Автореферат (Разработка методов обеспечения требуемой динамики ротора аксиального насоса вспомогательного кровообращения на активных магнитных опорах)

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Насосы вспомогательного кровообращения (НВК)являются, на сегодняшний день, основной альтернативой трансплантациидонорского сердца для людей, страдающих острыми формами сердечнойнедостаточности. Известные конструкции НВК имеют недостатки, связанные сненадёжностью узлов конструкции, большим показателем повреждаемостиклеток крови ввиду высоких сдвиговых напряжений – гемолиза,непрогнозируемым тромбообразованием, высоким энергопотреблением,необходимостью обеспечения низкочастотных пульсаций потока длясохранения эластичности периферийных сосудов организма.

Одним изприоритетных направлений исследований в этой области стала разработкааксиального НВК на активных магнитных опорах, способного обеспечитьпульсирующийкровоток.Готовогоаппаратавспомогательногокровообращения третьего поколения, т. е. роторного насоса без механическогоконтакта поверхностей, обеспечивающего пульсирующий поток крови насегодняшний день на мировом рынке пока нет. В отличие от огромного числаисследований, посвященных изучению потока крови в камере насоса, влияниюсдвиговых напряжений на эритроциты, проектированию геометрии проточнойчасти, исследованию гидравлических показателей насоса – практически нетработ, связанных с изучением динамики ротора на активных магнитных опорахв условиях течения крови и режимов функционирования насоса. Магнитныйподвес является примером нелинейной системы, а устойчивость положенияротора определяется выбором закона управления. Кроме того, подобныежизнеобеспечивающие системы отличаются большим разбросом физическихпараметров и параметров функционирования.

В найденных работахотсутствуют математические модели нелинейной динамики ротора аксиальногонасоса вспомогательного кровообращения на активных магнитныхподшипниках (АМП) в условиях течения крови и режимах функционированияНВК. На данный момент на российском рынке представлены только импортныеобразцы НВК. Задача разработки надежного, рассчитанного на длительноеприменение, отечественного НВК нового поколения представляетсяперспективной. Анализ работ позволяет констатировать, что до настоящеговремени все еще отсутствуют научно обоснованные и экспериментальноподтвержденные методики проектирования таких сложных мехатронныхсистем, как НВК.

Особенно это касается методик проектирования роторномагнитной части насоса. Поэтому создание пульсаций кровотока и обеспечениеустойчивого контролируемого поведения ротора в пульсирующих режимахфункционирования аксиального насоса вспомогательного кровообращения намагнитных опорах представляется актуальным.Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальныхисследований (грант № 15-29-01085 офи_м).Цель диссертационной работы заключается в обеспечении: 1)устойчивой работы аксиального насоса вспомогательного кровообращения(НВК) на активных магнитных опорах в независимости от разброса1параметров динамической системы, 2) физически обоснованных пульсацийдавления кровотока за счет совершенствования конструкции ифункционирования НВК.Для достижения указанной цели требуется решить следующие задачи:1.Построить математическую модель нелинейной динамикижесткого ротора в двух радиальных активных магнитных подшипниках сучетом гироскопических эффектов, включающую нелинейную модельмагнитного подвеса, учитывающую влияние потока крови, внешние кусочнопостоянные и гармонические воздействия инерционного характера, а такжевозмущения вследствие неуравновешенности ротора.2.Привести математическую модель ротора насоса вспомогательногокровообращения на активных магнитных подшипниках к безразмерному виду,выделив характерные для целого класса аппаратов вспомогательногокровообращения безразмерные комплексы (критерии подобия), позволяющиепроводить проектирование систем НВК для физически подобных конструкций.3.Оценить эффективность подходов к созданию пульсаций кровотоказа счет контролируемых угловых колебаний ротора, а также за счет измененияскорости вращения ротора по критерию изменения перепада давления навыходе из камеры насоса.4.Разработать нелинейное управление положением ротора насосавспомогательного кровообращения на активных магнитных подшипникахгарантирующее: а) точность позиционирования ротора в заданном положении –выше 4 мкм за счет компенсации внешних инерционных воздействий кусочнопостоянного и гармонического характера, а также нежелательных возмущенийвследствие неуравновешенности ротора; б) асимптотическую устойчивостьзамкнутой системы «объект – регулятор» в области допустимых значенийфазовых координат; в) параметрическую робастность системы; г) меньшиезначения управляющих токов в сравнении с линейным управлением; д)поддержание режима пульсаций кровотока за счет специально создаваемыхугловых колебаний ротора, а также за счет изменения скорости вращенияротора.Объект исследования: ротор аксиального насоса вспомогательногокровообращения на активных магнитных опорах.Методы исследования.

Для решения поставленных задач применялисьподходы нелинейной динамики, методы синергетической теории управления,современные методы математического анализа, высокоуровневая средаразработки алгоритмов, численных расчетов и анализа данных MATLAB.Научная новизна:1.Разработана математическая модель нелинейной динамикижесткого ротора аксиального НВК в двух радиальных активных магнитныхопорах, учитывающая: гироскопические эффекты, нелинейности, сопряженныес зазором и электромагнитными силами подшипников, влияние потока крови,внешние кусочно-постоянные и гармонические воздействия инерционногохарактера, а также возмущения вследствие неуравновешенности ротора.22.Выделены критерии подобия для класса роторов аксиальныхнасосов вспомогательного кровообращения, позволяющие проводитьпроектирование систем НВК для физически подобных конструкций.3.Дан анализ эффективности двух подходов к созданию пульсацийкровотока: за счет угловых колебаний ротора и за счет изменения скоростивращения ротора по критерию перепада давления на выходе из камеры насоса.Эффективным признан второй подход к созданию пульсирующего кровотока –за счет изменения скорости вращения ротора.4.Методом аналитического конструирования агрегированныхрегуляторов (АКАР) разработано нелинейное управление положением ротора вмагнитных опорах, обеспечивающее гарантированную динамику ротора, вчастности, в режиме пульсаций за счет изменения скорости вращения.Достоверность полученных результатов обеспечена строгостьюиспользованных математических методов, проверкой разработанныхалгоритмов и программ на модельных и тестовых задачах, сопоставлениемполученных автором результатов с известными результатами аналитических,численных и экспериментальных исследований.Практическая значимость работы заключается в следующихрезультатах:1.Разработана методика синтеза надежного и экономичного в смыслезначений управляющих токов нелинейного управления положением роторааксиального насоса вспомогательного кровообращения на активных магнитныхопорах, гарантирующего обеспечение требуемой динамики ротора в условияхдействия различного рода возмущений и изменения внутренних параметровмодели, а также поддерживающего пульсирующий режим работы НВК, в томчисле, за счет изменения скорости вращения ротора.2.Разработан пакет прикладных программ для эффективногоуправления положением ротора аксиального насоса вспомогательногокровообращения.Внедрение.

Результаты диссертационной работы и пакет прикладныхпрограмм использованы при разработке эффективного управления положениемротора аксиального насоса вспомогательного кровообращения в НПК «Швабе»(акт внедрения прилагается). Методика синтеза нелинейного управлениямногомерными, многосвязными объектами методом АКАР внедрена в учебныйпроцесс кафедры прикладной механики в курсе «Нелинейная динамика».Апробация.

Результаты работы докладывались и обсуждались намеждународных научно-технических конференциях «XIII Конгресс «Сердечнаянедостаточность» (Москва, 2013), «МИКМУС – 2015» (Москва, 2015),«Вибрационные технологии, мехатроника и управляемые машины» (Курск,2016), «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления» (Москва,2016), «Vibroengineering: Dynamics of Strong Nonlinear Systems» (Москва, 2016).Ежегодно на научных семинарах кафедры прикладной механики МГТУ им.Н.Э. Баумана.Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, включая 4статьи в журналах, принадлежащих перечню ВАК РФ и 5 статей в журналах,3входящих в перечень международной базы данных SCOPUS. Общий объемпубликаций составляет 4,43 п. л.Структура и объем работы.