Диссертация (1025996), страница 2
Текст из файла (страница 2)
По этим причинам в разных странах продолжаются многочисленныеисследования в области создания новых более эффективных и надежныхконструкций НВК.Использование активных магнитных подшипников (АМП) в аппаратевспомогательного кровообращения позволяет снизить показатели гемолиза итромбоза и увеличить срок службы устройства. Наличие бесконтактного подвесаротора является основным критерием НВК третьего поколения [80, 136, 168].Второй отличительной особенностью насосов нового поколения являетсявозможность работы в режиме пульсаций. Исследования последних лет показали,что устоявшееся мнение по поводу безопасности аппаратов вспомогательногокровообращения постоянного типа, следует пересмотреть.
Было установлено, чтопри длительном ношении подобных устройств у пациентов обнаруживаютсяосложнения, связанные с атрофией клапанов сердца, нарушением коронарногокровотока,охрупчиваниемсосудови,какследствие,внутреннимикровотечениями [110, 142, 152, 162, 182, 184, 191, 195]. В этой связи задачасоздания пульсаций на выходе из камеры насоса становится одной изприоритетных при разработке НВК нового поколения.Среди коммерческих насосов аксиального типа к третьему поколению в томсмысле, что использован магнитный подвес ротора, относится модель Incor,компании BerlinHeart постоянного кровотока. Пульсирующих аксиальных насосоввспомогательного кровообращения на мировом рынке пока нет.
В отличие отогромного числа исследований, посвященных изучению потока крови в камеренасоса, влиянию сдвиговых напряжений на эритроциты, проектированиюгеометрии проточной части, исследованию гидравлических показателей насоса –практически нет работ, связанных с изучением динамики ротора на активныхмагнитных опорах в условиях течения крови и режимов функционированиянасоса. АМП широко применяются в станкостроении, в вакуумных системах, ввысокоскоростном машиностроении [22, 24, 46, 47, 59, 66]. Как правило, объекты8имеют малый зазор, и в большинстве работ применяют линеаризованную уположения равновесия модель магнитного подвеса. В НВК применениемагнитных подшипников обусловлено, в том числе, их способностью обеспечитьбóльший по сравнению с другими видами опор зазор (0,2 мм), допускающийвращение ротора на больших скоростях с возникновением невысоких сдвиговыхнапряжений, что позволяет снизить травму эритроцитов.
Магнитный подвесявляется примером нелинейной системы, а устойчивость положения ротораопределяетсявыборомзаконауправления.Крометого,подобныежизнеобеспечивающие системы отличаются большим разбросом физическихпараметров и параметров функционирования. В найденных работах отсутствуютматематические модели нелинейной динамики ротора аксиального насосавспомогательного кровообращения на активных магнитных подшипниках (АМП)в потоке крови, а в качестве управления положением ротора применяющиеся вмедицинскойпрактикеНВКсмагнитнымподвесомиспользуютпропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) закон регулирования.Однако опыт современной прикладной теории управления и нелинейнойдинамики показывает, что для нелинейных систем линейное управление неявляется эффективным.На данный момент на российском рынке представлены только импортныеобразцы НВК.
Как было сказано выше, аксиальных насосов вспомогательногокровообращения пульсирующего кровотока на мировом рынке пока нет. Задачаразработки надежного, рассчитанного на длительное применение, отечественногоНВК нового поколения представляется перспективной. Анализ работ позволяетконстатировать, что до настоящего времени все еще отсутствуют научнообоснованные и экспериментально подтвержденные методики проектированиятаких сложных биомеханических систем, как НВК.
Особенно это касаетсяметодик проектирования роторно-магнитной части насоса. Поэтому созданиепульсаций кровотока и обеспечение устойчивого контролируемого поведенияротора в пульсирующих режимах функционирования аксиального насоса9вспомогательногокровообращениянамагнитныхопорахпредставляетсяактуальным.Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальныхисследований (грант № 15-29-01085 офи_м).Объект исследования: ротор аксиального насоса вспомогательногокровообращения на активных магнитных опорах.Цель диссертационной работы заключается в обеспечении: 1) устойчивойработы аксиального насоса вспомогательного кровообращения (НВК) наактивныхмагнитныхопорахвнезависимостиотразбросапараметровдинамической системы, 2) физически обоснованных пульсаций давлениякровотока за счет совершенствования конструкции и функционирования НВК.Научная новизна:1.Разработана математическая модель нелинейной динамики жесткогоротора аксиального НВК в двух радиальных активных магнитных опорах,учитывающая: гироскопические эффекты, нелинейности, сопряженные с зазороми электромагнитными силами подшипников, влияние потока крови, внешниекусочно-постоянные и гармонические воздействия инерционного характера, атакже возмущения вследствие неуравновешенности ротора.2.Выделены критерии подобия для класса роторов аксиальных насосоввспомогательного кровообращения, позволяющие проводить проектированиесистем 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 – засчет изменения скорости вращения ротора.4.Методоманалитическогоконструированияагрегированныхрегуляторов (АКАР) разработано нелинейное управление положением ротора вмагнитных опорах, обеспечивающее гарантированную динамику ротора, вчастности, в режиме пульсаций за счет изменения скорости вращения.10Достоверностьполученныхрезультатовобеспеченастрогостьюиспользованных математических методов, проверкой разработанных алгоритмови программ на модельных и тестовых задачах, сопоставлением полученныхавтором результатов с известными результатами аналитических, численных иэкспериментальных исследований.Внедрение.
Результаты диссертационной работы и разработанный пакетприкладных программ использованы при разработке эффективного управленияположением ротора аксиального насоса вспомогательного кровообращения вНПК «Швабе» (акт внедрения прилагается). Методика синтеза нелинейногоуправления многомерными, многосвязными объектами методом АКАР внедрена вучебный процесс кафедры прикладной механики в курсе «Нелинейная динамика».Практическая значимость работы заключается в следующих результатах: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.Разработануправленияпакетположениемприкладныхроторапрограммаксиальногодлянасосаэффективноговспомогательногокровообращения.Апробация.Результатыработыдокладывалисьиобсуждалисьнамеждународных 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.11Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, включая 4статьи в журналах, принадлежащих перечню ВАК РФ и 5 статей в журналах,входящих в перечень международной базы данных SCOPUS.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав,заключения и приложения. Изложена на 200 страницах машинописного текста,включая 53 иллюстрации, 11 таблиц и библиографический список, содержащий207 наименований.В первой главе выполнен обзор работ, посвященных теоретическим иэкспериментальнымвспомогательногоисследованиямкровообращения.направленияПредставленоразработкиактуальноенасосовсостояниенаправления, показаны проблемы, связанные с проектированием аппаратов,рассчитанныхнаусовершенствованиядлительноеприменение,существующихмоделейвыявленынасосовтенденциивспомогательногокровообращения.
Сформулированы цели и задачи исследования.Во второй главе, исходя из особенностей проектирования аксиальногонасоса вспомогательного кровообращения и условий его функционирования,предложена и обоснована расчетная схема и математическая модель нелинейнойдинамики ротора на активных магнитных опорах.
Модель включает нелинейнуюсхему магнитного подвеса, учитывает влияние потока крови, нежелательныевнешние воздействия инерционного характера, а также возмущения вследствиенеуравновешенности и гироскопические эффекты. Система дифференциальныхуравнений 8-го порядка приведена к безразмерному виду. Выделены характерныекритерии подобия.Третьяуправленияглаваметодомпосвященаразработкеаналитическогоэффективногоконструированиянелинейногоагрегированныхрегуляторов (АКАР), способного обеспечить требуемую динамику ротора в двухпульсирующих режимах работы НВК: за счет угловых колебаний ротора и за счетизменения скорости вращения ротора.
Критерии управления в каждом случаесформулированы в виде совокупности технологических инвариантов – целейуправления. Разработанные нелинейные законы управления обеспечивают12перевод изображающей точки роторно-магнитной системы из произвольногоначального состояния в области допустимых значений фазовых координатсначала на пересечение введенных инвариантных многообразий, а затем нацелевой аттрактор, где гарантированно выполняются требования динамикиобъекта управления. В случае пульсаций за счет угловых колебаний ротораповедение объекта управления на целевом аттракторе определяется эталонноймоделью нелинейной автоколебательной системы с заданной амплитудой ичастотой типа осциллятора Пуанкаре.
Проведены расчеты динамики ротора ссинтезированнымидляобоихпульсирующихрежимовработынасосавспомогательного кровообращения управлениями.Вчетвертойглавепроведенмодальныйанализ сопределениемсобственных частот колебаний ротора, а также исследование вынужденныхколебаний от действия неуравновешенных сил системы для двух режимовпульсаций, а также непульсирующего режима работы насоса вспомогательногокровообращения с синтезированными нелинейными управлениями. Проведенарасчетная оценка эффективности предложенных подходов к созданию пульсацийкровотока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
