舞蹈鉴赏2017考试答案及无针注射器研究与开发

无针注射器机构创新设计摘要PAGEI舞蹈鉴赏》期末考试（20）姓名

班级：第一批

成绩：

99.0分一、单选题（题数：50，共

50.0

分）1中国民间舞思维混乱的主要原因是（）。（1.0分）1.0

分A、中国民间舞形式多样B、中国民间舞内容混乱C、中国民间舞术语错误D、中国民间舞缺乏专业舞者我的答案：C2舞蹈《雀之灵》属于（）。（1.0分）1.0

分A、民间舞B、古典舞C、现代舞D、当代舞我的答案：D3舞蹈评论理论是一个关于（）的评价系统。（1.0分）1.0

分A、动作细节B、形式内容C、人际意义D、种类归属我的答案：C4以下属于舞蹈中服饰的作用的是（）。（1.0分）1.0

分A、社会身份的表征B、作品质量的保障C、故事情节的推进D、舞台的美观我的答案：A5下列不属于“莫伊塞耶夫式”民间舞蹈创作原则的是（）。（1.0分）1.0

分A、对已形成的民间舞蹈做艺术方面的解释B、根据民间的传统来创造新型的舞蹈C、把许多民间舞蹈形象概括在一个舞蹈中D、将主流思想融合到民间舞蹈中我的答案：D6欣赏作品形态舞蹈的最主要原则是（）。（1.0分）1.0

分A、舞者的好坏B、编者的好坏C、作品的好坏D、场地的好坏我的答案：C7“业身”是指舞蹈用身体表现出对世界的（）。（1.0分）1.0

分A、态度B、感情C、认识D、观念我的答案：A8现代舞是在对传统芭蕾舞的（）中发展而来的。（1.0分）1.0

分A、反叛B、重构C、继承D、创新我的答案：A9《闻法飞天》从空间的横轴上划分，属于（）舞蹈。（1.0分）1.0

分A、先秦B、唐代C、儒教D、释教我的答案：D10《天鹅湖·二幕》中罗特巴特囚禁了下面哪一位：（）（1.0分）1.0

分A、爱莎公主B、奥杰塔公主C、妮莎王后D、迪亚王子我的答案：B11当代舞的美学理想是以（）为本。（1.0分）1.0

分A、现代舞B、民间舞C、古典舞D、原生舞我的答案：A12以下不属于古典芭蕾的美学立场的是（）。（1.0分）1.0

分A、追求激烈的个性表现B、排斥粗俗的艺术语言C、追求技巧和程式化D、高尚端正、温文尔雅我的答案：A13规训形态舞蹈的称谓来自于（）。（1.0分）1.0

分A、奥尔夫B、车尔尼雪夫斯基C、形式美学D、福柯我的答案：D14从佛教道义上讲，舞蹈《千手观音》的缺陷在于（）。（1.0分）1.0

分A、观音坐莲花台B、观音下莲花台C、音乐不符合D、动作表现力不够我的答案：B15日喀则地区林区舞蹈最独特的代表是（）。（1.0分）1.0

分A、同甲B、堆谢C、谐D、囊玛我的答案：A16舞蹈剧场形式的改革是随（）而改革的。（1.0分）1.0

分A、受众对语篇要求的变化B、现代舞台科技的发展C、舞蹈演员专业功底的熟练D、舞蹈形式的发展我的答案：A17舞蹈《挽扇仕女》的创作具有（）特点。（1.0分）1.0

分A、原型复现B、融合性C、回溯性D、模仿性我的答案：B18通过舞蹈中的动作、表情、姿势等具体形象来表达舞蹈所蕴含的意念，这是指舞蹈的（）。（1.0分）1.0

分A、情境B、意象C、意境D、语境我的答案：B19僧舞由中国传人韩国后，与韩国传统的（）合为一体，从而形成了独特的韩国僧舞。（1.0分）1.0

分A、扇子舞B、鹤舞C、剑舞D、铜钹舞我的答案：B20中国古典舞可分为儒教舞蹈、释教舞蹈、道教舞蹈等，其划分标准是（）。（1.0分）1.0

分A、民族B、舞蹈场C、信仰D、社会地位我的答案：C21古典舞最重要的价值是（）。（1.0分）1.0

分A、对历史的反思B、对历史的批判C、对现代社会的批判D、对现代社会的反哺我的答案：D22下列不属于《天鹅湖二幕》中舞段的是（）。（1.0分）1.0

分A、群鹅华尔兹B、王子独舞C、四小天鹅舞D、奥杰塔的变奏我的答案：B23舞蹈《醉狐》的整体风格属于（）。（1.0分）1.0

分A、滑稽B、多变C、典雅D、优美我的答案：A24以下哪项是作品形态舞蹈的特征：（）。（1.0分）1.0

分A、形式单纯，内容简明B、形式精致，内容模糊C、形式重组，内容重构D、形式多样，内容丰富我的答案：C25舞蹈应在技术构成和程式化方面达到高标准，这是（）的要求。（1.0分）1.0

分A、舞蹈历史分析B、舞蹈外在环境C、舞蹈本体D、舞蹈理论分析我的答案：C26影响非洲舞蹈多样性形成的最主要因素是（）。（1.0分）1.0

分A、国家B、地缘C、族群D、文化我的答案：B27下列属于中国传统舞蹈范畴的是（）。（1.0分）1.0

分A、中国古典舞和中国民族民间舞B、中国民间舞和中国当代舞C、中国古典舞、中国民间舞和中国当代舞D、中国古典舞和中国民间舞我的答案：D28下列可以作为一类舞蹈的代表的有（）。（1.0分）1.0

分A、仅有民间艺人的舞蹈B、仅有二老艺人的舞蹈C、仅有职业舞者的舞蹈D、ABC均可我的答案：D29《相和歌》从历时性的纵轴划分，属于（）舞蹈。（1.0分）1.0

分A、魏晋南北朝B、汉唐C、儒教D、道教我的答案：A30古典舞必须具有（）价值观念才能经受住历史和现实的考验而成为经典。（1.0分）1.0

分A、时代性B、先进性C、经久性D、历史性我的答案：C31欣赏舞蹈需要把握的三要素中，不包括下列哪项：（）。（1.0分）1.0

分A、思维B、语意C、思想D、形式我的答案：B32只有从舞蹈欣赏层面发展到（）层面，才能真正意识到舞蹈的价值。（1.0分）1.0

分A、舞蹈批评B、舞蹈继承C、舞蹈创新D、舞蹈推广我的答案：A33下列属于规训形态舞蹈的功能的是（）。（1.0分）1.0

分A、表现世俗生活B、表现宗教信仰C、表现不同主体构造的不同文化D、表现内隐的主流文化意志我的答案：D34舞蹈的整体结构即舞蹈的（）。（1.0分）1.0

分A、效果B、内容C、语篇D、剧目我的答案：C35现代舞必须表现出的基本观念是（）。（1.0分）1.0

分A、对美好生活的向往B、对社会矛盾的抨击C、对人生存态度的反思D、对人性的批判我的答案：C36民间艺人跳的舞蹈《济公》中使用的动作模态是（）。（1.0分）1.0

分A、京剧的“丑”角B、京剧的“旦”角C、河北地秧歌的“妞”角D、河北地秧歌的“丑”角我的答案：D37戏曲舞蹈成熟于（）时期。（1.0分）1.0

分A、秦汉B、唐宋C、明清D、民国我的答案：C38舞蹈《济公》主要表达的内容是（）。（1.0分）1.0

分A、普度众生B、天地仁和C、吉祥如意D、万物均等我的答案：A39舞蹈中用脚打鼓来表达心声的方式叫做（）。（1.0分）1.0

分A、打鼓B、踏鼓C、踏舞D、道具舞我的答案：B40云南彝族的“跳菜”舞目的在于（）。（1.0分）1.0

分A、祭祀祖先B、庆祝喜事C、祈求丰收D、反抗压迫我的答案：B41舞蹈动作除采用夸张延长外，（）形式也可以进一步展现舞蹈的主题。（1.0分）1.0

分A、收缩延长B、平缓渐进C、快速调度D、放大延长我的答案：A42舞蹈的客观范畴不包括以下哪项：（）。（1.0分）1.0

分A、生活形态的舞蹈B、规训形态的舞蹈C、审美形态的舞蹈D、作品形态的舞蹈我的答案：C43除古代文明阶段的传统舞蹈外，现代舞的历史身体语源还包括（）。（1.0分）1.0

分A、部落文化阶段的舞蹈B、舞台民间舞蹈C、当代文明阶段的新传统舞蹈D、新古典舞蹈我的答案：A44欣赏舞蹈的主观态度的终点是（）。（1.0分）1.0

分A、舞者的敬业精神B、舞蹈的优美程度C、舞蹈语言符号所表达的意义D、舞蹈所表现的故事情节我的答案：C45韩国用来迎接国家元首或展示传统文化的舞蹈是（）。（1.0分）1.0

分A、羽舞B、孔雀舞C、踏舞D、僧舞我的答案：D46民间舞的身份逻辑应为（）。（1.0分）1.0

分A、舞蹈学者B、农民C、二老艺人D、职业舞者我的答案：B47中国古典舞《楚腰》的基本结构是（）。（1.0分）1.0

分A、快板、慢板、慢板B、快板、慢板、快板C、慢板、快板、慢板D、慢板、慢板、快板我的答案：C48下列不属于古典舞应具有的“古典风格”的是（）。（1.0分）1.0

分A、与古代相连B、至今尚存C、有形式规则D、能迅速走红我的答案：D49舞台民间舞与生活中的民间舞最大的不同在于（）。（1.0分）1.0

分A、有观众观看B、动作标准化C、音乐多元化D、时间和空间压缩我的答案：D50虽然舞蹈属于一种艺术形式，但其背后也常常蕴含着（）的追求。（1.0分）1.0

分A、古典层面B、文学层面C、世俗层面D、信仰层面我的答案：D二、判断题（题数：50，共

50.0

分）1各民族的民间舞蹈只能以职业舞者的舞蹈作为其代表。（1.0分）1.0

分我的答案：

×2舞蹈《挽扇仕女》的创作基础是满族宫廷舞中的旋转。（1.0分）1.0

分我的答案：

×3舞蹈《醉狐》显示了人们对自由的追求。（1.0分）1.0

分我的答案：

√4假晶现象是指中国古典舞在身体语言的建构中照抄照搬芭蕾的动作而丧失自我的现象。（1.0分）1.0

分我的答案：

√5作品形态的舞蹈绝不属于剧场舞蹈和舞台舞蹈。（1.0分）1.0

分我的答案：

√6古典舞中的“身韵”来源于京昆戏曲中的京剧和南昆。（1.0分）1.0

分我的答案：

×7职业舞者所跳的交谊舞属于城市群众舞蹈。（1.0分）1.0

分我的答案：

×8生活形态、规训形态、作品形态这三种形式的舞蹈功能不同，价值有高有低。（1.0分）1.0

分我的答案：

×9要阐述更深的有话世界，舞蹈必须要达到一定的时间长度。（1.0分）1.0

分我的答案：

√10在世界古典舞中，每种舞蹈都有其标准化的符号呈现。（1.0分）1.0

分我的答案：

√11古典舞来源于民间。（1.0分）1.0

分我的答案：

√12当代舞又称当代舞蹈，是舞蹈种类之一。（1.0分）1.0

分我的答案：

×13民间艺人跳的孔雀舞的内容包括信仰生活和世俗生活。（1.0分）1.0

分我的答案：

√14中国民间舞三个身份群体的关系应为平行关系。（1.0分）1.0

分我的答案：

√15人们通过“裂面”舞来表达自身的仇恨之情。（1.0分）1.0

分我的答案：

×16正确的“中国民族民间舞”应包括中国各少数民族的古典与民间舞以及汉族的民间舞。（1.0分）1.0

分我的答案：

×17宏大叙事舞蹈都是直接阐述国家主题的。（1.0分）0.0

分我的答案：

√18芭蕾舞的动作可分为播撒式和收获式两种。（1.0分）1.0

分我的答案：

√19在剧场的舞台上西方代表生命、光明和前进。（1.0分）1.0

分我的答案：

×20在古典舞向现代舞转变的过程中，舞蹈的身体动作逐渐由展示转化为表现。（1.0分）1.0

分我的答案：

√21杂技式舞蹈是舞蹈由“业身”形态到“细身”形态的一种退化。（1.0分）1.0

分我的答案：

√22敦煌舞都是汉族舞。（1.0分）1.0

分我的答案：

×23作品形态的舞蹈只能在剧场和舞台上表演。（1.0分）1.0

分我的答案：

×24民间舞蹈缺乏抗国家干扰的自主能力。（1.0分）1.0

分我的答案：

×25对生活形态的舞蹈进行评价时，应站在舞蹈自身的语境中评价，不能站在专业高雅的角度评价。（1.0分）1.0

分我的答案：

√26“二老艺人”是指再生民间舞的重构者。（1.0分）1.0

分我的答案：

×27现代舞完全都在审丑范围内。（1.0分）1.0

分我的答案：

×28职业舞者将民间舞蹈搬上舞台时，往往会通过消解民间舞道具的方式来实现舞蹈形式的精致化。（1.0分）1.0

分我的答案：

√29舞蹈《也许我要飞翔》阐释了一种在物欲满足下人对精神的追求。（1.0分）1.0

分我的答案：

√30观众在不同的舞蹈场中得到的是不同的感受和思想。（1.0分）1.0

分我的答案：

√31异域是现代舞最扩大最具质感的身体语源。（1.0分）1.0

分我的答案：

×32《秦王点兵》是一个显示了汉代宫廷状态的、表现了儒家奋进精神的唐代舞蹈。（1.0分）1.0

分我的答案：

√33对于中国民间舞的三个身份群体而言，如果把握不好三者的平行关系，就会对中国民间舞产生极大的瓦解作用。（1.0分）1.0

分我的答案：

√34舞蹈的形式本身就是舞蹈的内容。（1.0分）1.0

分我的答案：

√35印度古典舞大约发源于十七世纪。（1.0分）1.0

分我的答案：

×36徐志摩是一个古典人物形象。（1.0分）1.0

分我的答案：

×37舞台民间舞重返民间时首先要了解的是舞蹈形式。（1.0分）1.0

分我的答案：

×38舞蹈的身体语言包括肢体语言和灵魂语言。（1.0分）1.0

分我的答案：

√39经典的有价值的舞蹈作品都是具有理论分析性的。（1.0分）1.0

分我的答案：

√40只有理清中国传统舞蹈的内在逻辑关系，才能将中国民间舞恢复到本元。（1.0分）1.0

分我的答案：

√41古典舞的最高境界是其在技艺方面的追求。（1.0分）1.0

分我的答案：

×42中国古典舞鉴赏首先要从时间和空间上分析舞蹈类别，再根据舞蹈类别进一步分析主题、结构、动作等。（1.0分）1.0

分我的答案：

√43《秦王点兵》从时间上划分属于先秦舞蹈。（1.0分）1.0

分我的答案：

×44超长的历史和超大的民族使中国古典舞形成了各种不同的形式和风格。（1.0分）1.0

分我的答案：

√45语言是舞蹈、音乐、绘画等艺术的基础。（1.0分）1.0

分我的答案：

√46印度民间舞的舞者都是职业舞者。（1.0分）1.0

分我的答案：

×47古典舞所表现的内容是非主流社会中各种身份群体的人和事。（1.0分）1.0

分我的答案：

×48《天鹅湖·二幕》中密林深处的古堡是魔法师罗特巴特的王国。（1.0分）1.0

分我的答案：

√49舞台民间舞整体在向典雅方向发展。（1.0分）1.0

分我的答案：

×50舞台民间舞都是由传统成型的民间舞改编而来的。（1.0分）1.0

分我的答案：

×摘要相对于传统的皮下注射，无针注射是一种全新的注射方式，具有无痛、药物吸收好、操作方便、消除了交叉感染等诸多优点。国内对无针注射器的研究起步较晚，落后于国外技术，目前尚处于研发阶段。本文在深入分析无针注射器结构特点的基础上，自主研发了弹簧式无针注射器和气动无针注射器，主要研究工作如下：(1)对国内外无针注射技术的发展现状进行研究，分析了无针注射的注射机理，运用工程设计学方法深入分析了无针注射器的结构特点，制定了无针注射器系统结构设计方案。(2)自主研发的弹簧驱动式无针注射器和气动式无针注射器结构简单与现有商业用的无针注射器相比，操作方便，成本低。(3)为了获得既要快速响应又要有持续驱动力的动力系统，将冲击气缸原理应用到无针注射技术中，所设计的磁阻尼冲击气缸式无针注射器，冲击力大，注射效果好，有很好的商业价值，值得推广应用。(4)设计的分离式安瓿装置，成本低，操作方便，消除了药液交叉感染的危险。(5)建立了弹簧式无针注射器和气动式无针注射器的数学模型，利用软件进行了仿真分析，并对磁阻尼冲击气缸中永磁铁的进行了磁力测试，对从事无针注射器研究的工程设计人员具有较好的参考价值。关键词：无针注射器，创新设计，仿真分析，安瓿作者：贾军朋指导老师：钟康民AbstractInnovativeDesignofTheneedle-freeInjectionPAGEXXXVI目录第一章绪论 11.1引言 11.1.1无针注射技术背景 21.2无针注射器的研究现状 41.2.1国外无针注射技术的应用现状 41.2.2国内无针注射技术的发展趋势 41.3本课题的意义和主要内容 51.3.1本课题的意义 51.3.2本课题的主要内容 5第二章无针注射器产品的设计过程 72.1前言 72.2产品设计过程的一般模式 72.3无针注射器原理方案设计 82.3.1总功能分析 82.3.2功能分解 92.3.3功能元求解 92.3.4系统方案求解 112.4小结 13第三章弹簧驱动式无针注射器的结构设计与仿真 143.1概述 143.2弹簧驱动式无针注射器结构设计 143.2.1动力弹簧的选择 143.2.2触发机构的设计 173.2.3缸筒的结构设计 183.2.4系统总体结构设计 193.3数学模型 203.4仿真分析 233.5小结 28第四章气动无针头注射器的结构设计与仿真 294.1概述 294.2基于缸阀一体化的气动无针注射器结构设计 304.2.1转阀式气动无针头注射器 304.2.2按键式气动无针头注射器 324.2.3推键式气动无针头注射器 334.3缸阀分离式磁阻尼冲击气缸无针注射器 364.3.1冲击气缸原理 364.3.2磁阻尼冲击气缸式无针注射器 384.4永磁铁的磁力计算 394.4.1永磁铁的选择 394.4.2永磁铁的磁力实验计算 414.5气动无针注射器的仿真 464.6小结 51第五章无针注射器安瓿的结构设计 525.1概述 525.2注射装置 525.2.1注射装置结构设计 525.2.2注射装置材料的选择 535.2.3注射头喷嘴的设计 535.3取药装置 545.4小结 54第六章总结与展望 556.1全文总结 556.2展望 55参考文献 57攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文 60致谢 61第一章绪论无针注射器结构创新设计无针注射器结构创新设计第一章绪论PAGE62PAGE63第一章绪论1.1引言传统的注射器是通过不锈钢针头注射人体,容易造成局部皮肤损害、出血，不仅疼痛显著,令多数患者（特别是儿童）产生恐惧，还有造成注射部位感染的危险，并且大量一次性注射器使用后即成为威胁环境健康的医用垃圾，国外报道显示，在美国440万医务人员中，每年因针头或者医疗锐器刺伤的人数达80万，护士每年发生的针刺伤达80~100万次。我国的情况不容乐观：1999年，福建樟湖镇地区由于不安全注射导致的感染病例数达59例，造成直接经济损失数百万元。2002年对广州市13所医院的3010名护士的调查显示，87.5%的护士有注射锐器刺伤经历，高于国外报道。

1994年，WHO和联合国儿童基金会在科特迪瓦举行的免疫接种会议上，2002年10月，WHO在柬埔寨金边召开的“全球安全注射网络年会暨注射后废弃物管理技术研讨会”提出安全注射的要求，呼吁积极发展和推广无针注射技术。无针注射器的概念最早出现在100多年以前。1866年，法国科学家发明了无针头注射器（如图1-1所示），拉开了人类开发和研制无针头注射器的序幕。在1936年美国科学家首次获得“射流注射”专利并在二战期间用于军队的大规模预防接种，但由于当时的注射器在每次使用前必须进行充填和调节，另有药剂无菌、“定量包装”生产工艺及传递效率等关键问题尚未解决，所以无针注射的技术并未广泛推广应用[1]。在80年代后，随着临床的需要和科技的发展,无针注射器经过大量深入的研究，通过小型化、轻量化的改进，并在针孔尺寸、压力控制、药流速度、能量曲线以及药液的分布、药物的吸收等方面，进行了更加合理的设计和研究，现在无针注射技术已逐渐成熟。图图1-1早期的无针注射器据不完全统计,目前国外有数十家厂商在生产近百种不同式样的无针注射器产品,其应用包括疫苗、胰岛素、局部麻醉、神经阻塞以及抗生素等，在发达国家该技术已经逐步应用到临床医疗及家庭保健方面。我国对无针注射技术的研究尚处于起步阶段，至今没有一家国内企业能过生产出该类产品，国内市场亟待开拓。1.1.1无针注射技术背景无针注射是指利用机械装置(如弹簧或高压气体)产生的瞬间高压迫使药剂从微细孔中挤出,形成高压射流，该射流速度极高典型值为100~200m/s[2]，使药剂迅速穿透人体或动物皮肤，达到药物吸收最佳部位。图图1-2传统注射（左）与无针注射（右）与传统的皮下注射相比较无针注射最大的优势消除了针刺的危险，据调查显示在发达国家有20%的未成年人和8.1%的成年人恐惧注射器[3]，尤其是对于那些需要经常注射胰岛素的糖尿病患者和干扰素的肝炎患者，无针注射不仅能够减轻生理上的痛苦，也能清除心理上的的恐惧。相对于传统的注射，无针注射器还具有以下优势：(1)无针注射器注射药剂时对神经末梢的刺激很小，无明显的疼痛感。(2)消除了交叉感染的危险。(3)注射完成后处理费用低。(4)注射的药物容易吸收。(5)易于操作。(6)方便注射不同的药物。无针注射器的注射过程如图1-3所示：高速射流通过侵蚀或撕裂等损伤机理，在皮肤表面形成小孔，随着射流穿过小孔，射流的速度逐渐降低，最终在小孔的末端形成一个滞留压力点,然后余下注射药剂以相对较低的速度通过孔洞注入皮（a）（a）bc图1-3无针注射器的注射过程（a）注射前；（b）注射中；（c）注射后注射时首先要射流有足够的压力使皮肤破裂，所以如果能给出人体皮肤相关的精确参数，就能确定注射流需要的确切压力，而事实上皮肤的参数因人而异很难确定，并且不同年龄的人的皮肤参数相差很大，很难给出一个穿透皮肤所需压力的精确值。国外一些学者通过实验测定当射流直径为0.34mm时，穿透皮肤所需要的射流滞止压力在10Mp~14Mp之间，随着射流直径的减小，所需要的压强增大，当射流直径在0.075mm时，穿过成年人皮肤所需要的压强约为25Mp,一般而言,射流直径在0.1mm~0.5mm之间变化时，15Mp的射流滞止压力足够穿透人的皮肤[5-6]。注射完成后，无针注射形成的伤口的宽度和注射直径相当，小于注射用的标准针直径（一般为0.41mm-0.71mm），伤口的愈合时间与针头导致的伤口愈合时间相当，一般为24-28小时[7]目前，使用三个标准表征注射的质量：(1)射流形成的创口深度。(2)注射结束初期，药液的扩散程度。(3)注射完成率。射流形成的创口深度是在注射初期射流在皮肤中形成的小孔的深度，与射流速度、注射剂量、注射时喷嘴和皮肤的距离，以及皮肤的属性等参数有关系[8]。当射流速度与直径一定时，创口深度随着注射体积的增大而增大到一定值，然后就不再改变。当喷口直径变大时，创口深度增加；射流速度增加，创口深度也变大。药液的扩散程度主要反映了药液的被人体吸收的情况，可以用两个参数表示：药液扩散的最大宽度，和最大宽度离皮肤表面的距离，其中与创口的深度一至[9]。注射完成率是注入体内的实际药液体积与预注射药液体积之比，与射流直径和速度有关，据统计现有的无针注射器都很难做到100%的注射率，当药液射流速度在140m/s~160m/s之间，孔径范围在0.152mm~0.299mm之间时，注射完成率大于90%。当孔口直径在这个范围以外增大或减少时，注射完成率变化较小，约80%左右。另外皮肤的属性，对注射完成率也有很大影响，如皮肤杨氏模量增大3倍，使注射完成率从100%减少到10%[8]。1.2无针注射器的研究现状1.2.1国外无针注射技术的应用现状从1866年法国科学家首次提出“无针注射”的概念至今，国外学者从工程学角度展开了大量的研究工作，1999年美国华盛顿大学的Baker和Sander建立了弹簧加载式无针注射器的数学模型[10]，并对注射过程进行了仿真。剑桥大学博士OliverA.Shergold在WestonMedical公司的资助下制作了压力试验台对不同型号的无针注射装置喷射过程所产生的压力进行记录并比较，加州大学的Baxter对无针注射机理方面做了系统的研究，并且给出了一套如何开发无针注射器的具体方案[8-9]，此外，牛津大学工程学系的MarkA.F.Kendall教授对采用MIFVS对高压气体喷射粉末无针注射器喷射时的冲击流进行了模拟[11],等等。据不完全统计，目前国外有数十家厂商生产近百种不同样式的无针注射器。截止现在，国外关于无针注射器的专利超过300件，研制了许多种型号的无针注射给药装置，其中具有代表性的是英国WestonMedical公司的Intraject和美国Equidyne公司的Injex给药系统[12]。国外对无针注射技术的研究起步较早，他们的研究为无针注射器的应用和发展打下了基础。1.2.2国内无针注射技术的发展趋势近年来国内也启动了无针注射剂研究项目，国内学者对无针注射器的工作特性和射流机理方面做了比较深入的研究，其中中国人民解放军军事医学科学院和华中科技大学、浙江大学在这方面已有相关成果，解放军302医院也研发了一种用于疫苗注射的无针头粉末注射器。但是由于结构材料及加工的要求复杂，至今也没有一家国内企业能够生产无针注射器产品，且相关的部门也没有正式批准任何一种国产无针注射器上市销售[1]。无针注射技术属于医疗器械范畴，旨在实现无创注射，可以消除痛感、显著减小损伤并方便于一般非专业医护人员的操作使用，对产品使用的便捷性和安全性要求较高，分析分析国外现有商业无针注射器，在技术上仍有许多问题，概括如下：注射器结构复杂，机械加工难度大，成本过高，使用操作不方便；现有的注射器给药剂量小（一般不超过1ml）;药物注射效率低，工作不可靠，等诸多的问题。因此，无针注射器的发展趋势就是向着注射剂量准确、结构轻巧且易于加工、使用方便、安全可靠、成本低廉以及良好的临床实践方向发展。1.3本课题的意义和主要内容1.3.1本课题的意义安全注射一直是全世界关注的社会问题，在发展中国家，每年儿童接受55亿次注射，其中10%的免疫注射是不安全的。我国每年包括免疫接种在内的各种注射约为30亿次，有些地区存在不经消毒重复使用注射器和针头、一次性注射器使用后回流市场的现象。无针注射是通过高速高压射流进行皮下穿刺注射，不存在传统皮下注射的针刺风险和处理污秽的一次性注射器带来的环境问题，并且具有无痛、无交叉感染、便捷、高效、安全等诸多优点，为此世界卫生组织（WHO）一直呼吁发展和推广无针注射技术。现有的商业无针注射器普遍存在成本高、注射不稳定等问题，始终不能实现广泛的普及应用，所以有必要对现有无针注射器进行结构优化，使其做到结构简单，使用方便。2009年末受无锡市某公司的委托,开展无针注射器的研发工作,本文在无针注射的现有技术上，自主研发出以弹簧为动力源的弹簧驱动式无针注射器和以压缩空气为动力源的气动无针注射器，对于实现无针注射国产化打破国外在此领域的垄断地位有着积极的意义。1.3.2本课题的主要内容本课主要研究了以下内容：(1)参阅相关文献资料，介绍了无针注射的原理和注射机理，和现有国内外无针注射的发展状况，提出了发展无针注射的积极意义。(2)运用工程设计学方法，对无针注射器的功能和结构进行系统分析，制定了可行的总体方案。(3)自主研发了一种弹簧驱动式无针注射器，并建立了数学模型，进行了仿真分析，优化了结构参数。(4)介绍了几种气动无针注射器，演示了其研发的过程，并进行了仿真分析，结果显示气动无针注射器注射性能功能优于弹簧式无针注射器。(5)对无针注射器安瓿装置进行了改进，提出了一种分离式结构的安瓿装置。第二章无针注射器产品的设计过程无针注射器结构创新设计无针注射器结构创新设计第二章无针注射器产品的设计过程第二章无针注射器产品的设计过程2.1前言市场上现有的商业用无针注射器结构复杂,不适合批量生产加工,故而造价过高,美国易捷公司的injex系列无针注射器市场上的销售价格超过1400元人民币，对于普通大众来讲是一笔不菲的花费，另外为了避免误操作injex注射器设置了复杂的安全装置，使得操作过于繁琐，不适合用于大规模接种疫苗。本文主要的目的是研制一种操作简单，造价低廉，面向大众的产品，其设计要求如表2-1所示。设计任务书功能射流速度100m/s~200m/s喷射滞止压力20Mp~30Mp实现自动化控制使用次数大于10000次经济适于大批量生产产品尺寸适于人手持握成本小于1000元制造无特种加工易于检测装配简单无特殊要求使用操作方便外形美观使用对象面向普通家庭和医护人员表表2-1无针注射器设计任务书（表中“”表示基本功能要求，“”表示希望达到的要求）2.2产品设计过程的一般模式[13]在产品系统设计中一般从功能分析入手,利用创造性构思探求多种方案,然后进行技术经济评价,通过选择和优化,求得最佳原理方案.其步骤及各阶段应用的主要方法如图2-1所示.明确任务明确任务求总功能求功能元求局部解求原理解最佳原理方案图2-1原理方案的设计步骤及方法2.3无针注射器原理方案设计2.3.1总功能分析分析系统的总功能解常采用黑箱法，将待设计的机械产品看做内容未知的黑箱,分析比较黑箱的输入和输出的能量、物料和讯号之间的差别和关系，即反映了系统的总功能[14]。对无针注射器抽象化描述后,其黑箱操作如图2-2所示。药剂能量药剂能量控制信号黑箱药剂高速射流图2-2无针注射器黑箱示意图根据系统的总共能可以设计出各种类型和原理的增压装置，并在众多装置中根据工作需要选择理想的方案。2.3.2功能分解一般工程系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的系统解。我们可按照系统分解的方法将总功能进行分解，建立功能结构图，这样既可以显示各功能元、分功能与总功能的关系，又可以通过各功能元之间的解的有机结合求的系统解。药物高速射流药物高速射流药物输入药物加载药物射流动力源控制信号撞击图2-2无针注射器功能树药物增压2.3.3功能元求解功能元求解就是原理设计方案的重要阶段，就是将所需执行动作，用合适的执行机构型式来实现。我们把能过实现其分功能的解称为局部解，再将各个功能元的局部解合理组合，就可以得到多个系统原理解。经过系统的分析，无针注射器的功能元可以分为：药物加载及喷射装置、动力源装置、触发装置、冲击装置，四个部分，通过不同的机构选型我们可以得到众多不同的设计方案。(1)药物加载及喷射装置药物加载及喷射装置药物加载及喷射装置外置安瓿自身封装药物自身不封装药物内置安瓿(2)动力源装置动力源装置动力源装置压缩弹簧气压、液压动力超磁致伸缩材料弹药电磁力电动机(3)冲击装置冲击装置冲击装置凸轮装置曲柄连杆装置飞轮装置齿轮传动摩擦轮传动装置冲击气缸激发装置离合器机构激发装置离合器机构棘爪机构弹药激发机构电气控制换向阀控制撞针装置由以上分析可知可能组合的方案数N=6×6×6×2=432，但是从实际情况和无针注射器设计要求来分析，许多组合明显不合理，甚至不切实际，需要进一步评价和筛选。在许多方案中进行比较，一般均应由粗到细、由定性到定量进行优选，首先进行粗筛选，把与设计要求不符的或各功能元解不相容的方案去掉[15]。例如凸轮机构显然与压缩气体动力源不相容，无法组成可实现的方案。在定性选择几个比较满意的方案后再用科学评价方法进行定量评价，从中选出符合设计要求的最佳方案。2.3.4系统方案求解在工程设计阶段，对于单一机构的选型或整个机构系统的选择都应该建立合理、有效的评价指标。无针注射器机构的选择主要从机构的功能（传动精度、运动形式）、动力性能（承载能力、安全性、可靠性）、经济性（成本、制造的难易程度）、结构性（尺寸、重量、结构复杂性）几个方面进行评价选择。（1）药物加载及喷射装置的选择市场上现有的无针注射器的安瓿分为内置式和外置式两种，内置安瓿将注射器与安瓿一体化，外置式是将安瓿通过螺纹或其他连接方式与注射器组合在一起。安瓿与注射器一体化设计可以使注射器使用方便，结构紧凑，尤其是在应对紧急或突发事故中一体化的结构设计可以大大减少注射操作用的时间，但是安瓿与注射器一体化的结构设计还要考虑到注射器的消毒及注射完成后安瓿中残余药剂的处理等诸多问题，使得注射成本过高。外置安瓿瓶的结构设计是将安瓿作为一次性使用的消耗品，用完即弃，注射器作为可重复使用的主体部件，这样的结构设计避免了一体化设计中的注射器消毒及残余药剂的处理问题，也避免了交叉感染，同时降低了注射成本。从经济性和安全性考虑，我们选择外置式安瓿作为药物加载装置。（2）动力源的选择由于无针注射器的整个注射过程在0.2秒以内，为此需要驱动力强而且快速响应的动力系统，查阅相关资料和专利现有的无针注射器主要采用弹簧、高压气体、电磁铁、弹药四种。弹簧是无针注射器最早采用的动力源，与其他动力源相比，弹簧结构简单，技术成熟，弹簧式无针注射器结构小巧，简单。目前，国际上有很多医药公司从事弹簧动力无针注射给药系统的研究，如Medi-Ject，EquidyneSystems等，而且已开发了比较成熟的产品系列。高压气体作为动力源在注射时可以保持基本恒定的压力，使注射压力基本保持恒定，注射效果显然要比弹簧驱动的无针注射器好，另外，高压气体的优势在于可以通过调节气体压力来控制注射深度，还可以通过电器开关控制气体通道的通断，使得高压气体动力源的无针注射器更加容易实现自动化控制。弹药动力源是通过引爆封闭气室内的易燃物，气体快速膨胀引起瞬间高压，推动活塞注射，但是其结构过于复杂，并且安全性令人担忧。弹药驱动无针注射系统的注射时间很短，目前市场上使用弹药为动力的无针注射器主要有法国的克鲁斯杰克特公司，它使用的弹药装料由两种不同燃烧率的粉末混合物组成，其中高燃烧率的火药在点火的初期使活塞产生很高的速度，而低燃烧率的火药粉末在燃烧时维持进行注射的阀值压力，使注射尽量均匀的进行[16]。电磁铁动力源的无针注射器的最大优点在于可控性很强，但是电磁铁需要较大的电流才能产生比较强的驱动力，使得注射器本身体积较大，现在技术还不成熟,市场上还没有相关的产品出现。各动力源的性能指标如（表2-2）所示性能项目弹簧压缩空气弹药磁力安全性安全较安全危险安全注射性能好较好较好较好技术成熟度成熟成熟一般不成熟结构复杂度简单较简单复杂复杂表表2-2不同动力源的比较综合比较几类不同动力源的特点，基于便捷性，安全性，经济性及技术可行性的考虑，本文选择弹簧和压缩空气作为设计无针注射器的动力源。（3）冲击装置和触发装置的选择根据产品的设计要求，无针注射系统体积小，重量轻，便于携带，所以冲击装置要结构简单，可靠，安全性能好，结合对动力源的选择，本文采用以弹簧或高压气体驱动冲击活塞撞击的结构设计。气压传动和气动控制技术已经比较成熟，以压缩气体为动力源的无针注射器,既可以调节气源的压力来控制注射时的驱动力，又可以通过电磁换向阀或手动换向阀来控制的气路的通断，实现激发功能，能充分发挥其“可控”的优势。棘爪装置是机械传动中常见的控制部件，其结构非常简单，而且操作方便是弹簧动力源无针注射器激发装置的理想选择。（4）总体设计结果系统方案经过筛选和评价，系统的总体设计为以换向阀作为激发装置，以高压气体为动力源，驱动冲击活塞撞击外置式安瓿的气动无针注射器和以棘爪机构为激发装置，以压缩弹簧为动力源，驱动冲击活塞撞击外置安瓿的弹簧无针注射器两种方案。2.4小结本章利用黑箱法建立了无针注射器的总体功能，通过功能分解和组合给出了系统设计方案，最后经过筛选确定了最终方案，为下一步进行结构设计打下了基础。第三章弹簧驱动式无针注射器的结构设计与仿真无针注射器结构创新设计无针注射器结构创新设计第三章弹簧驱动式无针注射器的结构设计与仿真第三章弹簧驱动式无针注射器的结构设计与仿真3.1概述市场上较成功的无针注射器产品多采用强力弹簧作为注射器的动力源，其体积小,重量轻,典型的是美国易捷公司的injex注射器（如图3-1）所示，重量只有75克，长度仅140mm,便于随身携带。弹簧驱动式无针注射器主要依靠强力弹簧的瞬间爆发力，通过冲击装置压迫药液从微孔中高速射出，其功能简图如3-2图所示。图图injex无针注射器压缩弹簧压缩弹簧冲击活塞杠杆式棘爪储药安瓿图3-2弹簧式注射器原理示意图弹簧驱动式无针注射器一般工作流程为：在弹簧压缩蓄能后,杠杆式棘爪抬起，压缩弹簧驱动冲击滑块撞击储药安瓿的活塞杆，这时安瓿中的药液压力可达到30Mp，瞬间高压促使药液从安瓿前端微孔中高速喷出。参考injex无针注射器的结构，本章节设计了一种外置安瓿的弹簧驱动式无针注射器。3.2弹簧驱动式无针注射器结构设计3.2.1动力弹簧的选择弹簧的种类繁多，用途广泛，按照弹簧制造材料的不同可以分为金属弹簧和非金属弹簧[17]。非金属弹簧主要包括空气弹簧、橡胶弹簧、以及塑料弹簧等，非金属弹簧一般弹性模量较小，可以实现很大的弹性变形，在无针注射器中要求弹簧体积小，压缩量少，要有较大的变形能，为此我们选用蓄能性能较好，刚度稳定，结构简单，制作方便的金属圆柱螺旋弹簧为动力源。碳素钢弹簧丝加工简单、成本低，强度高，而且价格低，市场上较常见，本设计采用65Mn弹簧钢丝作为原材料，性能如表3-1所示。参照injex无针注射器的弹簧的参数（最大驱动力160N,刚度系数=5N/mm），通过演算和推导制定弹簧的方案如图3-3所示。材料名称牌号直径规格切变模量弹性模量使用温度碳素弹簧钢丝级：C表表3-1碳素弹簧钢材料性能[18]图图3-3弹簧设计方案（单位mm）如上图所示，弹簧设计参数为：最小载荷=20N最大载荷=160N工作极限载荷=204N有效圈数=21总圈数=23弹簧丝直径=1.8mm截距=3.8mm端部型式YI型压压并圈数最小载荷高度=80mm最大工作高度=45mm螺旋角=6.5oC弹簧的校验：弹簧要求刚度=5N/mm弹簧实际刚度=4.93N/mm刚度的相对误差=0.014刚度满足设计要求许用切应力=1005Mp最小切应力=110.96Mp最大切应力=889.7Mp满足静压应力要求弹簧的临界载荷=45N<弹簧在没有约束的情况下稳定性较差弹簧的疲劳强度安全系数=1.22基本满足疲劳强度要求经过校验可以看出弹簧在自由状态下稳定性较差，需要设置套筒或导杆进行约束，其疲劳强度和静压强度基本上满足我们的设计要求，可以用来作为动力源弹簧。在弹簧受力过程中为了避免力量集中在弹簧的一侧，使弹簧丧失稳定而失效，需要在弹簧的末端磨平并紧贴在前一有效圈上，而被压紧的物体也应该和弹簧末端形状相配合，同样原因，弹簧两末端的端点应在相应的两边，以达到使弹簧均匀受力的目的。还应指出的是，弹簧成形后，需经220oC~330oC的低温去除应力退火或发蓝处理，或根据弹簧的作业条件与所选材料的性质的要求，需要进行淬硬及回火，以提高弹簧力[19]。3.2.2触发机构的设计无针注射器属于医疗器械范畴，对操作的安全性，系统的稳定性要求很高，在轻微的震动或人不经意间操作下，触发机构要保证绝对的安全，所以触发机构的设计不仅要结构简单，而且要操安全可靠。查阅相关的资料，经过工程分析,本文选用结构简单的棘爪机构作为触发装置。弹簧弹簧冲击活塞缸筒片弹簧棘爪图3-4杠杆式棘爪机构示意图图3-4所示的是杠杆式棘爪触发装置,其工作原理是:弹簧压缩蓄能后，冲击活塞在棘爪的作用下处于待工作状态，当棘爪受力绕铰链轴向上转动时，冲击活塞在弹簧的驱动下向前运动。为了避免冲击活塞在运动时与棘爪干涉,冲击活塞前部呈圆锥状,同理棘爪前端也加工有一定的斜度。需要注意的是棘爪前端与冲击活塞接触面积小，产生的应力较大，容易变形，需要表面热处理加工以提高硬度,增加耐磨性。杠杆式棘爪触发装置结构简单,操作非常方便。考虑到安全的因素，棘爪在受到震动时，容易脱落，使用者也容易触动棘爪，造成误操作，需要设计防止误操作的安全装置，消除潜在的危险因素。在injex无针注射器中设置了较为复杂的互锁安全装置，操作时必须一手推拉安全装置，另只手按压杠杆式棘爪装置，才能完成注射，操作极不方便。本文设计了滑块驱动装置来驱动棘爪(如图3-5所示),使得机构的安全性能得到保障。触发圆柱销触发圆柱销片弹簧棘爪滑块弹簧缸筒冲击活塞图3-5杠杆式棘爪激发装置示意图如上图所示,触发圆柱销固定在滑块通孔中，滑块通过圆柱销可沿着缸筒上部支架的通槽滑动,当滑块向前运动时，触发圆柱销沿斜面压迫棘爪，使棘爪绕固定铰链轴向上转动，棘爪到达指定位置时，压缩弹簧驱动冲击活塞高速向前运动。采用滑块驱动棘爪触发装置，基本上消除了误操作的危险,极大的提高了系统的安全性,并且滑块装置结构非常的简单,既可以采用塑料材料注塑成型,也可以选用金属材料加工成型,通过选择合适的颜色和外观形状还可以起到美化系统外观的作用。3.2.3缸筒的结构设计缸筒是无针注射器的主体构件，主要作用是放置动力弹簧、冲击活塞，安装触发装置和储药安瓿，其结构的设计的直接决定着整个无针注射器系统的结构和成本。缸筒的结构设计需要满足从以下三个方面的要求：(1)重量轻、体积小，(2)易于加工制造，(3)美观。在缸筒的结构设计中滑块及棘爪支架与缸筒的联接是个比较棘手的问题，采用分离式结构，将支架与缸体通过螺钉或焊接的方法固定在一起，会使整个系统结构复杂化，添加了许多不必要的构件，增加了加工的成本和装配的难度。将滑块支架、棘爪支架与缸筒一体化的设计，结构简单、装配非常方便，并且能有效控制成本，其方案如图3-6所示。图3-6缸筒的结构示意图滑块支架棘爪支架滑块支架在满足使用性能要求的前提下，本文采用硬铝合金（Ly11）作为缸筒的加工材料，Ly11硬铝合金密度小,约为2.76×10-6kg/mm图3-6缸筒的结构示意图滑块支架棘爪支架滑块支架一般动力弹簧外径较小约在φ8mmφ10mm之间，缸筒盲孔属于细长孔加工，普通的硬质合金镗刀，镗杆刚性不足，在加工深孔时，镗杆受力变形较大，产生严重的让刀和震刀现象，加工精度较难保证，为了保证盲孔的加工质量需要采用浮动镗削的加工方法，浮动镗削机理是利用一个刀体两端的两个对称切削刃保持切削力均等的原理，使刀体在镗杆的方孔中自由浮动，而自动定心，可以消除因刀块在刀杆上的安装误差所引起的孔径误差，从而保证加工精度[21]。浮动镗削后的盲孔精度达到，表面粗糙度为0.4，达到设计要求。3.2.4系统总体结构设计总体结构设计要从系统的角度分析，跟据各部件的相对位置和装配关系，完成总体布置，使系统在满足功能要求的条件下，做到结构简单，外形美观。考虑到动力弹簧和触发机构的结构特点，我们采用外置安瓿的笔状结构，如图3-7所示。端盖弹簧缸筒滑块片弹簧冲击活塞棘爪安瓿图端盖弹簧缸筒滑块片弹簧冲击活塞棘爪安瓿图3-7系统总体结构图本文设计的弹簧驱动式无针注射器结构简单，操作方便，满足设计要求指标。该无针注射器装置可以为从事无针注射器研发的工程人员提供借鉴，对早日实现无针注射器的国产化有积极的意义。3.3数学模型通过实验研究可以发现,不同的弹簧动力、安瓿微孔直径、冲击间隙（冲击活塞与安瓿活塞杆的距离）、安瓿活塞直径等因素的组合可以得到不同的射流的滞止压强。因此建立一个能描述参数系统与喷射流的数学模型，对深入了解注射机理和优化系统设计有重要意义。无针注射器是基于微孔射流的原理进行注射，在不考虑射流在皮肤内部的作用，单纯从射流机理的角度分析，无针注射器系统可简化为如图3-8所示的系统，这种简化不但有助于注射原理的分析，也有利于建立数学模型[10]。为了便于数学建模，假定药液为无粘性的理想流体，在通过微孔喷射时无能量损耗和紊流现象，根据液体连续性方程即质量守恒定律和伯努利方程（能量守恒定律）进行分析[22]。图图3-8无针注射器简化模型储药安瓿活塞储药安瓿壳体根据质量守恒定律，即：初始质量=剩余质量+流出质量得：（3-1）式中：——药液初始密度；——安瓿活塞面积；——活塞运动行程；——药液在时刻的密度；——活塞位移；——安瓿微孔的面积；——药液在微孔处的流速；定义：（3-2）代入式（）得：（3-3）由液体的体积模量得:式中:——药液压强；——药液体积弹性模量；外界大气压力压强为零，所以由上式可得：（3-4）代入方程（3-3）求导得：（3-5）不考虑药液通过微孔的能量损失，根据伯努利方程得：式中：，可以认为，（为大气压强）可得：对于液体来讲，可以近似认为，上式可改为：（3-6）代入式（3-5）可得：（3-7）根据牛顿第二运动定律得化简得：（3-8）式中：——冲击活塞与安瓿活塞的质量总和；——摩擦阻力；——动力弹簧的出压缩量；另外为了增加冲击活塞的冲力，一般冲击活塞与安瓿活塞之间留有一定的间隙，的取值影响药液的流动和压力分布。在数学处理中，将冲击活塞的撞击过程简化为活塞具有一定的初速度，且该速度随间隙的增加而增加[23]。上式可以改写为：（3-9）联立方程（）和（）可得：（3-10）从该方程组可以看出，射流滞止压强与弹簧的刚度、冲击活塞质量和速度、安瓿活塞表面积等因素相关。模型中的摩擦力分为两个部分，一部分为密封圈阻隔药液流体形成的压力，另一部分为密封与安瓿壁间的摩擦力，忽略摩擦力的作用并不影响模型的正确性，所以在后续的仿真分析中，不计摩擦力的影响。3.4仿真分析从上节的数学模型是个非线性的微分方程组,把该模型分解为3个一阶微分方程，利用MATLAB[24-26]数值分析软件进行数值处理，可以得到药液滞止压强与时间的关系曲线图。以市场上现有的易捷无针注射器为参考样机，进行分析。参数(单位)数值参数(单位)数值(m2)1.1304×10-8(m/s)1×10-5(m2)1×10-5(N/s)5(m)3×10-2(N.m)2×109(m)3.5×10-2(kg/m3)1000(kg)6.5×10-3(m)0表表3-2易捷无针注射器结构参数图3-9无针注射器0.2秒内滞止压强变化曲线图3-10无针注射器图3-9无针注射器0.2秒内滞止压强变化曲线图3-10无针注射器0.01秒内滞止压强变化曲线从图3-9看出注射器滞止压强在0.0005秒的时间中上升至30Mp,随着弹簧作用力的衰减，压力峰值逐渐降低,在0.02秒以后压力线性下降。在初期出现的压力宽幅波动是由于液体压力瞬间急剧上升出现的，产生较高的压力峰值，出现冲击波的传动过程，这种现象称为液压冲击[27]，该峰值对于刺破人的皮肤，完成注射是有利的，在无针注射中最大喷射滞止压强的大小决定着射流穿刺皮肤的能力[7-8]，模型中影响滞止压强的参数主要有弹簧的刚度，冲击的活塞质量，以下针对不同的参数进行仿真分析。图图3-11不同弹簧刚度下0.2秒中滞止压力曲线图图3-12不同弹簧刚度在0.01秒的时间中的压力曲线图上图中=6000N/m,5000N/m,4000N/m（其余结构参数不变），可以看出动力源弹簧的刚度与射流压力的最高峰值基本呈递增关系，随着值的增大，射流压力稳步上升，所以动力源弹簧的选择直接影响无针注射器的注射质量。图图不同质量的冲击活塞下的滞止压力曲线图上图中，=3×10-3kg，=6.5×10-3kg，12×10-3kg（其余结构参数不变），经过仿真计算，可以看出随着冲击活塞质量的增加，最高滞止压强却呈下降的趋势，冲击活塞的质量影响了射流初期压强波动的峰值和频率，质量小的冲击滑块压力峰值大，频率高，较大质量的冲击活塞压力峰值小，频率低。这是因为在弹簧的作用下，随着活塞质量的增加，活塞释放时的加速度变小，对安瓿中的药液没有足够的冲击力，使压力峰值降低。因此在满足结构要求的条件下，冲击滑块的质量应该取较小的值。结合以上的分析可以优化弹簧式无针注射器的机构，对弹簧驱动式无针注射器参数取值如表3-3所示，进行仿真计算。参数(单位)数值参数(单位)数值(m2)1.76625×10-8(m/s)1.2(m2)1×10-5(N/s)5(m)3×10-2N.m2×109(m)3.5×10-2kg/m31000(kg)12×10-3m0.0045表表3-3设计参数取值图图3-14滞止压力曲线图图图3-15滞止压强初期曲线图从仿真结果可以看出，本文设计的弹簧式无针注射器最高射流滞止压力约为27Mp，经过0.017秒的短期压力波动后，滞止压力开始线性下降，与injex无针注射器相比，其滞止压力峰值稍小，其余特性基本类似，这是由于由于本装置中冲击活塞前端的长度与弹簧的压缩量相等，否则会与棘爪干涉，所以活塞的质量相对较高，使得注射压力峰值降低。根据国外学者的研究成果，对直径在0.01mm~0.5mm内的药液射流，15Mp的最高滞止压强足以刺破皮肤[5-6]，本文设计的弹簧式无针注射器基本满足设计要求。3.5小结本章主要阐述了一种无针注射器的结构设计，并建立了数学模型，进行了仿真分析，结果表明该装置是可行的。第五章无针注射器安瓿的结构设计无针注射器结构创新设计无针注射器结构创新设计第四章气动无针头注射器的结构设计与仿真第四章气动无针头注射器的结构设计与仿真4.1概述弹簧驱动式无针注射器虽然体积小、重量轻、携带方便,但是在每次注射完成后,还需要专用的复位装置（如图4-1所示）将弹簧重新压缩蓄能,操作过程过于繁琐，不适合用于需要连续注射的场合。另外在人们在设计过程中总是希望无针注射器体积越小越好，如何将动力源弹簧和触发装置及安全装置巧妙的结合起来，是弹簧式无针注射器的设计难点，也是影响注射器生产成本的要点。图图4-1injex无针注射器复位装置采用压缩气体作为动力源不需要额外的复位蓄能装置，简化了操作程序。弹簧的驱动力随着弹簧伸缩量的展开而逐渐减小，而压缩气体的驱动力能始终保持不变，显然稳定的压缩气体驱动力能使注射效果更好，此外气动无针注射器还有以下的优势：（1）能够通过调节气源压力来控制注射深度。（2）结构较简单，生产成本低。图4-2图4-2气动无针注射器原理简图控制阀冲击活塞储药安瓿参考弹簧式无针注射器的总体结构，我们采用如图4-2所示的系统结构图，储药安瓿联接到注射器上，当控制阀换向接通气源时，压缩气体驱动冲击活塞撞击安瓿活塞杆完成注射，注射结束后控制阀换向，冲击活塞复位。4.2基于缸阀一体化的气动无针注射器结构设计4.2.1转阀式气动无针头注射器图4-3图4-3转阀式气动无针注射器工作示意图阀体阀芯冲击活塞弹簧后盖安瓿(a)待发状态（a）待发状态（b）击发状态（c）复位状态如上图所示，转阀式气动无针头注射器结构简单,控制阀芯（其结构如图4-4所示）安装在阀体的通孔中,冲击活塞可滑动的装配在冲击腔内,后盖与阀体螺纹连接,储药安瓿连接在后盖上。当阀芯处于a图所示位置时，无针注射器处于待发状态，阀芯转动到b图位置后，气源与冲击腔接通，压缩气体驱动冲击活塞撞击储药安瓿活塞杆，注射完成后转动阀芯处于c图所示位置，冲击腔与大气接通，冲击活塞在弹簧的作用下复位，完成一个工作循环。转阀式气动无针头注射中，控制阀芯的选择决定着整个装置的性能，为了操作方便、安全,阀芯在阀体内的转动要灵活可靠，而且耐磨性、密封性能要好，为了达到要求,在生产中通常采用选配的方法[28]，选择在一定公差范围内的阀芯和阀体组装配合以达到使用要求。另外考虑到阀芯和阀体之间的摩擦和润滑等实际的问题，在设计时，阀体采用金属材料,阀芯采用尼龙610（PA610），尼龙材料具有强度高、硬度低、耐磨、自润滑、吸收噪音、减震等优点，可以明显降低阀芯和阀体的摩擦阻力，能降低消耗，节约能源。图图4-4阀芯结构图图图4-5转阀式气动无针注射器实体图实验时我们发现尼龙虽然有较好的耐磨性，但是尼龙的线膨胀系数过高，体积受温度影响很大，阀体采用45#优质碳素结构钢时,运行一段时间后，由于摩擦生热，阀芯直径变大，容易使其在阀体中卡死，阀体比较适合采用线膨胀系数较低的工具钢(GCr15)。另外由于转阀的结构特点，单纯利用阀芯和阀体的配合公差来防止漏气，效果很差。为了解决上述问题，本文设计了按键式无针注射器、推键式无针注射器和冲击气缸式无针注射器，较好的解决了实验中出现的问题。4.2.2按键式气动无针头注射器图图4-6按键式气动无针注射器工作示意图压圈阀芯控制体冲击活塞缸筒弹簧前端盖储药安瓿孔a孔b复位弹簧孔c（a）待发状态（b）激发状态按键式气动无针头注射器是利用阀芯与控制体的相对位置的改变来控制气路的通断，其结构如图4-6所示,阀芯可滑动的放置在控制体中,阀芯两端台肩上用O型圈密封,控制体与缸筒固定连接，冲击活塞放置在缸筒内，前端盖通过螺纹或销钉连接在缸筒上，安瓿与前端盖螺纹连接。初始位置时（如图4-6a所示）阀芯在复位弹簧的作用靠紧压圈，压缩空气通过孔进入阀芯与控制体形成的气密腔中，孔a与孔c断开，孔b与孔c相通，注射器处于待发状态，注射时阀芯克服复位弹簧阻力向下运动（如图4-6按键式无针注射器的阀芯运动形式由转动演化为直线运动，阀芯材料选量具钢GCr15，阀芯两端采用O型圈密封，基本上解决了转阀式无针注射器出现的漏气和阀芯卡死的现象。4.2.3推键式气动无针头注射器人性化设计是当今社会对产品使用的新要求，也是产品设计发展的新趋势[29-30]。按键式无针注射器虽然能满足使用要求，但是由于阀芯和控制体的结构特点，使整个注射器的长度和高度比例失调，外型不够美观，并且其控制体位于注射器后端，使用者在手持操作时很不方便，不符合产品人性化的设计理念。基于操作方便、造型美观的设计要求，在总结前面章节的气动无针注射器结构特点的基础上，我们采用如下的技术方案(如图4-7所示)进行改进：（1）将换向阀体与缸筒设计成一体化结构。（2）利用直线运动的推拉式触发键，推动换向阀芯运动以切换压缩空气通道,实现冲击活塞的冲击运动。（a）控制阀体结构设计阀体阀体阀芯弹簧缸筒楔件气路B气路A图4-7控制阀结构图控制阀体结构如图4-7所示，阀体上加工有空气通道A、B，采用热涨法或冷却法的过盈配合形式固定联接在缸筒内,阀芯可滑动的放置在阀体内，楔件固定在阀体前端。阀芯两端台肩上采用O型圈密封，与阀体内孔形成气密腔，初始位置时阀芯在复位弹簧的作用下处于阀芯后端，压缩空气通过气路B进入气密腔内，由于O型圈的密封作用，气路B与气路A断开，当阀芯克服弹簧阻力向前运动，到达预定位置时，气路B与气路A接通，压缩气体进入缸筒右腔内。(b)总体结构设计后端盖后端盖换向阀体阀芯弹簧推键楔件活塞缸筒前端盖储药安瓿a)待发状态激发状态图4-8推键式气动无针注射器结构图气路C气路B气路A如图4-8所示，前端盖上加工有空气通道C通过螺栓与换向阀体固定连接,阀芯可滑动的放置在换向阀体内，按键通过与阀芯螺钉连接，冲击活塞位于缸筒左腔内，后盖通过销钉固定连接在缸筒上，储药安瓿连接在后端盖上。在初始位置时，压缩气体通过后端盖上的气路C，进入空气通道B中，这时阀芯在复位弹簧的作用下，位于换向阀体的左端（如图4-8a所示），气路B与气路A断开，注射器处于待发状态，当用手快速推动推键克服弹簧阻力向右运动，使阀芯运动到如图4-8(c)方案改进在上述方案中，控制阀体的结构设计是在阀体上加工出气路通道，通过过盈配合或胶粘的形式与缸筒结合在一起，如果能在缸筒上加工出空气通道，将省去热处理工序和阀体的加工，能有效的提高加工效率，控制成本。为此，本文作出如下改进如图4-9所示，气路A缸筒阀芯楔件气路A缸筒阀芯楔件气路B气路C图4-9控制阀结构图如上图所示，楔件固定在缸筒内孔台阶面上，阀芯可滑动的放置在缸筒左端通孔内，楔件前端与阀芯盲孔配合。在初始位置时，阀芯位于缸筒左端，空气通道B与空气通道C断开，空气通道C通过阀芯的端面沟槽与气路A接通，这时缸筒右端腔室与大气接通，当阀芯向前移动到指定位置时，空气通道B与气路C连通，压缩空气进入缸筒右腔室内。（d）总体方案改进如图4-10所示后端盖和前端盖通过螺栓与缸筒联接，阀芯可滑动的放置在缸筒左腔内，冲击活塞位于缸筒右腔，楔件前端与阀芯盲孔配合。初始位置时阀芯位于缸筒最左端，压缩空气通过前端盖中的气路进入气路B内，在阀芯台肩O型圈的作用下，气路B与气路D断开，气路C通过阀芯断面沟槽与气路D接通，这时缸筒右腔与大气接通。推动推键带动阀芯向右移动到达图4-10b所示位置时，气路B与气路D接通，压缩空气进入缸筒右腔，驱动冲击活塞撞击安瓿活塞杆，完成冲击。值得注意的是，由于楔件前端与阀芯盲孔配合，所以对阀芯，缸体左端通孔等的同轴度加工要求较高，要保证楔件前端与缸筒左腔的同轴度公差在合适的范围内。后端盖阀芯推键楔件冲击活塞缸筒前端盖安瓿后端盖阀芯推键楔件冲击活塞缸筒前端盖安瓿气路A气路B气路C气路Da)初始状态b)激发状态图4-10推键式无针注射器结构改进图通孔E图图4-11按键式气动无针头注射器实物图改进后的推键式无针注射器，结构简单，加工成本明显降低，而且性能也得到了明显的提高。推键式无针注射器在外观和性能上与按键式相比，有了较大的改进，接近气动无针头注射产品的雏形，但是由于其采用控制阀和冲击气缸一体化的结构，使得总体结构不够简单，装配要求较高，另外为了保证密封性能，需要在阀芯的环形槽中安装型密封圈，这样做增加了阀芯和阀体的摩擦阻力，需要较大的力才能推动阀芯滑动，使用还是不够方便，需要做进一步的改进。4.3缸阀分离式磁阻尼冲击气缸无针注射器4.3.1冲击气缸原理在设计过程中将其他领域的常识采用于本领域或将本领域的知识推广用于其他领域可以获得新的构思方法[31]。无针注射器的原理是利用高压使药液从微孔中高速射出，为此需要驱动力强且快速响应的动力系统，能够提供较大的冲击力和持续的动力。在机械行业中常用的冲击气缸一种专门为了满足对冲击力有较高要求的场合而开发的一种特殊功能气缸，将冲击气缸的原理应用于无针注射器的设计中是一种新的创新方式。冲击气缸是将压缩空气的能量转换为活塞高速运动（最大速度可以达到10m/s以上）从而实现冲击动能的一种特殊气缸。与同缸径的普通气缸相比，冲击气缸的冲击能量可大50倍至400倍[32]，在许多工业场合被用于冲剪、锻打、冲压、打桩、铆接等多种加工。与一般气缸相比较冲击气缸增加了蓄能腔和中盖，中盖和活塞把缸体分为三个腔室：蓄能腔、前腔和后腔，其工作原理如图4-11所示。复位阶段复位阶段蓄能阶段冲击阶段图4-12冲击气缸工作原理AB蓄能腔后腔前腔冲击气缸动作的一个全过程大致分为三个阶段：复位阶段：孔B进气，孔A排气活塞在压力差的作用下向上运动，达到极限位置。蓄能阶段：孔A进气，孔B排气，蓄能腔压力逐渐上升，前腔压力逐渐降低，当前腔压力降低到一定程度时，活塞受到的上推力与下推力相互平衡。冲击阶段：前腔压力进一步降低时，活塞开始向下运动，积聚在蓄能腔的压缩空气进入后腔,后腔压力急剧上升，活塞在巨大的压差作用下，获得很高的运动加速度,在很短的时间内加速到很高的速度，从而获得很高的动能。冲击气缸是在普通气缸的基础上添加了储能腔，使高压气体在极短的时间内充入到活塞的背面，使活塞在较短的行程内以很高的速度（7m/s左右）运行，冲击气缸输出的主要是动能,而普通气缸速度较慢（0.5~0.7m/s）,其输出形式主要是力[33]。冲击气缸结构简单、紧凑、成本低、耗气少却能产生相当大的冲击力，将冲击气缸的工作原理应用到无针注射器领域，对优化产品设计有重要的意义。4.3.2磁阻尼冲击气缸式无针注射器在前面章节中介绍的按键式和推键式无针注射器采用控制阀和缸筒一体化的设计思路，为了保证控制阀密封和换向的性能，阀芯和阀体的表面粗糙度、同轴度等的加工要求比较高，一般车削后还需要进行研磨，提高了产品的成本。而现在气动控制技术已经比较成熟，采用常见气动电磁换向阀，将电磁控制阀与气源一体化，利用电气控制系统来控制气路的通断，可以很好的做到自动化控制，也极大的简化了无针注射器的结构,本章采用缸阀分离式结构设计了一种磁阻尼冲击气缸，能很好的把冲击气缸技术应用到无针注射器领域。换向阀换向阀开关管接头后端盖中盖冲击活塞前端盖安瓿初始状态蓄能腔永磁铁弹簧bb激发状态图4-13磁阻尼冲击气缸式无针注射器结构图如图4-13所示，磁阻尼冲击气缸结构非常简单，中盖固定在缸筒内，将缸筒内腔分为冲击腔和蓄能腔，后端盖通过螺纹连接在缸筒上，永磁铁放置在冲击活塞中，与中盖磁性相吸，形成磁阻尼装置，前端盖与缸筒螺纹连接，安瓿连接在前端盖上，在初始状态下气缸蓄能腔经电磁阀排气，磁性冲击活塞在弹簧的作用下缓缓复位，当接近中盖时，冲击活塞依靠自身强大的磁力，迅速吸附于中盖上。电磁阀换向蓄能腔进入压缩气体，由于气体的流动性不足以克服磁阻尼装置及复位弹簧的阻力，冲击活塞吸附于中盖上，当蓄能腔压力逐渐升高，足以克服这两个力时，冲击活塞开始向下移动，压缩空气全部作用在冲击活塞端面上，冲击活塞高速脱离中盖，撞击安瓿活塞完成注射。为了追求冲击活塞的最大冲击力，冲击活塞与安瓿之间留有一定的空行程。注射过程结束后，换向阀切换到初始状态，冲击活塞在弹簧的作用下复位到最左端位置，准备下一次注射。在磁阻尼冲击气缸中，中盖要使磁性冲击活塞有足够的吸附面积，保证表面与磁性冲击活塞表面平行，一般选用08优质碳素钢，这种材料磁路损失小，导磁系数和剩磁均较理想，加工时一般在中间开有多条圆槽以减少不平度的影响[34]。为了防止冲击时磁钢碎裂，磁钢一般采用高性能钕铁硼磁钢等永磁材料，磁钢的磁性能越强，其存储能量的能力越大，做功的能力也就越大，另外为了消除注射器管壁对永磁铁的影响，设计中我们选用防磁的硬铝合金作为缸筒的加工材料，活塞采用黄铜合金材料，这样使注射器既能满足强度要求，而且外形美观，体积小。磁阻尼气动冲击式无针头注射器，结构简单，使用方便，成本低，由于增设了蓄能腔和磁阻尼装置，使冲击活塞的加速度高，冲击力大，并且可以通过调节供气压力和磁力大小不同的永磁铁使注射压力在一定的范围内可调，可以用于不同的场合，不同年龄的人群。4.4永磁铁的磁力计算4.4.1永磁铁的选择在液压或气压传动中,系统的压力大小取决于系统外部负载的大小,负载越大,系统的压力也就越高。磁阻尼冲击气缸式无针注射器中,永磁铁的磁性能越强,对中盖的吸附力也就越大,相应的蓄能腔内的气体压力也就越高，永磁铁的选择对注射效果的影响很明显。目前永磁铁主要有铁氧化体永磁铁、铝镍钴永磁铁、稀土钴永磁铁、钕铁硼永磁铁、铁铬钴永磁铁和锰铝碳永磁铁[35]。(1)铁氧化体永磁铁铁氧化体永磁铁是应用最广的一种永磁材料，具有相当高的矫顽力，适合用于退磁场较大的场合，其电阻率要比金属磁性材料高很多，所以在高频下也可使用，铁氧化体永磁铁的另一个特点是退磁曲线的很大一部分接近直线，工作稳定，此外，铁氧