手術(shù)床的二級(jí)提升設(shè)計(jì)

楊旗 薛強(qiáng)

(沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110000)

當(dāng)前手術(shù)床設(shè)計(jì)在智能化方面創(chuàng)新較多，往往忽略了機(jī)械結(jié)構(gòu)上的新思維。智能化方向主要為PLC，控制電路設(shè)計(jì)新穎，以及部分故障檢測(cè)及時(shí)反饋設(shè)計(jì)，但結(jié)構(gòu)方面比較普通，多采用液壓和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提升裝置多是一階提升，行程較大，易出現(xiàn)應(yīng)力集中及不穩(wěn)定的問(wèn)題。若行程過(guò)大，在極限行程使用時(shí)油缸內(nèi)的油會(huì)對(duì)活塞和導(dǎo)向套密封件形成回流背壓狀態(tài)沖擊，若是限位不精準(zhǔn)還容易造成碰撞損傷。為此，設(shè)計(jì)一種手術(shù)床的二級(jí)提升裝置，減小單個(gè)液壓缸提升行程，對(duì)手術(shù)增添穩(wěn)定性和可靠性。

1 二級(jí)提升的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用二級(jí)提升裝置，以液壓缸為動(dòng)力源。采用兩個(gè)液壓缸為動(dòng)力源的二級(jí)提升裝置，各支撐板間通過(guò)導(dǎo)軌滑塊進(jìn)行連接，大大減少液壓缸的行程，可使手術(shù)床提升范圍相對(duì)一階提升手術(shù)床增加200～300mm，對(duì)于提升過(guò)大的手術(shù)體位，通過(guò)一級(jí)提升帶動(dòng)二級(jí)液壓缸同步運(yùn)動(dòng)，之后再通過(guò)二級(jí)液壓缸進(jìn)行二階段提升，比較穩(wěn)定，定位更精確，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為緊湊。由于手術(shù)床為反復(fù)常用設(shè)備，二級(jí)提升能夠增加單個(gè)液壓缸的使用壽命，比一級(jí)提升更實(shí)用。因此在設(shè)計(jì)當(dāng)中，考慮手術(shù)床需要更精確的位置以及高頻率的使用，一階提升在高頻使用條件下和高行程的條件下，易出現(xiàn)使用壽命低的不足和位置不精確等問(wèn)題。因此，選用二階提升來(lái)彌補(bǔ)這些不足問(wèn)題，降低行程，提高精度和使用壽命。其設(shè)計(jì)如圖1 所示。

二級(jí)提升工作原理為：通過(guò)液壓缸2 帶動(dòng)提升板4 和液壓缸1 同步運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)范圍為0～300mm，如需要更大行程，則液壓缸1 可后續(xù)帶動(dòng)提升板5 運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)提升。各提升板和支撐板間通過(guò)滑塊導(dǎo)軌連接，實(shí)現(xiàn)各個(gè)提升運(yùn)動(dòng)。

圖1 二級(jí)提升裝置（1、2 液壓缸，3、4、5 支撐板）

圖中二級(jí)提升大體結(jié)構(gòu)為液壓缸（1 和2），支撐板（3、4 和5）。若為一級(jí)提升其結(jié)構(gòu)為液壓缸2，支撐板（3 和4）即可，其中一級(jí)提升需要液壓缸更大的行程，且對(duì)于手術(shù)床的床體的支撐重心在支撐板4 上，結(jié)構(gòu)單一。而二級(jí)提升中增加了1和5 裝置，在提升過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生重心的偏移，使得重心位置由支撐板4 上部轉(zhuǎn)移到支撐板5 的下部，其重心位置比一級(jí)提升的重心位置低很多，由重心越低越穩(wěn)定可得出，二級(jí)提升比一級(jí)提升更穩(wěn)定。而且由圖可以看出，結(jié)構(gòu)1、5 和4 能構(gòu)成三角形狀，也能得出結(jié)構(gòu)比一級(jí)提升更穩(wěn)定?？紤]到手術(shù)床在手術(shù)過(guò)程當(dāng)中的精確性和穩(wěn)定性，以及患者在手術(shù)中的移動(dòng)、震動(dòng)等因素，手術(shù)床體越穩(wěn)定越能保證手術(shù)的成功，因此二級(jí)提升具有一定的優(yōu)越性和合理性。在設(shè)計(jì)當(dāng)中還要考慮到防污染等因素，對(duì)于導(dǎo)軌滑塊的潤(rùn)滑可考慮脂潤(rùn)滑或者在潤(rùn)滑面貼上一層塑料，用來(lái)防止手術(shù)中油污等污染因素。在手術(shù)過(guò)程中患者往往會(huì)因?yàn)楦鞣N因素而產(chǎn)生便失禁等正常生理反應(yīng)，因此在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中可以發(fā)現(xiàn)，二級(jí)提升比一級(jí)提升空出更多的有效利用位置（比如支撐板4 上部和支撐板5 的下部），不需要設(shè)計(jì)更多的有效利用位置，可以設(shè)計(jì)滑道等有效設(shè)施來(lái)處理尿袋排泄物收集裝置，方便手術(shù)的進(jìn)行，具有一定的可利用性。

支撐板3 的設(shè)計(jì)：支撐板3 起主要支撐作用，為了滿(mǎn)足支撐板子使用要求，防止斷裂，應(yīng)該支撐板3 中加入筋板1 來(lái)提升強(qiáng)度，并利用導(dǎo)軌滑塊與支撐板4 進(jìn)行連接，板子上設(shè)計(jì)圓形孔用來(lái)固定導(dǎo)軌和連接滑塊，材料選用45 鋼，其設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 支撐板3(1 筋板，2 支撐板面)

支撐板4 的設(shè)計(jì):用來(lái)實(shí)現(xiàn)一級(jí)提升，并用來(lái)固定二級(jí)提升動(dòng)力源，與支撐板3 和支撐板4 通過(guò)導(dǎo)軌滑塊進(jìn)行連接，其導(dǎo)軌軌道上方的槽設(shè)計(jì)為了便于導(dǎo)軌安裝，由于平板的抗拉壓強(qiáng)度過(guò)低，在設(shè)計(jì)中引入三角架等結(jié)構(gòu)，材料選用45 鋼，其設(shè)計(jì)圖3 如下。

圖3 支撐板4

2 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 液壓回路設(shè)計(jì)

液壓回路設(shè)計(jì)如圖4，通過(guò)兩個(gè)液壓缸1 和3來(lái)控制手術(shù)床的上升和下降，1 缸用于一階段的手術(shù)床提升下降，其用于普通手術(shù)體位；3 缸用于二階段的手術(shù)床提升下降，其用于行程過(guò)高的手術(shù)體位。兩個(gè)液壓缸都選用三位六通換向閥（2 和4），并安裝平衡閥（5 和6），平衡閥由單向閥和順序閥組成，平衡閥使系統(tǒng)形成平衡回路，防止液壓系統(tǒng)由于自重或受力過(guò)大而超速下降，或者用于平衡負(fù)載。（例如：平衡位置時(shí)腔內(nèi)上下壓力差不會(huì)過(guò)大，當(dāng)人上去后，上腔壓力大于下腔壓力，若此時(shí)需要液壓缸下降，會(huì)出現(xiàn)超速下降狀態(tài)，添加平衡閥后由于順序閥背壓作用，會(huì)實(shí)現(xiàn)緩沖作用）。

其工作原理為，由圖中可以看出液壓缸3 當(dāng)YA1 通電時(shí)，YA2 斷電，換向閥左位連通，在液壓泵的作用下液壓油通過(guò)左位進(jìn)入液壓缸上腔，液壓缸下腔油液通過(guò)平衡閥和換向閥左位回到油箱，實(shí)現(xiàn)液壓缸的下降運(yùn)動(dòng)即回程運(yùn)動(dòng)；當(dāng)圖中YA2 通電，而YA1 斷電，換向閥右位連通，在液壓泵的作用下液壓油通過(guò)換向閥右位和平衡閥中單向閥進(jìn)入液壓缸下腔，液壓缸上腔油液通過(guò)油管和換向閥右位回到油箱中，實(shí)現(xiàn)液壓缸的上升運(yùn)動(dòng)即提升運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)YA1 和YA2 同時(shí)斷電時(shí)，電磁換向閥位于中間位置，液壓泵直接接油箱，此時(shí)液壓泵能實(shí)現(xiàn)卸荷，同時(shí)具有節(jié)能減壓的功能。液壓缸1 工作原理相同。

該液壓系統(tǒng)采用電磁換向閥，能夠使液壓系統(tǒng)回路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和循環(huán)動(dòng)作，因此電磁換向閥中的電磁鐵的通斷與液壓系統(tǒng)的各個(gè)動(dòng)作，包括上行、回程等密切相關(guān)。那么，列寫(xiě)電磁鐵的動(dòng)作順序表能更直觀體現(xiàn)液壓子系統(tǒng)的動(dòng)作過(guò)程及工作原理，對(duì)于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、使用及維護(hù)都有指導(dǎo)性意義，因此，畫(huà)出如表1 中電磁鐵動(dòng)作順序表，其中“+”表示電磁鐵通電，“-”表示電磁鐵斷電。

表1 得電順序表

電磁鐵的控制通過(guò)PLC 進(jìn)行控制，用來(lái)實(shí)現(xiàn)手術(shù)床二級(jí)提升系統(tǒng)的上升下降，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的控制程序及分配如表2 和圖5。

表2 I/O 口地址分配

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制程序如下：

圖5 PLC 控制程序

長(zhǎng)按按鈕SB1，Y4 得電電磁鐵YA1 得電，缸3下降；長(zhǎng)按按鈕SB2，Y5 得電電磁鐵YA2 得電，缸3 上升；長(zhǎng)按按鈕SB3,Y6 得電電磁鐵YA3 得電，缸1 上升；長(zhǎng)按按鈕SB4，Y7 得電電磁鐵YA4 得電，缸1 下降。

3 有限元分析

如上面設(shè)計(jì)可得出，支撐板4 存在受力危險(xiǎn)截面，用來(lái)支撐液壓缸及手術(shù)床上端其他裝置，因此對(duì)其進(jìn)行有限元分析，因?yàn)閮H左端支撐端面受力，那么其他結(jié)構(gòu)等效為固定端面，因此做出如下設(shè)計(jì)。打開(kāi)UG 通過(guò)草圖拉伸等命令畫(huà)出等效圖6。

圖6 支撐板4 左端面

然后在應(yīng)用模塊進(jìn)入到高級(jí)仿真，新建fem 和sim 文件，首先在i.prt 文件中對(duì)物體進(jìn)行提升和分割面的命令，明確規(guī)劃出壓力的施加范圍；然后返回fem 文件，進(jìn)行3D 網(wǎng)格劃分及材料的指定，其中所用材料為45 鋼，那么直接選用steel 材料；最后進(jìn)入sim 文件，在此文件中進(jìn)行載荷的約束及固定截面的選定，其中固定截面為等效截面，求解后得到圖7～圖12 結(jié)果，在設(shè)置結(jié)果中得到應(yīng)力-單元-節(jié)點(diǎn)的平均值如圖10 所示。

圖10 應(yīng)力-節(jié)點(diǎn)圖最大值為71.38MPa，其產(chǎn)生位移最大值為0.411mm。

4 結(jié)論

圖7 位移-節(jié)點(diǎn)

圖8 旋轉(zhuǎn)-節(jié)點(diǎn)

圖9 應(yīng)力-單元

圖10 應(yīng)力-單元-節(jié)點(diǎn)

圖11 反作用力-節(jié)點(diǎn)

圖12 反作用力矩-節(jié)點(diǎn)

根據(jù)有限元分析可得出，由于45 鋼屈服強(qiáng)度為355MPa，而圖10 應(yīng)力-單元-節(jié)點(diǎn)圖最大值為71.38MPa，圖9 應(yīng)力-單元圖最大值為33.77MPa,遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，因此設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求，根據(jù)位移-節(jié)點(diǎn)圖7 可得出壓力使支撐板產(chǎn)生位移最大值為0.411mm，根據(jù)旋轉(zhuǎn)-節(jié)點(diǎn)圖8 可以得出其旋轉(zhuǎn)值為0 即不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，符合設(shè)計(jì)的強(qiáng)度彈性形變要求。而在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，與傳統(tǒng)的醫(yī)院一級(jí)提升裝置及手動(dòng)提升醫(yī)療床及手術(shù)床進(jìn)行對(duì)比，其中二級(jí)提升重心位置比一級(jí)提升的重心位置低很多，由重心越低越穩(wěn)定可得出，二級(jí)提升比一級(jí)提升更穩(wěn)定。設(shè)計(jì)中由于二級(jí)提升可出現(xiàn)類(lèi)似三角形結(jié)構(gòu)，以及手術(shù)床在手術(shù)過(guò)程當(dāng)中的精確性和穩(wěn)定性，考慮到患者在手術(shù)中的移動(dòng)震動(dòng)等因素，手術(shù)床體越穩(wěn)定越能保證手術(shù)的成功性。因此，二級(jí)提升具有更好的優(yōu)越性和合理性。二級(jí)提升比一級(jí)提升空出更多的有效利用位置，不需要設(shè)計(jì)更多的有效利用位置，可以設(shè)計(jì)滑道等有效設(shè)施來(lái)處理尿袋排泄物收集裝置，方便手術(shù)的進(jìn)行。液壓系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵的得電控制，能實(shí)現(xiàn)二級(jí)提升運(yùn)動(dòng)，即設(shè)計(jì)符合手術(shù)床二級(jí)提升需求。