便携式连续血液净化系统水压柱塞泵关键技术研究

发布时间：2020-03-26 17:45

【摘要】：连续血液净化(Continuous Renal Replacement Therapy,CRRT)技术是指连续、缓慢清除血液中水分和溶质的治疗方式总称。设备的环境适应性、安全性、稳定性以及流量平衡是CRRT设备研制过程中至关重要的因素。流量平衡是指保持CRRT过程中透析液、置换液以及废液之间的相互平衡关系。传统的CRRT设备主要应用于重症监护室,对设备的环境适应性要求不高,通常采用称重式或平衡腔式的流量平衡系统。称重式流量平衡系统是一套基于液体重力的静态自平衡系统,使用时需要设备保持水平静置状态,而平衡腔式的流量平衡系统通常需要使用多个电磁阀,设备体积往往比较大,且对电磁阀协作性要求较高。若在野战医院、车载救护、灾害救援等特殊环境下使用时,现有的CRRT设备体积较大,携带与转运不便,且传统的流量平衡方式难以满足系统准确性、稳定性和快速性的要求。本课题拟通过设计高精度、高稳定性的水压轴向柱塞泵,改进CRRT系统的流量平衡方式,对透析液、置换液以及废液进行精确的实时流量控制,实现CRRT系统特殊环境下的流量平衡。以液压传动系统节能高效和使用寿命为技术指标,研制了一套便携式、应急式、高精度的CRRT系统,为野战医院、车载救护、灾害救援等特殊环境下的危重患者提供一线救治,提高我国便携式重症监护医疗装备的研制水平,选题具有较强的工程应用背景和学术研究价值。主要内容包括以下几方面:1.水压轴向柱塞泵运动分析及动力学建模。通过对滑靴、柱塞、配流盘等关键运动部件进行运动分析和受力分析,建立滑靴副、柱塞副、配流副子系统动力学模型,从而对水压轴向柱塞泵进行全耦合动力学建模。2.摩擦副润滑水膜形状建模及求解。提出了以受力平衡方程为约束条件,建立水压轴向柱塞泵关键摩擦副自适应润滑水膜形状模型。考虑柱塞副偏心和倾斜、滑靴副和配流副的倾斜和旋转,以摩擦副自适应水膜形态为可变参数,通过遗传算法和有限体积离散法对摩擦副水膜形状进行数值仿真,从而得到满足受力平衡条件的摩擦副水膜形状模型。基于该模型,求解了不同工况下柱塞副压力分布特性和泄漏流量特性。以摩擦副受力平衡为目标,求解了不同时刻的摩擦副水膜间隙模型。通过不断修正摩擦副姿态参数,改变摩擦副水膜间隙模型,从而改变柱塞副动压支承力状态,进而找出在一定精度范围内满足柱塞副受力平衡调节的摩擦副姿态参数。3.摩擦副水压润滑设计及润滑特性分析。基于静压支承原理,通过对水压柱塞泵滑靴副进行静压自润滑支承系统分析,建立滑靴副自润滑静压支承系统的液压模型。考虑自适应静压支承系统的静压平衡、初始密封压力以及静压平衡系数等关键因素,以摩擦副总功率损失最小为目标函数,对摩擦副的最佳水膜厚度进行优化设计。通过分析水压轴向柱塞泵关键摩擦副开槽结构形式对摩擦副泄漏流量的影响,建立水压轴向柱塞泵的泄漏流量解析求解模型。4.摩擦副功率损失分析及结构优化。以摩擦副总功率损失最小为目标函数,对摩擦副初始水膜厚度进行优化设计。以单位周期内平均总功率损失最小为主要目标,对水压轴向柱塞泵关键摩擦副的主要结构参数进行优化,求解不同结构参数和工作状态下柱塞泵关键摩擦副的泄漏流量。采用粒子群算法,快速搜索出合适的参数范围,对于解析求解出的可能最优区域,通过数值计算的方法对不同结构参数下的柱塞副水膜润滑特性进行精确计算,筛选出影响摩擦副泄漏流量的主要结构参数和工作参数。5.最后,设计并加工了便携式CRRT系统原理样机,对原理样机进行功率损失测试试验和流量平衡试验。实验结果表明:柱塞泵流量精度满足设计要求,验证了新型的流量平衡方式的可行性,为开发便携式CRRT系统及节能高效、高可靠性的轴向柱塞泵奠定理论基础,提供设计优化与测试方法。
【图文】：

示意图,原理,示意图,滤芯

第 1 章绪论节能需求，课题将柱塞泵功率损失作为重要的设计和优化指标。1.2 CRRT 系统工作原理及研究现状1.2.1 CRRT 系统工作原理连续性血液净化技术的基本原理涉及流体传输和过滤，如图 1.1 所示。CRRT系统工作原理在于血液通过滤芯后实现过滤效果，从而模拟人体肝、肾的部分功能。滤芯的作用相当于肾脏的半透膜，主要通过超滤、对流和扩散等方式，对血液中的各种分子进行过滤。根据滤芯的工作原理和过滤方式，可将 CRRT 系统分成多种工作模式[11]。CRRT 系统是指在血液循环路径上加入过滤、吸附等装置，从而模拟人体肝、肾的部分功能，达到治疗疾病和维持生命的作用，提高抢救和治疗急危重病患者的成功率[12]。

系统主机,配液装置

便携式连续血液净化系统水压柱塞泵关键技术研究力传感器、流量传感器、温度传感器、气泡检测装置、漏血检测传感器）；电源（电池组、电源转换器）；显示屏（含触摸显示屏、功能按键、状态信号指示灯）；配液装置（配液系统和加热系统）；血泵（电机、泵头）。另外，，CRRT 系统大部分部件（如：传感器、配液装置和血泵模块等）均采用卡扣式固定，可方便拆卸更换，主机结构及详细模块布局如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH789

【参考文献】