用于医疗应用的精密轴承：这些因素决定了性能和可靠性
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医疗设备对其组件的可靠性提出了极高的要求。在手术电动工具、呼吸机和心脏泵等应用中，精密轴承是治疗患者安全通常直接依赖的关键部件之一，因此精确安装滚动轴承的规格和选择变得更加重要。 医疗产品的开发和批准往往是一个漫长而昂贵的过程。必须有意识地选择每个组件，以不断满足对性能和可靠性的要求，即使在恶劣的环境条件下使用多年并在高负载下运行后也是如此。除了应用的特殊要求外，设计人员还必须考虑耐腐蚀性、润滑性和滚珠轴承所用材料等因素。通过精确安装的精密轴承，这些降低了昂贵的重新设计和重新批准流程的风险，更不用说在实际使用中发生故障的后果了。
一、特殊材料提高耐腐蚀性和耐温性对于需要反复灭菌的手术工具和医疗器械，耐腐蚀性是一个关键因素。因此，设备中使用的轴承必须能够承受灭菌过程中使用的腐蚀性化学品和高压灭菌器中遇到的高达 140°C 的高温。因此，在选择滚动体、套圈和保持架的材料时必须谨慎。 例如，高性能的 AMS5898 / X30CrMoN15-1（马氏体不锈钢）已经取得了良好的效果，它的铬含量高达 14% 至 16%，因此提供了比标准滚动轴承钢高得多的耐腐蚀性. 二、润滑良好：具有较长的使用寿命和生物相容性良好的润滑对于轴承性能也至关重要。润滑剂的类型和用量对相应应用的功能特性和使用寿命有重大影响。对于依赖油脂润滑的轴承系统，必须确保润滑具有生物相容性，这样即使润滑剂与组织接触，也能避免对患者健康造成损害。通常建议指定 NSF 认证的 H1/H2 润滑剂。H1 润滑剂被归类为人类可以安全食用少量或百万分之几。H2 润滑剂被认为适用于食品，但不是专门的食品级产品。根据医疗器械的用途，还可以考虑使用符合 DIN EN ISO 10993 的生物相容性润滑剂。 对于心脏泵和其他植入物，可能根本无法进行轴承润滑，因此可以排除润滑剂对患者造成的任何风险。由特殊材料制成的精密轴承可以在这种情况下助一臂之力，即使在没有润滑的情况下也能确保可靠的性能和较长的使用寿命。在其他液体直接接触甚至流过滚珠轴承的情况下也是如此。 三、设计和材料决定耐磨性正确选择合适的滚珠和套圈材料以及正确的产品设计也可确保高精度轴承——以及医疗设备——具有较长的使用寿命。一种可用于提高轴承寿命和耐磨性的材料是 AMS5898 / X30CrMoN15-1——一种马氏体、整体硬化和耐腐蚀钢。由于能够承受灭菌过程中使用的腐蚀性化学品，这种材料非常适合用于外科手术工具。 氮化硅是医疗应用中使用的球材料之一。凭借其固有的机械性能，这种材料即使在润滑不良或无法润滑的应用中也能提供出色的性能。轴承材质为不锈钢X65Cr13/1。4037 在医疗技术应用中也被证明是成功的，例如适用于呼吸设备。它们结合了良好的承载能力与高疲劳强度和稳定性。 四、得益于优化的保持架设计，负载分布均匀保持架设计和保持架材料的正确选择对于精密球轴承的性能也至关重要。保持架的基本目的是保持滚动元件之间的均匀距离，以防止它们之间的接触，从而确保轴承内载荷的均匀分布。保持架也可以设计成减少扭矩和减少热量产生的方式。这需要选择具有最大可能耐磨性的保持架材料，以优化使用寿命，包括高性能塑料（例如聚醚醚酮 (PEEK)）是不错的选择。这种材料还通过了 NSF 国际认证，与人体相容，因此非常适合用于医疗应用。由于质量低，这些材料具有耐腐蚀和低摩擦的特性，还可以减少磨损和发热，从而使轴承能够以更高的速度运行，并延长润滑脂的使用寿命。此外，任何医疗应用的先决条件是耐重复序列化和射线可透特性。 在呼吸机方面，保持架以实惠的价格提供较长的使用寿命，而由 PEEK 制成的笼子为心脏泵提供了理想的解决方案：由于该材料具有生物相容性，它也是留在人体内的应用的一种选择超过 24 小时。任何医疗应用的先决条件是耐重复序列化和射线可透特性。 五、实践示例：手术动力工具专用精密轴承外科手术电动工具，例如骨科手术中使用的锯，将电机的旋转运动转换为直线运动。轴承对于工具运动和高效、不间断的操作至关重要。最近受一家手术动力工具制造商的委托，为高性能手术锯开发一种新的轴承单元。轴承必须足够紧凑以适合工具的细长设计，同时仍提供必要的稳定性以适应高负载和运行速度。还需要最高水平的耐腐蚀性。推荐了一种既适用于该规格又适用于主要载荷和速度的滚针轴承单元。由于系统定期消毒，滚针轴承圈选择了一种铬含量高（约 20%）且具有高耐腐蚀性的特殊材料。还使用了由 SV30 材料制成的针和由 PAI 制成的保持架。 轴承位于切割工具的末端附近，通常在患者体内运行。为此，指定了一种特殊的生物相容性润滑脂。轴承单元还需要以高精度和低反冲运行，以确保锯精确工作，从而为外科医生和患者实现最佳手术效果。小型轴承单元的尺寸为 4 x 13 x 8 毫米，各个轴承组件之间的配合仅为几微米。由于这种改进的设计，手术设备的使用寿命增加了很多倍，从而在医疗设备的整个生命周期中为患者安全做出了贡献。 滚动轴承在医疗技术中有大量应用——从植入式设备、心脏泵和呼吸设备到高精度手术器械和机器人辅助手术设备。最大的可靠性和故障安全性在这里占据了中心位置，同时对材料和性能的要求也经常变化。 |
