0,0062 3,95-10-4 2,77-10-4 1,42-10-4 1,5ша4 1,1110-4 0,57-10-4 0,99-10-4 0,69-10-4 0,35-10-4 Д 12=2,24-10"2 Д 15=1,42-10"2 Д 18=1,12-10"2 Д 12=188-10"2 Д 15=1,19-10"2 Д 18=0,93-10-2 Д 12=1,34-10"2 Д15=0,85-10'2 Д18=0,67-10"2

Примечание:

1.Тыльная накладка - 029 мм, Ст.35;

2.Форма образующей экспоненты определяется как у/2=| [(1И-Дш) / Д0] / 1Э|, откуда Д2=Д0-ехр[- (у-х)/2], где х изменяется от 0 до 1Э.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

По эквивалентной схеме можно оценить энергетические характеристики преобразователя при разной компоновке элементов. Результаты экспериментальной проверки макета хорошо согласуются с расчетом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гальперина ИМ. Расчет сложных ультразвуковых колебательных систем с по-

мощью эквивалентных схем // Акустический журнал, 1977. Т.25. №5. С.710-715.

2. Кривцова ГБ. Акустический преобразователь. Патент РФ №2020846 6 Н 04.

3. Дюдин Б.В. Дюдин В.Б. Ультразвуковая обработка хрупких и твердых материа-

лов в приборостроении: Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2002.

4. Кривцова ГБ. Ультразвуковой хирургический аппарат «СУЗА»// Тезисы докла-

дов НТК «Физика и техника ультразвука». 1997. С 204 - 207.

УМЕНЬШЕНИЕ ПЫЛЕВЫДЕЛЕИИЯ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ МЕТАЛЛИЗОВАННОГО СЫРЬЯ

А.С. Тимофеева , Т.В. Никитченко, Л.Н. Крахт

В перспективе распределение установок прямого получения железа в мире представляется существенно неравномерным. Очевидно, что значительная их часть будет располагаться в странах Азии, Африки и Латинской Америки, не имеющих развитой металлургической и машиностроительной промышленности [1]. Следствием этого явится необходимость транспортировки больших количеств металлизован-ного сырья на далекие расстояния, в том числе и морским путем. В известной мере эта проблема возникает и в нашей стране, так как производство металлизованного продукта организовано в нескольких удобных для его получения районах, а потребляться он будет гораздо большим числом металлургических заводов. Также наша страна является поставщиком этого сырья другим странам, как железнодорожным

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.