一种纯机械式无电源的输液泵动力源

解放军第174医院 器械科，福建 厦门 361003

一种纯机械式无电源的输液泵动力源

周文光，魏培德，陈庆，孔悦

解放军第174医院 器械科，福建 厦门 361003

目的设计一种动力源，驱动纯机械式无电源输液泵。方法通过气源、磁场、发条三种能量动力源的比较，采用发条作为储能媒介，设计发条定时器；通过无固有周期擒纵调速器，保证发条匀速稳定输出，带动输液泵蠕动泵头的转动。结果发条定时器储能、释放能量驱动匀速机匀速运输，取代传统电机驱动蠕动泵头。结论与气源、磁场相比较，发条作为动力源具有易控制、维护简单、耐热、耐腐蚀等优点。

输液泵；发条；定时器；涡卷弹簧

0 前言

现在临床上常采用电动输液泵进行输液治疗，以达到药量准确、速度均匀的目的。针对野战、高压氧舱等对电源有特殊要求的环境，需探讨一种解决该类输液泵驱动的能源系统。为此，本项目研制一种纯机械式无电源的输液泵动力源[1]。

1 动力源的选择

能源种类繁多，在当今世界各种生产活动中，最广泛使用的能源有煤炭、石油、天然气和水力，特别是石油和天然气的消费量增长迅速，已占世界能源消费总量的60%左右，但是石油和天然气的储存是有限的，而煤炭资料虽然比石油和天然气资源丰富，但是直接应用煤炭严重污染环境，因此亟需研究持久的、多样化的、可再生的能源系统[2]。根据要求，通过对气源、磁场能、发条三种适合无电源环境的能源进行分析比较，以确定本研究需要的动力源。

1.1 气源

常用的气源主要以天然气、液化石油气等燃料气体居多，易发生安全事故。气源作为保证气压传动和控制系统正常工作所不可缺少的动力源，包括产生压缩空气的空气压缩机和后冷却器、气罐、过滤器、干燥器等气源处理装置，相对于本研究的小型设备而言，体积较大，结构较复杂。

1.2 磁场能

地球场蕴涵着巨大的电磁能，利用取之不尽的地球电磁能资源来工作，不需要提供任何的动力和燃料，通过控制机构能可靠自如地实现电磁能到动能的转换，工作过程中无辐射、无污染、不发生突发事故（如爆炸、起火等）。但地球场的电磁强度很低，而且电磁场主要作用于通电导体[3]，不符合纯机械无电源的设计要求。

1.3 发条

发条是平面涡卷弹簧的一种，作为一种动力源或储能元件被广泛应用于定时器、电机等产品中，如机械钟表、发条玩具都是靠上紧发条带动的。当发条被上紧时发条产生弯曲变形，存储一定的弹性势能，释放后，弹性势能转变为动能，通过传动装置带动转动。

在各种弹簧中使用最广泛、研究最透彻的要算涡卷弹簧，通过等截面的细长材料绕制成螺旋型[4]，由于螺旋圈数可以卷绕很多，变形较大，并能以较小的体积储存较多的能量。因其具有高扭力、多角度的扭转力矩，多用于长时间做功的机构中；因其具有不易疲劳的特性，一般在不用电能的情况下，作为微小型机械的动力来使用。

本研究选用发条弹簧作为动力源，它具有抗疲劳能力强、耐热、耐寒、耐腐蚀性能佳，阻燃性、耐油性和耐磨性良好。发条弹簧的结构简单，功能单纯，所以影响结构和性能的参变量少。

2 发条设计

设计者很早就运用解析法、图解法或图解分析法寻求最优设计方案，取得了一定成效。随着计算技术的发展，利用计算机进行非线性规划的优化设计，成效显著。

2.1 发条的类型及应用

发条是由带料绕成平面涡卷形状的弹簧，当外力对发条弹簧做功后，这部分功转化为发条的弹性势能，当发条工作时弹性势能慢慢释放，驱动机械运转而做功[5]。

发条根据外形结构可分为螺旋型和S型（图1）。前者广泛应用于机械设备、家用电器[6]，后者一般用于钟表等仪器装置中。

图1 发条弹簧的类型及结构图

发条处于自由状态时占有庞大的体积，是完全卷紧时体积的10倍之多、甚至更大。因此，通常将其固定在发条盒内，以便获得较小的外形尺寸，同时还可以使发条弹簧具有比较完善的外端固定形式，以改善其工作状态，更有利于润滑油的保护。

发条的外端固定方式可分为铰式固定、销式固定、V型固定和衬片固定4种（图2）。其中，V型固定能使外端能有一定的近似径向移动，圈间摩擦力小，结构较简单，适用于尺寸较小的发条弹簧，但弯曲处很容易断裂。 发条的内端固定方法也有4种（图3）。

图2 发条弹簧外端固定方法结构图

图3 发条弹簧内端固定方法结构图

V型槽固定用于大型原动机中，用大心轴直径的弹簧；弯钩固定材料较厚的弹簧；齿式固定适用于精密机构中；销式固定结构简单，用于不太重要的机构中。

2.2 发条特性

置于发条盒内的发条力矩与圈数特性曲线，见图4。A点为绕制前状态，绕制后处于自由状态的B点力矩为零；C点发条盒内的发条处于完全放松状态，发条各圈压到盒壁上，尽管此时发条材料有一定的应力，但受发条盒的限制无法继续放开，因此实际发出的力矩也为零；当发条逐渐上紧时，压到盒壁上的各圈发条将逐渐离开内壁并彼此分开、分布在条盒内，即D点的状态，但最后一圈尚未离开盒壁；F点为发条完全上紧时刻，此时发条紧绕在条轴上。

图4 置于盒内发条的弹簧特性曲线图

图4中曲线CIJ为发条输出力矩与发条圈数的关系，表明驱动机构运转的输出力矩及其变化情况；曲线CI段力矩变化较大，不能利用，其大小与发条的长度和厚度有关；直线BN代表发条的理论力矩曲线，其与横坐标包围的面积表示储存在发条内的能量；面积BNF与CIJF之间的差值，说明了发条盒虽然减小了发条占有空间，但发条储存的部分能量却受条盒的限制不能输出。

2.3 发条定时器的设计

发条作为动力源，带动时钟齿轮转动，匀速输出的能量驱动泵头的运转。关键参数如下：

输出扭矩M＞0.3N·m；

输出转速：20 r/min ；

连续输出时间：1 h；

输出轴直径：3～5 mm；

发条加发条盒外形尺寸≤ 100×50（mm2）。

此要求的发条定时器，目前尚无成型东西可选用，需自行设计制作，结构设计图，见图5。

图5 发条定时器结构设计图

采用原全国统一机械闹钟走时用发条机构，包括发条、条轴、条盒和止逆机构等。根据要求，本研究拟采用螺旋型发条弹簧，外端固定采用简单的V型固定，即由发条壳固定，内端采用弯钩固定方法，与输出秒轴相接。

由于发条在卷紧时输出力矩大，而接近全放松时，输出力矩会减小很多，因此调速机构采用发条定时器通用的无固有振动周期擒纵调速器[8]，以减小发条的这种不均匀输出力矩，达到稳定发条机构匀速转动的目的。

图6 实物俯视图

图7 实物正视图

手动旋转上条轴，发条产生预紧，当停止上条时，发条便产生扭力驱动输出轴杆和头轮旋转[9-10]，使齿轮级级传动，通过二级增速传动到秒轴，可满足输出扭矩的要求，但必须设计加大机构的转动惯量，以增大振动周期，减少传动机构的传动比，保证秒轴输出转速达到20 r/min。在60 min内，发条释放约6圈，正可利用发条释放的平稳圈数段，保证输出扭矩的平稳性。实物设计视图，见图6～7。

3 讨论与思考

人工卷紧发条，发条匀速输出能量带动泵的转动，实现匀速输液的目的[10-11]。发条参数及擒纵调速器调速周期需要通过试验最终确定。由于输出转速和扭矩的约束，无法实现项目中输出时间达到1h的要求，因此需要做更深一步的探讨和研究。

[1] International Standard．Medical electrical equipment-part 2-24: particular requirement for the safety of infusion pumps and controllers-first edition,IEC 60601-2-24[S]．1998．

[2] 丁宁．中国能源可持续发展体系构建与电力新技术开发研究[J]．能源与节能,2012,(7):47-48．

[3] 崔秀娟．电磁场的物理性质[J]．中国校外教育,2012,(2):74-75．

[4] 沈波．平面涡卷弹簧的应用[J]．机械,2001,28(5):19-20．

[5] 马静．手表动力发条系统分析与改进设计[M]．天津:天津大学出版社,2012．

[6] 刘俊平．低速机械调速器的研究[J]．机械研究与应用,2008, 21(1):43-44．

[7] JB/T 7366-1994 中华人民共和国机械行业标准[S]．

[8] 张付英．带头销钉擒纵机构的设计研究[J]．天津轻工业学院学报,1999,(3):40-43．

[9] 蒋秀正．精密机械结构设计[M]．北京:清华大学出版社,2011．

[10] Fechter RJ,Barba JJ．Failure mode effect analysis applied to the ues of infusion pumps[J]．Engineering in Medicine and Biology Society,2004,(2):3496-3499．

[11] 严潭,黄向东,陈浩．应用磁簧开关改造医用设备脚踏开头[J]．中国医疗设备,2012,27(1):72-74．

Power Supply of Mechanical Infusion Pump without Electricity

ZHOU Wen-guang, WEI Pei-de, CHENG Qing, KONG Yue
Department of Equipment, the 174thHospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China

ObjectiveTo develop a kind of power supply to drive mechanical infusion pump without electric power.MethodsThrough energy source comparison of gas, magnetic feld and spring, using spring as storage to design a timer with no fxed periodic escapement which could ensure stable output at a constant speed and drive peristaltic pump head of infusion pump.ResultsInstead of driving pump head by traditional motors, the spring timer stores energy and the energy will be released at a constant speed by storage agency.ConclusionCompared with gas source, magnetic feld, spring as power source has advantages such as easy controlling, simple maintenance, heat-resisting and better corrosion resistance.

infusion pump; spring; timer; volute spiral spring

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.05.007

1674-1633(2013)05-0021-03

2012-11-17

2012-12-13

南京军区2010年度医学科技创新项目资助课题（10MA071）。

专利：实用新型专利（ZL200820103375．0）。

本文作者：周文光，主任技师。

孔悦，副主任护师，护理部主任。

作者邮箱：zhouwgsun@126．com