Проектирование трепанатора

1. Теоретическая часть

1.1 Описание устройства для обработки биологических тканей

На рис. 1 изображено устройство в собранном виде без рабочего инструмента. Устройство содержит: инструментальный фиксатор 1 с прижимными винтами 2, герметизирующую трубку гофр 3, соединяющую инструментальный фиксатор 1 и корпус прибора, подшипники скольжения 4, наковальню 5, установленную на штоке 6, соединенным с инструментальным фиксатором 1. Под наковальней расположена амортизирующая пружина 7, исключающая передачу удара на корпус прибора в конце рабочего хода наковальни 5, наковальня расперта относительно корпуса распорной пружиной 8, жесткость пружины выбирается равной жесткости контакта «инструмент-ткань», боек 9 жестко связанный с сердечником 10, установленным в подшипники скольжения 11, части магнитопровода 12, стальной трубчатый корпус 13, намагничивающую катушку 14, возвратную пружину 15, жесткость пружины 15 выбирается из условия возврата сердечника с бойком в исходное положение и максимальной частоты колебаний, герметизирующую втулку 16, питающий кабель 17, связывающий намагничивающую катушку с блоком питания, крышку 18, фланец выполненный из немагнитного материала (алюминия) 20.

Устройство работает следующим образом: Трепанатор и сменные рабочие инструменты (долота, держатели штифтов) дезинфицируют в спецрастворах и сухожаровом шкафу. Хирург кнопками блока питания устанавливает нужную частоту и силу ударов, закрепляет в инструментальном фиксаторе 1 требуемый инструмент с помощью прижимных винтов 2. При нажатии на педаль управления на катушку ЛЕМД 14 с блока питания через питающий кабель 17 начинают поступать прямоугольные импульсы с заданной частотой и амплитудой. Под действием импульса сердечник 10 втягивается в магнитопровод, состоящий из частей 12,13, т.е. разгоняется в течение рабочего хода, затем ударяет бойком 9 по наковальне 5, передавая импульс удара на режущую кромку долота и перемещая наковальню 5 с инструментальным фиксатором 1 на минимальную величину рабочего хода, после чего сердечник 10 с бойком 9 возвращается в исходное положение возвратной пружиной 15, далее рабочий цикл повторяется. Подшипники скольжения 11, обеспечивают возможность перемещения сердечника 10 с бойком 9 относительно корпуса в осевом направлении. Подшипники скольжения 4 позволяют перемещаться штоку 6 с наковальней 5 в осевом направлении, винт 19 выполняет функцию направляющего штифта и исключает возможность проворота наковальни 5 с инструментальным фиксатором 1 в радиальном направлении. Трубка гофр 3 герметизирует подвижное соединение «корпус - инструментальный фиксатор». Герметизирующая втулка 16 обеспечивает герметичность соединения питающего кабеля 17 с крышкой корпуса 18.

При необходимости более быстрого удаления костного материала, хирург нажимает на корпус прибора, т.е. прикладывает большее усилие вдоль оси долота, под действием этого усилия наковальня 5 с долотом отводится на большую величину рабочего хода, преодолевая сопротивление распорной пружины 8, и при следующем ударе бойка возвращается в исходное положение, т.е. амплитуда колебаний долота возрастает. Это совместно с увеличением усилия резания позволяет повысить производительность операции при удалении сравнительно больших объемов кости.

При соскальзывании долота с кости в мягкие ткани, амплитуда колебаний немедленно уменьшается до несущественной величины, так как осевое усилие в этом случае минимально, а энергия удара гасится амортизирующей пружиной 7. Это снижает травматизм при операции.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет оптимизировать процесс операции. Это соответствует развитию прогрессивных щадящих принципов операционного вмешательства, особенно важных, например, при выполнении операций на среднем ухе, в условиях глубоких и узких полостей. При этих операциях необходимо точно дозировать силу удара, чтобы избежать повреждений.

1.2 Вывод уравнения динамики линейного электромагнитного двигателя

Расчет динамических характеристик линейных электромагнитных двигателей (ЛЭМД) представляет сложную задачу, так как требует учета таких факторов, как насыщение стали, вихревые токи, паразитные зазоры, противодействующие силы.

К динамическим характеристикам относятся: зависимость от времени тока обмотки, потокосцепление, индукции в сердечнике якоря, тяговое усилие, величины хода якоря, скорости и ускорение его движения. В общем случае процессы, протекающие в ЛЭМД, описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений:

1. Для электрической цепи:

Е=iR+da/dta, (1.3.1)

где: E - ЭДС источника питания;

R - сопротивление обмотки;

i - ток;

- потокосцепление;

t - время.

Уравнение механического равновесия:

где ha - глубина внедрения якоря в обмотку;

Fea - тяговое усилие ЛЭМД;

Fna - сила возвратной пружины;

Fta - сила трения, знак которой зависит от направления движения якоря;

ma - масса подвижных частей,

где масса якоря

подвижная масса оснастки

g - ускорение силы тяжести;

- угол наклона оси трепанатора;

Fpa - внешняя противодействующая сила.

Эти уравнения записаны в абсолютных величинах. Преобразуем уравнения (1.3.1) и (1.3.2), записав их в виде функций относительных геометрических размеров и параметром ЛЭМД. По определению, удельная магнито-движущая сила обмотки:

,

ток, протекающий в обмотке:

.

Сопротивление обмотки:

R=lnpSpr,

где lnp и Spr - длина и сечение провода;

- удельное сопротивление провода обмотки.

,

где 0 - удельное сопротивление при 00С;

- температурный коэффициент сопротивления;

?ос - температура окружающей среды;

- превышение температуры обмотки над ?ос..

Длина провода определяется по формуле:

.

Сечение провода:

,

где kz - коэффициент заполнения обмотки;

r1а - внутренний радиус обмотки;

r2а - наружный радиус обмотки.

Следовательно, формула для R записывается:

,

Ускорение движения якоря, запишем как вторую производную от относительной глубины внедрения якоря в обмотку (ha).

где t, tb - относительное и базисное значение времени,

h - относительная глубина внедрения якоря в обмотку.

Масса подвижных частей ЛЭМД:

где lb - приведенная длина якоря в относительных величинах;

- плотность материала якоря.

Силу трения, возникающую между направляющим стержнем и фланцем, в следствие одностороннего магнитного притяжения якоря к магнитным частям ЛЭМД, величина которого зависит от величины зазора между направляющим стержнем якоря, стопором и фланцем определяется по формуле 2:

,

где Ктр - коэффициент трения;

- величина эксцентриситета якоря;

Вс - величина магнитной индукции;

rс - радиус стержня;

hp - толщина фланца;

l1 - высота стола;

? - величина нерабочего зазора;

Fb - базисная сила, которая определяется по формуле:

,

Сила возвратной пружины:

,

где кnp - коэффициент жесткости пружины;

h0a - начальная глубина внедрения якоря в обмотку;

F0a - сила начального сжатия.

Начальное сжатие обусловлено массой подвижных частей, следовательно:

,

,

Учитывая базисное значение или Fb, в обобщенной форме получим:

,

Внешняя противодействующая сила:

,

Подставляя полученные формулы в уравнение (1.3.1) и (1.3.2), получим систему нелинейных дифференциальных уравнений третьего порядка относительно функций В, h, dh/dt, для ЛЭМД в обобщенной форме, которые позволяют определить любые динамические параметры ЛЭМД.

E=p1 f+p(d/dt),

,

где p1=,

p2=, где Fc и f - статические функции.

2. Расчётно-конструкторская часть

2.1 Исходные данные для проектирования двигателя

Основной характеристикой двигателя является тяговое усилие, в нашем случае - максимальный импульс удара.

В медицинской практике применяется максимальный удар молотка весом 100 гр., со скоростью в момент удара примерно 2 м/с. Отсюда импульс в момент удара:

P=mV P=0,2 кг. м/с.

Вычислим массу и объем сердечника электромагнита:

; ,

D - диаметр сердечника, D=2 см.;

h1 - высота сердечника, h1=4.7cм.;

d - диаметр штока, d=0,6 см.;

h2 - высота штока, h2=4.7cм.;

d1 - диаметр бойка, d1=0,4cм.;

h3 - высота бойка, h3=0,65cм.;

,

Q= кг.

Скорость, до которой должен разгоняться якорь. равна:

v =P/Q v=1,81 м/с.

Ускорение, до которого разгоняется якорь:

.

Находим тяговое усилие электромагнита без учета сил сопротивления:

F1=Qa=360.36 H.

Cилы сопротивления:

F2 - cила трения, F2=Q0,259,8=0.27 H;

F3 - cила сопротивления пружины, F3=3 H.

Найдем демпфирующую силу: F4=CV,

где С - коэффициент демпфирования.

t1=cек.,

где t1 - время движения.

V(t)=at, где t=0…0,0055

D - диаметр сердечника, D=0.02 м.

=210 -4 м.,

где - зазор между сердечником и магнитопроводом.

Коэффициент демпфирования вычисляется по формуле:

Таким образом,

F4=0.004671,81=0,008 H.

Полное тяговое усилие: F=F1+F2+F3+F4=363.6 H.

Полный рабочий ход: S=0,01 м.

Число ходов в минуту: N=120

Частота колебаний якоря: Гц.

2.2. Расчет двигателя и коэффициентов для уравнений динамики

Расчет коэффициентов для уравнений динамики произведем по методике изложенной в [7].

Введем относительные величины:

Ф = Ф_а / Ф_б; U = U_a / U_б; f = f_a / f_б; l = l_a / l_б;

H = H_a / H_б; X = X_a / X_б; ?_{2 =} ?_2a / X_б,

где индекс «а» относится к абсолютным величинам, а ииндекс «б» - к базисным. В качестве Ф_б выбираем значение магнитного потока, при котором относительная величина Ф выразится простыми числами.

Пусть,

Ф_б=В_б *?*r²_1а,

где Ф_б - базисное значение магнитной индукции.

Из условия подобия магнитных полей, следует равенство величин индукции в сходных точках поля. Так как относительная индукция не должна зависить от абсолютных размеров, базисное значение должно быть постоянной величиной, В_б=const. Полагаем В_б=1Тл., при этом относительная величина магнитного потока станет равной относительному значению индукции якоря Ф_х=В_х и окажется независящей от абсолютных размеров для геометрически подобных систем.

2.3 Расчет магнитных проводимостей

Определим магнитную проводимость потоков рассеяния на единицу длины обмотки.

,

где r_1а - радиус якоря, r_1а=0,01 м.;

r_2a - внешний радиус обмотки, r_2а=0,017 м.;

?₀ - магнитная проницаемость в вакууме, ?₀=4?*10 -⁷ Гн/м;

G_s =4,74*10 ^-7 Гн.

Проводимость рабочего зазора в относительной форме:

_,

где r_са - радиус направляющего стержня;

? - начальный рабочий зазор.

,

Рассчитаем проводимость нерабочего зазора:

,

где l_b - ширина магнитопровода, l_b=0,01 м;

- зазор между сердечником и магнитопроводом, = 0,0002 м.

Определим относительное значение G_II магнитной проводимости нерабочего зазора:

,

Рассчитаем относительные значения магнитных проводимостей для двух точек при х=0,015 м., G_I(х)=64,52;

при х=0,005 м., G_I(х)=192,5.

Найдем производную:

; .

Так как производная по нерабочему зазору равна нулю, можно сделать вывод, что сила тяги создается только в рабочем зазоре.

2.4 Рассчитаем положение нейтрали

L_I=,

где l_k - длина обмотки, l_k =0,05 м.

L_I=5 м.

- перевод в базисные величины.

Функции для расчета коэффициентов уравнения для определения нейтрали:

,

,

где r_m - магнитное сопротивление.

Напряженность в относительной форме:

A/м,

где ?, ?,? - коэффициенты аппроксимации; ?=625; ?=19,5; ?=44,5.

; r_m1=2,822*10 -³ Гн -¹.

B₁=B_I - индукция не насыщенной «стали 3»;

B_c=2 Тл - индукция потоков рассеяния;

B₂=1,75 Тл - индукция насыщенной «стали3»;

Ф_с=r_с²*В_с - поток рассеяния;

r_m1 - магнитное сопротивление не насыщенной «стали3»:

Гн -¹;

r_m2 - магнитное сопротивление насыщенной «стали3»:

Гн -¹.

Коэффициент, входящий в уравнение нейтрали:

.

Рассчитаем положение нейтрали для рабочего зазора ?=0,015 м.

=0,01 м.; l₂=0,02 м.; l₃=0,02 м.

Определим магнитные потоки:

Результирующий поток:



Удельное МДС:

f _I=6,963*10 ^-3 A/м.

i?=2,77*10 ⁴ A/витков.

Рассчитаем число витков обмотки

Выбираем 1 если импульсы питания короткие и частота небольшая f ? 2 Гц.

Е _I=0,1

Е=27 В-напряжение питания.

Число витков обмотки:

W=270 витков.

Ток обмотки в коротком импульсе:

i=20A.

Сечение окна обмотки:

r_1а=0,01 м.,

r_2а=0,0125 м.,

перевод в метры,

Коэффициент заполнения обмотки: k_z=0,4

Сечение меди: S_мед=k_z*S; S_мед=50.24 мм.

Сечение провода .

Диаметр провода: d_пр=0,48 мм.

Округляем до ближайшего большего числа и получаем: d_пр=0.5 мм.

Длина провода, выраженная через радиус витка:

; l_пр=19.07 м.

Сечение, выраженное через средний радиус витка:

.

Сопротивление обмотки: ,

?=0,01 Ом - удельное сопротивление провода обмотки (справочные данные).

R=2.1*10 ^-5 Ом.

Расчет коэффициентов для уравнения динамики ЛЭМД:

?=0,015 м. - начальный рабочий зазор.

? _I=1,5 - перевод в относительную форму.

- базисное значение силы тяги; F_?=2,5*10 ² Н.

Тяговое усилие от притяжения в рабочем зазоре

,

Тяговое усилие от потоков рассеяния:

F_е2a=0,145 H.

Полное тяговое усилие, в исходном положении якоря:

F_la=275,145H.

- приведенное значение.

Якорь располагается эксцентрично в круглом отверстии фланца, в следствие чего возникает сила одностороннего магнитного притяжения, вызывающая трение между направляющим стержнем и фланцем; найдем ее:

- функция преобразования абсолютного значения в относительное.

Величина нерабочего зазора ?а=0,0002 м.

?=О(?a); ?=0.002 м.

Толщина фланца h_na=0,005 м.

h_n=O(h_na); h_n=0,5 мм.

Коэффициент трения якоря о втулку k=0,022.

Индукция направляющего стержня: В_с=2 Тл.

Радиус стержня: r_са=2*10 ^-3 м.; r_c=0,2 м.

Сила трения F_т: F_т=7,34*10 ^-3 H.

Сила сопротивления пружины в обобщенной форме:

- жесткость пружины.

- начальная глубина внедрения якоря в обмотку.

F_p=0,535 H.

Найдем демпфирующую силу:

- диаметр сердечника;

- зазор между сердечником и магнитопроводом.

Коэффициент демпфирования вычислим по формуле:

где v = 0,9 м/с. - усредненное значение скорости за время движения якоря.

F_d=0.004 H,

где F_d - демпфирующая сила, зависящая от скорости движения якоря.

Рассчитаем коэффициенты выведения в пункте 1.3:

p₁=2,411*10⁵, p₂=10,592

Подставляя эти коэффициенты в систему уравнений (1.3.3) можно рассчитать любые динамические параметры ЛЭМД.

2.5 Расчёт напряжений, возникающих при ударе бойка по наковальне и жёсткости амортизирующей пружины

Исходные данные:

, модуль упругости стали 40;

U = 1.54 м/сек, скорость бойка перед ударом;

Qб =0.11707 кг, масса бойка с сердечником;

Qp = 0.0186 кг, масса наковальни с долотом.

Определим максимальную силу удара в месте контакта бойка и наковальни, которая может возникнуть при работе прибора, если долото оперто в достаточно жёсткий материал (например чугунную плиту), используем формулы, выведенные на основе формул Герца.

- коэффициент Пуассона.

R1 - радиус сферической поверхности бойка;

R2 - радиус сферической поверхности наковальни.

Для удобства обозначим:

m1= Qб,

m2 = Qp.

Найдём m - приведённую массу системы

г

Определим промежуточный коэффициент

Зная , найдём x макс - наибольшее сближение тел во воемя удара, соответствующее наибольшему значению ударной силы.

Теперь определим время соударения t cjel

Вычислим напряжения, возникающие при ударе в месте контакта, используя формулы, приведённые выше, определив радиус пятна контакта:

- напряжения, возникающие во время удара.

Допускаемое напряжение на усталость материала стали , отсюда запас

Вычислим коэффициент жёсткости пружины, установленной между корпусом и наковальней (эта пружина исключает передачу удара на корпус прибора при ненормальных режимах работы), например при холостом ударе, когда долото не опирается на кость.

Исходные данные для расчёта:

m = Qб = 0.00707 кг - масса бойка;

m = Qр = 0.0186 кг - масса наковальни с долотом.

Начальную кинетическую энергию бойка определим из выражения:



а максимальное перемещение наковальни при холостом ходе определим

Используя полученные данные, приравняем следующие выражения:

Выразив из него , получим:

Найдя , определим жёсткость пружины k

Максимальное усилие, возникающее в пружине в процессе удара:

2.6 Расчёт и обоснование элементов принципиальной схемы блока питания

Для обеспечения эксплуатационных характеристик рассматриваемого модернизируемого устройства - трепанатора, его необходимо питать от автономного источника питания (аккумулятора) или от сети 220 В с хорошей гальванической развязкой; для обеспечения безопасности пациента и медицинского персонала.

Из анализа возможных схем питания устройства следует, что обеспечить требуемую развязку можно только использованием трансформатора. С другой стороны, для работы инструмента требуется значительная импульсная мощность (20 А, 50 В), что исключает применение прямого простого подключения через трансформатор, т. к. габариты и масса трансформатора на 1 кВт исключает его применение в качестве переносной аппаратуры. Поэтому необходимо сконструировать источник питания, удовлетворяющий противоречивым требованиям.

В качестве элемента, обеспечивающего согласование противоречивых требований возможно в данном случае применение конденсатора - накопителя, обеспечивающего необходимую импульсную мощность.

Таким образом, схема блока питания будет содержать три основных элемента: Трансформатор с выпрямителем, накопительный конденсатор, прерыватель - формирователь импульсов.



В соответствии с этим расчёты проводятся в нижеприведённой последовательности.

2.7 Расчёт трансформатора с выпрямителем

Определение мощности трансформатора производится исходя из мощности импульсов на выходе и скважности. Скважность q определяется соотношением:

где - период следования импульсов;

- длительность импульсов.

В данном случае

Мощность импульса определяется



В данном случае ,

Мощность трансформатора с выпрямителем получится в виде:

Коэффициент «3» взят с учётом потерь в ограничительном резисторе и не идеальности формирования импульсов.

Таким образом для расчёта трансформатора получаются следующие исходные данные:

Тогда

Площадь поперечного сечения сердечника определятся выражением:

Сечение провода определяется из плотности тока

Проверяем заполнение медью

Коэффициент 1.7 учитывает реальное заполнение и изоляцию. В данном случае имеется большой запас сечения окна по меди, и можно в принципе уменьшить сечение, и это означает, что данные параметры трансформатора вполне реализуемы.

В качестве выпрямительного моста используем мост КЦ 402 В, с параметрами:

Как видно, имеются достаточные запасы по обратному напряжению и выпрямляющему току.

2.8 Расчёт накопительного конденсатора

Расчёт проводится из основания обеспечения выходного импульса тока с параметрами:

Электромагнитные параметры:

Длительность импульса составляет .

Чтобы работа электромагнита была эффективной, переходный процесс должен закончиться в течении времени

Для этого индуктивность должна быть

Для разряда ёмкости на электромагнит необходимо будет выполнить следующие соотношения:

Принимая

получим

или

Тогда ёмкость конденсатора должна быть не менее



Таким образом необходима ёмкость

Этому требованию удовлетворяет ёмкость К50 - 18 .

Ограничительный резистор выбран исходя из возможностей выпрямляющего мостика .

Примем

Тогда постоянная времени заряда накопительного конденсатора будет равна:



Тогда постоянная, обеспечивающая заданную частоту следования импульсов

Мощность ограничивающего резистора определяется соотношением через энергию заряда

2.9 Расчёт прерывателя - формирователя импульсов

Для реализации данной схемы можно применить схему генератора одиночных импульсов на микросхеме 561 ЛН 1, управляющим терристорным ключом К 4202 Н. Для согласования мощности микросхемы и мощности терристором, используется усилитель на транзисторах КТ 315 В, КТ 817 Г.

Питание микросхемы и усилителя осуществляется от стабилизатора - эмитерного повторителя на транзисторе КТ 817 А.

Светодиод АЛ 307 Б сигнализирует о включении питания. Диод КД 202 А служит для защиты терристора от обратных импульсов с электромагнита при выключении (по окончании времени ).

Резистор 1.1 к () устанавливает ток управления терристором (25 мм).

Требуемая длительность импульсов обеспечивается подбором ёмкостей в цепи управляющей кромки (в диапазоне до 10 мкф.) и резисторов в зарядно - резисторной цепочке () регулировкой 10к потенциометр.

Постоянная времени в данном случае оценивается как , то есть сравнима с .

Т.О. Параметры элементов схемы обеспечивают требуемые параметры импульса на электромагнитный привод.

2.10 Расчет надежности и долговечности ЛЭМД

1) расчет надежности возвратной пружины

Материал пружины проволока 60С2 ГОСТ 9389-75.

?_в=1275?10⁶ Па - напряжение при однократном нагружении.

?1=?_в, ?_N=300000000 Па - действующее значение напряжения.

Принимаем показатель усталости t=8.

Средняя частота циклов:

?=1,5 Гц.

Для найденных значений принимаем:

F₁=0,99999969; F₂=0,99999971

Вероятность безотказной работы:

Проверка

2) Расчет надежности распорной пружины

Материал пружины проволока 60С2 ГОСТ 9389-75.

?_в=1275?10⁶ Па - напряжение при однократном нагружении.

?1=?_в, ?_N=350000000 Па - действующее значение напряжения.

Принимаем показатель усталости t=8.

Средняя частота циклов:

?=1,5 Гц.

Для найденных значений принимаем:

F₁=0,9999996652; F₂=0,9999997134

Вероятность безотказной работы:

3) Расчет надежности амортизирующей пружины

Материал пружины проволока 60С2 ГОСТ 9389-75.

?_в=1275?10⁶ Па - напряжение при однократном нагружении.

?1=?_в, ?_N=318750000 Па - действующее значение напряжения.

Принимаем показатель усталости t=8.

Средняя частота циклов:

?=1,5 Гц.

Для найденных значений принимаем:

F₁=0,99999968; F₂=0,99999971

Вероятность безотказной работы:



4) Расчет надежности ударной пары боек-наковальня

Материал бойка сталь40ХН

?_в=2400?10⁶ Па - напряжение при однократном нагружении.

?1=?_в, - действующее значение напряжения.

?_N=1,1474?10⁹ Па

Принимаем показатель усталости t=8.

Средняя частота циклов:

?=1,5 Гц.

Для найденных значений принимаем:

F₁=0,9884; F₂=0,99999971

Вероятность безотказной работы:

5) Расчет надежности подшипников скольжения направляющих бойка

h_доп=0,2?10^-3 м - допустимый зазор

v=2 м/с - средняя скорость скольжения

J_n=10^-9 - интенсивность изнашивания бронзы Брж80

Для найденных значений принимаем:

F₁=0,99999969; F₂=0,99999971

Вероятность безотказной работы:

- вероятность безотказной работы двух подшипников.

6) Расчет надежности подшипников скольжения направляющих наковальни

h_доп=0,5?10^-3 м - допустимый зазор

v=2 м/с - средняя скорость скольжения

J_n=10^-9 - интенсивность изнашивания бронзы Брж80

Для найденных значений принимаем:

F₁=0,9999996821; F₂=0,9999997134

Вероятность безотказной работы:

- вероятность безотказной работы двух подшипников.

Проверка

Суммарная вероятность безотказной работы является произведение вероятностей ее отдельных узлов Р(t)_мех=0,988442, при этом самым слабым звеном является ударная пара «боек-наковальня».

Расчет надежности устройства обработки костной ткани можно разделить на две части: расчет надежности механической и электрической части. Расчет механической части на данном этапе проектирования произвести не возможно, так как величины интенсивности отказов элементов ?_i, входящих в изделие известны не для каждого элемента.

Расчет электрической части трепанатора возможно произвести по методике, изложенной в []

Вероятность безотказной работы определим по формуле: .

Средняя наработка до первого отказа:

где ?_c - интенсивность отказа системы,

,

где N_i - число элементов i-ого типа;

? - число типов элементов;

t - время;

?_i - интенсивность отказа элементов системы.

Значение ?_i берем из таблицы § 3 [8].

Cоставим таблицу для определения ?_с.

Номинальная интенсивность отказов элементов электронной части трепанатора

Наименование и тип элементов Обозначение на схеме	Количество элементов Ni, шт.	Интенсивность отказов ?i, 10 -6 1/час	Произведение ?i и Ni, 10 -6 1/час
Резисторы: МЛТ - 0,125 R1…R4, Rц МЛТ -0.5 Rн, R5 Конденсаторы: К53 -14В С1…С3 К10 - 7В - М750 Сн КМ - 56 - Н90 Сф Диоды: КД105 (109) Б VD1…VD9 КД202А VD10 Транзисторы: КТ315В VT1 КТ817А VT2 КТ817 Г. VT3 Микросхемы К561 ЛН1 DD1	5 2 3 1 1 9 1 1 1 1 1 1	0,4 0,7 1,4 1.4 2,4 2,0 2 3,0 4,6 5,0 3,0 3.0	2 1.4 4.2 1.4 2.4 18 2 3 4.6 5 3 3
Итого:	27	28.9	50

?_с=50*10 ^-6 1/час Р_с (1000)=0,856

Т_ср=20000

Вероятность безотказной работы всего прибора равна:

P(1000)=P_м(t) P_э(t)=0.846

3. Технологическая часть

3.1 Описание электрической схемы пульта проверки короткозамкнутых витков катушки

Электрическая схема пульта состоит: из блока питания, включающего в себя понижающий трансформатор - ТР-1 и выпрямитель на диодах Д4 - Д7; фильтра из конденсаторов исключающих взаимное влияние напряжений транзисторов; стабилизатора напряжения Д 8 - Д11; генератора звуковой частоты, выполненного на лампах Л1 и Л2 (или полевых транзисторах Т1 - Т2); выходного транзистора ТР 2; мостовой схемы с измерителем ИП - 1 и измерительной катушки индуктивности l1 с сердечником, на который надевается проверяемая катушка.

Мостовая схема реагирует на изменения индуктивности в цепях измерительной катушки l1, вызываемые наличием в проверяемой катуше К3В.

Настроечная цепь питается через трансформатор ТР 2 и сопротивление R18. При измерениях сравнивается два напряжения:

1) выпрямленное диодом Д2 напряжение, пропорциональное напряжению настроечной цепи;

2) напряжение в цепи выходного трансформатора ТР 2, которое по величине равно выпрямленному напряжению с Д1, пропорционального напряжению питания.

Поэтому любое изменение напряжения, вызванного наличием КЗВ проверяемой катушки, вызывает отклонение стрелки микрометра ИП 1.

Напряжение настроечной цепи практически не зависит от емкостной составляющей полного сопротивления проверяемой катушки из-за низкой частоты (около 400 Гц).

Предварительная настройка схемы осуществляется резисторами R 10, R 16, R7, R 17; окончательная балансировка моста осуществляется потенциометром R20. Контроль работы схемы осуществляется кнопкой КН 1.

Исходя из предложенной схемы на лицевую панель пульта необходимо вынести: сердечник измерительной катушки L 1, измерительный прибор ИП 1, кнопку КН 1, ручку потенциометра R 20, выключатель сети В 1 и сигнальную лампу Л 3.

3.2 Описание конструкции пульта

Пульт представляет собой коробчатую конструкцию. На передней панели (поз. 1) располагается измерительный прибор - микроамперметр, выключатель питания, ручка регулятора подстречного резистора R 20 (см. электрическую схему), кнопка проверки чувствительности прибора КН 1 и сигнальная лампочка, сигнализирующая отключение пульта. На переднюю панель выведен также измерительный стержень катушки индуктивности (поз. 4).

Передняя панель соединяется с задней стенкой (поз. 6) двумя основаниями (поз. 5); в нижнем основании прикреплены четыре ножки (поз. 7). На внутренних сторонах панели (поз. 1) и стенки (поз. 6) закрепляется плита (поз. 2), на которой смонтирован блок питания пульта, фильтр, генератор и измерительный мост согласно электрической схемы.

На задней стенке закрепляется разъем (поз. 14); сверху и сбоку пульт закрыт кожухом (поз. 3).

3.3 Методика испытаний на коротко замкнутость витков катушки

Включить пульт в сеть 220 В и прогреть в течение трёх минут.

Откорректировать ручкой потенциометра R 20 цепь измерительного моста, установив стрелку миллиамперметра на ноль.

Нажать и отпустить кнопку КН 1 для проверки чувствительности пульта: при этом стрелка миллиамперметра должна отклоняться на восемь делений, не менее.

Медленно одеть проверяемую катушку на измерительный стержень, следя за показаниями миллиамперметра.

При резком броске стрелки прибора передвигать катушку по измерительному стержню не следует, т. к. это свидетельствует о большом количестве коротко замкнутых витков в проверяемой катушке.

При работе с пультом рекомендуется сравнивать качество испытуемых катушек с эталонной.

3.4 Описание конструкции литьевой формы

Форма литьевая предназначена для изготовления каркаса и щеки катушки на литьевой машине для переработки пластмасс. Форма литьевая позволяет изготавливать одновременно два каркаса и две щеки.

В состав формы входят следующие основные детали:

- плита крепежная (поз. 12), которая центрируется фланцем (поз. 1) и кольцом (поз. 11) к неподвижной части литьевой машины и крепится на ней с помощью прихватов;

плита крепежная (поз. 18), которая центрируется фланцем (поз. 2) и кольцом (поз. 11) к подвижной части литьевой машины;

К плите (поз. 18) винтами (поз. 37) закрепляется форма-плита (поз. 17) с четырьмя матрицами (поз. 21), формообразующими знаками (поз. 20, 28) и литниковой втулкой (поз. 23); здесь же крепится четыре направляющих колонки (поз. 4 и 5).

Плита (поз. 12) через два бруса (поз. 3) и колонок (поз. 8) винтами (поз. 38) соединяется с промежуточной плитой (поз. 15). По колонкам (поз. 8) через направляющие втулки (поз. 9) могут перемещаться соединенные между собой винтами (поз. 36) плита (поз. 13) и плита выталкивателей (поз. 14) с четырьмя толкателями (поз. 25) вместе с толкателями (поз. 29) для выталкивания готовых изделий. В центральной части плиты (поз. 13) ввёрнут хвостовик (поз. 10) и толкатель (поз. 24), которыми и осуществляется перемещение плит (поз. 13, 14) в осевом направлении.

Плита (поз. 15) соединена со знакодержателем (поз. 16), несущим знаки (поз. 19,27).

Внутри плит (поз. 16, 17) размещены трубки (поз. 26) для охлаждения готовых изделий.

Работа литьевой формы происходит следующим образом: в момент времени, когда половины литьевой формы сомкнуты, через литниковое отверстие втулки (поз. 23) и литниковые пазы матрицы (поз. 21) формообразующие полости заливается расплавленная пластмасса. После выдержки под давлением включается охлаждение - вода, текущая по трубкам (поз. 26) и пластмасса затвердевает.

Далее происходит разъем формы и извлечение готовых изделий. Для этого подвижная плита (поз. 18) вместе с форма - плитой (поз. 17) перемещаются колонками (поз. 4, 5) по втулкам (поз. 6, 7) вправо, обнажая готовые изделия.

Затем с помощью хвостовика (поз. 10) и толкателя (поз. 24) начинает перемещаться плита (поз. 14) с толкателями (поз. 25, 29), которые выталкивают готовое изделие.

4. Экономическая часть

4.1 Расчёт капитальных затрат при производстве устройства

Расчёты будут относиться только к модернизированным частям узлов прибора.

Материальные затраты к калькуляции себестоимости приведены в таблице 5.1.1.

Затраты на основные материалы рассчитываются по формуле:

,

где m_i - норма расхода i-го материала на изготовление изделия;

Ц_i - цена единицы измерения i-го вида материалов, руб.;

С_тз=7 - транспортно-заготовительные расходы, выраженные в% от стоимости материалов, %.

27.90 руб.

Таблица 4.1.1 - Материальные затраты

Наименование затрат	Единица измере- ния	Норма расхода на изделие, mi	Цена едини- цы измерения Цi, руб.	Всего, руб.
Метизы	кг	0.124	50	6.2
Кабели и провода	м	3	15	45
Электроизоляционные материалы	м	2.70	9	24.3
Латунный прокат	кг	0.150	67	10.50
Итого				90.55

Затраты на комплектующие изделия и полуфабрикаты рассчитываются по формуле:

,

где N_j - норма расхода j-го вида комплектующих изделий, полуфабрикатов на одно изделие;

Ц_kj - цена единицы j-го комплектующего изделия, полуфабриката, руб.

213.63 руб.

Себестоимость покупных изделий

Наименование комплектующих изделий	Норма расхода на изделие Nj, шт.	Цена единицы расхода Цkj, руб.	Всего, руб.
Резисторы	8	2.30	18.4
Конденсаторы	7	1.50	10.50
Диоды	10	2	20
Микросхемы	1	30	30.00
Вилка	4	4.00	16.00
Розетка	5	3.50	17.50
Соединительный шнур	1	15.00	15.00
Переключатель	1	1.50	1.50
Итого			110.5

Основная заработная плата:

456.87 руб.,

где - стоимость нормочаса i-ой операции, руб.;

- количество нормочасов i-ой операции, часы.

Расчёт дополнительной заработной платы производственных рабочих производится по формуле:

,

где - процент дополнительной заработной платы и премий, %.

90.74 руб.

Трудовые затраты

Виды работ	Трудоёмкость и зарплата
	Нормо-часы Тk, часы	Стоимость нормо-часа Сk, руб.	Тарифная зарплата, руб.
Автоматные	0.3	4.40	1.32
Отрезные	0.5	3.80	1.90
Револьверные	2.0	4.70	9.40
Расточные	0.2	4.90	3.65
Фрезерные	0.8	4.70	3.65
Токарные	2.0	4.50	9.00
Шлифовальные	0.6	5.00	3.00
Штамповочные	0.3	4.10	1.25
Сверлильные	0.5	4.50	2.25
Программно-комбинированные	1.2	4.90	5.90
Прессовочные	0.1	3.90	0.40
Намоточные	0.78	4.40	3.45
Промывочные	0.8	3.80	3.05
Сборочные	5.0	4.90	24.50
Монтажные	10.0	4.50	45.00
Регулировочные	2.0	5.20	10.40
Проверочные	1.3	5.00	6.50
Итого	25.22		129.72

Отчисления на социальное страхование определяется по формуле:

,

где - процент отчислений на социальные нужды, %.

86.836 руб.

Накладные расходы вычисляются по формуле:

,

где - процент накладных расходов, %.

65.97 руб.

Полная себестоимость одного изделия:

991.946 руб.

Оптовая цена определяется по формуле:

,

где Р=20 - уровень рентабельности предприятия, %.

1190.34 руб.

Трудоёмкость конструкторских работ можно определить по формуле:

,

где - трудоёмкость конструкторских работ на определённый формат чертежа;

- число листов чертежей соответствующего формата;

- коэффициент новизны];

- коэффициент сложности.

нормочасов.

Стоимость конструкторских работ вычислим по формуле:

,

где С_кр=5 - цена одного часа конструкторских работ, руб.

К_кр=1638.65 руб.

Вычислим капитальные затраты:

К=К_кр =1638.65 руб.

Годовой экономический прирост:

,

где Ц_с - цена аппарата до модернизации, руб.;

Ц_н=Ц_с+Ц_м - цена аппарата после модернизации, руб.;

N=1500 - количество аппаратов, выпускаемых за год, шт.;

=30 - норма дисконта, %.

Э_г=209040 руб.

Чистый дисконтированный доход вычисляется по формуле:

ЧДД=,

где К_дt - коэффициент дисконтирования;

t - номер года.

.

t=1 К_д1=0.77

t=2 К_д2=0.59

t=3 К_д3=0.46

t=4 К_д4=0.35

t=5 К_д5=0.27

ЧДД=54883,92 руб.

Оценку качества устройства, выступающего в качестве модернизируемого изделия, будем производить на основе комплексного показателя качества.

Составим иерархическую модель качества, в которой присутствуют все необходимые параметры и характеристики модернизируемого устройства:

Качество:

Соответствие потребностям

Цена (1);

Гибкость в управлении;

Безопасность (2);

Перемещаемость(3);

Потребляемая мощность (4);

Удобство питания(5);

Время непрерывной работы (6);

Дизайн (7);

Габариты (8);

Масса (9);

Гарантийный срок службы (10);

Наличие основных блоков и устройств

Блок питания;

Блок управления;

ЛЭМД;

Соответствие конструкции

Материалы рабочих органов (11);

Точность деталей;

Унификация элементной базы (12);

Взаимозаменяемость элементов;

Точность выходных параметров (13);

Надежность

Вероятность безотказной работы (14);

Средняя наработка на отказ;

Ремонтопригодность;

Долговечность.

Из всех существующих компонент выбираются наиболее важные (подчёркнуты). Выбранные компоненты будут использованы ниже в пунктах 4), 5), 7).

Для оценки качества аппарата были приглашены несколько экспертов. Последовательность проведения экспертизы:

Выявляется соответствие экспертов следующим требованиям:

а) достаточно высокий уровень общего интеллектуального развития;

б) квалификация исследуемой области;

в) способность адекватно отражать и описывать исследуемые категории и явления;

г) умение чётко и ясно выражать свои суждения и аргументировать их.

Все представленные эксперты соответствуют представленным выше требованиям.

Определение уровня компетентности каждого из экспертов.

Коэффициент компетентности каждого i-го эксперта определим по формуле:

,

где k_ai - коэффициент аргументации i-го эксперта;

k_oci - коэффициент осведомлённости;

k_amax=k_ocmax=1 - максимальные значения коэффициентов.

Данные о компетентности заносятся в таблицу 5.1.4.

Таблица 5.1.4 - Уровень компетентности i-го эксперта.

Индекс	Ф.И.О. Эксперта	kai	koci	kki
К1	Плотников П.К.	0.8	0.7	0.95
К2	Рамзаев А.П.	0.9	1	0.75
К3	Черепанов Д.В.	0.7	0.4	5.5

Проверка представительности экспертной группы.

,

где n=3 - количество экспертов, чел.

W=0.75.

Группа экспертов считается представительной, если выполняется условие: 0.66W1. Видно, что условие выполняется, следовательно группу экспертов можно считать представительной.

Степень весомости и важности показателя в изделии.

Оценка степени влияния показателя на уровень качества приведена в таблице 5.1.5.

В таблицу 5.1.6 занесены данные о степени весомости и важности показателей в изделии.

К_воj=,

где К_0j - общий j-ый показатель для всех экспертов.

Оценка степени влияния показателя на уровень качества

Степень влияния показателя на уровень качества	Оценка степени
Практически не влияет на уровень качества	0
Слабо влияет	0.3
Влияет	0.5
Сильно влияет	0.8
Необходим	1

5) Степень осуществления j-го показателя в аппарате до и после модернизации записана в таблице 5.1.7.

Обобщённый показатель качества после модернизации аппарата:

,

где m=14 - число важных компонент.

62.81

K_oj=. Обобщённый показатель качества до модернизации:

Степень весомости и важности показателя в изделии

где K_вij - оценки i-го эксперта по j-му важному компоненту.

1j18 - диапазон изменения важных компонент;

K_воj - обобщённая оценка j-ой компоненты.

Степень осуществления j-го показателя до/после модернизации

где 0К_ij10 - значения j-ых показателей для каждого i-го эксперта;

K_oj - обобщённая оценка степени осуществления j-ой компоненты.

.

=51.9

Модернизация прибора оправдана, если выполняется следующее условие:

Ц_с+Ц_м,

где Ц_с=870 - цена аппарата до модернизации, руб.

870+237.35

1053.0871107.35

Видно, что условие выполняется, следовательно проведённая модернизация устройства для обработки биологических тканей экономически целесообразна.

Таким образом, компьютер во многих случаях заменит работу.

Сводные технико-экономические показатели

Показатели	Единицы измерения	Результаты
Материальные затраты	руб.	27.9
Затраты на комплектующие изделия	руб.	74.85
Основная заработная плата	руб.	149.72
Дополнительная заработная плата	руб.	29.94
Отчисления на социальное страхование	руб.	70.07
Накладные расходы	руб.	24.97
Себестоимость модернизации одного изделия	руб.	197.79
Цена модернизации одного изделия	руб.	237.35
Уровень рентабельности	%	20
Стоимость конструкторских работ	руб.	1638.65
Капитальные затраты	руб.	1638.65
Годовой экономический прирост	руб.	209040
Чистый дисконтированный доход	руб.	54883.92
Цена аппарата после модернизации	руб.	44857.35
Потребляемая мощность	Вт	<503
Средний срок службы до списания	лет	4
Масса	кг	0.340
Средняя наработка на отказ	ч	2000
Средняя интенсивность эксплуатации	ч/сутки	8
Объём выпуска	шт./год	1500

5. Маркетинговые исследования

5.1 Общий анализ рынка и перспектив его развития

Устройство для обработки биологических тканей (в дальнейшем просто устройство) предназначен для хирургической обработки костных, хрящевых и мышечных тканей пациента.

Устройство изготавливается для нужд народного хозяйства и на экспорт.

Область применения - хирургические и стоматологические отделения клиник и больниц, частных стоматологических кабинетов и т.д.

Перспектива развития производства данного устройства в рамках Саратовской области:

Саратов и Саратовская область богата крупными клиниками, специализированными больницами и другими специализированными медицинскими учреждениями, что позволяет судить о широком рынке сбыта данной продукции;

существование в Саратове таких крупных приборостроительных предприятий как «Корпус», «Завода им. Серго Орджоникидзе», которые имеют в своей структуре отделы, занимающиеся непосредственно выпуском устройств медицинской техники, что позволяет использовать накопленный ими опыт и потенциал для освоения производства.

В Саратове может вестись подготовка специалистов (И.Т.Р., производственных рабочих). Количество учебных заведений всевозможного уровня (ВУЗы, колледжи) как технических, так и гуманитарных направлений, и особенно интересующих нас медицинских, инженерных и стоматологических позволяет надеяться на успешное внедрение разрабатываемого устройства в сферу здравоохранения.

Органы власти ведут поддерживающую политику в отношении внедрения производства новых изделий, что даёт возможность трудоустройства.

Негативные стороны развития производства:

налоговая система тормозит развитие производства.

Отечественная техника на несколько порядков уступает зарубежным аналогам (не учитывается дизайн изделий, особенности работы и условий эргономичности).

5.2 Мотивы и побуждения приобретения

Мотивом приобретения данного образца устройства для обработки биологических тканей являются следующие его достоинства:

масса аппарата (вместе с блоком питания и набором сменных инструментов) не превышает 300 грамм;

геометрические размеры устройства, его форма (разрабатывающаяся как более эргономичная и удобная) позволяют использовать его с наибольшей полезной отдачей в условиях хирургических и стоматологических операций;

в отличие от предыдущего образца, разрабатываемое устройство питается от бытовой сети (220 В, 50 Гц);

при том, что геометрические размеры устройства уменьшены почти вдвое, импульс удара не уменьшился, что не позволяет сомневаться в его используемости.