Николаев Г.А., Лощилов В.И. - Ультразвуковая технология в хирургии (1040534), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Вычисляя с учетом (75) интеграл (73), будем иметь: Мо / воо М =- — ' 11 в»+ 2агс сйп — '1. (76) 170 ) 1(в) рв Иг+ ) 1 (в) 1)в,)в ~рр «О вв в т (в) где 1(г) — погонный момент инерции произвольного сечения инструмента„.вр(з) — угол поворота произвольного сечения инструмента. Закон движения сечения г — з известен: Ч'(1) =Чв созр1+вр 1, (71) где Ч",— амплитуда угла поворота сечения при ультразвуковых колебаниях; вр, — постоянная угловая скорость вращения инструмента; р — круговая частота ультразвуковых колебаний. Подставляя (71) в уравнение (69) получаем для М„р. М„=М, ( — Ч",р з)п рг+ыо) — 7„»Ч»,рв соз рб (72) Среднее за период значение движущего момента определяется следующим образом: Ф М,р — — — ~ (М,( — Ч",рз)пр1+рв,) — 7 Ч",рвсозр1)Ж(73) Р и о Введем коэффициент снижения вращающего момента при наличии ультразвуковых колебаний сверла: Мврто (74у Мвр ор Проводя вычисления по формуле (72) примем, что зависимость момента сопротивления от угловой скорости сверла имеет вид (рис.
74): Отсюда получаем для коэффициента снижения вращающего момента у~ — 2' . 1пп 7(=2. +за»св1в — Чв р со Таким образом, наличие ультразвуковых. колебаний , сверла значительно уменьшает момент сил резания, что благоприятно сказывается на процессе сверления и облегчает работу режущего инструмента. Механизм сверления костной ткани с применением ультразвуковых колебаний состоит в следующем. Режущая грань сверла (аналогично клину ультразвуковой пилы) совершает продольные колебания, однако вследствие наличия в инструменте комплексных колебаний возмож.
но движение режущей кромки по сложной кривой, параметры которой опрелеляются соотношением между продольной и крутильной составляющей вектора амплитуды колебаний. Основнос преимушество ультразвукового сверления проявляется при прохождении кортикального слоя кости, прочностные характеристики которого достаточно велики. Как и при обычном сверлении резание материала кости происходит за счет возникновения в месте контакта режущего клина и материала напряжений, превышающих разрушающие. Однако прн наличии мнкроперемешений (продольных, тангенциальных илн комплексных), возникающих при действии на инструмент знакопеременных возмущающих сил, характер резания несколько изменяется в силу того, что колебательная скорость микроперемещений значительно превышает скорость поступательного и вращательного движения инструмента, происходит отрыв режущей грани инструмента (при Ч"(О, гле Ч" — колебательная скорость).
За это небольшое время возможно «засасывание» жидкости из влажной костной ткани в разряженное пространство, что способствует уменьшению сил трения при ходе клина вперед, выталкиванию костной стружки из зоны реза и лучшему охлаждению инструмента. Возможные кавитационные явления при наличии тонких жилкостиых прослоек между режущей гранью и материалом кости могут приводить к очистке поверхности реза от не- 1 желательных побочных явлений при сверленни (нажег, славливанне стружки в материал кости и т.
п.), а при 171 больших интенсивностях ультразвука возможен также эффект уменьшения усилия, необходимый для резекции кости, за счет возникновения значительных давлений в полостях. При воздействии ультразвука на инструмент резко уменьшается размер костной стружки, что тоже приводит к уменьшению температуры в зоне реза. Мелкая стружка обладает большим отношением поверхности к объему, а нагрев стружки вследствие ее незначительной теплопроводности идет лишь на ее поверхности.
Прн том же объеме удаляемой стружки более мелкая стру.жка способствует уменьшению температуры в зоне реза! Волноводы-инструменты для ультразвукового сверления имеют рабочую часть в виде сверла со спиральными канавками для улучшения отвода костной стружки. Нами проведен анализ работы такого вида инструмента. Наличие неоднородности поперечного сечения, в виде спиральной канавки, приводит к возникновению крутильной составляющей колебания.
Причем канавка выполнена на экспонснциальном инструменте-волноводе по закону: г=г,е — а'(г соз )7+! з!и У)+ Йг, (78) где 5 — шаг канавки", г,е--зххарактеризует экспоненци- альнос изменение радиуса концентратора; Ъ' †скалярн параметр; угол поворота полярного радиуса-вектора; г, 1,7г — орты. Тогда в параметрическом виде получим: х.=г,е — Ех соз У, у=г е-Ех з!пУ, Я е= — 1'. 2х Уравнение (78) позволяет произвести инструмснтовволноводов с постоянным и переменным шагом спиральной канавки различной глубины.
Уравнение для крутильных колебаний данного инструмента-волновода может быть записано в виде !53„541 — + —..— . — =О, (79) г! у ! гггр (х) гй~ р г( ге г(хг 7г (х) г(х г(х )г ' Шх где гр — угол поворота сечения; р, )г — плотность и модуль сдвига материала стержня; ! (х) †полярн момент инерции инструмента-волновода. г72 (81) где ))„р„— начальный и конечный углы наклона канав. ки; ! — длина инструмента-волновода; (; — коэффициент, 'зависящий от глубины канавки. Решение уравнения (79) для случая: г)~ — гр.еМг (82) С учетом установления синусоидальных форм колебаний при подстановке (82) и (79) получаем: где ахе м2 г(а Р я г„р Экспериментальные исследования распределения амплитуд крутильных и продольных колебаний, выполненные И.
В. Матвейчуком и А. И. Соколовым, графически ..представлены на рис. 75. Аналитическое исследование данных позволило устаповить' характер изменения напряжений по длине концентратора, вызванных продольными (е) и крутильными , (у) колебаниями с рядом экстремальных значений. Более плавный характер изменения Ах А,р; з(д); у(х) по длине инструментов-волноводов имеет место у трехзаходных волноводов При разработке способа ультразвукового свсрления ' главным являлось создание такого технологического ' 'процесса, который бы сохраняя основные качества обыч"-'ного сверления с помощью электросверлильных устройств . (высокую производительность, несложное управление, " ';неприхотливость в обслуживании), устранял бы по воз, ' можности недостатки, присущие ему. Снижение травма- (73 ! Применительно к исследуемому концентратору выведено уравнение: где )г' — радиус инструмента-волновода; г — радиус канавки: 5х — угол наклона канавки. () р но нк у,'с ггпп 20 ппемя, с 175 174 Рис.
76. Распределение амплнтул и деформаций по алине инстру мента. а — лвуьзаходвого; б — трехзатолвого. тичностн процесса возможно при уменьшении числа оборотов двигателя сверла до минимально необходимых для проведения процесса с одновременным уменьшением веса и габаритов сверлильной головки. Пони>кение температуры в зоне сверления возможно за счет уменьшения числа оГ>оротов двигателя, улучшения отвода стружки из зоны реза. Главное внимание при проведении экспериментальных исследований определения технологи 1еских параметров способа ультразвукового сверления было обращено двум факторам: а) производительности и безопасности процесса; б) температуре в зоне резания. Все эксперименты проводились со сверлами диаметром 4 мм, так как основные соотношения между технологическими параметрами сверления должны остаться неизменными, если свести их к удельным (по усилию, по крутящемуся моменту) и учитывать возможности изменения теплоотвода в сверлильную головку.
Использовались высушенные кости, т. е. имитировались наихудшие условия по теплоотдаче и для работы инструмента. В дальнейшем исследования проводились на нативных костях для выдачи более точных рекомендаций по применению предлагаемого способа. б гп м гп гб бп Рис. 7о. Тсмпсратурныгг эффект при обычном и ультразвуковом сиерлеиии.
1 — абМММЕ СВЕРЗЕВИЕ и=1470 О61МВВ, Рос 1.6 КГС; 2 — С УЛЬтРаЗВУКОМ— и=160 об~мни. 1=26,6 кгп, Л=:.4О мкм, Рос=1,6 кгс. Замер температуры производился во всех экспериментах одинаково: пробным сверлением определялась заданная глубина погружения сверла в костную ткань и после этого, отступая от этой глубины 1 мм, с другой стороны кости крепилась тсрмопара. Также проводились замеры по боковой поверхности отверстия. В графиках отражена ! максимальная температура. Сравнительные данные по температуре, возникающей в'зоне сверления, при сверлении кости, применяемой в настоящее время электродрелью и при сверлении такого же отверстия ультразвуковым инструментом, показано " на рис. 76.
Полученные результаты свидетельствуют о значитель. 'но большей температуре в зоне резания при элсктросверлеиии и о быстром росте ее, начиная с 5 с работы, что может привести к некрозу ткани. При увеличении глубины погружения сверла увеличивается трение его граней о боковую поверхность отверстия, что при большихоборотахтакже приводит к нарастанию температуры. Изменение частоты ультразвуковых колебаний при постоянных параметрах Р, А, 1, и влияет на тепловыделепие в зоне реза и на производительность процесса, вызванной изменениями числа колебательных движений и работы сил трения, а также работы, затраченной на преодоление сопротивления срезу костной ткани. Большее число колебаний в единицу времени должно несколько увеличивать производительность процесса, хотя, вероятно, это не главный фактор, ибо все-таки основной вклад в срез ткани вносится за счет вращения острых рсжущих кромок инструмента.
Увеличение частоты ультразвуковых колебаний от 22 до 32 кГц не приводит к существенному увеличению температуры и производительности при сверлении. Амплитуда ультразвуковых колебаний существенно влияет на производительность процесса и на температурный эффект (см. рис. 75). Увеличение амплитуды колебаний приводит к увеличению работы сил трения и работы на скалывание ткани в большей степени за счет возрастания «ударного» эффекта, т. е. проникновения сверла за одно колебание иа большую глубину. Результаты эксперимента показывают, что без применения дополнительного охлаждении амплитуду колебаний не следует устанавливать более 45— 50 мкм. Влияние оборотов сверла иа производительность и температуру при сверлении имеет неодинаковую тенденци1о (рис. 77).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
