骨科手术机构叶轮设计与气动力学分析

　　1　引言

　　骨科手术机构作为一种手术器械自20世纪70年代在日本问世以来,给脊柱骨科手术带来了一场革命,它体积小、重量轻、使用灵巧,仅有一个钢笔尺寸的大小。它解决了许多骨科医疗手术难题,特别是在颈椎外科开拓了新的手术技术。我国自20世纪80年代后期在一些城市大医院开始应用该骨科手术机构,并在脊柱外科手术中起到了积极和有效的作用,但目前的骨科手术机构还存在一定的问题,特别是其输出力矩较小,在使用过程中经常出现卡滞现象,增加了骨科手术的治疗时间。

　　骨科手术机构叶轮的结构原理源自牙钻手机风动涡轮转子,牙钻涡轮转子形状如图1所示,其涡流室在圆周面上六等分均布,每个涡轮片上有一垂直于转轴的局部圆柱面,这有效地加大了气流冲击叶片的面积,有利于提高涡轮转速。但这种形状的工艺性很差,制造成本很高。

　　骨科手术机构以压缩空气为动力源,利用高速气流冲击叶轮的叶片,其产生的驱动力矩用来克服骨科手术机构在钻、磨及切削时产生的阻力矩。根据力学知识,气流对叶轮叶片产生的驱动力矩与叶片的形状有关,因此本文主要研究骨科手术机构重要部分叶轮的结构设计及其气动力学分析。

　　2　骨科手术机构叶轮设计

　　2. 1　机构组成与工作原理

　　骨科手术机构机头结构如图2所示。

　　骨科手术机构的工作原理是将压缩机输出的压缩空气经过软管进入骨科手术机构的进气管,在进气口处,高速气流冲击叶轮叶片,根据动量定理,叶轮受到气流冲击后,获得一定速度的转动,叶轮的转动带动输出轴3(连结手术刀具)转动,完成骨科手术的钻、磨、切等手术操作,做功后的气流由排气管排出叶轮腔。连续不断的高速气流冲击叶轮,从而使叶轮连续转动。

　　2. 2　叶轮叶片形状分析与设计

　　骨科手术机构的叶轮结构是最重要的构件之一,而叶片形状设计的准则是在尺寸一定的前提下,尽可能地增大冲动力以获得足够的驱动力矩来克服骨科手术中钻削、磨削、切削时所产生的阻力矩,并依此来确定叶片的形状。

　　设气流以速度冲击图3a所示形状的叶片,由流体力学中射流原理可知,气流受到叶片的阻碍,气流方向将不断改变,最后以速度离开叶片。

　　假设在Δt时间内有mkg气流喷射在叶片上,根据牛顿定律,叶片对气流的作用力F为:

　　式中　a———气流的平均加速度、———分别为气流冲击叶片前后的速度由流体力学知识,单位时间通过的气流质量为质量流量,即,故上式可写为: