简述基于涡轮蜗杆设计自动输液器的结构

摘 要：目前，我国临床输液多采用单路单瓶人工换药的方式，在整个输液治疗过程中需要患者随时关注输液进程，护理人员需要人工换药。本设计采用的涡轮蜗杆设计便是为了在输液中使患者更安全省心，医护人员的工作更高效。该设计结构可精准控制液体的滴速、剂量和输液时间；异常状况报警功能，从各种方面杜绝输液过程中可能出现的医疗风险。

关键词：涡轮蜗杆；输液瓶

1 涡轮蜗杆的概念

蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分蜗杆传动，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆转一周，涡轮转过一齿，若蜗杆上有两条螺旋线，就称为双头蜗杆，即蜗杆转一周，涡轮转过两个齿。

2 蜗轮蜗杆结构的一些优点及缺点

1.可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。

2.两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。

3.蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。

4.具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在起重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。

5.传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高。

6.蜗杆轴向力较大。

3 蜗轮蜗杆的设计准则

1）闭式传动：

a.按齿面接触强度条件设计，控制蜗轮齿面的点蚀和胶合

b.按齿跟弯曲疲劳强度条件校核，控制轮齿的弯曲折断和磨损

c.进行热平衡计算，控制温升。

2）开式传动：

按齿跟弯曲疲劳强度条件设计，控制轮齿的弯曲折断和磨损

蜗杆按照直轴设计，然后进行刚度校核，控制蜗杆轴的弯曲变形。

4 利用蜗轮蜗杆实现输液器的自动控制

目前，住院患者连续多瓶或多袋输液的现象极为普遍，护士处理连续多瓶输液的流程是：每输完一瓶液体后，护士都必须赶到病房进行换药操作，连续输多瓶液体，护士就得多次赶到病房并多次进行换药操作，护士的工作量很大。由于护士的工作量大，不能及时赶到病房进行换药处理的情况时有发生，患者意见较大。

因而我们设计以stm32为控制器，设计总体硬件方案。以舵机为执行机构，带动蜗轮传动机械装置。利用编程软件用C语言编制主系统及操作界面及核心内容。与传统输液器不同，本设计在机械结构上采用了多路输液系统，可同时挂载多瓶液体，大大提高了效率。涡轮蜗杆的精密传递性以及平稳性传递和反馈保证了输液的正常运行。

速度检测部分：

采用红外对管发射接收。采用断续式的工作方式，在点滴落下时阻挡了接收管接收红外线，产生高电平的脉冲信号。为了提高抗干扰能力，可以采用两对红外传感器一发一收，而不是只用一只传感器以反射式状态工作。

速度控制部分：

通过步进电机、舵机和蜗轮蜗杆齿轮系统控制与储液瓶相连接的输液管的加紧程度的大小，控制输液的速度。传动平稳，无噪音。因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平稳，冲击、震动、噪音都比较小。由于采用了涡轮蜗杆传动，因而传动平稳，无噪音。

因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平稳，冲击、震动、噪音都比较小。这从技术层面杜绝输液过程中可能出现的医疗风险。本设计还实现了输液的精确化和智能化，不仅降低了医务人员的工作强度，而且还提高了患者在输液中的安全性和舒适度。

该设计机构的连续输液自动顺序切換器的工作原理是：当正在输液的输液管中的液位下降到输液结束状态检测传感器所在的位置时，输液结束状态检测单元输出信号给单片机控制单元，单片机控制单元根据多路顺序切换输液器选择开关的设定值发出相应的脉冲信号给步进电机驱动单元，步进电机驱动单元根据此脉冲信号按一定方向驱动“多路顺序切换阀”的阀芯旋转一定角度到下一瓶输液通路接通的位置，继续下一瓶的输液，单片机控制单元根据报警位置选择开关的设定值在相应的输液通路输液结束时发出信号至报警单元进行报警。该多瓶连续输液自动顺序切换器的初始位置为第1瓶输液时对应的位置，与之对应，“多路顺序切换阀”的阀芯的初始位置也是第1瓶输液时所对应的位置。输液总是从第1瓶开始，然后依次向第2瓶、第3瓶等顺序切换。

5 总结

本设计利用stm32单片机控制单元的输入端连接输液结束状态检测单元，输出端分别连接步进电机驱动单元和报警单元；同时供电单元分别与单片机控制单元、输液结束状态检测单元、步进电机驱动单元、蜗轮蜗杆机构和报警单元连接。该设计不仅使用安全可靠，而且操作灵活方便，在多瓶连续输液时，还具有在全部输液结束时自动进行报警提示，从而大大降低了护士的劳动强度，提高了护理效率，同时也提升了患者满意度。

参考文献

1.肖萍 基于UG的蜗轮蜗杆减速器课程设计研究与开发 制造业自动化2012， 34（14） G423

2.张英雄 赵华 朱杰 朱宸英杰 张天远 一种盐水瓶自动控制输液板的设计 上海电机学院数理教学部 科技尚品 2016， （3）

3.张小良 有限元方法在蜗轮蜗杆降噪中的研究与应用 机械设计与制造 ISTICPKU 2015， （9） TH16

作者简介

潘栋（1996-），男，汉族，郑州大学机械工程学院机械工程专业2014级学生。