人工心臟液力懸浮支承結構設計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象，針對懸浮支承結構設計及其血液相容性展開系統(tǒng)研究。開展了懸浮支承軸承結構設計、結構參數優(yōu)化、穩(wěn)定與脈動條件下的轉子懸浮位移測試、液力懸浮軸承結構的血液相容性等研究，為人工心臟液力懸浮支承結構設計和血液相容性研究提供了有價值的參考。
　　本文首先根據液力懸浮支承流場的特點建立了懸浮支承間隙內流體流動的數學模型，并在此基礎上初步開展了向心軸承和止推軸承的結構設計;其次，開展人工心臟球型液力懸浮軸承

2、結構設計，并進行了相關的實驗研究;對于錐型液力懸浮軸承結構，通過數值模擬對比分析了不同最小間隙內流體流動特性及懸浮支承力;對于主軸開設螺旋槽型懸浮支承軸承結構，結合正交實驗設計給出了一組最優(yōu)螺旋槽設計尺寸;在此基礎上，提出了一種低血栓螺旋槽液力懸浮軸承結構設計方法，并對上止推軸承內流體進行了數值模擬，分析三種典型螺旋槽結構設計的流量、懸浮支承力和壓力之間的關系，同時引入此類懸浮支承結構的承載力-流量特征平面，并通過該特征平面對比分析了多

3、種類型液力懸浮支承結構設計的流量與懸浮支承力范圍。再次，對穩(wěn)定運轉和脈動干擾下的液力懸浮支承位移進行了實驗研究，測試了不同工況下，穩(wěn)定懸浮支承液膜在軸向與徑向的運動參數和懸浮位移之間的關系，并分析了相應的軸承懸浮穩(wěn)定性能。最后，對液力懸浮支承間隙內流體的血液相容性進行了數值模擬，分析了不同懸浮支承結構和不同進出口壓力對懸浮支承流體的溶血特性影響，并通過動物實驗對液力懸浮支承結構的抗血栓性能進行了評價。
　　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流動特性的基礎上，建立了穩(wěn)態(tài)載荷下液力懸浮支承流場的數學模型，并初步開展了向心軸承和止推軸承的結構設計。在此基礎上，開展了人工心臟球型液力懸浮軸承結構設計和實驗研究、錐型和主軸開設螺旋槽型懸浮軸承結構人工心臟的結構設計和數值模擬。通過實驗研究，研究設計的球型液力懸浮支承結構是否滿足懸浮要求;通過數值模擬，開展錐型懸浮支承結構最小間隙與懸浮支承力之間關系的研究，給出主軸開

5、設螺旋槽型液力懸浮支承結構的最大懸浮支承力結構設計參數，并對比分析了兩種懸浮支承結構內流體的流量。
　　2.低血栓螺旋槽液力懸浮軸承結構設計及數值模擬。
　　設計了一種新型螺旋槽軸承，并將其應用到以長期植入人體為目標的人工心臟轉子支承中。螺旋槽設計的特點是其寬度隨著半徑的變大而逐漸變窄，從而可以利用動壓效應增加懸浮支承力，且螺旋槽的旋線方向與轉子旋轉方向相同可以促進流體流動，增加懸浮間隙中的流量，從而有效避免血栓。通過三維數

6、值模擬對新型螺旋槽設計與傳統(tǒng)設計進行對比，并引入表征流量和懸浮支承力關系的特征平面，對多種類型的螺旋槽軸承設計的進行承載力-流量對比，將對比結果統(tǒng)一于同一個承載力-流量特征平面中，通過該特征平面直接給出各種類型螺旋槽設計的承載力/流量變化。
　　3.液力懸浮支承位移測試實驗研究。
　　選用具有較好承載力/流量特性的液力懸浮支承結構參數，設計并加工液力懸浮測試泵，搭建穩(wěn)態(tài)條件和脈動條件下軸向、徑向測試實驗臺，測試懸浮轉子在軸向

7、的絕對位移和徑向間隙的變化情況。對于穩(wěn)態(tài)條件下的位移測試，通過研究轉速、螺旋槽結構參數與轉子懸浮位移的關系，給出各種懸浮支承結構能夠穩(wěn)定支承的轉速范圍、徑向轉子運動的間隙變化范圍，研究轉子徑向運動軌跡的變化規(guī)律;對于脈動條件下的位移測試，通過測試不同脈壓下軸向位移量和徑向間隙變化量，分析對比不同工況下懸浮支承液膜的變化情況，通過計算得出徑向半徑間隙與偏心距的差值變化情況，分析轉子的懸浮穩(wěn)定性能并給出轉子能夠穩(wěn)定懸浮的轉速調節(jié)范圍。