簡述基于渦輪蝸桿設(shè)計(jì)自動(dòng)輸液器的結(jié)構(gòu)

摘 要：目前，我國臨床輸液多采用單路單瓶人工換藥的方式，在整個(gè)輸液治療過程中需要患者隨時(shí)關(guān)注輸液進(jìn)程，護(hù)理人員需要人工換藥。本設(shè)計(jì)采用的渦輪蝸桿設(shè)計(jì)便是為了在輸液中使患者更安全省心，醫(yī)護(hù)人員的工作更高效。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可精準(zhǔn)控制液體的滴速、劑量和輸液時(shí)間；異常狀況報(bào)警功能，從各種方面杜絕輸液過程中可能出現(xiàn)的醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：渦輪蝸桿；輸液瓶

1 渦輪蝸桿的概念

蝸桿傳動(dòng)由蝸桿和蝸輪組成，一般蝸桿為主動(dòng)件。蝸桿和螺紋一樣有右旋和左旋之分蝸桿傳動(dòng)，分別稱為右旋蝸桿和左旋蝸桿。蝸桿上只有一條螺旋線的稱為單頭蝸桿，即蝸桿轉(zhuǎn)一周，渦輪轉(zhuǎn)過一齒，若蝸桿上有兩條螺旋線，就稱為雙頭蝸桿，即蝸桿轉(zhuǎn)一周，渦輪轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒。

2 蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

1.可以得到很大的傳動(dòng)比，比交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)緊湊。

2.兩輪嚙合齒面間為線接觸，其承載能力大大高于交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)。

3.蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于螺旋傳動(dòng)，為多齒嚙合傳動(dòng)，故傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音很小。

4.具有自鎖性。當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪齒間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，機(jī)構(gòu)具有自鎖性，可實(shí)現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪，而不能由蝸輪帶動(dòng)蝸桿。如在起重機(jī)械中使用的自鎖蝸桿機(jī)構(gòu)，其反向自鎖性可起安全保護(hù)作用。

5.傳動(dòng)效率較低，磨損較嚴(yán)重。蝸輪蝸桿嚙合傳動(dòng)時(shí)，嚙合輪齒間的相對滑動(dòng)速度大，故摩擦損耗大、效率低。另一方面，相對滑動(dòng)速度大使齒面磨損嚴(yán)重、發(fā)熱嚴(yán)重，為了散熱和減小磨損，常采用價(jià)格較為昂貴的減摩性與抗磨性較好的材料及良好的潤滑裝置，因而成本較高。

6.蝸桿軸向力較大。

3 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1）閉式傳動(dòng)：

a.按齒面接觸強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)，控制蝸輪齒面的點(diǎn)蝕和膠合

b.按齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度條件校核，控制輪齒的彎曲折斷和磨損

c.進(jìn)行熱平衡計(jì)算，控制溫升。

2）開式傳動(dòng)：

按齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)，控制輪齒的彎曲折斷和磨損

蝸桿按照直軸設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行剛度校核，控制蝸桿軸的彎曲變形。

4 利用蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)輸液器的自動(dòng)控制

目前，住院患者連續(xù)多瓶或多袋輸液的現(xiàn)象極為普遍，護(hù)士處理連續(xù)多瓶輸液的流程是：每輸完一瓶液體后，護(hù)士都必須趕到病房進(jìn)行換藥操作，連續(xù)輸多瓶液體，護(hù)士就得多次趕到病房并多次進(jìn)行換藥操作，護(hù)士的工作量很大。由于護(hù)士的工作量大，不能及時(shí)趕到病房進(jìn)行換藥處理的情況時(shí)有發(fā)生，患者意見較大。

因而我們設(shè)計(jì)以stm32為控制器，設(shè)計(jì)總體硬件方案。以舵機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)蝸輪傳動(dòng)機(jī)械裝置。利用編程軟件用C語言編制主系統(tǒng)及操作界面及核心內(nèi)容。與傳統(tǒng)輸液器不同，本設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用了多路輸液系統(tǒng)，可同時(shí)掛載多瓶液體，大大提高了效率。渦輪蝸桿的精密傳遞性以及平穩(wěn)性傳遞和反饋保證了輸液的正常運(yùn)行。

速度檢測部分：

采用紅外對管發(fā)射接收。采用斷續(xù)式的工作方式，在點(diǎn)滴落下時(shí)阻擋了接收管接收紅外線，產(chǎn)生高電平的脈沖信號。為了提高抗干擾能力，可以采用兩對紅外傳感器一發(fā)一收，而不是只用一只傳感器以反射式狀態(tài)工作。

速度控制部分：

通過步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)和蝸輪蝸桿齒輪系統(tǒng)控制與儲液瓶相連接的輸液管的加緊程度的大小，控制輸液的速度。傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪音。因?yàn)槲仐U齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時(shí)是連續(xù)不斷的，蝸桿齒沒有進(jìn)入和退出嚙合的過程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動(dòng)、噪音都比較小。由于采用了渦輪蝸桿傳動(dòng)，因而傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪音。

因?yàn)槲仐U齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時(shí)是連續(xù)不斷的，蝸桿齒沒有進(jìn)入和退出嚙合的過程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動(dòng)、噪音都比較小。這從技術(shù)層面杜絕輸液過程中可能出現(xiàn)的醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。本設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了輸液的精確化和智能化，不僅降低了醫(yī)務(wù)人員的工作強(qiáng)度，而且還提高了患者在輸液中的安全性和舒適度。

該設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的連續(xù)輸液自動(dòng)順序切換器的工作原理是：當(dāng)正在輸液的輸液管中的液位下降到輸液結(jié)束狀態(tài)檢測傳感器所在的位置時(shí)，輸液結(jié)束狀態(tài)檢測單元輸出信號給單片機(jī)控制單元，單片機(jī)控制單元根據(jù)多路順序切換輸液器選擇開關(guān)的設(shè)定值發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)此脈沖信號按一定方向驅(qū)動(dòng)“多路順序切換閥”的閥芯旋轉(zhuǎn)一定角度到下一瓶輸液通路接通的位置，繼續(xù)下一瓶的輸液，單片機(jī)控制單元根據(jù)報(bào)警位置選擇開關(guān)的設(shè)定值在相應(yīng)的輸液通路輸液結(jié)束時(shí)發(fā)出信號至報(bào)警單元進(jìn)行報(bào)警。該多瓶連續(xù)輸液自動(dòng)順序切換器的初始位置為第1瓶輸液時(shí)對應(yīng)的位置，與之對應(yīng)，“多路順序切換閥”的閥芯的初始位置也是第1瓶輸液時(shí)所對應(yīng)的位置。輸液總是從第1瓶開始，然后依次向第2瓶、第3瓶等順序切換。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)利用stm32單片機(jī)控制單元的輸入端連接輸液結(jié)束狀態(tài)檢測單元，輸出端分別連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和報(bào)警單元；同時(shí)供電單元分別與單片機(jī)控制單元、輸液結(jié)束狀態(tài)檢測單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和報(bào)警單元連接。該設(shè)計(jì)不僅使用安全可靠，而且操作靈活方便，在多瓶連續(xù)輸液時(shí)，還具有在全部輸液結(jié)束時(shí)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警提示，從而大大降低了護(hù)士的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了護(hù)理效率，同時(shí)也提升了患者滿意度。

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作者簡介

潘棟（1996-），男，漢族，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)2014級學(xué)生。