Введение к работе
Актуальность проблемы
Во многих областях современной науки и техники существуют задачи, решение которых требует высокоточного перемещения объекта, исполнительного органа при "ползучих" скоростях движения (оборудование для выращивания кристаллов, сканирующие столики оптических и туннельных микроскопов и т.п.).
В медицине (травматологии и ортопедии) также существует проблема, связанная с высокоточными микроперемещениями на низких скоростях (около 1 мм в сутки) - автоматизация процесса остеосинтеза, т.е выращивание (регенерация) костной ткани под действием внешнего растягивающего усилия, поскольку катастрофически участились несчастные случаи и травмы, которые проявляются в виде переломов длинных трубчатых костей, выключающие человека на длительное время из активной деятельности.
Детский травматизм — проблема социальная, так как затрагивает широкий круг медицинских, экономических и социальных вопросов.
В последние годы эта проблема обострилась в связи с появлением большого числа раненых на локальных войнах в Афганистане, Таджикистане, Чечне, Дагестане и на других территориях.
С начала восьмидесятых годов предпринимаются попытки автоматами-, ровать процесс регенерации костной ткани при выполнении требования к автономности работы компрессионно-дистракционного аппарата.
Анализ известных конструкций аппаратов и проведенный научно-патентный поиск в данной области показали, что на современном этапе развития медицинской техники у специалистов травматологов и ортопедов нет реального, надежного, малогабаритного, легкого автономного аппарата автоматизированного остеосинтеза. Таким образом, решение проблемы создания легкого, малогабаритного, малоэнергоемкого исполнительного механизма для такого аппарата является актуальной задачей, решение которой откроет новые возможности для повышения качества лечения травм, переломов и заболеваний длинных костей конечностей.
Цель работы и задачи исследования
Разработка методики проектирования исполнительного механизма (ИМ) автономного ортопедического аппарата автоматизированного остеосинтеза {аппарата) на базе передач винт-гайка качения для создания циклических усилий и перемещений, близких к естественной регенерации костной ткани; разработка малогабаритного, легкого исполнительного электромеханического модуля и исследование его в составе аппарата.
Для достижения поставленной цели в данной работе решаются следующие задачи:
-
Синтез структуры и параметров ИМ в соответствии с предъявляемыми к нему требованиями с обеспечением минимальной массы привода.
-
Исследование распределения нагрузки по виткам резьбы передачи с длинными резьбовыми роликами.
-
Экспериментальные исследования кинематической точности, КПД и жесткости исполнительного механизма.
Автор защищает:
структурный и параметрический синтез ИМ аппарата; методику проектирования малогабаритного, легкого, с малым энергопотреблением электромеханического исполнительного механизма на базе передачи винт-гайка качения для создания микроперемещений при заданных осевых нагрузках;
результаты исследования распределения нагрузки по виткам резьбы передачи;
экспериментально полученные результаты исследований кинематической точности, КПД и жесткости исполнительного механизма;
- созданный опытный образец аппарата.
Методы исследования
Результаты работы получены на основе экспериментальных исследований и их теоретических обоснований с использованием ПЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на специально созданных стендах, а теоретические - с использованием методов синтеза и анализа, основ теоретической механики, теории упругости и математической статистики.
Степень обоснованности научных положений
Достоверность полученных в диссертации результатов обусловлена корректным выбором расчетной модели, использованием положений механики, теории упругости, применением измерительной аппаратуры соответствующей точности и положительными оценками специалистов-травматологов и ортопедов.
Научная новизна:
разработан структурный и параметрический синтез электромеханических ИМ на базе передач винт-гайка качения на основе системного подхода, унифицированных рядов микроэлектродвигателей и передач, итерационного процесса по выбору оптимального сочетания электродвигателя и ИМ при обеспечении минимальной массы привода;
разработана и обоснована методика определения распределения нагрузки по виткам резьбы, позволяющая оценить влияние параметров передачи, в том числе класс точности на грузоподъемность, жесткость, кинематическую точность и КПД;
получены результаты аналитического исследования распределения нагрузки по точкам контактов сопряженных резьб передачи в зависимости от параметров передачи;
получены результаты экспериментальных исследований КПД, жесткости передачи с длинными резьбовыми роликами, а также ошибки воспроизведения заданного перемещения исполнительными механизмами ортопедического аппарата автоматизированного остеосинтеза, подтверждающие основные положения методики проектирования роликовинговых передач.
Практическая значимость
На основании проведенных исследований спроектирован и изготовлен аппарат автоматизированного остеосинтеза. Получено заключение Комиссии по новой технике Минздрава РФ о полезности автономного ортопедического аппарата автоматизированного остеосинтеза.
Разработанная методика может использоваться для создания автоматизированных аппаратов других типоразмеров и для проектирования приводов линейного перемещения на базе роликовинговых передач других изделий в различных областях машиностроения и многих других областях современной экспериментальной науки и техники (оборудование для выращивания кристаллов, сканирующие столики оптических и туннельных микроскопов и т.п.).
Реализация полученных результатов
Результаты исследования внедрены в два опытных образца аппарата. Ведутся работы по получению на него сертификата соответствия.
Данные передачи в составе электромеханического исполнительного механизма использованы в механизме послеоперационной разработки локтевого сустава в ЦИТО им. Н.Н. Приорова и в исполнительных механизмах приводов сканирующего двухкоординатного столика оптического микроскопа, выполненного по заказу немецкой фирмы "KARL ZEISS JENA".
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на заседании методического семинара кафедры "Теоретическая и прикладная механика" ВлГУ; на Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (г.Рязань, РГРТА, 1997г.); на Международной конференции "Теория и практика зубчатых передач" (г. Ижевск, 1998 г.).
Исполнительный механизм аппарата экспонировался на двух международных выставках: в ФРГ (Ганновер, 1997 г.) и Дании (1999 г.); аппарат экспонировался на международной выставке в ФРГ (Ганновер, 1998 г.).
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 4 печатных работах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по главам, общих выводов и приложений. Общий объем - 128 страниц машинописного текста, включая 46 рисунков, 20 графиков, 1 схему, 19 таблиц. Список использованной литературы содержит 95 наименований.