人工心臟液力懸浮支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其血液相容性研究.pdf

1、本課題以人工心臟液力懸浮軸承為研究對(duì)象，針對(duì)懸浮支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其血液相容性展開系統(tǒng)研究。開展了懸浮支承軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、穩(wěn)定與脈動(dòng)條件下的轉(zhuǎn)子懸浮位移測(cè)試、液力懸浮軸承結(jié)構(gòu)的血液相容性等研究，為人工心臟液力懸浮支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和血液相容性研究提供了有價(jià)值的參考。
　　本文首先根據(jù)液力懸浮支承流場(chǎng)的特點(diǎn)建立了懸浮支承間隙內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上初步開展了向心軸承和止推軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);其次，開展人工心臟球型液力懸浮軸承

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究;對(duì)于錐型液力懸浮軸承結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析了不同最小間隙內(nèi)流體流動(dòng)特性及懸浮支承力;對(duì)于主軸開設(shè)螺旋槽型懸浮支承軸承結(jié)構(gòu)，結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)給出了一組最優(yōu)螺旋槽設(shè)計(jì)尺寸;在此基礎(chǔ)上，提出了一種低血栓螺旋槽液力懸浮軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)上止推軸承內(nèi)流體進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析三種典型螺旋槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流量、懸浮支承力和壓力之間的關(guān)系，同時(shí)引入此類懸浮支承結(jié)構(gòu)的承載力-流量特征平面，并通過(guò)該特征平面對(duì)比分析了多

3、種類型液力懸浮支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流量與懸浮支承力范圍。再次，對(duì)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和脈動(dòng)干擾下的液力懸浮支承位移進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試了不同工況下，穩(wěn)定懸浮支承液膜在軸向與徑向的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和懸浮位移之間的關(guān)系，并分析了相應(yīng)的軸承懸浮穩(wěn)定性能。最后，對(duì)液力懸浮支承間隙內(nèi)流體的血液相容性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同懸浮支承結(jié)構(gòu)和不同進(jìn)出口壓力對(duì)懸浮支承流體的溶血特性影響，并通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)液力懸浮支承結(jié)構(gòu)的抗血栓性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
　　課題的主要研究工作如下:

4、
　　1.液力懸浮支承研究。
　　在分析懸浮支承間隙流場(chǎng)流動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，建立了穩(wěn)態(tài)載荷下液力懸浮支承流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，并初步開展了向心軸承和止推軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，開展了人工心臟球型液力懸浮軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究、錐型和主軸開設(shè)螺旋槽型懸浮軸承結(jié)構(gòu)人工心臟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，研究設(shè)計(jì)的球型液力懸浮支承結(jié)構(gòu)是否滿足懸浮要求;通過(guò)數(shù)值模擬，開展錐型懸浮支承結(jié)構(gòu)最小間隙與懸浮支承力之間關(guān)系的研究，給出主軸開

5、設(shè)螺旋槽型液力懸浮支承結(jié)構(gòu)的最大懸浮支承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)比分析了兩種懸浮支承結(jié)構(gòu)內(nèi)流體的流量。
　　2.低血栓螺旋槽液力懸浮軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬。
　　設(shè)計(jì)了一種新型螺旋槽軸承，并將其應(yīng)用到以長(zhǎng)期植入人體為目標(biāo)的人工心臟轉(zhuǎn)子支承中。螺旋槽設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是其寬度隨著半徑的變大而逐漸變窄，從而可以利用動(dòng)壓效應(yīng)增加懸浮支承力，且螺旋槽的旋線方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同可以促進(jìn)流體流動(dòng)，增加懸浮間隙中的流量，從而有效避免血栓。通過(guò)三維數(shù)

6、值模擬對(duì)新型螺旋槽設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，并引入表征流量和懸浮支承力關(guān)系的特征平面，對(duì)多種類型的螺旋槽軸承設(shè)計(jì)的進(jìn)行承載力-流量對(duì)比，將對(duì)比結(jié)果統(tǒng)一于同一個(gè)承載力-流量特征平面中，通過(guò)該特征平面直接給出各種類型螺旋槽設(shè)計(jì)的承載力/流量變化。
　　3.液力懸浮支承位移測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究。
　　選用具有較好承載力/流量特性的液力懸浮支承結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)并加工液力懸浮測(cè)試泵，搭建穩(wěn)態(tài)條件和脈動(dòng)條件下軸向、徑向測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試懸浮轉(zhuǎn)子在軸向

7、的絕對(duì)位移和徑向間隙的變化情況。對(duì)于穩(wěn)態(tài)條件下的位移測(cè)試，通過(guò)研究轉(zhuǎn)速、螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)與轉(zhuǎn)子懸浮位移的關(guān)系，給出各種懸浮支承結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定支承的轉(zhuǎn)速范圍、徑向轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的間隙變化范圍，研究轉(zhuǎn)子徑向運(yùn)動(dòng)軌跡的變化規(guī)律;對(duì)于脈動(dòng)條件下的位移測(cè)試，通過(guò)測(cè)試不同脈壓下軸向位移量和徑向間隙變化量，分析對(duì)比不同工況下懸浮支承液膜的變化情況，通過(guò)計(jì)算得出徑向半徑間隙與偏心距的差值變化情況，分析轉(zhuǎn)子的懸浮穩(wěn)定性能并給出轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定懸浮的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍。