電磁驅(qū)動(dòng)式無(wú)針注射器設(shè)計(jì)及力學(xué)和運(yùn)動(dòng)仿真

陳添禹 王明娣 陳 潔

1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘇州,2150212.蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,蘇州,215104

0 引言

隨著一次性注射裝置弊端的日益顯露(如容易引起疼痛恐懼感、皮膚硬結(jié)、針頭傷害、環(huán)境污染等)[1]，人們對(duì)于無(wú)針注射器的渴求隨著時(shí)代的發(fā)展日益增強(qiáng)。目前國(guó)內(nèi)外使用最為普遍的是機(jī)械式和氣動(dòng)式無(wú)針注射器[2]。這兩種注射器實(shí)現(xiàn)了注射過(guò)程的無(wú)針化，符合綠色發(fā)展的要求，是一種可持續(xù)使用、環(huán)保的注射裝置。但是不管是機(jī)械式還是氣動(dòng)式無(wú)針注射器，在使用時(shí)都存在注射動(dòng)力不可控的問(wèn)題[3]。如機(jī)械式無(wú)針注射器隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)彈簧會(huì)失效，這會(huì)影響無(wú)針注射器的注射力大小；氣動(dòng)式無(wú)針注射器一般需要密封結(jié)構(gòu)，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)裝置的密封性能會(huì)下降，注射力不穩(wěn)定(一般誤差在15%左右)[4]。氣動(dòng)無(wú)針注射器所需的空氣壓縮機(jī)裝置體積很大，不利于無(wú)針注射器的攜帶和推廣。

國(guó)外對(duì)于無(wú)針注射的研究開(kāi)始較早，早在20世紀(jì)90年代，ZSIGMOND等[5]關(guān)注了注射藥物對(duì)人體產(chǎn)生的疼痛感。WILLIAMS等[6]著眼于藥物注射人體后的效果。SCHRAMM等[7]使用人體皮膚模型和豬皮模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)藥液噴射速度越大時(shí)藥液對(duì)皮膚模型的滲透率越好的結(jié)論。SCHRAMM-BAXTER等[8]通過(guò)噴射注射仿人體皮膚材料凝膠實(shí)驗(yàn),將注射進(jìn)程分為三個(gè)階段，并研究了穿刺深度以及分散寬度與實(shí)驗(yàn)材料楊氏模量之間的關(guān)系。SHERGOLD等[9]對(duì)人體皮膚和橡膠進(jìn)行了壓力實(shí)驗(yàn)。

一些學(xué)者研究了射流速度和功率對(duì)注射深度等的影響。SCHRAMM-BAXTER等[10]研究了噴射功率與射流穿透深度和擴(kuò)散寬度的關(guān)系，研究表明注射完全度(進(jìn)入體內(nèi)的藥液占全部藥液的百分比)取決于噴孔的直徑和噴射速度，噴射速度和噴孔直徑在一定范圍內(nèi)，注射完全度可達(dá)90%以上。

相較國(guó)外無(wú)針注射器的研究，國(guó)內(nèi)無(wú)針注射器研究不僅起步晚，而且技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，市場(chǎng)上已有的產(chǎn)品大多是彈簧式或高壓氣體式，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品市場(chǎng)份額占有比低。目前對(duì)電磁式無(wú)針注射器的研究也大多集中在音圈電機(jī)式這種比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)上，其他形式的無(wú)針注射器大多還處于研發(fā)階段，所以盡早研究出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)針注射器具有積極意義。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)無(wú)針注射器的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種新型的蓄能式電磁無(wú)針注射器并建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真分析。

1 電磁式無(wú)針注射器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電磁式無(wú)針注射器結(jié)構(gòu)

電磁式無(wú)針注射器結(jié)構(gòu)如圖1所示。在未通電之前，后蓋處的永磁鐵吸附著鐵芯，達(dá)到蓄能的目的；通電后，通過(guò)控制通電線圈中的電流大小來(lái)控制動(dòng)力部分所產(chǎn)生力的大小，以達(dá)到推動(dòng)安瓿藥液完成注射的目的。

1.后蓋 2.鐵芯 3.卡盤(pán) 4.點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān) 5.外殼 6.線圈 7.前端蓋 8.安瓿圖1 電磁式無(wú)針注射器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the electromagnetic needleless syringe

1.2 工作原理

動(dòng)力部分簡(jiǎn)化模型如圖2所示。根據(jù)物體磁化原理，給線圈加以電壓，將產(chǎn)生一定的電流，通電線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。在線圈中的鐵芯，由于磁場(chǎng)的存在，將會(huì)被磁化。無(wú)論鐵芯放在線圈的哪一端，鐵芯都會(huì)受到一個(gè)拉力作用。當(dāng)給線圈通上固定大小的電流時(shí)，在拉力作用下，鐵芯產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，它在某一固定截面內(nèi)的磁力線密度在不同位置是不一樣的。某一位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，在這個(gè)截面內(nèi)的磁力線密度就越大，鐵芯受到的力也就越大。由于鐵芯的兩端在線圈中處于不同的位置，使得鐵芯某一端的磁力線密度比較大，所以?xún)啥说氖芰η闆r會(huì)不同，這樣便會(huì)引起鐵芯的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鐵芯由圖2中的A處運(yùn)動(dòng)到B處時(shí)，鐵芯的中點(diǎn)與線圈的中點(diǎn)重合，這時(shí)兩端的磁力線密度相等，鐵芯不會(huì)受力。

圖2 動(dòng)力部分簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of the power section

2 電磁式無(wú)針注射器的數(shù)學(xué)模型

2.1 動(dòng)力部分的數(shù)學(xué)模型[11]

如圖2所示，在電磁式無(wú)針注射器的整個(gè)注射過(guò)程中，其能量變化為電能通過(guò)線圈作用轉(zhuǎn)化為磁能，受磁能作用的鐵芯運(yùn)動(dòng)，將磁能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

在電磁式無(wú)針注射裝置中，線圈是無(wú)針注射器的主要部件,根據(jù)上述假設(shè)，認(rèn)為線圈的每一個(gè)截面處電流密度相同，所以可以假設(shè)通電導(dǎo)線是均勻繞在螺線管上的。根據(jù)磁路原理，可以得到鐵芯在線圈中所受電磁力隨位置變化的大?。?/p>

(1)

式中，Ψ(x,i)為磁通鏈即磁路磁通量Φ和線圈匝數(shù)N的乘積；Wm為磁能；x為鐵芯在線圈中的位移;i為線圈中電流大小。

因?yàn)樵陔姶攀綗o(wú)針注射裝置中，所選用的電流恒定,所以鐵芯所受的電磁力僅隨著鐵芯位置的變化而變化。

2.2 安瓿的數(shù)學(xué)模型[12-16]

安瓿裝置如圖3所示。在電磁式無(wú)針注射裝置注射過(guò)程中，假定藥液的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，根據(jù)Baker和Sanders建立的微噴射物理模型[12-16]推導(dǎo)出相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算公式，得出射流特性隨微型噴射孔直徑、安瓿直徑等相關(guān)參數(shù)的變化情況:

(2)

(3)

式中，xp為安瓿桿位移距離；Ap為安瓿的橫截面面積；A0為安瓿前端的微孔面積；L為初始時(shí)安瓿中液流的長(zhǎng)度；p為安瓿內(nèi)的壓力；E為液體彈性模量；mp為鐵芯與安瓿活塞的總質(zhì)量；Ff為安瓿內(nèi)部摩擦阻力。

圖3 安瓿裝置Fig.3 Ampoul apparatus

3 仿真分析

3.1 動(dòng)力部分的設(shè)計(jì)與仿真分析

根據(jù)上述內(nèi)容，在Ansoft的Maxwell中建立模型，設(shè)定線圈長(zhǎng)度為60 mm，鐵芯長(zhǎng)度為60 mm，但鐵芯起始位置為-30 mm，由于安瓿尾部多出長(zhǎng)度，所以鐵芯運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為25 mm。假定安瓿內(nèi)液流長(zhǎng)度為15 mm，所以空行程長(zhǎng)度為10 mm。圖4所示為無(wú)針注射器的動(dòng)力部分即鐵芯與線圈在Maxwell中的物理模型及通電后其磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度。

運(yùn)行Maxwell的求解器，結(jié)果如圖5所示。

由Maxwell所得結(jié)果，得到安瓿活塞桿所受的推力,如圖6所示。

綜合上述仿真分析可知：在模型中，鐵芯中心只在到達(dá)線圈中心之前運(yùn)動(dòng)，并且在鐵芯過(guò)中點(diǎn)之后所受的力為反向力。鐵芯在線圈中一直受到一個(gè)方向恒定但大小在一直減小的力，且其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，加速度不斷減小，速度不斷增大，在將要到達(dá)中點(diǎn)時(shí)，獲得最大速度和能量。當(dāng)選用電流與線圈匝數(shù)乘積為15 000的線圈時(shí)，鐵芯對(duì)活塞桿的推動(dòng)力(鐵芯對(duì)安瓿活塞桿的推動(dòng)時(shí)間很短)取近似130 N。

(a)磁場(chǎng)強(qiáng)度H

(b)磁通密度B圖4 磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度Fig.4 Magnetic field intensity and magnetic field density

圖5 鐵芯受力圖Fig.5 Core force diagram

圖6 活塞桿受力曲線Fig.6 Curve of piston power

3.2 安瓿射流的仿真

根據(jù)式(2)、式(3)，在給定系統(tǒng)參數(shù)的情況下，可以仿真求得藥液沖擊壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系。無(wú)針注射器的基本數(shù)據(jù)如表1所示。本文采用MATLAB ode45算法功能進(jìn)行仿真計(jì)算[16-17]。安瓿噴射射流的滯止壓變化曲線如圖7所示。

綜合上述仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)電磁式無(wú)針注射器的滯止壓力具有較好的穩(wěn)定性。

表1 無(wú)針注射器的基本數(shù)據(jù)Tab.1 The basic data of the needles-free syringe

圖7 射流滯止壓變化曲線Fig.7 Curve of jet stagnation

本文采用ANSYS對(duì)安瓿射流進(jìn)行分析。在圖3模型中，設(shè)安瓿長(zhǎng)46.3 mm，直徑為3.36 mm，出口小孔長(zhǎng)2.5 mm。在SolidWorks中建模后導(dǎo)入ANSYS中。獲得安瓿中心線上的總壓，如圖8所示。

圖8 安瓿中心線、縱向截面總壓Fig.8 The total pressure at ampoule centerlines, a longitudinal cross section

從圖8中可以看出：在安瓿桿推力為130 N時(shí)，腔體內(nèi)的壓力可以達(dá)到14.5 MPa。在圖7中，由MATLAB進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后，曲線收斂至13 MPa。這兩個(gè)數(shù)據(jù)基本吻合。

繼續(xù)運(yùn)用ANSYS求解,可以得到安瓿內(nèi)流體在電磁力作用下的速度，如圖9所示。

圖9 安瓿速度矢量圖Fig.9 Ampoule velocity vector

在安瓿腔體內(nèi)，由于安瓿桿推力的作用，使得藥液速度穩(wěn)步增大;在臨近噴口處，由于橫截面發(fā)生變化，射流速度也急劇增大。由圖9可知，在130 N推力作用下，噴口射流速度峰值可達(dá)123.6 m/s。由文獻(xiàn)[18]可知，當(dāng)安瓿的射流速度大于110 m/s時(shí)，便可以刺穿皮膚，到達(dá)皮下組織，完成注射的要求。由此可知，本文提出的蓄能式電磁無(wú)針注射器可以滿足注射的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型的蓄能式電磁無(wú)針注射器，并進(jìn)行模型建立和仿真分析，說(shuō)明了電磁驅(qū)動(dòng)式無(wú)針注射器的工作原理和數(shù)學(xué)模型，針對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，運(yùn)用簡(jiǎn)單的線圈、鐵芯作為動(dòng)力源，確定了其體積減小的理論可能性，有助于無(wú)針注射器的進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)式無(wú)針注射器進(jìn)行了仿真分析與計(jì)算，結(jié)果證明本文的電磁式無(wú)針注射器具有強(qiáng)大的推動(dòng)力和簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于電磁無(wú)針注射器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和國(guó)產(chǎn)化具有積極的意義。

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