陶德華 王 英 陳建能 榮權(quán)升 周 賢 束學(xué)道

1.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，寧波，3152112.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州，310018

脈動(dòng)血流發(fā)生器非圓齒輪-曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

陶德華1王 英1陳建能2榮權(quán)升1周 賢1束學(xué)道1

1.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，寧波，3152112.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州，310018

為使脈動(dòng)血流發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的脈動(dòng)性血流，提出了一種新型非圓齒輪-曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)用非圓齒輪副和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的組合傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)血流的脈動(dòng)。在滿足人體血流脈動(dòng)前提下，為使設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，采用2段三次Hermite插值多項(xiàng)式來(lái)對(duì)該機(jī)構(gòu)輸出構(gòu)件的加速度曲線進(jìn)行擬合，再由加速度曲線方程及其邊界條件推導(dǎo)出速度、位移和躍度曲線方程，運(yùn)用擬合得到的輸出構(gòu)件運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線方程推導(dǎo)出非圓齒輪副節(jié)曲線反求模型。根據(jù)實(shí)例求解分析得到的機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行三維建模和虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)能夠按照預(yù)期規(guī)律實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)血流，且該機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，同時(shí)驗(yàn)證了所構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線方程及所建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型的正確性。

脈動(dòng)血流發(fā)生器；非圓齒輪；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；Hermite插值；運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

0 引言

人體內(nèi)血液在心臟搏動(dòng)的作用下呈現(xiàn)脈動(dòng)性流動(dòng)[1-2]。在進(jìn)行心臟手術(shù)[3]的過(guò)程中，為保持人體血液實(shí)現(xiàn)正常流動(dòng)，保障人體正常新陳代謝，人體血液通過(guò)體外循環(huán)[4]過(guò)程后重新流入人體。血液體外循環(huán)的設(shè)備主要是人工心肺機(jī)[5]，其中動(dòng)脈泵[6]是人工心肺機(jī)的核心部分，其主要作用是代替患者的心臟維持患者正常的血液循環(huán)。目前臨床上常用的有滾壓泵和離心泵[7]，經(jīng)過(guò)此類泵體的血液流入人體為一穩(wěn)定流，非人體正?；顒?dòng)時(shí)的脈動(dòng)流。TAKEDA[8]研究發(fā)現(xiàn)，若是人體血液流動(dòng)為一穩(wěn)定流，會(huì)造成人體內(nèi)毛細(xì)血管破裂和人體內(nèi)部微循環(huán)形成分流等危害。PARSONS等[9]研究表明，人體血液流動(dòng)呈脈動(dòng)性變化時(shí)，人體內(nèi)的組織液流動(dòng)速度和體內(nèi)淋巴形成速度都普遍高于人體血液為穩(wěn)定流時(shí)，因此為使手術(shù)時(shí)血液循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生脈動(dòng)性血流，需添加一輔助裝置——脈動(dòng)血流發(fā)生器。目前市場(chǎng)上常采用氣動(dòng)和電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式[10]，推動(dòng)活塞按設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)血液的加速和減速，產(chǎn)生脈動(dòng)血流，為了提供穩(wěn)定的脈動(dòng)血液，其氣電控制系統(tǒng)需要具備較高的穩(wěn)定性，因此此類裝置通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度較大，造價(jià)較高[11]。另外，這兩種驅(qū)動(dòng)方式控制脈動(dòng)血流發(fā)生器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大噪聲[12]，不適用于需要相對(duì)安靜環(huán)境的手術(shù)室。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文根據(jù)人體血流脈動(dòng)法則，提出一種新型脈動(dòng)血流發(fā)生器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)通過(guò)非圓齒輪副和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的組合傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的脈動(dòng)血流。為了得到能夠?qū)崿F(xiàn)脈動(dòng)血流理想運(yùn)動(dòng)規(guī)律的機(jī)構(gòu)參數(shù)，并使設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，本文首先采用Hermite插值多項(xiàng)式擬合出該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出構(gòu)件需要滿足的運(yùn)動(dòng)曲線，然后在建立該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出非圓齒輪副節(jié)曲線反求模型，并基于MATLAB編寫(xiě)了該機(jī)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)與分析軟件，最后通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證所建立的分析模型的正確性及該機(jī)構(gòu)良好的傳動(dòng)特性。

1 脈動(dòng)血流發(fā)生器非圓齒輪-曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理

人體脈動(dòng)血流產(chǎn)生原理如圖1所示，圖1a表示此時(shí)血管處于舒張階段，血管內(nèi)腔容積增大，此時(shí)血量增加使得血流流速減緩；圖1b表示此時(shí)血管受到外部擠壓，受擠壓血管處內(nèi)腔容積變小，血液流速增大。這樣周期性的血管舒張和收縮使得人體血流流速產(chǎn)生脈動(dòng)性變化[1]，從而達(dá)到產(chǎn)生脈動(dòng)血流的目的?；诖嗽?，脈動(dòng)血流發(fā)生器通過(guò)控制活塞的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)體外循環(huán)血液流速的變化。

(a)血管舒張狀態(tài)(b)血管收縮狀態(tài)圖1 血流發(fā)生脈動(dòng)性變化原理圖Fig.1 Schematic of pulsatile changes of blood flow

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[13]是用曲柄和滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，且易得到較高的制造精度。圖1中活塞的直線運(yùn)動(dòng)可采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)的滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律有限，而非圓齒輪副用以實(shí)現(xiàn)兩軸間復(fù)雜的非線性傳動(dòng)，其傳動(dòng)規(guī)律由其非圓齒輪副節(jié)曲線向徑?jīng)Q定[14]。在滿足所要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律前提下，采用非圓齒輪傳動(dòng)可在很大程度上簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，從而提高機(jī)構(gòu)的綜合性能。因此本文將非圓齒輪機(jī)構(gòu)與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組合，運(yùn)用非圓齒輪副的非勻速傳動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)曲柄的非勻速輸入，并通過(guò)設(shè)計(jì)非圓齒輪節(jié)曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖2為脈動(dòng)血流發(fā)生器非圓齒輪-曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖。工作時(shí)，動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)鉸接于鉸鏈O1上的主動(dòng)非圓齒輪1做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)固連在鉸鏈O2上的從動(dòng)非圓齒輪2做非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)非圓齒輪2帶動(dòng)固連在其上的曲柄O2A轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)連桿AB的傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

1.主動(dòng)輪 2.從動(dòng)輪 3.曲柄 4.連桿 5.滑塊圖2 脈動(dòng)血流發(fā)生器非圓齒輪-曲柄滑塊式 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of non-circular gear slider-crank driver mechanism of pulsating blood flow generator

2 脈動(dòng)血流發(fā)生器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線方程的建立

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線的邊界條件及構(gòu)思

人體血流脈動(dòng)法則[1]將血液流動(dòng)劃分為舒張期和收縮期兩個(gè)階段，舒張階段血液流動(dòng)較緩，收縮階段血液流動(dòng)加快，兩階段持續(xù)時(shí)間比例為2∶1，即脈動(dòng)血液發(fā)生器輸出構(gòu)件回程時(shí)間與推程時(shí)間之比為2∶1。為此本文提出的脈動(dòng)血液發(fā)生器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律需滿足表1中的條件，設(shè)定該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一個(gè)周期時(shí)間為T(mén)，滑塊最大位移量為smax，易知滑塊在轉(zhuǎn)向處速度大小為0，為使所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小，設(shè)定滑塊轉(zhuǎn)向時(shí)加速度大小為ax、躍度值為jx。

表1 脈動(dòng)血流發(fā)生器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)邊界條件Tab.1 Boundary condition of driving mechanism ofpulsating blood generator

本文采用2段Hermite插值多項(xiàng)式來(lái)構(gòu)建脈動(dòng)血流發(fā)生器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中滑塊的理想運(yùn)動(dòng)曲線。為使滑塊運(yùn)動(dòng)連續(xù)，其加速度曲線必須為光滑連續(xù)曲線，但考慮到加工精度及制造費(fèi)用隨所采用多項(xiàng)式的冪次的增加而增加，本文在滿足該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作要求的情況下，選用2段三次Hermite插值多項(xiàng)式來(lái)對(duì)滑塊加速度曲線進(jìn)行擬合，然后對(duì)加速度曲線方程進(jìn)行積分運(yùn)算，得到滑塊的速度曲線方程，再對(duì)速度曲線方程積分運(yùn)算得到滑塊的位移曲線方程，該加速度曲線方程對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)可得躍度曲線方程。

2.2 加速度方程的構(gòu)建

由表1可知，所設(shè)計(jì)的非圓齒輪-曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律按時(shí)間可分為[0,2T/3]和[2T/3,T]兩個(gè)區(qū)間。

(1)當(dāng)t∈[0,2T/3]，即滑塊處于回程階段時(shí)，其加速度曲線用三次Hermite多項(xiàng)式可表示為

(1)

(2)

(2)當(dāng)t∈[2T/3,T]，即滑塊處于推程階段時(shí)，其加速度曲線方程可表示為

(3)

(4)

因此用2段Hermite三次多項(xiàng)式構(gòu)造的滑塊一個(gè)周期內(nèi)加速度方程可表示為

(5)

2.3 速度方程的構(gòu)建

(6)

其中，回程階段速度方程積分常數(shù)C1=0，推程階段速度方程積分常數(shù)C2=10axT+2jxT2。

2.4 位移方程的構(gòu)建

(7)

其中，回程階段位移方程積分常數(shù)

(8)

推程階段位移方程積分常數(shù)

(9)

由式(8)和式(9)可知，要使所構(gòu)建方程滿足所設(shè)定邊界條件，加速度值ax和躍度值jx需滿足如下條件：

(10)

2.5 躍度方程的構(gòu)建

(11)

3 非圓齒輪-曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

如圖3、圖4所示，建立以O(shè)1點(diǎn)為原點(diǎn)、水平方向?yàn)閤軸、豎直方向?yàn)閥軸的坐標(biāo)系O1xy，建立以O(shè)2點(diǎn)為原點(diǎn)、水平方向?yàn)閤′軸、豎直方向?yàn)閥′軸的坐標(biāo)系O2x′y′，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

1.主動(dòng)非圓齒輪 2.從動(dòng)非圓齒輪圖3 非圓齒輪機(jī)構(gòu)Fig.3 Non-circular gears mechanism

1.曲柄 2.連桿 3.滑塊圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)Fig.4 Slider-crank mechanism

3.1 非圓齒輪副運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型

表2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters of the kinematic model

(12)

根據(jù)非圓齒輪傳動(dòng)原理[14]，主動(dòng)輪節(jié)曲線方程為

(13)

從動(dòng)輪節(jié)曲線方程為

(14)

3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

曲柄固連于非圓齒輪副的從動(dòng)齒輪上，即曲柄旋轉(zhuǎn)中心與從動(dòng)非圓齒輪軸心為同一旋轉(zhuǎn)中心，因此曲柄的角位移(和角速度)等于從動(dòng)齒輪的角位移(和角速度)。為方便后續(xù)計(jì)算，設(shè)定初始時(shí)刻曲柄與水平面夾角為0，即圖4中虛線位置，在坐標(biāo)系O2x′y′中，由圖4中幾何關(guān)系可得

A點(diǎn)坐標(biāo)：

(15)

B點(diǎn)坐標(biāo)：

(16)

sinα=(yB-yA)/l2

由于本文驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中采用對(duì)心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，即yB=0，所以sinα=-yA/l2。

滑塊位移可表示為

s=xB-(l2-l1)

(17)

由式(15)～式(17)可得

(18)

式(18)對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)，得滑塊速度

(19)

式(19)對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)，得滑塊加速度

(20)

3.3 非圓齒輪副節(jié)曲線反求設(shè)計(jì)

將第2 節(jié)構(gòu)建的滑塊運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線方程代入第3節(jié)推導(dǎo)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可反向求解出滿足目標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的非圓齒輪節(jié)曲線，具體步驟如下。

(1)整理式(18)可得從動(dòng)非圓齒輪角位移

(21)

將構(gòu)建的滑塊位移曲線方程s(t)(式(7))代入式(21)，可求得不同時(shí)刻從動(dòng)非圓齒輪角位移φ2。

(2)由式(19)可得從動(dòng)非圓齒輪角速度

(22)

(23)

(4)將式(23)代入式(13)、式(14)中即可求得相應(yīng)的非圓齒輪節(jié)曲線。

4 設(shè)計(jì)與分析軟件及應(yīng)用實(shí)例

4.1 設(shè)計(jì)與分析軟件

根據(jù)前文建立的脈動(dòng)血流發(fā)生器非圓齒輪-曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于MATLAB開(kāi)發(fā)了該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輔助設(shè)計(jì)與分析軟件，其軟件界面如圖5所示。

圖5 脈動(dòng)血流發(fā)生器非圓齒輪-曲柄滑塊式 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件Fig.5 Analysis and design software of non-circular gear slider-crank type drive mechanism of pulsating blood flow generator

該軟件可根據(jù)給定的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線邊界條件構(gòu)建運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線方程，計(jì)算滿足運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求的非圓齒輪節(jié)曲線，并可進(jìn)行非圓齒輪-曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和分析。

4.2 應(yīng)用實(shí)例

設(shè)定該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)周期T=1 s，輸出構(gòu)件最大位移量smax=30 mm，則主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速為60 r/min，滑塊處于行程階段時(shí)間約為0.333 s，回程時(shí)間約為0.667 s。依據(jù)式(10)可得出該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)角處的加速度值大小ax=1012.5 mm/s2及其相應(yīng)位置的躍度值大小jx=12 150 mm/s3，則第2節(jié)中所構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)曲線多項(xiàng)式相關(guān)系數(shù)及積分常數(shù)如下。

(1)回程階段：a0=-1012.5，a1=11 925，a2=-41 006.25，a3=41 006.25，C1=0，D1=30。

(2)推程階段：b0=-177 187.5，b1=668 250，b2=-820 125，b3=328 050，C2=34 425，D2=-5235。

由此，采用2段三次Hermite多項(xiàng)式擬合而成的輸出構(gòu)件運(yùn)動(dòng)曲線及其躍度曲線見(jiàn)圖6。

圖6 Hermite多項(xiàng)式擬合滑塊運(yùn)動(dòng)曲線 及其躍度曲線Fig.6 Hermite interpolation polynomials and jerk diagram of slider movement

設(shè)定該機(jī)構(gòu)中l(wèi)1=15 mm，l2=100 mm，a=100 mm。將上述參數(shù)輸入分析軟件可求得非圓齒輪副傳動(dòng)比如圖7所示，主從動(dòng)輪節(jié)曲線如圖8所示。

圖7 非圓齒輪副傳動(dòng)比函數(shù)曲線Fig.7 Non-circular gear ratio function

1.主動(dòng)輪 2.從動(dòng)輪圖8 非圓齒輪副節(jié)曲線Fig.8 Computed pitch curves of non-circular gear pair

1.主動(dòng)輪 2.從動(dòng)輪圖9 非圓齒輪副齒廓Fig.9 Tooth curves of non-circular gear pair

5 虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)例分析得到的機(jī)構(gòu)參數(shù)，基于SolidWorks三維建模軟件完成該機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型的建立和虛擬裝配，如圖10所示。

1.機(jī)架 2.主動(dòng)輪 3.從動(dòng)輪 4.偏心圓盤(pán)(曲柄) 5.連桿 6.滑塊圖10 三維實(shí)體模型Fig.10 3D solid model of mechanism

將該實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得到的滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性曲線如圖11所示，仿真結(jié)果顯示滑塊正向速度峰值為158.365 mm/s；負(fù)向速度峰值為-70.518 mm/s，滑塊加速度正向峰值為1035.633 mm/s2；負(fù)向加速度峰值為-1883.32 mm/s2，滑塊位移區(qū)間為[0,30]mm。

圖11 運(yùn)動(dòng)特性曲線Fig.11 Kinetic characteristic curves

滑塊位移仿真結(jié)果與用Hermite多項(xiàng)式擬合的位移曲線對(duì)比如圖12所示，可見(jiàn)兩曲線基本吻合，滑塊到達(dá)兩轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)間基本相同，說(shuō)明所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)能夠按照預(yù)期的滑塊回程階段與推程階段時(shí)間比為2∶1的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，滑塊在折返處的速度連續(xù)，加速度無(wú)較大突變，說(shuō)明該機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。兩曲線不完全重合的主要原因是虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，考慮了各零件材料屬性，會(huì)發(fā)生一定量的變形，而插值法擬合成的曲線是理想狀態(tài)下的滑塊位移，因此所構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線方程及所建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型是正確的。

圖12 理論與虛擬實(shí)驗(yàn)得到的滑塊位移曲線對(duì)比Fig.12 A comparison between theoretical and suppositional experimental results of slider displacement

6 結(jié)論

(1)采用三次Hermite插值多項(xiàng)式構(gòu)建滑塊理想運(yùn)動(dòng)曲線，再代入非圓齒輪-曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型反求出非圓齒輪副參數(shù)，此種方法適用于研究對(duì)輸出構(gòu)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律有精確要求的機(jī)構(gòu)。

(2)根據(jù)所建立的該機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，基于MATLAB軟件GUI平臺(tái)開(kāi)發(fā)了脈動(dòng)血流發(fā)生器非圓齒輪-曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輔助分析設(shè)計(jì)軟件，利用該軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，得到能夠?qū)崿F(xiàn)脈動(dòng)血流的結(jié)構(gòu)參數(shù)。所開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)軟件為該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析提供了方便快捷的平臺(tái)。

(3)對(duì)比虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)和理論分析得到的結(jié)果，仿真所得輸出構(gòu)件運(yùn)動(dòng)位移曲線與理想位移曲線吻合度較高，滑塊處于回程階段與推程階段時(shí)間比為2∶1，說(shuō)明提出的非圓齒輪-曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以滿足脈動(dòng)血流發(fā)生器產(chǎn)生脈動(dòng)血流的功能要求，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的可行性。

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(編輯 王旻玥)

Design and Analysis of Non-circular Gear Slider-Crank Mechanisms Used as Driver for PulsatingBlood Flow Generators

TAO Dehua1WANG Ying1CHEN Jianneng2RONG Quansheng1ZHOU Xian1SHU Xuedao1

1.Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics,Ningbo University,Ningbo,Zhejiang,3152112.College of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou,310018

A novel non-circular gear slider-crank mechanism was proposed to make pulsating blood flow generators produce stable pulsations of blood flows. The blood flow pulsations were realized by the combination of non-circular gears and slider-crank mechanisms. In order to make the designed mechanism run smoothly, the acceleration curves of the output components of the mechanism were fitted by the 2 sections of cubic Hermite interpolation polynomials under the preconditions of satisfying the law of human body blood flow pulsations, and then the equations of velocity, displacement and jerk of the output components were deduced according to the equations of the acceleration curves and the boundary conditions. The non-circular gears section curve reverse model was obtained by the output component kinematics curves equations. The 3D solid model of this mechanism was established based on mechanism parameters obtained from instance analysis and the virtual prototype test was performed after modeling. The comparison between the results of virtual simulation experiments and theoretical analyses shows that the designed mechanism may realize the pulsating blood flows according to the laws of expected, and the mechanism has fine kinematics characteristics, also verifies the correctness of the equation of kinematics curves and the kinematic analysis model.

pulsating blood flow generator; non-circular gear; slider-crank mechanism; Hermite interpolation; kinematics characteristic

2017-03-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51505239，51675486)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LQ15E050003)；寧波市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015A610099)

TH122;R318.6

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.16.004

陶德華，男，1993年生。寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)分析與綜合。王 英(通信作者)，女，1989年生。寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院講師。E-mail：wangying5@nbu.edu.cn。陳建能，男，1972年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。榮權(quán)升，男，1993年生。寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院碩士研究生。周 賢，男，1994年生。寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院碩士研究生。束學(xué)道，男，1968年生。寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。