簡述基于渦輪蝸桿設計自動輸液器的結構

摘 要：目前，我國臨床輸液多采用單路單瓶人工換藥的方式，在整個輸液治療過程中需要患者隨時關注輸液進程，護理人員需要人工換藥。本設計采用的渦輪蝸桿設計便是為了在輸液中使患者更安全省心，醫護人員的工作更高效。該設計結構可精準控制液體的滴速、劑量和輸液時間；異常狀況報警功能，從各種方面杜絕輸液過程中可能出現的醫療風險。

關鍵詞：渦輪蝸桿；輸液瓶

1 渦輪蝸桿的概念

蝸桿傳動由蝸桿和蝸輪組成，一般蝸桿為主動件。蝸桿和螺紋一樣有右旋和左旋之分蝸桿傳動，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，即蝸桿轉一周，渦輪轉過一齒，若蝸桿上有兩條螺旋線，就稱為雙頭蝸桿，即蝸桿轉一周，渦輪轉過兩個齒。

2 蝸輪蝸桿結構的一些優點及缺點

1.可以得到很大的傳動比，比交錯軸斜齒輪機構緊湊。

2.兩輪嚙合齒面間為線接觸，其承載能力大大高于交錯軸斜齒輪機構。

3.蝸桿傳動相當于螺旋傳動，為多齒嚙合傳動，故傳動平穩、噪音很小。

4.具有自鎖性。當蝸桿的導程角小于嚙合輪齒間的當量摩擦角時，機構具有自鎖性，可實現反向自鎖，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而不能由蝸輪帶動蝸桿。如在起重機械中使用的自鎖蝸桿機構，其反向自鎖性可起安全保護作用。

5.傳動效率較低，磨損較嚴重。蝸輪蝸桿嚙合傳動時，嚙合輪齒間的相對滑動速度大，故摩擦損耗大、效率低。另一方面，相對滑動速度大使齒面磨損嚴重、發熱嚴重，為了散熱和減小磨損，常采用價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 蝸輪蝸桿的設計準則

1）閉式傳動：

a.按齒面接觸強度條件設計，控制蝸輪齒面的點蝕和膠合

b.按齒跟彎曲疲勞強度條件校核，控制輪齒的彎曲折斷和磨損

c.進行熱平衡計算，控制溫升。

2）開式傳動：

按齒跟彎曲疲勞強度條件設計，控制輪齒的彎曲折斷和磨損

蝸桿按照直軸設計，然后進行剛度校核，控制蝸桿軸的彎曲變形。

4 利用蝸輪蝸桿實現輸液器的自動控制

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

因而我們設計以stm32為控制器，設計總體硬件方案。以舵機為執行機構，帶動蝸輪傳動機械裝置。利用編程軟件用C語言編制主系統及操作界面及核心內容。與傳統輸液器不同，本設計在機械結構上采用了多路輸液系統，可同時掛載多瓶液體，大大提高了效率。渦輪蝸桿的精密傳遞性以及平穩性傳遞和反饋保證了輸液的正常運行。

速度檢測部分：

采用紅外對管發射接收。采用斷續式的工作方式，在點滴落下時阻擋了接收管接收紅外線，產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一收，而不是只用一只傳感器以反射式狀態工作。

速度控制部分：

通過步進電機、舵機和蝸輪蝸桿齒輪系統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。傳動平穩，無噪音。因為蝸桿齒是連續不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時是連續不斷的，蝸桿齒沒有進入和退出嚙合的過程，因此工作平穩，沖擊、震動、噪音都比較小。由于采用了渦輪蝸桿傳動，因而傳動平穩，無噪音。

因為蝸桿齒是連續不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時是連續不斷的，蝸桿齒沒有進入和退出嚙合的過程，因此工作平穩，沖擊、震動、噪音都比較小。這從技術層面杜絕輸液過程中可能出現的醫療風險。本設計還實現了輸液的精確化和智能化，不僅降低了醫務人員的工作強度，而且還提高了患者在輸液中的安全性和舒適度。

該設計機構的連續輸液自動順序切換器的工作原理是：當正在輸液的輸液管中的液位下降到輸液結束狀態檢測傳感器所在的位置時，輸液結束狀態檢測單元輸出信號給單片機控制單元，單片機控制單元根據多路順序切換輸液器選擇開關的設定值發出相應的脈沖信號給步進電機驅動單元，步進電機驅動單元根據此脈沖信號按一定方向驅動“多路順序切換閥”的閥芯旋轉一定角度到下一瓶輸液通路接通的位置，繼續下一瓶的輸液，單片機控制單元根據報警位置選擇開關的設定值在相應的輸液通路輸液結束時發出信號至報警單元進行報警。該多瓶連續輸液自動順序切換器的初始位置為第1瓶輸液時對應的位置，與之對應，“多路順序切換閥”的閥芯的初始位置也是第1瓶輸液時所對應的位置。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

本設計利用stm32單片機控制單元的輸入端連接輸液結束狀態檢測單元，輸出端分別連接步進電機驅動單元和報警單元；同時供電單元分別與單片機控制單元、輸液結束狀態檢測單元、步進電機驅動單元、蝸輪蝸桿機構和報警單元連接。該設計不僅使用安全可靠，而且操作靈活方便，在多瓶連續輸液時，還具有在全部輸液結束時自動進行報警提示，從而大大降低了護士的勞動強度，提高了護理效率，同時也提升了患者滿意度。

參考文獻

1.肖萍 基于UG的蝸輪蝸桿減速器課程設計研究與開發 制造業自動化2012， 34（14） G423

2.張英雄 趙華 朱杰 朱宸英杰 張天遠 一種鹽水瓶自動控制輸液板的設計 上海電機學院數理教學部 科技尚品 2016， （3）

3.張小良 有限元方法在蝸輪蝸桿降噪中的研究與應用 機械設計與制造 ISTICPKU 2015， （9） TH16

作者簡介

潘棟（1996-），男，漢族，鄭州大學機械工程學院機械工程專業2014級學生。