無(wú)線供電形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的尿道閥驅(qū)動(dòng)特性研究

張 燃 李 笑 曹 睿 關(guān) 婷

1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州，510006 2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院，廣州，510010

無(wú)線供電形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的尿道閥驅(qū)動(dòng)特性研究

張 燃1李 笑1曹 睿1關(guān) 婷2

1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州，510006 2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院，廣州，510010

為了解決尿道括約肌損傷或神經(jīng)功能障礙引起的重度尿失禁問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種磁耦合諧振式無(wú)線供電形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的尿道閥。建立了尿道閥的驅(qū)動(dòng)力模型和無(wú)線電能傳輸耦合模型，仿真分析了彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了無(wú)線供電系統(tǒng)的控制參數(shù)和線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)尿道閥驅(qū)動(dòng)特性的影響規(guī)律以及尿道閥的啟閉特性。研究結(jié)果表明，該尿道閥原理可行；增大彈簧線徑，減小彈簧中徑和匝數(shù),增大信號(hào)源電壓，增大線圈直徑、線徑和匝數(shù)以及合理設(shè)定信號(hào)源頻率，均可提高驅(qū)動(dòng)特性；尿道閥啟閉特性良好。研究結(jié)果可為尿道閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也可為人體其他括約肌自主控制的設(shè)計(jì)提供參考。

尿道閥;形狀記憶合金;磁耦合諧振;驅(qū)動(dòng)特性;啟閉特性

Abstract:In order to solve the problems of severe urinary incontinence caused by urethral sphincter injuries or dysfunctions, a urethral valve driven by SMA spring was designed based on magnetic coupled resonant wireless power supply. The driving force model of the valve spool and the coupling model of wireless power transfer were established. The influences of the spring structure parameters on the driving forces were simulated and analyzed. The effects of the control parameters and the structure parameters of the wireless power supply system on the driving performances of the urethral valve, and the opening and closing performances of the urethra valve were studied experimentally. The results show that the principles of urethral valve are feasible, increasing the spring wire diameter, reducing the spring pitch diameter and the number of spring turns, increasing the signal source voltages, the coil wire diameters, the coil diameters and the numbers of coil turns and setting the reasonable frequency of the signal sources may improve the driving performances, and the opening and closing performances of the urethra valve are good. The research may provide the basis for the structural design of the urethral valve, and also provide the reference for the design of autonomous control system for other human sphincters.

Keywords:urethral valve; shape memory alloy(SMA); magnetic coupled resonant; driving performance; opening/closing performance

0 引言

尿道括約肌損傷或神經(jīng)功能障礙引起的自主控制排尿困難，會(huì)導(dǎo)致尿液不自主地流出，醫(yī)學(xué)上稱之為尿失禁[1]。它不僅給病人帶來(lái)了極大的生活困擾，也易引起泌尿系統(tǒng)感染或其他并發(fā)癥，嚴(yán)重影響病人的生活質(zhì)量。對(duì)于重度型患者，通常難以用藥物或手術(shù)治愈，需采取尿道自主控制措施[2-3]，因此，研究能夠?qū)崿F(xiàn)病人自主控制的尿道閥，具有重要的臨床實(shí)際意義。

國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)尿道閥開(kāi)展了模擬和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[4-5]提出了一種利用加熱電阻絲傳熱致形狀記憶合金(shape memory alloy,SMA)形變驅(qū)動(dòng)的尿道閥，研究了尿道閥的機(jī)械特性、啟閉特性、尿流率和耐用性。文獻(xiàn)[6-8]引入電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸模式來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞，實(shí)驗(yàn)研究了經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的效率和尿道閥的啟閉特性。文獻(xiàn)[9-10]提出了一種利用電磁力驅(qū)動(dòng)的尿道閥，建立了尿道閥的尿流率模型和可靠性模型，仿真和實(shí)驗(yàn)研究了尿道閥的尿流率特性和可靠性。文獻(xiàn)[11]提出了一種超聲汽化蒸汽驅(qū)動(dòng)的尿道閥，建立了驅(qū)動(dòng)力模型和磁吸力模型，仿真和實(shí)驗(yàn)研究了尿道閥的驅(qū)動(dòng)特性和啟閉特性。以上研究均表明尿道閥工作原理可行，尚需進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)和改善性能。

磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)具有傳輸效率高、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，而SMA彈簧具有響應(yīng)迅速、回復(fù)力大等特點(diǎn)。據(jù)此，本文提出一種磁耦合諧振式無(wú)線供電SMA彈簧驅(qū)動(dòng)的尿道閥。運(yùn)用電磁學(xué)、材料學(xué)和熱力學(xué)理論建立了尿道閥的數(shù)學(xué)模型，仿真分析了彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響，實(shí)驗(yàn)研究了無(wú)線供電系統(tǒng)的控制參數(shù)和線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)尿道閥驅(qū)動(dòng)特性的影響規(guī)律及尿道閥的啟閉特性。

1 工作原理

本文提出的SMA驅(qū)動(dòng)的尿道閥組成原理如圖1所示，主要由SMA彈簧、閥芯、閥體、永磁體和橡膠墊組成。SMA彈簧是鎳鈦合金圓柱形螺旋彈簧。閥芯由非金屬材料制成，閥芯安裝在閥腔內(nèi)。永磁體由汝鐵硼永磁材料制成，一塊與閥體固連，另一塊與閥芯固連。橡膠墊由醫(yī)用硅橡膠材料制成，分別與兩塊永磁體固連。

1.SMA彈簧 2.閥芯 3.閥體 4.永磁體 5.橡膠墊 6.尿道圖1 SMA驅(qū)動(dòng)的尿道閥組成原理Fig.1 SMA drive urethral valve composition principle

磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)組成原理如圖2所示，主要包括體外的信號(hào)源、功率放大器、發(fā)射線圈和體內(nèi)的接收線圈。其中，RP為匹配負(fù)載電阻，R為SMA彈簧電阻，C1、C2為電容。

圖2 磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)組成原理Fig.2 Composition principle of magnetically coupled resonant wireless power supply system

尿道閥的工作原理是：當(dāng)信號(hào)源未輸出高頻電信號(hào)時(shí)，發(fā)射線圈不產(chǎn)生磁場(chǎng)，接收線圈無(wú)能量傳輸，SMA彈簧處于初始的拉伸狀態(tài)，閥芯在永磁體的磁吸力作用下，處于初始位置，尿道保持閉合；當(dāng)信號(hào)源輸出高頻電信號(hào)時(shí)，功率放大器將信號(hào)放大，發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，接收線圈通過(guò)磁耦合諧振將磁能轉(zhuǎn)換為電能并傳遞給SMA彈簧，彈簧在電能轉(zhuǎn)換成熱能過(guò)程中，達(dá)到SMA的相變點(diǎn)溫度，產(chǎn)生回復(fù)力，當(dāng)彈簧的回復(fù)力達(dá)到永磁體的磁吸力時(shí)，閥芯移動(dòng)，尿道開(kāi)啟，膀胱內(nèi)尿液從尿道連續(xù)排出；排尿后，信號(hào)源停止工作，SMA彈簧隨溫度下降，驅(qū)動(dòng)力減小，閥芯在永磁體的磁吸力作用下復(fù)位，尿道閉合。病人只要重復(fù)上述過(guò)程，便能達(dá)到自主控制排尿的目的。

該尿道閥具有以下特點(diǎn)：利用SMA彈簧相變回復(fù)力開(kāi)啟尿道，回復(fù)力大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；利用永磁體磁吸力閉合尿道，永磁體磁性持久，閉合力穩(wěn)定，長(zhǎng)期使用可靠；采用磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸供電，可避免體外充電、電池的泄漏或更換困擾等問(wèn)題；尿道不開(kāi)孔不造成肌肉組織感染；尿道閥各元件與尿液不接觸，不引起泌尿系統(tǒng)感染或其他并發(fā)癥；橡膠墊與尿道外壁接觸，不造成器官的機(jī)械損傷；利用尿道內(nèi)壁的閉合實(shí)現(xiàn)密封，符合人體生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2 驅(qū)動(dòng)力模型

根據(jù)尿道閥組成原理，忽略作用于閥芯和永磁體的摩擦力，尿道閥開(kāi)啟時(shí)的閥芯受力平衡方程為

(1)

式中，F(xiàn)d為SMA彈簧回復(fù)力(即閥芯的驅(qū)動(dòng)力)；me為閥芯和永磁體等效質(zhì)量；BP為閥芯和永磁體等效黏性系數(shù)；K為橡膠墊彈性系數(shù)；λ為SMA彈簧行程(即閥芯位移)；Fm為永磁體磁吸力。

根據(jù)尿道的生理結(jié)構(gòu)，磁吸力過(guò)大將損傷尿道，過(guò)小又起不到密閉作用，因此，本研究參考文獻(xiàn)[11]，選取最大磁吸力Fmmax=3.2 N、最小磁吸力Fmmin=0.45 N作為尿道閥的啟閉條件和SMA彈簧的靜態(tài)設(shè)計(jì)依據(jù)。即：Fd>Fmmax時(shí),閥芯移動(dòng)，尿道開(kāi)啟，膀胱開(kāi)始排尿；Fd>Fmmin時(shí),膀胱保持排尿；Fd

SMA彈簧如圖3所示。在SMA本構(gòu)模型建立中，Brinson模型是應(yīng)用最廣的[12]。本文基于Brinson模型，引入剪切彈性模量的計(jì)算公式[13]，建立SMA彈簧的力學(xué)模型。

圖3 SMA彈簧回復(fù)變形示意圖Fig.3 Schematicdiagram of SMA spring recovery deformation

剪切模量G與溫度T之間的關(guān)系式為

(2)

式中，GM為馬氏體狀態(tài)下剪切彈性模量；GA為奧氏體狀態(tài)下剪切彈性模量；TAs為奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度；TAf為奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度；EA為奧氏體狀態(tài)下拉伸彈性模量；EM為馬氏體狀態(tài)下拉伸彈性模量；μ為泊松比。

在加熱過(guò)程中，進(jìn)行奧氏體相變時(shí)剪切彈性模量G可用以下公式近似表示：

(3)

基于Brinson提出的一維本構(gòu)模型，引入塑性力學(xué)中的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變以及剪切彈性模量和楊氏模量的關(guān)系,得

(4)

式中，下標(biāo)0表示初始狀態(tài)；τ為剪應(yīng)力；γ為剪應(yīng)變；ξ為馬氏體的體積分?jǐn)?shù)；γL為最大剪切殘余應(yīng)變；ξS為應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體體積分?jǐn)?shù)；Θ(ξ)為熱彈性模量。

由螺旋彈簧的設(shè)計(jì)理論知[14]：

(5)

式中，F(xiàn)為彈簧所受的力；k為應(yīng)力修正系數(shù)；D1為彈簧中徑；d1為彈簧線徑。

彈簧的形變量與剪切應(yīng)變的關(guān)系為

(6)

式中，n為彈簧匝數(shù)。

聯(lián)立式(4)～式(6)可得到SMA彈簧的力學(xué)模型：

(7)

根據(jù)熱力學(xué)原理，SMA彈簧的電流、溫度和通電時(shí)間關(guān)系為[15]

(8)

式中，I為電流；h為熱傳輸系數(shù)；A為彈簧與環(huán)境接觸面積；m為彈簧質(zhì)量；c為SMA彈簧的熱容量；t為通電時(shí)間。

熱傳輸系數(shù)與SMA彈簧的材料特性、受力、實(shí)驗(yàn)條件等有關(guān)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得時(shí)間進(jìn)而計(jì)算得到熱傳輸系數(shù)。在冷卻過(guò)程中，根據(jù)熱力學(xué)原理，熱傳輸系數(shù)

(9)

式中，Tms為冷卻過(guò)程中相變開(kāi)始溫度；Tmf為冷卻過(guò)程中相變結(jié)束溫度;t為從Tms冷卻到Tmf的時(shí)間。

3 無(wú)線電能傳輸耦合模型

圖4為L(zhǎng)C串聯(lián)諧振電路模型，其中R1為激勵(lì)源內(nèi)阻，RL為負(fù)載電阻(電路匹配電阻和SMA彈簧電阻之和)；L1、L2分別為發(fā)射和接收線圈的等效電感；C1、C2分別為發(fā)射和接收線圈的串聯(lián)電容；R2、R3為線圈損耗(包括趨膚效應(yīng)、渦流損耗等)等效電阻；M為線圈之間的互感。

圖4 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化電路Fig.4 Simplifiedcircuit for wireless energy transmission system

設(shè)流過(guò)發(fā)射和接收線圈的電流分別是I1、I2，方向如圖4所示。若無(wú)線供電系統(tǒng)的角頻率為ω，則兩線圈自阻抗分別為

(10)

(11)

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可列出信號(hào)源電壓US的矩陣方程：

(12)

解得關(guān)系式：

(13)

串聯(lián)諧振耦合時(shí)，電路的阻抗呈現(xiàn)純電阻，阻抗值達(dá)到最小值，線圈中的電流最大，因此傳輸功率最大，效率最高。

高頻下的線圈損耗主要包括發(fā)熱損耗電阻R0和輻射損耗電阻Rr[16]:

(14)

(15)

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率；d2為導(dǎo)線直徑；D2為線圈直徑；N為線圈匝數(shù)；σ為電導(dǎo)率；l為導(dǎo)線長(zhǎng)度；ε0為空氣介電常數(shù)；h1為線圈寬度；c1為光速。

當(dāng)調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率范圍為2.5～30 MHz時(shí)，有Rr≤R0[16]，即可忽略輻射損耗，即R2=R3≈R0。中等距離的諧振耦合時(shí)，兩線圈參數(shù)一致，以保證具有相同的自諧振頻率，有L1=L2，C1=C2，發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)保持對(duì)稱，所以有ZS=R1+R0，ZL=RL+R0。它們的互感M計(jì)算公式為[17]

(16)

聯(lián)立式(7)～式(9)和式(13)～式(16)，可建立尿道閥的驅(qū)動(dòng)力數(shù)學(xué)模型?？梢钥闯觯绊戲?qū)動(dòng)力的因素主要有SMA彈簧線徑、中徑和匝數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及信號(hào)源電壓的幅值、頻率等控制參數(shù)和線圈直徑、線徑、匝數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 尿道閥驅(qū)動(dòng)特性研究

為了研究尿道閥的驅(qū)動(dòng)特性，本文利用上述理論模型和搭建的尿道閥模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。如圖5所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、初級(jí)和輸出級(jí)功率放大器、電磁發(fā)射和接收線圈、尿道閥、示波器、數(shù)字功率計(jì)、模擬膀胱、壓力傳感器、測(cè)力計(jì)、模擬尿道、量杯、流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。根據(jù)文獻(xiàn)[18]中SMA彈簧元件的設(shè)計(jì)方法，對(duì)本研究中驅(qū)動(dòng)元件SMA彈簧進(jìn)行了計(jì)算設(shè)計(jì)，并由沈陽(yáng)天賀新材料開(kāi)發(fā)有限公司定制完成。主要儀器參數(shù)如表1所示。

1.信號(hào)發(fā)生器 2.功率放大器 3.發(fā)射、接收線圈 4.尿道閥 5.示波器 6.數(shù)字功率計(jì) 7.模擬膀胱 8.壓力傳感器 9.測(cè)力計(jì) 10.模擬尿道 11.量杯 12.計(jì)算機(jī)圖5 尿道閥模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.5 Urethralvalve simulation experiment system

表1 主要儀器參數(shù)

電磁發(fā)射、接收線圈由參數(shù)相同的銅線繞制而成，均串聯(lián)相同的電容構(gòu)成LC串聯(lián)諧振電路。輸出級(jí)功率放大器的輸出端采用變壓器進(jìn)行匹配負(fù)載。依據(jù)SMA彈簧的供電要求和輸出級(jí)功放的輸出范圍，變壓器采用2∶5的匝數(shù)比使輸出阻抗為20 Ω，匹配負(fù)載由兩個(gè)50 Ω高頻電阻并聯(lián)組成。

本研究中，尿道閥的驅(qū)動(dòng)特性是指開(kāi)啟尿道閥的能力，啟閉特性是指按啟閉條件開(kāi)啟和閉合的性能。本文以驅(qū)動(dòng)力及其變化率和泄漏量分別作為評(píng)價(jià)尿道閥驅(qū)動(dòng)特性和啟閉特性的指標(biāo)。在調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)時(shí)，為使傳輸效率最大，兩線圈參數(shù)始終保持一致。

4.1 彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響

依據(jù)建立的尿道閥驅(qū)動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，本文仿真分析了彈簧中徑D1、線徑d1和匝數(shù)n對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響規(guī)律。仿真參數(shù)[19]如表2所示。

表2 仿真計(jì)算參數(shù)Tab.2 Simulation Parameters

圖6為不同SMA彈簧線徑下驅(qū)動(dòng)力隨溫度變化的仿真曲線。仿真時(shí)，d1分別取0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm?？梢钥闯觯候?qū)動(dòng)力達(dá)到Fmmax(Fmmax=3.2 N)時(shí)，所需溫度分別為47 ℃、44.5 ℃、43 ℃。增大彈簧線徑，可增大驅(qū)動(dòng)力，縮短尿道閥開(kāi)啟的時(shí)間。

圖6 彈簧線徑對(duì)驅(qū)動(dòng)力影響的仿真曲線Fig.6 Simulation curve of the effect of the spring wire diameter on driving force

圖7為不同SMA彈簧中徑下驅(qū)動(dòng)力隨溫度變化的仿真曲線。仿真時(shí)，D1分別取3 mm、4 mm、5 mm?？梢钥闯觯候?qū)動(dòng)力達(dá)到Fmmax時(shí)，所需溫度分別為36 ℃、43 ℃、47 ℃。減小彈簧中徑，可增大驅(qū)動(dòng)力，縮短尿道閥開(kāi)啟的時(shí)間。

圖7 彈簧中徑對(duì)驅(qū)動(dòng)力影響的仿真曲線Fig.7 Simulation curve of the effect of the spring pitch diameter on driving force

圖8為不同SMA彈簧匝數(shù)下驅(qū)動(dòng)力隨溫度變化的仿真曲線。仿真時(shí)，n分別取6、7、8?？梢钥闯觯候?qū)動(dòng)力達(dá)到Fmmax時(shí)，匝數(shù)6和7所需溫度分別為44.5 ℃和47 ℃，而n=8時(shí)在溫度范圍內(nèi)無(wú)法達(dá)到Fmmax。減少?gòu)椈稍褦?shù)，可增大驅(qū)動(dòng)力，縮短尿道閥開(kāi)啟的時(shí)間。

圖8 彈簧匝數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)力影響的仿真曲線Fig.8 Simulation curve of the effect of the number of spring turns on driving force

4.2 控制參數(shù)對(duì)尿道閥驅(qū)動(dòng)特性的影響

根據(jù)上述仿真分析，本文選取D1=5 mm、d1=0.8 mm和n=7的彈簧作為研究對(duì)象，對(duì)無(wú)線供電系統(tǒng)的控制參數(shù)和線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)尿道閥的驅(qū)動(dòng)特性影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖9為不同信號(hào)源頻率下，驅(qū)動(dòng)力隨通電時(shí)間變化的仿真和實(shí)驗(yàn)曲線。實(shí)驗(yàn)條件為：D2=80 mm，d2=0.8 mm，N=10，C2=39 pF，f=1/ω,L=3 cm，信號(hào)源電壓峰-峰值VP-P=30 V，線圈自諧振頻率為6.81 MHz?？梢钥闯?，當(dāng)信號(hào)源頻率接近線圈自諧振頻率時(shí)，兩線圈產(chǎn)生諧振，驅(qū)動(dòng)力迅速增大，尿道閥響應(yīng)快。

1.f=5 MHz仿真曲線 2.f=5 MHz實(shí)驗(yàn)曲線 3.f=7 MHz仿真曲線 4.f=7 MHz實(shí)驗(yàn)曲線圖9 信號(hào)源頻率對(duì)驅(qū)動(dòng)力影響仿真和實(shí)驗(yàn)曲線Fig.9 Simulation andexperimental curve of the effect of the frequency of signal source on driving force

圖10為不同信號(hào)源電壓峰-峰值VP-P下，驅(qū)動(dòng)力隨通電時(shí)間變化的仿真和實(shí)驗(yàn)曲線。實(shí)驗(yàn)條件為：D2=100 mm，d2=1 mm，N=10，C2=51 pF，L=3 cm，信號(hào)源頻率為線圈自諧振頻率5.32 MHz?？梢钥闯觯龃笮盘?hào)源電壓，可迅速增大驅(qū)動(dòng)力，縮短尿道閥開(kāi)啟時(shí)間。

1.VP-P=20 V仿真曲線 2.VP-P=20 V實(shí)驗(yàn)曲線 3.VP-P=30 V仿真曲線 4.VP-P=30 V實(shí)驗(yàn)曲線圖10 信號(hào)源電壓峰-峰值對(duì)驅(qū)動(dòng)力影響仿真和實(shí)驗(yàn)曲線Fig.10 Simulation and experimental curve of the effect of the peak-peak of signal source on driving force

4.3 線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)尿道閥驅(qū)動(dòng)特性的影響

1.D2=80 mm仿真曲線 2.D2=80 mm實(shí)驗(yàn)曲線 3.D2=100 mm仿真曲線 4.D2=100 mm實(shí)驗(yàn)曲線圖11 線圈直徑對(duì)驅(qū)動(dòng)力影響仿真和實(shí)驗(yàn)曲線Fig.11 Simulation and experimental curve of the effect of the coil diameter on driving force

圖11為不同線圈直徑下，驅(qū)動(dòng)力隨通電時(shí)間變化的仿真和實(shí)驗(yàn)曲線。實(shí)驗(yàn)條件為：D2=80,100 mm，d2=0.8 mm，N=10，C2=51 pF，L=3 cm，VP-P=30 V?？梢钥闯觯€圈直徑越大，驅(qū)動(dòng)力增大越快，尿道閥響應(yīng)越快。

圖12為不同線徑下，驅(qū)動(dòng)力隨通電時(shí)間變化的仿真和實(shí)驗(yàn)曲線。實(shí)驗(yàn)條件為：d2=0.8,1.0 mm，D2=80 mm，N=10，C2=51 pF，L=3 cm，VP-P=30 V?？梢钥闯?，線圈線徑越大，驅(qū)動(dòng)力增大越快，尿道閥響應(yīng)越快。

1.d2=0.8 mm仿真曲線 2.d2=0.8 mm實(shí)驗(yàn)曲線 3.d2=1.0 mm仿真曲線 4.d2=1.0 mm實(shí)驗(yàn)曲線圖12 線徑對(duì)驅(qū)動(dòng)力影響仿真和實(shí)驗(yàn)曲線Fig.12 Simulation and experimental curve of the effect of the coil wire diameter on driving force

圖13為不同匝數(shù)下，驅(qū)動(dòng)力隨通電時(shí)間變化的仿真和實(shí)驗(yàn)曲線。實(shí)驗(yàn)條件為：N=6,10，D2=80 mm，d2=0.8 mm，C2=51 pF，L=3 cm，VP-P=30 V?？梢钥闯?，線圈匝數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)力增大越快，尿道閥響應(yīng)越快。

1.N=6仿真曲線 2.N=6實(shí)驗(yàn)曲線 3.N=10仿真曲線 4.N=10實(shí)驗(yàn)曲線圖13 匝數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)力影響仿真和實(shí)驗(yàn)曲線Fig.13 Simulation and experimental curve of the effect of the number of coil turns on driving force

圖14 驅(qū)動(dòng)力與磁吸力對(duì)比曲線Fig.14 Comparisoncurve of driving force and magnetic attraction

4.4 尿道閥啟閉特性

圖14為閥芯的驅(qū)動(dòng)力和磁吸力與閥芯位移關(guān)系曲線，磁吸力根據(jù)文獻(xiàn)[11]計(jì)算得出?？梢钥闯觯候?qū)動(dòng)力隨位移增大而增大，而磁吸力隨位移增大而變小，但二者差值隨位移增大而增大，表明SMA彈簧能使尿道開(kāi)啟。

圖15為尿道閥的啟閉特性實(shí)驗(yàn)曲線。實(shí)驗(yàn)條件為：D2=80 mm，d2=0.8 mm，N=10，C2=51 pF，L=3 cm，VP-P=30 V，信號(hào)源頻率為線圈自諧振頻率5.96 MHz。在此條件下，接收線圈電流能達(dá)到1.75 A，發(fā)射線圈上的電流為3.5 A，線圈之間傳輸效率為50%?？梢钥闯?，電路接通后，負(fù)載電路接收電能并迅速產(chǎn)生熱能，SMA彈簧變形驅(qū)動(dòng)力增大，但由于驅(qū)動(dòng)力小于Fmmax，尿道閥始終保持閉合狀態(tài)，尿流率ηv為0；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力達(dá)到Fmmax時(shí)，尿道閥開(kāi)啟尿道，尿流率ηv迅速達(dá)到最大值，尿液連續(xù)排出，直至尿流率ηv降為0。電路斷開(kāi)后，SMA彈簧溫度逐漸下降，驅(qū)動(dòng)力也隨之減小。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力小于Fmmin時(shí)，再次向模擬膀胱注入500 mL水，檢測(cè)尿流率保持為0，泄漏量為0。實(shí)驗(yàn)表明，該尿道閥能按啟閉條件開(kāi)啟和閉合尿道。

(a)電路工作狀態(tài)

(b)驅(qū)動(dòng)力隨通電時(shí)間變化曲線

(c)模擬膀胱容量隨通電時(shí)間變化曲線

(d)尿流率隨通電時(shí)間變化曲線圖15 尿道閥的啟閉特性實(shí)驗(yàn)曲線Fig.15 Experimental curve of opening/closing performance

5 結(jié)論

(1)增大彈簧線徑，減小中徑和匝數(shù)均可提高驅(qū)動(dòng)特性。

(2)當(dāng)信號(hào)源頻率與線圈自諧振頻率接近時(shí)，可獲得較好的驅(qū)動(dòng)效果；增大信號(hào)源電壓、線圈直徑、線圈線徑和增加線圈匝數(shù)，均能提高尿道閥的驅(qū)動(dòng)特性。

(3)尿道閥的啟閉特性良好。尿道閥原理可行，數(shù)學(xué)模型有效，可為尿道閥的特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。進(jìn)一步將對(duì)尿道閥的工作可靠性展開(kāi)研究。

[1] 馮寧翰. 百科名醫(yī)疾病詞條: 尿失禁[EB/OL].[2016-09-18] http://www. baikemy. com/disease/detail/5539/1. FENG Ninghan. Baikemy Disease Entry: Urinary Incontinence[EB/OL].http://www.baikemy.com/disease/detail/5539/1.

[2] 國(guó)際尿控學(xué)會(huì). 國(guó)際尿控學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化指南[M]. 關(guān)志忱, 譯. 北京: 人民衛(wèi)生出版社,2011:2-23. International Continence Society. International Continence Society Standardization Guideline[M]. GUAN Zhichen, trans. Beijing: People’s Medical Publishing House,2011:2-23.

[3] AHMED S, MARCUS J D, HASHIM. The Medical Management of Urinary Incontinence[J]. Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical,2010,152(1/2):4-10.

[4] CHONAN S, JIANG Z W, TANAKA M, et al. Development of an Artificial Urethral Valve Using SMA Actuators[J]. Smart Materials and Structures,1997,6(4):410-414.

[5] CHONAN S, JIANG Z W, TANAKA M, et al. Artificial Urethral Valve Using SMA Actuators (Verification of Opening/Closing Functions and Thermometall Urgicalmechanical Model of SMA Actuators)[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics,1999,10(1):45-62.

[6] TANAKA M, HIRANO K, GOTO H, et al. Artificial SMA Valve for Treatment of Urinary Incontinence: Upgrading of Valve and Introduction of Transcutaneous Transformer[J]. Biomedical Materials and Engineering,1999,9(2):97-112.

[7] TANAKA M, GOTO H, NAMIMA T, et al. Development of Artificial Urethra Valve with Transcutaneous Energy Transformer[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics,2000,12(1/2):79-85.

[8] TANAKA M, ABE K, WANG F, et al. Artificial Urethra Valve Driven by SMA Actuators with Transcutaneous Energy Transmission System[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics,2003,18(1/3):23-30.

[9] 柳春寶, 李笑, 關(guān)婷. 膀胱動(dòng)力泵尿道閥的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2012,23(17):2084-2087. LIU Chunbao, LI Xiao, GUAN Ting. Design and Experimental Research for Urethra Valve of Bladder Power Pump [J]. China Mechanical Engineering,2012,23(17):2084-2087.

[10] 周懷洲. 超聲汽化蒸汽驅(qū)動(dòng)的排尿助力系統(tǒng)建模與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學(xué),2013. ZHOU Huaizhou. Modeling and Experimental Research of Urination Assist System Driven by Ultrasonicvaporized Steam[D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology,2013.

[11] 胡振, 李笑, 關(guān)婷. 超聲汽化蒸汽驅(qū)動(dòng)的尿道閥的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2015,26(13):1789-1793. HU Zhen, LI Xiao, GUAN Ting. Simulation and Experiments for Urethral Valve Driven by Ultrasonicvaporized Steam[J]. China Mechanical Eng-ineering,2015,26(13):1789-1793.

[12] 舟久保熙康.形狀記憶合金[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992:1-93. HIROYASU F. Shape Memory Alloys[M]. Beijing: China Machine Press,1992:1-93.

[13] 劉愛(ài)榮, 潘亦蘇, 周本寬. 形狀記憶合金彈簧變形分析及其在振動(dòng)控制中的應(yīng)用[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,35(6):80-85. LIU Airong, PAN Yisu, ZHOU Benkuan. Deformation Analysis of SMA Springs and Its Application to Vibration Control[J]. Journal of Southwest Jiaotong University,2000,35(6):80-85.

[14] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本: 彈簧[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004. CHENG Daxian. Mechanical Design Manual: Spring[M]. Beijing: Chemical Industry Publisher,2004.

[15] LEUVEN K U. Design Aspects of Shape Memory Actuators[J]. Mechatronics,1998,8:635-656.

[17] GROVER F W. Inductance Calculations[M]. New York: Courier Dover Publication,2004:88-93.

[18] 徐根應(yīng), 汪明樸. 形狀記憶合金彈簧元件的設(shè)計(jì)方法[J]. 機(jī)械工程材料,1997(4):49-51. XU Genying, WANG Mingpu. Design Method for Shape Memory Spring[J]. Materials for Mechanical Engineering,1997(4):49-51.

[19] 劉玉璽. 形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析[D]. 重慶: 重慶理工大學(xué),2011. LIU Yuxi. Experimental Analysis and Design of Shape Memory Alloy Actuator[D]. Chongqing: Chongqing University of Technology,2011.

(編輯袁興玲)

ResearchonDrivingPerformancesofUrethraValveDrivenbySMABasedonWirelessPowerSupply

ZHANG Ran1LI Xiao1CAO Rui1GUAN Ting2

1.School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 5100062.Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command,Guangzhou,510010

TH137；R318.6

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.19.003

2016-09-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50775040)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017A030313265)

張燃，男，1992年生。廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。研究方向?yàn)闄C(jī)電液智能控制與應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)器械。李笑，男，1962年生。廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。曹睿，男，1994年生。廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。關(guān)婷，女，1962年生。廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院主任醫(yī)師。