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

Московский государственный технический университетимени Н. Э. БауманаНа правах рукописиБогданова Юлия ВладимировнаРАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯТРЕБУЕМОЙ ДИНАМИКИ РОТОРА АКСИАЛЬНОГОНАСОСА ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО КРОВООБРАЩЕНИЯНА АКТИВНЫХ МАГНИТНЫХ ОПОРАХСпециальность:01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель –Гуськов Александр Михайловичдоктор технических наук,профессорМосква – 20172ОГЛАВЛЕНИЕСтр.СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ ........................................................ 5ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................... 6ГЛАВА 1.АКТУАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКИ НАСОСОВВСПОМОГАТЕЛЬНОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ ................................................... 131.1.Типы насосов вспомогательного кровообращения..................................

141.2.Особенностипроектированиянасосоввспомогательногокровообращения ...................................................................................................... 191.2.1.Проблема высокого показателя гемолиза и тромбообразования ..... 191.2.2.Проблеманедолговечностииненадежностинасосоввспомогательного кровообращения ..................................................................

201.2.3.Проблема питания и управления режимами работы насосоввспомогательного кровообращения .................................................................. 201.2.4.Проблема пульсаций кровотока на выходе из камеры насосавспомогательного кровообращения .................................................................. 221.3.Магнитныйподвесроторанасосавспомогательногокровообращения ......................................................................................................

231.4.Исследование подходов к управлению положением ротора насосавспомогательного кровообращения на активных магнитных подшипниках ... 261.5.Анализ методов управления нелинейными системами ........................... 271.6.Методаналитическогоконструированияагрегированныхрегуляторов ..............................................................................................................

301.7.Предпосылкивыбораподходакуправлениюнелинейнойдинамикой ротора насоса вспомогательного кровообращения ......................... 331.8.Формулировка целей и задач исследования ............................................. 363Стр.ГЛАВА 2.МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ РОТОРА АКСИАЛЬНОГО НАСОСАВСПОМОГАТЕЛЬНОГОКРОВООБРАЩЕНИЯНААКТИВНЫХМАГНИТНЫХ ОПОРАХ ........................................................................................... 392.1.Расчетная схема ...........................................................................................

402.2.Уравнения движения ротора ...................................................................... 412.2.1.Моделирование радиальных магнитных подшипников ................... 462.2.2.Учет влияния электродвигателя на подвес ......................................... 502.2.3.Учет гидродинамического сопротивления .........................................

502.2.4.Внешние воздействия ........................................................................... 532.3.Приведение уравнений движения ротора к безразмерному виду .......... 542.4.Неустойчивость магнитного подвеса ........................................................ 592.5.Выводы по второй главе ............................................................................. 61ГЛАВА 3.СИНТЕЗ УПРАВЛЕНИЯАКСИАЛЬНОГОНАСОСАПОЛОЖЕНИЕМ РОТОРАВСПОМОГАТЕЛЬНОГОКРОВООБРАЩЕНИЯ НА АКТИВНЫХ МАГНИТНЫХ ОПОРАХ .................... 623.1.Суть метода аналитического конструирования агрегированныхрегуляторов .............................................................................................................. 633.2.Постановказадачиуправленияположениемроторанасосавспомогательного кровообращения на активных магнитных опорах ...............

643.3.Режим пульсаций за счет угловых колебаний ротора ............................. 683.3.1.Модель синергетического синтеза ...................................................... 713.3.2.Синтез управления положением ротора в режиме пульсаций засчет угловых колебаний ..................................................................................... 753.3.3.Расчетные данные ................................................................................. 834Стр.3.3.4.Динамика ротора с синергетическим управлением в режимепульсаций за счет угловых колебаний ротора ................................................. 883.4.Создание пульсаций за счет изменения скорости вращения ротора ..... 973.4.1.Синтез управления положением ротора в режиме пульсаций засчет изменения скорости вращения ................................................................

1003.4.2.Динамика ротора с синергетическим управлением в режимепульсаций за счет изменения скорости вращения ротора ............................ 1073.4.3.Исследованиепараметрическойробастностимоделиссинергетическим управлением ........................................................................ 1153.5.Выводы по третьей главе ..........................................................................

120ГЛАВА 4.АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДХОДОВ К СОЗДАНИЮПУЛЬСАЦИЙ КРОВОТОКА ................................................................................... 1224.1.Собственные частоты колебаний ротора ................................................ 1224.2.Дисбалансное поведение .......................................................................... 1264.3.Исследование влияния угловых колебаний ротора на перепаддавления ................................................................................................................. 1314.4.Исследование влияния изменения скорости вращения ротора наперепад давления ................................................................................................... 1344.5.Выводы по четвертой главе ......................................................................

136ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................... 137БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................................... 140ПРИЛОЖЕНИЕ .........................................................................................................

1595СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙАКАР – аналитическое конструирование агрегированных регуляторовАКОР – аналитическое конструирование оптимальных регуляторовАМП – активный магнитный подшипникИМ – инвариантное многообразиеИТ – изображающая точкаНВК – насос вспомогательного кровообращенияПИД – пропорционально-интегрально-дифференцирующийРНХ – расходно-напорная характеристикаССЗ – сердечно-сосудистые заболеванияСТАУ – современная теория автоматического управленияСТУ – синергетическая теория управленияХСН – хроническая сердечная недостаточностьCFD – Computational Fluid Dynamics6ВВЕДЕНИЕПо данным Всемирной организации здравоохранения основная причинасмертности во всём мире – сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ). В 2015 годуот ССЗ в общей сложности умерло 15 млн.

человек, что составило около 30 %всех случаев смерти в мире [15]. Большая часть заболеваний сердечнойнедостаточностью приходится на страны с низким и средним уровнем дохода.Ежегодно в странах Европы и США выполняется около 3,5 тыс. трансплантаций,тогда как в России количество возможных пересадок в год лишь немногопревосходит 150 (по данным седьмого Российского трансплантологическогообщества [19] количество пересадок донорского сердца в 2013 году – 164, в 2014году – 162).

Насосы вспомогательного кровообращения (НВК) являются, насегодняшний день, основной альтернативой трансплантации донорского сердцадля людей, страдающих острыми формами сердечной недостаточности.К настоящему времени разработаны и внедрены в практику различныеконструкции НВК, что позволяет пациенту дождаться донорского органа, если этоостается необходимым, – иногда удается восстановить нормальную работусердца, что связано с частичной его разгрузкой во время ношения НВК идальнейшей реабилитацией [99, 120].

Часто пациенты продолжают жить симплантированными насосами [52]. Поэтому основная задача разработки такихаппаратов заключается в повышении качества работы НВК.В процессе многолетней технологической эволюции насосы изменялись попринципу действия, внешним характеристикам и габаритам. От мембранныхнасосов пульсирующего типа больших размеров и ненадежных направлениеразработок в данной области перешло к устройствам роторного типа постоянногокровотока, максимально точно копирующих естественное течение крови всосудах. Вместе с тем, известные конструкции НВК имеют недостатки, связанныес ненадёжностью узлов конструкции, высоким показателем повреждаемостиклеток крови – гемолиза, непрогнозируемым тромбообразованием, проводным7питаниемпульсацийиуправлением,потокадлянеобходимостьюсохраненияобеспеченияэластичностинизкочастотныхпериферийныхсосудоворганизма.