電動無針注射器設計
摘 要
無針注射不同于傳統的皮下注射,它是一種全新的注射方式,具有痛苦小、藥物吸收好、操作方便、消除了交叉感染等諸多優(yōu)點。我國對無針注射器的研究起步較晚,在技術層面和國外先進水平存在不小差距,目前尚處于研發(fā)階段。本文在分析無針注射器原理及結構的基礎上,設計了電磁式無針注射器,主要研究工作如下:
1. 對國內外無針注射技術的發(fā)展現狀進行研究,分析了無針注射的注射機理,運用工程設計學方法分析了無針注射器的結構特點,制定了無針注射器系統結構設計方案。
2. 設計的電磁驅動式無針注射器機構,來完成計量可控的給要注射,詳細設計了由鐵錘、彈簧和電磁鐵所組成的撞擊系統,以及安瓿頭安裝裝置,機構簡單,穩(wěn)定性強。
3. 設計驅動和控制裝置,完成交流電變直流和控制電磁鐵通斷電等功能。
4. 根據以上設計,進行了三位建模,驗證了設計的可行性,并為樣機制作打下基礎。
所設計的電動無針注射器,沖擊力大,注射效果好,注射計量可控,有很好的商業(yè)價值,值得推廣應用。
關鍵詞 無針注射器;電磁鐵;安瓿頭
Design of Electric Syringe Without Needle
Abstract
Compared to conventional subcutaneous injection, the needle-free injection is a new way, with a painless, drug absorption, easy to operate, eliminating cross-infection and many other advantages. Domestic syringe without a needle of a late start, lagging behind foreign technology, is still in the research and development stage. In this paper, based on the analysis of a syringe without a needle structural characteristics, design the electric syringe without a needle, the main research work are as follows:
1. Needle-free injection technology development status at home and abroad, needle-free injection mechanism, use of engineering science analysis of the structural characteristics of needle syringe, developed a syringe without a needle system structure design.
2. Design of electromagnetic drive type syringe without needle agencies, to complete the measurement control for injection, the detailed design of the hammer, springs and electromagnet impact system, as well as ampoule head installation, simple structure, strong stability.
3. Drive and control device design, complete the ac and dc control electromagnet power tong, and other functions.
4. According to the above design, the three modeling, verify the feasibility of the design, prototype production and to lay the foundation.
The designed electric syringe without needle, huge impact, injection effect is good, the injection metering control, have good commercial value, worthy of popularization and application.
Keywords Syringe without needle,electromagnet,ampoule head
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目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 無針注射器簡介 1
1.1.1 無針注射的概念 1
1.1.2 無針注射的原理 2
1.2 國內外發(fā)展狀況 2
1.3 課題研究的目的及意義 3
1.4 本課題研究內容 4
1.5 本章小結 4
第2章 無針注射器原理及結構設計 5
2.1 無針注射器原理方案設計 5
2.1.1 總功能分析 5
2.1.2 功能分解 5
2.1.3 功能元求解 6
2.1.4 系統方案求解 6
2.1.5 方案工作原理 7
2.2 電動無針注射器機械結構設計 8
2.2.1 彈簧設計 8
2.2.2 外殼設計 9
2.2.3 支撐座設計 10
2.2.4 鐵錘設計 11
2.2.5 撞針設計 11
2.3 本章小結 12
第3章 電動無針注射器的控制系統設計 13
3.1 電磁力計算 13
3.2 驅動電路設計 14
3.2.1 電路元件 14
3.2.2 電磁控制方案 17
3.3 本章小結 18
第4章 電動無針注射器的三維造型 19
4.1 Pro/E簡介 19
4.2 各零件的三維建模 19
4.2.1 安瓿頭的三維模型 19
4.2.2 墊圈的三維模型 21
4.2.3 支撐座的三維模型 22
4.2.4 彈簧的三維模型 23
4.2.5 外殼的三維模型 23
4.3 電動無針注射器的三維建模 24
4.4 本章小結 25
結論 26
致謝 27
參考文獻 28
附錄 30
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第1章 緒論
1.1 無針注射器簡介
無針注射器是一種不需要針頭,就可以對人體注射的醫(yī)療器械,它的工作原理是利用動力源迫使藥液從安瓿頭小孔擠出,使藥液具有一定的壓力,刺破人體皮膚,形成小孔,使藥液通過進入皮下組織,無針注射器的特點是消除了人類對針頭的恐懼,同時也避免了交叉感染的發(fā)生,是醫(yī)療事業(yè)的一種進步,現在許多的糖尿病患者用無針注射器進行胰島素的注射,無針注射為患者帶去了便捷與安全,還應用于一些疫苗等小量藥品的注射[1]。
無針注射技術的發(fā)明可以追溯到百年以前,,但是由于受到當時技術的限制,那時的設備都比較龐大,而且難操作,所以沒有被大量的生產和使用[2]。如今市場上也有一些無針注射產品,它們注射的精度不高,不可連續(xù)注射,而且采用手動機械蓄能的方式,操作極其不方便,本課題將改變這一現狀,可以實現自動儲能,設計能夠調整注射劑量與注射強度的便攜式電動無針注射器。
1.1.1 無針注射的概念
無針注射是指利用動力源(如彈簧、氣體、電磁鐵等)產生的瞬間高壓推動藥劑從安瓿頭小孔中射出,形成有一定壓力的液流,這液流有非常高的速度(流速一般大于100 m/s),使藥劑可以很快的刺破皮膚,藥液進入皮下組織,達到注射的目的[3]。傳統與無針注射方式的區(qū)別如圖1-1所示:
(a) 傳統注射 (b) 無針注射
圖1-1 注射方式
無針注射器以很多的學科為理論為基礎,例如化學、物理、藥理學等,還應用一些技術達到無針注射的目的,例如使用計算機、數控加工、藥劑成型等技術,無針注射技術是新型給藥方法,為醫(yī)護人員或是非醫(yī)務人員的注射提供了便捷與安全,而且此項技術還非常適合恐針患者和兒童使用[4]。無針注射給藥系統的標志性特征是通過動力源的能量轉化[5],把彈簧的彈性勢能或是把壓縮氣體的壓縮能量轉化為液態(tài)藥物的動能,經過安瓿頭的小孔后,形成具有一定速度和壓力的液流,液流刺破皮膚,把藥液噴射到皮下組織,達到注射目的。
1.1.2 無針注射的原理
無針注射器與傳統注射方式的不同在于,它沒有針頭,而是利用一個動力源產生的瞬間高壓迫使藥劑從安瓿頭小孔中射出,形成有一定壓力的液流,這樣的壓力和速度足可以在刺破皮膚,形成一個小孔,使藥劑可以迅速通過小孔進入皮下組織,肌肉和粘膜組織[6]。
通常它包括兩個步驟:第一步,高速射流通過侵蝕或撕裂等損傷機理,在皮膚表面形成小孔,表皮小孔與噴射小孔的寬度相似,但比標準的針頭注射在表皮形成的小孔要小得多,而他們的愈合時間大致相同。第二步,液流通過了小孔,速度會越來越低,到達皮下的某一位置,然后余下的藥液向周圍擴散 [7]。無針注射器的注射過程如圖1-2所示:
(a) 注射開始前 (b) 注射過程中 (c) 注射結束后
圖1-2 無針注射器注射過程
1.2 國內外發(fā)展狀況
國外的無針注射技術已經有一百多年的發(fā)展歷史,美國和英國在該技術方面處于世界領先地位,國外學者從工程學方面展開了大量的研究工作,劍橋大學博士Oliver A.Shergold在Weston Medical公司的幫助下建立了壓力試驗臺對各種類型的無針注射器的噴射壓力進行試驗和和模擬[8],加州大學的Baxter對無針注射機理方面做了系統的研究,并且給出了一套如何開發(fā)無針注射器的具體方案[9],美國華盛頓大學的Baker和Sander建立了彈簧加載式無針注射器的數學模型[10],并對注射過程進行了仿真。此外,牛津大學工程學系的Mark A.F.Kendall教授對采用 MIFVS 對高壓氣體噴射粉末無針注射器噴射時的沖擊流進行了模擬[11]。
目前,國外有很多家公司都在生產無針注射器產品,大約有近百種產品進入了市場,并且擁有200多件專利,在無針注射給藥方面也是碩果累累,其中具有代表性的是英國Weston Medical公司的Intraject和美國Equidyne公司的Injex給藥系統[12]。這些國家對無針注射的研究比我們國家早很多,他們取得的成果也為我們研制提供了參考。
我國在無針技術研究方面還處于初級階段,浙江大學和浙江省醫(yī)療器械研究所合作,一起研制無針注射器產品,并且做了臨床分析[13]。無針注射器還存在一些技術的問題,隨著科學技術的進步,逐步的被解決掉,無針技術的到更好前景。再過一些年,許許多多無針注射產品將會被廣大消費者的熟知,并受到歡迎。在無針注射藥物種類方面,還有很大的選擇空間,蛋白質組合的深入了解,還會開發(fā)出非常多的用于無針注射給藥的蛋白-多肽類藥物[14],國外在無針注射藥品方面已經很先進,而我國還在不斷地研究,在不久的將來,我國也將在這一領域占有一席之地。
1.3 課題研究的目的及意義
注射的安全性一直都備受國內外關注,注射的安全性是全世界都需要解決的社會問題,全世界每年有幾億兒童進行55多億次的注射,而10%的注射是不安全的,而我們國家就占了總數的一半,有些地區(qū)的一次性注射器成為了很難處理的醫(yī)療垃圾,威脅著人們的生活。無針注射器由于沒有針頭,就不會導致交叉感染,有效的解決了傳統有針注射器的問題,而且無針注射器大大的提高注射效率和質量,為醫(yī)療器械的經濟效益方面能夠帶來顯著的進步,同時也在某種程度上推進了醫(yī)療工業(yè)的不斷發(fā)展[15]。上世紀80年代,美國的HUGER公司生產的一款電動無針注射器產品,進入市場,為該公司創(chuàng)造了很多的利潤,德國的DESTO公司也看中了電動無針注射器的市場前景,投入相當大的人力、物力、財力對電動無針注射器進行研發(fā),同樣取得了很大的成功,全世界對電動無針注射器的應用越來越廣泛,都在進行著研發(fā)的工作。
我國這些年也進行著電動無針注射器的研發(fā),但是我國生產的無針注射器結構簡單、類型單一和精度不高,雖然經過幾十年的發(fā)展,近期產品的質量較早期有所提高,但受到國產零件的精度和技術等方面的限制,我國研制出的無針注射產品和歐美等國家有很大的差距,在電動無針注射器方面,我國還沒取得什么成果,和歐美等國家的距離更多,所以為滿足市場需求,研制出一種新型的電動無針注射器勢在必行!
現在市場上的無針注射器存在價格貴、注射精度不高等諸多問題,是無針注射器沒有被大量應用的原因,所以有必要對現有無針注射器進行結構優(yōu)化,使其做到結構簡單,使用方便,從而提出了新型電動無針注射器的結構組成、工作原理,擬定了電動無針注射器總的指導思想,得出了該新式電動無針注射器的優(yōu)點是高效,經濟且易維修的結論。
1.4 本課題研究內容
本課題主要研究了以下內容:
1. 通過網絡和圖書館查找各種關于電動無針注射器的相關資料,介
紹了無針注射的原理和注射機理;
2. 運用工程設計學方法,對無針注射器的功能和結構進行系統分析,
制定了可行的總體方案;
3. 無針注射器的控制系統進行設計;
4. 電動無針注射器的圖紙的繪制;
5. 說明書的整理。
1.5 本章小結
本章對無針注射器做了簡介,介紹了無針注射器的概念和原理,闡述了國內外的發(fā)展狀況,詳細介紹了無針注射器研究的目的及意義,最后提出了無針注射器研究內容。
第2章 無針注射器原理及結構設計
2.1 無針注射器原理方案設計
2.1.1 總功能分析
采用黑箱法分析系統的總功能,把待設計的產品看做成一個黑箱,黑箱法要求設計者知道黑箱需要輸入什么和輸出什么以及各種物質之間的聯系,這些關鍵明確以后即可了解其總功能[16]。將其抽象化后,那么黑箱操作如圖2-1所示:
圖2-1 無針注射器的黑箱操作
無針注射器的輸入端輸入的是藥液能量還伴隨著信息控制,一系列的動作完成之后,輸出端輸出的是具有很高速度的藥液,發(fā)明無針注射器的目的,就是減小皮膚損傷,減小疼痛感,有效的防止交叉感染,為一些醫(yī)務人員和非醫(yī)務人員的操作帶去便利,讓沒有專業(yè)技術的人員可以更好的完成注射操作,降低操作難度提高安全性。無針注射技術就是通過高速液流,刺破皮膚,進入皮下組織,了解所要設計系統的總功能,然而我們的選擇有很多,這就要求我們選擇理想方案。
2.1.2 功能分解
一般工程系統都是很復雜的,難以直接求得滿足總功能的系統解。但可以將其分解開來一步一步進行分析,然后建立功能結構圖[17],這樣可以更加直觀的分析各個元件的結構了解其功能。這樣既可以顯示各功能元、分功能與總功能的關系,又可以通過各功能元之間的解的有機結合求的系統解。按照電動無針注射器注射的過程繪制其功能分解圖。這五個過程包括:安裝藥瓶、動力輸入、能量輸出、碰撞、藥液釋放,功能分解如圖2-2所示:
圖2-2 功能分解
2.1.3 功能元求解
通過分析我們得到若干局部解,在這里我們得到了許多方案供我們進行比較選擇,其方案如下:
1.藥物加載及噴射裝置:外置安瓿和內置安瓿。
2.動力源裝置:電機、彈簧、氣壓動力、液壓動力、彈藥、電磁力。
3.沖擊裝置:凸輪裝置、曲柄連桿裝置、飛輪裝置、齒輪傳動、摩擦輪傳動裝置、活塞沖擊。
4.激發(fā)裝置:離合器機構、棘爪機構、彈藥激發(fā)機構、電氣控制、換向閥控制、撞針裝置。
通過以上的方案計算得到432種方案,但是根據無針注射器的要求和實際的組合情況來看,有些組合不能滿足本次設計的要求,不合理,有些組合不符合實際,在此要求我們從眾多方案中挑選最優(yōu)方案。
2.1.4 系統方案求解
在工程設計階段,對于單一機構的選型或整個機構系統的選擇都應該
建立合理、有效的評價指標。對于無針注射器機構的選擇從功能、動力性能、經濟性、結構性、幾個方面進行評價選擇[18]。
1.藥物加載及噴射裝置的選擇
現在市場上無針注射器的安瓿有兩種,分為內置式的安瓿和外置式的安瓿,內置式的安瓿和無針注射器在一起,一體化,外置式的安瓿和無針注射器是分離的,可以通過螺紋或是其他連接方式連接在一起。
安瓿與注射器一體化設計,使得無針注射器具有了使用方便、結構緊湊,遇到緊急事故能夠更高效快速完成注射等特點,但是安瓿與注射器一體化的結構設計也使得在每一次使用時都要對安瓿進行消毒,但對于殘留藥物的處理會讓其成本提高,這一點并不是十分方便。
外置安瓿瓶的結構設計是將安瓿作為一次性使用的消耗品,用完即棄,注射器作為可重復使用的主體部件,這樣的結構設計避免了一體化設計中的注射器消毒及殘余藥劑的處理問題,也避免了交叉感染,同時降低了注射成本。從經濟性和安全性考慮,我們選擇外置式安瓿作為藥物加載裝置。
2.動力源的選擇
由于無針注射器的整個注射過程在0.2秒以內[19],為此需要驅動力強而且快速響應的動力系統,熟讀相關資料,查閱相關信息,了解到現在的無針注射器主要采用電磁鐵、彈簧、高壓氣體、彈藥四種。
電磁鐵動力源的無針注射器的最大優(yōu)點在于可控性很強,而且結構簡單,不需要多余的復位裝置,使用便捷,安全可靠,可以直接進行復位,但現在技術還不夠成熟。
采用彈簧為動力源,將壓縮彈簧的勢能轉化為噴射藥液的動能,手壓縮彈簧,較容易進行機械加工,制造成本較低,但是操作繁瑣,不能自動注射吸入藥液后,不能調節(jié)注射劑量,不能連續(xù)注射,會產生噪音,但不是很大。
高壓氣體作為動力源在注射時遞送系統功能穩(wěn)定好,安全性、可靠性較高,產品精度較高,但是對裝置的安全性要求高,密封性要求嚴格,較難加工,所以制造成本較高,操作繁瑣,不能自動注射,由于采用氣泵提供能量,其體積較大,操作不方便。
彈藥動力源是通過引爆封閉氣室內的易燃物,氣體快速膨脹引起瞬間高壓,推動活塞注射,但是其結構過于復雜,并且安全性令人擔憂。
通過比較動力源為彈簧、高壓氣體、彈藥還有電磁力,根據安全方面、便捷方面、經濟方面以及技術可行方面考慮,本文選擇電磁力作為設計無針注射器的動力源。
3. 沖擊裝置和激發(fā)裝置的選擇
根據產品的設計要求,無針注射系統體積小、重量輕、便于攜帶,所以沖擊裝置要結構簡單、可靠、安全性能好,結合對動力源的選擇,本文采用以電磁力驅動沖擊活塞撞擊的結構設計。
以電磁力為動力源的無針注射器,注射時驅動力的大小可以通過調節(jié)電流的強弱來控制,也能通過電路的通斷來控制注射過程的開始和結束,最大限度的體現了電磁力作為驅動力的可控性高的特點。
撞針裝置結構簡單,而且操作方便,在機械傳動方面應用非常廣泛,因此選擇撞針來作為激發(fā)裝置[20]。
2.1.5 方案工作原理
電動無針注射器工作原理:手動為安瓿瓶吸入藥液,將安瓿瓶旋入注射器的調節(jié)桿中,將調節(jié)桿旋入調節(jié)套中,當對通電磁鐵進行通電時,通電磁鐵產生磁力作用,使鐵錘帶動支承座向前運動,彈簧受力壓縮變形,鐵錘高速撞擊撞針,撞針在控制套的控制下,在一定范圍內運動,帶動注射活塞運動,使安瓿頭中的藥液在短時間內通過安瓿頭前端的微細孔以高速狀態(tài)噴射出去,形成“水針”完成注射過程;注射完成后斷電,通電磁鐵磁力消失,彈簧恢復原長推動支承座和鐵錘恢復初始位置,完成復位。
2.2 電動無針注射器機械結構設計
2.2.1 彈簧設計
彈簧是電動無針注射器的重要組成部分,彈簧的功能是使無針注射器注射完成之后,實現復位后可以使電動無針注射器用于再次注射,所以彈簧的選擇很重要,彈簧的材質、形狀、尺寸都需要做出的設計,彈簧在工業(yè)生產中用途很多,所以彈簧的種類和樣式也是非常多的,按照彈簧的材質不同可以分為金屬彈簧和非金屬彈簧,在無針注射器中要求彈簧體積小,壓縮量少,要有較大的變形能[21],為此我們選用蓄能性能較好,剛度穩(wěn)定,結構簡單,制作方便的金屬圓柱螺旋彈簧。碳素鋼彈簧絲加工簡單、成本低、強度高而且價格低,市場上較常見,本設計采用65Mn彈簧鋼絲作為原材料,彈簧性能見表2-1:
表2-1 彈簧性能
材料名稱
牌號
直徑規(guī)格,mm
切變模量,GPa
彈性模量,GPa
使用溫度,℃
碳素彈簧鋼絲
65
0.08~6.0
79
203
- 40~120
通過演算和推導制定出符合條件的彈簧,對彈簧進行設計,彈簧設計圖如圖2-4所示:
圖2-4 彈簧設計圖
如上圖所示,彈簧設計參數為:
最小載荷P1=12N
最大載荷Pn=45N
工作極限載荷Pj=56N
有效圈數n=4
總圈數n1=6
壓并圈數n2=1
彈簧絲直徑d=1.5mm
截距t=8mm
最小載荷高度H1=30mm
最大工作高度Hn=12mm
螺旋角≤ 9o
彈簧的校驗:
許用切應力τ=686.4Mp
最小切應力τmin=171.7Mp
最大切應力τmax=643.9Mp
滿足靜壓應力要求
彈簧的疲勞強度安全系數Sp=1.31≥1.3~1.7
基本滿足疲勞強度要求
彈簧的臨界載荷Pc=53.7N>Pn
彈簧在沒有約束的情況下穩(wěn)定性較好
在彈簧受力過程中為了避免力量集中在彈簧的一側,使彈簧喪失穩(wěn)定而失效,需要在彈簧的末端磨平并緊貼在前一有效圈上,而被壓緊的物體也應該和彈簧末端形狀相配合,同樣原因,彈簧兩末端的端點應在相應的兩邊,以達到使彈簧均勻受力的目的。彈簧的作用就是復位,還應指出的是,彈簧成形后,需經220oC~330oC的低溫去除應力退火或發(fā)藍處理,或根據彈簧的作業(yè)條件與所選材料的性質的要求,需要進行淬硬及回火,以提高彈簧力。
2.2.2 外殼設計
容納機械零件的箱體結構,在注射過程中,其振動幅度較小,所以采用聚酰胺-6來加工殼體。由于聚酰胺-6具有高強度、耐油、抗震、滅銀等特點,廣泛應用于機床、汽車、機械、化工、紡織、交通運輸等工業(yè)部門[22]。適合制作各種類型的零部件,而且重量較輕,也可以使整體結構更加輕便。箱體內有一些溝槽是來固定內部的零件,箱體兩片有螺絲釘來固定,箱體為左右對稱的設計,外觀并沒有過多的情況,它的功能就是固定零件,把一些零件包裹在內,在沒有其他要求,設計的箱壁厚大約為5mm。其設計圖如圖2-3所示:
圖2-3 外殼設計圖
2.2.3 支撐座設計
電動無針注射器組成部分,需要考慮它的材料、性質和主體之間的配合,與支撐座相連的零件是彈簧和鐵錘。
在選用支撐座材料時,可以有多個選擇,可以選用金屬材料,塑料,和橡膠,但是由于電動無針注射器的對震動和材料的使用壽命有嚴格的要求,金屬材料會加大震動,不適合作為支撐座的材料,而塑料雖可以減小震動,但是它具有硬而脆特點,不能有效的周而復始的使用,所以也不會考慮使用,而橡膠材質有效減小震動并可以重復性的碰撞,可以提高支撐座的使用壽命,提高無針注射器的效率,所以選擇橡膠作為支撐座的材質,其設計圖如圖2-5所示:
圖2-5 支撐座設計圖
2.2.4 鐵錘設計
鐵錘是電動無針注射器的重要組成部分,電動無針注射器采用電磁鐵為動力源,將電能轉化為電磁能,然后將電磁能轉化為鐵錘的動能,鐵錘的動能傳遞給噴射藥液,藥液被注射到皮下或肌肉內發(fā)揮藥效。因為鐵錘要磁場的作用形成運動,需要對材料的型號進行選擇。
45號鋼化學成分含量碳是0.42-0.50%,Si含量為0.17-0.37%,Mn含量0.50-0.80%,Cr含量<=0.25%,45號鋼為優(yōu)質碳素結構用鋼,調質處理后零件具有良好的綜合機械性能,自身的硬度、耐磨性符合本次設計的要求,可以提高鐵錘的使用壽命,所以我們選用45號鋼作為鐵錘的材料,形狀為圓柱形。其設計圖如圖2-6所示:
圖2-6 鐵錘設計圖
電磁鐵通電后,形成磁場,推動鐵錘運動,鐵錘把能量傳遞給撞針,然后使藥液噴出,這個噴射過程完成之后,鐵錘需要復位,鐵錘是嵌入在支撐座上,在前一動作發(fā)生后,被壓縮的彈簧要恢復原狀,所以通過彈簧的彈性勢能轉化為動能使鐵錘恢復到原來所在的位置,最后整個無針注射就完成了。
2.2.5 撞針設計
撞針是電動無針注射器的傳遞能量的元件,電磁鐵的電磁能轉化為鐵錘的動能,鐵錘動能傳到安瓿頭就是用撞針傳遞的,然后進行無針注射,藥液被注射到皮下或肌肉內發(fā)揮藥效,撞針的復位是在安裝安瓿頭時,被推回原來位置,由于撞針會被周而復始的被撞擊和撞擊活塞,提高它的使用壽命是非常有必要的,45號鋼是零件的常用材料,它在市場上很容易買到,而且不貴,選擇45號鋼來制造撞針,撞針在電動無針注射器里就能更好地完成它的功能,提高無針注射器的使用效率。其設計圖如圖2-7所示:
圖2-7 撞針設計圖
2.3 本章小結
本章主要是對無針注射器進行總功能分析、功能分解、功能元求解、系統方案設計,并對其結構進行設計,有彈簧、外殼、支撐座、鐵錘和撞針,通過對無針注射器原理的了解和總體的設計實現所要達到的預期效果。
第3章 電動無針注射器的控制系統設計
3.1 電磁力計算
1.伯努利方程
伯努利方程是理想流體定常流動的動力學方程,意為流體在忽略粘性損失的流動中,流線上任意兩點的壓力勢能、動能與位勢能之和保持不變。
理想正壓流體在有事體積力作用下作定常運動時,運動方程沿流線積分而得到的表達運動流體機械能守恒的方程。對于重力場中的不可壓縮均質流體,方程式見式(3-1):
(3-1)
式中P、r、n分別為流體的壓強、密度和線性速度;h為鉛垂高度;g為重力加速度;C為常量。式(3-1)中各項分別表示單位體積流體的壓力能、動能和重力勢能,在沿流線運動的過程中,根據能量守恒的原則,式(3-1)可變形為式(3-2):
(3-2)
因為無針注射是水平注射的,所以h1=h2,,因此式(3-2)可以簡化為式(3-3):
(3-3)
一般而言,射流直徑在0.1mm~0.5mm之間變化時,15Mp的射流滯止壓力足夠穿透人的皮膚,藥液流速應在100m/s~200m/s之間,本裝置主要用于注射肉毒桿菌來進行美容,由于肉毒桿菌必須用生理鹽水來稀釋,且肉毒桿菌的含量特別低,所以藥液密度近似生理鹽水密度r?0.9×103kg/m3。每次注射進給量是8mm,注射時間為0.2s,綜上所述,把所有已知項通過式(3-3)可得出式(3-4):
(3-4)
P2 = 15.01MPa
又因為式(3-5): (3-5)
在理想狀態(tài)下,裝置內部的摩擦力全部忽略不計,電磁鐵產生的電磁力除了克服彈簧的彈力,其余全部轉化為對藥液的壓力,所以有式(3-6):
(3-6)
2.電磁鐵磁力計算
電磁鐵磁力計算大多經過多次推導得出,其中有一種如下式(3-7):
(3-7)
其中,m是導磁率,近似取值1,n為線圈匝數,I為線圈電流,S為鐵芯截面積,L為氣隙長度。根據導線截留量口訣可以粗略估計出導線截面和許用電流之間的關系,經過計算,當導線為橫截面積是1.5mm2的裸鋁線時,許用電流為11.25A,線圈匝數為32匝,氣隙為1.4cm。通過計算:
雖然計算結果比允許值略大,但是因為有墊圈的緣故,可以抵消一部分壓力,同時在進給過程當中不可避免的會有摩擦力的存在,因此可以認為略大的電磁力值是允許的。
3.2 驅動電路設計
3.2.1 電路元件
1.整流橋
為了使運動穩(wěn)定,實現無針注射器可以平穩(wěn)注射,應該選取直流電,但日常生活中使用的電都是220V的交流電,為了實現交流電變?yōu)橹绷麟姡枰胍粋€電路元件——整流橋。
橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路,只要在全波整流電路的基礎上增加兩只二極管口連接成“橋”式結構,便具有全波整流電路的優(yōu)點,而同時在一定程度上克服了它的缺點。整流橋的工作原理如圖3-1所示:
圖3-1 整流橋的工作原理
整流橋的作用就是能夠通過二極管的單向導通的特性將電平在零點上下浮動的交流電轉換為單向的直流電。橋式整流電路的工作原理如下:E2為正半周時,對D1、D3加正向電壓,Dl,D3導通;對D2、D4加反向電壓,D2、D4截止。電路中構成E2、Dl、Rfz、D3通電回路,在Rfz上形成上正下負的半波整洗電壓,E2為負半周時,對D2、D4加正向電壓,D2、D4導通;對D1、D3加反向電壓,D1、D3截止。電路中構成E2、D2、Rfz、D4通電回路,同樣在Rfz上形成上正下負的另外半波的整流電壓。橋式整流電路圖及波形圖如圖3-2和圖3-3所示:
圖3-2 橋式整流電路圖
圖3-3 橋式整流電路波形圖
實質上就是把4個硅二極管接成橋式整流電路之后封裝在一起用塑料包裝起來,引出4個腳,其中2個腳接交流電源,用符號~表示,兩個腳是直流輸出,用+和—表示。整流橋的樣式如圖3-4所示:
圖3-4 整流橋的樣式
2.延時繼電器
本設計主要用于美容中對肉毒桿菌的注射,屬微整形范疇,注射位置精度要求較高。但在注射開始時,在扣動開關的過程中,都會產生一定的震動使注射位置發(fā)生偏轉,為了防止注射位置的偏轉,需要引入另一個電路元件——延時繼電器。
常見延時繼電器有氣囊式和電子式的,還有鐘表式的[23]。氣囊式的是在利用電磁鐵啟動后氣囊中的氣體經由小孔放氣來延時執(zhí)行指令。電子式的由電子電路來延時執(zhí)行指令[24]。
這兩種延時繼電器都是當點的,控制時間不長精度也不高,在鍋爐運行和電動機的延時降壓啟動中經常使用,也能夠滿足要求。還有一種巖石計時器,可以滿足本次設計的使用要求。鐘表式的延時繼電器,利用鐘表的擒縱裝置來控制類似發(fā)條彈簧的釋放時間,精度高。
延時繼電器是一種利用電磁原理或機械原理實現延時控制的控制電器。當加上或除去輸入信號時,輸出部分需延時或限時到規(guī)定的時間才閉合或斷開其被控線路的繼電器。它的種類很多,有空氣阻尼型、電動型和電子型。在交流電路中常采用空氣阻尼型延時繼電器,它是利用空氣通過小孔節(jié)流的原理來獲得延時動作的。它由電磁系統、延時機構和觸點三部分組成。原理圖如圖3-5所示:
圖3-5 延時繼電器原理圖
空氣阻尼型延時繼電器的延時范圍大(有0.4~60s和0.4~180s兩種),它結構簡單,但準確度較低,一般多用于交流電路的延時。幾種常見的延時繼電器如圖3-6所示:
圖3-6 延時繼電器的樣式
時間繼電器的接線方法:
(1) 控制接線:你把它看成直流繼電器來考慮。3、7用來接12V控制電壓;2、7用來接24V控制電壓。其中的7當成直流電的負極,使用時接到零線。2接220V的火線。
(2) 工作控制:雖然控制電壓接上了,但是是否起控制作用,由面板上的計時器決定。
(3) 功能理解:它就是一個開關,單刀雙擲的,有一個活動點活動臂,就像常見的閘刀開關的活動刀臂一樣。8是活動點,5是常閉點,繼電器不動時,他們兩個相連。動作時,8、6相連。
(4) 負載接線:電源的零線或負極接用電器的零線或負極端。電源的火線或正極接8腳,用電器的火線端或正極接6腳,5腳空閑不用。
(5) 工作原理:計時無效期間,8、5相連,相當于我們平常電燈開關斷開狀態(tài)。有效時,繼電器動作,8、6相連,用電器得電工作,相當于我們平常電燈開關接通狀態(tài)。延時繼電器連線圖如圖3-7所示:
圖3-7 延時繼電器連線圖
3.2.2 電磁控制方案
電磁控制的過程為:扣動開關使開關閉合,整流橋把220V的交流電壓轉化成直流電壓,再通過延時繼電器進行延時作用后,傳遞給通電磁鐵。原理圖如圖3-8所示:
圖3-8 電磁控制原理圖
3.3 本章小結
本章主要介紹了無針注射器的電控裝置。通過對電磁力的計算和電控裝置的電路元件分析,建立了電磁控制方案,達到了對電動無針注射器的使用要求。
第4章 電動無針注射器的三維造型
在完成對產品的系統結構設計后,進行了三維造型的設計,在前面的論文中已經簡單的描述了各個零件的造型結構。接下來詳細的介紹一下三維造型的整個過程以及Pro/E軟件的介紹。
4.1 Pro/E簡介
1989年,美國PTC公司的一批技術人員研發(fā)推出了Pro/E軟件的第一個版本,它一經面世,就以它的尺寸驅動、基于特征設計的實體造型軟件深受用戶歡迎。Pro/E軟件很快就被廣泛應用于自動化、機械、電子、模具、汽車、航空航天、醫(yī)療器械等多個領域。
應用的是Pro/E Wildfire 3.0完成產品的三維造型,它具有易學易用、功能強大、互聯互通三大特色,全面提升了設計效率,達到節(jié)省時間和成本、大幅度提升產品設計品質的目標,它具有以下方面的特點:
1. 更加友好的用戶界面
2. 更加完善的3D繪圖
3. 更加豐富的CAD互操作性
4. 更加強大的互聯互通功能
5. 更加便捷的操控板
6. 更加快速的草繪工具
7. 更加快速的裝配
8. 更加快速的制圖
9. 更加快速的CAM
總之,Pro/E Wildfire 3.0全面細致的技術改進更加貼近了用戶,這些
重要的設計思想也是三維CAD系統的發(fā)展方向。
4.2 各零件的三維建模
4.2.1 安瓿頭的三維模型
打開Pro∕Engineer建模模塊,進行草繪,單擊旋轉,點擊對稱軸,輸入360,單擊確定,安瓿頭的主體就已經繪制出了,單擊倒角命令,對圖形進行倒圓角和倒角,單擊插入,選擇“螺旋掃描”選項,設置后螺旋掃描信息,生成圖如圖4-1所示:
圖4-1 安瓿頭的三維模型
連接套、調節(jié)桿和調節(jié)套也可用相同的“旋轉”和“螺旋掃描”方式進行建模,不再重復說明,生成圖如圖4-2、4-3和4-4所示:
圖4-2 連接套的三維模型
圖4-3 連接桿的三維模型
圖4-4 調節(jié)套的三維模型
4.2.2 墊圈的三維模型
打開Pro∕Engineer建模模塊,進行草繪單擊拉伸,輸入高度,單擊確定,生成圖如圖4-5所示:
圖4-5 墊圈的三維模型
擋圈、磁鐵套筒、控制套和活塞可用相同的“拉伸”方式進行建模,不再重復說明,生成圖如圖4-6、4-7、4-8和4-9所示:
圖4-6 擋圈的三維模型
圖4-7 磁鐵套筒的三維模型
圖4-8 控制套的三維模型
圖4-9 活塞的三維模型
4.2.3 支撐座的三維模型
打開Pro∕Engineer建模模塊。進行草繪,單擊旋轉,點擊對稱軸,輸入360,單擊確定,生成圖如圖4-10所示:
圖4-10 支承座的三維模型
鐵錘、撞針和通電磁鐵可用相同的“旋轉”方式進行建模,不再重復說明,生成圖如圖4-11,4-12和4-13所示:
圖4-11 鐵錘的三維模型
圖4-12 撞針的三維模型
圖4-13 通電磁鐵的三維模型
4.2.4 彈簧的三維模型
打開Pro∕Engineer建模模塊。單擊“插入”選擇“螺旋掃描”然后選擇“伸出項”選項,選擇可變參數和右手定則,單擊“完成”,選擇front平面,單擊平面,對掃描軌跡進行草繪,用螺距圖設置不同的螺距數據,草繪彈簧的截面,草繪完成后,出現定義好的“伸出項螺旋掃描”, 單擊“確定”后,出現生成的彈簧,如圖4-14所示
圖4-14 彈簧的三維模型
4.2.5 外殼的三維模型
外殼合了旋轉、拉伸、倒角等方式,這里不再多做說明,完成圖如圖4-15和4-16所示:
圖4-15 上外殼的三維模型
圖4-16 下外殼的三維模型
4.3 電動無針注射器的三維建模
設計的產品共有大約14個零件,每個零件圖按照嚴格的設計尺寸通過拉伸、旋轉、可變剖面掃描、螺旋掃描等命令完成的,在完成各個零件的繪制后,進入了裝配階段,打開Pro/E界面,單擊文件中新建,選擇組件,接下來進入裝配模塊,單擊插入,選擇元件中的裝配,然后選擇將要裝配的零件。裝配過程由左到右裝配,由頂到下依次裝配,主要通過找各個面的關系,對各零件進行定位,然后單擊“放置”菜單,選擇合適的約束類型,例如匹配、對齊、插入等約束,這就要求在草繪時,要保證其尺寸的精準性。
電動無針注射器的三維模型是通過很多零件裝配而成的,按照從左到右的順序裝配的元件有安瓿頭、調節(jié)桿、調節(jié)套、撞針、控制套、連接套、墊圈、磁鐵套筒、通電磁鐵、外殼、擋圈、彈簧、鐵錘、支撐座。對各零件進行定位,然后單擊“放置”菜單,選擇合適的約束類型,通過這些命令就把電動無針注射器裝配成功,在裝配工程中還有很多的注意事項,這樣才能把無針注射器的三維模型創(chuàng)建出來,電動無針注射器的三維模型如圖4-17所示:
圖4-17 電動無針注射器的三維模型
4.4 本章小結
本章首先是對Pro/E進行了簡介,然后對每個零件進行三維圖的繪制,安瓿頭、調節(jié)桿、調節(jié)套、撞針、控制套、連接套、墊圈、磁鐵套筒、通電磁鐵、外殼、擋圈、彈簧、鐵錘、支撐座的三維建模,完成無針注射器的裝配,對設計的結果直觀的表現出來,保證了設計的合理。
結論
本論文介紹了無針注射器的概念和原理,闡述了國內外發(fā)展狀況和本次設計電動無針注射器目的及意義,提出了研究內容,對設計方法的應用原理及方法后,分析了功能和結構產品的設計,開發(fā)了無針注射器,不僅完成了產品的設計任務,而且在理論和實踐中成功應用了理論設計方法。
通過對系統總體功能分析和各功能元的分析完成了總體方案設計。然后對彈簧,外殼,支撐座,鐵錘和撞針分別進行了設計,在設計過程中,根據設計要求,對無針注射器的結構進行設計,進一步改進部分機構,使其設計更加合理,完成無針注射器的總體位置布置及其初步總裝圖。這樣就完成了無針注射器的機械結構設計。通過對電磁力的計算和電控裝置電路元件的分析以及控制方案擬定完成了控制系統的設計。并且對電動無針注射器的零件和電動無針注射器進行了三維建模,這樣設計的合理性得到了極大地提升。
致謝
通過查找各類電動無針注射器的相關資料,直到今天,論文總算完成了,現在的內心感到無比的激動,也為自己能完成這項任務感到自豪。在設計過程中,我的指導老師給了我很大的幫助,如果沒有老師給與我?guī)椭?,我的畢業(yè)設計不會這樣順利,老師謝謝您,您辛苦了,還有同學們給與我的幫助,在我困惑時,他們幫我答疑解惑,當我迷茫時,他們領我找到正確方向,同學們,我愛你們,有你們在身邊真好,同時也要感謝我的父母在我做設計感到受挫給我鼓勵,為我加油。這次設計的完成,也標志著我大學生涯的結束,雖然自己以后不再是學生了,但我還是會以一個求知者的姿態(tài),去像學習,這是大學教會我的,感謝所有教過我的老師,這項任務的完成,是你們的功勞,你們給與我知識,給與我關懷,讓我順利的通過了大學學業(yè), 最后感謝和我一起生活四年的小伙伴,天天和你們在一起生活和學習,從你們身上學到了好多,在考慮問題方面很全面,做事樂觀積極。
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附錄
Numerical simulation of non-needle syringe and Analysis
Zhengrong Cui and Russell J. Mumper
Abstract : The CFD Fluent software without the work of the syringe needle to simulate the entire process, the liquid injection pipe pressure and the liquid jet-driven changes of speed. Simulation of the liquid jet in the air in the evolution process, as well as the jet penetrates the skin, the skin layer and subcutaneous layer of the whole process of proliferation. Qualitative numerical results and experimental results.
Key words: non-needle syringe; liquid jet; skin; puncture
1 Introduction
Needle-free injection device refers to the use of mechanical high-pressure generated by instantaneous asked to promote the Pharmacy (liquid or freeze-dried powder) through a micron-sized nozzles to form a high-speed jet, instead of needles to penetrate the skin into the subcutaneous tissue. No needle injections with no pain, no cross-infection, the advantages of ease of use.
Needle-free injection technology to avoid acid, enzyme destruction of drug absorption and stratum corneum skin barrier breakthrough, no first-pass effect, with higher bioavailability, applied to local anesthetics, analgesics, cardiovascular drugs, anti-tumor, anti-hepatitis drug, such as various types of drugs, especially for the acid, enzyme instability of biological macromolecules drugs injection to replace the ordinary local or systemic drug delivery for a wide range of disease prevention and treatment. The rapid absorption of the ordinary injection, high bioavailability, instability in the gastrointestinal t