手術床的二級提升設計

楊旗 薛強

(沈陽理工大學機械工程學院，沈陽 110000)

當前手術床設計在智能化方面創新較多，往往忽略了機械結構上的新思維。智能化方向主要為PLC，控制電路設計新穎，以及部分故障檢測及時反饋設計，但結構方面比較普通，多采用液壓和電機驅動，提升裝置多是一階提升，行程較大，易出現應力集中及不穩定的問題。若行程過大，在極限行程使用時油缸內的油會對活塞和導向套密封件形成回流背壓狀態沖擊，若是限位不精準還容易造成碰撞損傷。為此，設計一種手術床的二級提升裝置，減小單個液壓缸提升行程，對手術增添穩定性和可靠性。

1 二級提升的工作原理及結構設計

選用二級提升裝置，以液壓缸為動力源。采用兩個液壓缸為動力源的二級提升裝置，各支撐板間通過導軌滑塊進行連接，大大減少液壓缸的行程，可使手術床提升范圍相對一階提升手術床增加200～300mm，對于提升過大的手術體位，通過一級提升帶動二級液壓缸同步運動，之后再通過二級液壓缸進行二階段提升，比較穩定，定位更精確，其內部結構更為緊湊。由于手術床為反復常用設備，二級提升能夠增加單個液壓缸的使用壽命，比一級提升更實用。因此在設計當中，考慮手術床需要更精確的位置以及高頻率的使用，一階提升在高頻使用條件下和高行程的條件下，易出現使用壽命低的不足和位置不精確等問題。因此，選用二階提升來彌補這些不足問題，降低行程，提高精度和使用壽命。其設計如圖1 所示。

二級提升工作原理為：通過液壓缸2 帶動提升板4 和液壓缸1 同步運動，其運動范圍為0～300mm，如需要更大行程，則液壓缸1 可后續帶動提升板5 運動，實現二級提升。各提升板和支撐板間通過滑塊導軌連接，實現各個提升運動。

圖1 二級提升裝置（1、2 液壓缸，3、4、5 支撐板）

圖中二級提升大體結構為液壓缸（1 和2），支撐板（3、4 和5）。若為一級提升其結構為液壓缸2，支撐板（3 和4）即可，其中一級提升需要液壓缸更大的行程，且對于手術床的床體的支撐重心在支撐板4 上，結構單一。而二級提升中增加了1和5 裝置，在提升過程中，會產生重心的偏移，使得重心位置由支撐板4 上部轉移到支撐板5 的下部，其重心位置比一級提升的重心位置低很多，由重心越低越穩定可得出，二級提升比一級提升更穩定。而且由圖可以看出，結構1、5 和4 能構成三角形狀，也能得出結構比一級提升更穩定。考慮到手術床在手術過程當中的精確性和穩定性，以及患者在手術中的移動、震動等因素，手術床體越穩定越能保證手術的成功，因此二級提升具有一定的優越性和合理性。在設計當中還要考慮到防污染等因素，對于導軌滑塊的潤滑可考慮脂潤滑或者在潤滑面貼上一層塑料，用來防止手術中油污等污染因素。在手術過程中患者往往會因為各種因素而產生便失禁等正常生理反應，因此在結構的設計中可以發現，二級提升比一級提升空出更多的有效利用位置（比如支撐板4 上部和支撐板5 的下部），不需要設計更多的有效利用位置，可以設計滑道等有效設施來處理尿袋排泄物收集裝置，方便手術的進行，具有一定的可利用性。

支撐板3 的設計：支撐板3 起主要支撐作用，為了滿足支撐板子使用要求，防止斷裂，應該支撐板3 中加入筋板1 來提升強度，并利用導軌滑塊與支撐板4 進行連接，板子上設計圓形孔用來固定導軌和連接滑塊，材料選用45 鋼，其設計如圖2。

圖2 支撐板3(1 筋板，2 支撐板面)

支撐板4 的設計:用來實現一級提升，并用來固定二級提升動力源，與支撐板3 和支撐板4 通過導軌滑塊進行連接，其導軌軌道上方的槽設計為了便于導軌安裝，由于平板的抗拉壓強度過低，在設計中引入三角架等結構，材料選用45 鋼，其設計圖3 如下。

圖3 支撐板4

2 液壓控制系統設計

圖4 液壓回路設計

液壓回路設計如圖4，通過兩個液壓缸1 和3來控制手術床的上升和下降，1 缸用于一階段的手術床提升下降，其用于普通手術體位；3 缸用于二階段的手術床提升下降，其用于行程過高的手術體位。兩個液壓缸都選用三位六通換向閥（2 和4），并安裝平衡閥（5 和6），平衡閥由單向閥和順序閥組成，平衡閥使系統形成平衡回路，防止液壓系統由于自重或受力過大而超速下降，或者用于平衡負載。（例如：平衡位置時腔內上下壓力差不會過大，當人上去后，上腔壓力大于下腔壓力，若此時需要液壓缸下降，會出現超速下降狀態，添加平衡閥后由于順序閥背壓作用，會實現緩沖作用）。

其工作原理為，由圖中可以看出液壓缸3 當YA1 通電時，YA2 斷電，換向閥左位連通，在液壓泵的作用下液壓油通過左位進入液壓缸上腔，液壓缸下腔油液通過平衡閥和換向閥左位回到油箱，實現液壓缸的下降運動即回程運動；當圖中YA2 通電，而YA1 斷電，換向閥右位連通，在液壓泵的作用下液壓油通過換向閥右位和平衡閥中單向閥進入液壓缸下腔，液壓缸上腔油液通過油管和換向閥右位回到油箱中，實現液壓缸的上升運動即提升運動；而當YA1 和YA2 同時斷電時，電磁換向閥位于中間位置，液壓泵直接接油箱，此時液壓泵能實現卸荷，同時具有節能減壓的功能。液壓缸1 工作原理相同。

該液壓系統采用電磁換向閥，能夠使液壓系統回路實現自動控制和循環動作，因此電磁換向閥中的電磁鐵的通斷與液壓系統的各個動作，包括上行、回程等密切相關。那么，列寫電磁鐵的動作順序表能更直觀體現液壓子系統的動作過程及工作原理，對于液壓系統的設計、使用及維護都有指導性意義，因此，畫出如表1 中電磁鐵動作順序表，其中“+”表示電磁鐵通電，“-”表示電磁鐵斷電。

表1 得電順序表

電磁鐵的控制通過PLC 進行控制，用來實現手術床二級提升系統的上升下降，設計簡單的控制程序及分配如表2 和圖5。

表2 I/O 口地址分配

設計簡單控制程序如下：

圖5 PLC 控制程序

長按按鈕SB1，Y4 得電電磁鐵YA1 得電，缸3下降；長按按鈕SB2，Y5 得電電磁鐵YA2 得電，缸3 上升；長按按鈕SB3,Y6 得電電磁鐵YA3 得電，缸1 上升；長按按鈕SB4，Y7 得電電磁鐵YA4 得電，缸1 下降。

3 有限元分析

如上面設計可得出，支撐板4 存在受力危險截面，用來支撐液壓缸及手術床上端其他裝置，因此對其進行有限元分析，因為僅左端支撐端面受力，那么其他結構等效為固定端面，因此做出如下設計。打開UG 通過草圖拉伸等命令畫出等效圖6。

圖6 支撐板4 左端面

然后在應用模塊進入到高級仿真，新建fem 和sim 文件，首先在i.prt 文件中對物體進行提升和分割面的命令，明確規劃出壓力的施加范圍；然后返回fem 文件，進行3D 網格劃分及材料的指定，其中所用材料為45 鋼，那么直接選用steel 材料；最后進入sim 文件，在此文件中進行載荷的約束及固定截面的選定，其中固定截面為等效截面，求解后得到圖7～圖12 結果，在設置結果中得到應力-單元-節點的平均值如圖10 所示。

圖10 應力-節點圖最大值為71.38MPa，其產生位移最大值為0.411mm。

4 結論

圖7 位移-節點

圖8 旋轉-節點

圖9 應力-單元

圖10 應力-單元-節點

圖11 反作用力-節點

圖12 反作用力矩-節點

根據有限元分析可得出，由于45 鋼屈服強度為355MPa，而圖10 應力-單元-節點圖最大值為71.38MPa，圖9 應力-單元圖最大值為33.77MPa,遠小于屈服強度，不會產生塑性變形，因此設計符合強度要求，根據位移-節點圖7 可得出壓力使支撐板產生位移最大值為0.411mm，根據旋轉-節點圖8 可以得出其旋轉值為0 即不發生旋轉，符合設計的強度彈性形變要求。而在結構的設計中，與傳統的醫院一級提升裝置及手動提升醫療床及手術床進行對比，其中二級提升重心位置比一級提升的重心位置低很多，由重心越低越穩定可得出，二級提升比一級提升更穩定。設計中由于二級提升可出現類似三角形結構，以及手術床在手術過程當中的精確性和穩定性，考慮到患者在手術中的移動震動等因素，手術床體越穩定越能保證手術的成功性。因此，二級提升具有更好的優越性和合理性。二級提升比一級提升空出更多的有效利用位置，不需要設計更多的有效利用位置，可以設計滑道等有效設施來處理尿袋排泄物收集裝置，方便手術的進行。液壓系統能實現對電磁鐵的得電控制，能實現二級提升運動，即設計符合手術床二級提升需求。