髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

隨著人類生活水平的提高，用人工關(guān)節(jié)作為一種治療疾病的方法之一。然而，與關(guān)節(jié)體的相應(yīng)長(zhǎng)度和損傷是體表喪失的重要原因之一。因此，人工關(guān)節(jié)摩擦模擬器用于模擬和比較人體中體育節(jié)的實(shí)際情況，研究體材料的強(qiáng)度、長(zhǎng)度、摩擦磨損和變形的性能。是該領(lǐng)域的摩擦試驗(yàn)應(yīng)用。1新型多功能摩擦機(jī)的設(shè)計(jì)理念1.1平面擺動(dòng)動(dòng)作髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)按模擬運(yùn)動(dòng)方式可分為三類，其包括銷盤型、擺軸型及多軸型。銷盤型是通過(guò)圓盤與銷狀試樣之間形成的相對(duì)滑動(dòng)來(lái)研究材料摩擦潤(rùn)滑性能；多軸型是將不同軸系形成的單個(gè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成來(lái)模擬人工髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)；擺軸型是依靠基座與斜面底座之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬髖關(guān)節(jié)三個(gè)不同平面的擺動(dòng)動(dòng)作目前市場(chǎng)應(yīng)用較多的摩擦試驗(yàn)機(jī)有三大類，第一種中國(guó)專利[授權(quán)公告號(hào)CN101975707B]涉及一種基于鋼絲繩傳動(dòng)的髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)，該結(jié)構(gòu)在零件上有了很大的改進(jìn)，運(yùn)用了傳統(tǒng)機(jī)械零件，而將價(jià)格高昂的進(jìn)口電動(dòng)缸去除，降低了試驗(yàn)成本和機(jī)臺(tái)適應(yīng)性；但其功能性單一，摩擦面控制穩(wěn)定性差。第二種中國(guó)專利[授權(quán)公告號(hào)CN101243998B]涉及一種多功能摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，雖增加了測(cè)試功能，但調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其生物摩擦學(xué)性能影響方面卻無(wú)提高。第三種美國(guó)專利[授權(quán)公告號(hào)US6199424B1]涉及一種適應(yīng)橡膠及胎面的銷盤摩擦試驗(yàn)機(jī)，雖然能夠調(diào)節(jié)滑動(dòng)速率、接觸壓力、方向及接觸面來(lái)測(cè)試更為復(fù)雜工況，但其接觸和運(yùn)動(dòng)方式與人工髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式差別較大。而球頭自轉(zhuǎn)速度與錐面旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)聯(lián)性及錐面旋轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)不方便是當(dāng)前傳統(tǒng)摩擦試驗(yàn)機(jī)的局限所在，因此需要提出一種新型多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)方案，以此優(yōu)化這些不足。1.2多功能機(jī)械主視設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)有摩擦試驗(yàn)機(jī)技術(shù)的不足（球頭自轉(zhuǎn)速度與錐面旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)聯(lián)性及錐面旋轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)不便），對(duì)其旋轉(zhuǎn)中心機(jī)構(gòu)（旋轉(zhuǎn)裝置）在設(shè)計(jì)原理上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出了一種能夠無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)球頭的自轉(zhuǎn)速度和錐面旋轉(zhuǎn)速度，并方便調(diào)節(jié)錐面旋轉(zhuǎn)角度的新型人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)。新型人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)在分析傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，將旋轉(zhuǎn)中心機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作用進(jìn)行創(chuàng)新性機(jī)構(gòu)分離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)髖關(guān)節(jié)球頭自轉(zhuǎn)速度的無(wú)級(jí)調(diào)速；同時(shí)采用不同的機(jī)構(gòu)模塊和裝配實(shí)現(xiàn)球頭旋轉(zhuǎn)錐形角調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不同年齡、地域及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等復(fù)雜工況的摩擦性研究，使得人工髖關(guān)節(jié)摩擦性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步接近真實(shí)工況。本次設(shè)計(jì)在解決上述問(wèn)題的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)球頭的自轉(zhuǎn)速度和錐面旋轉(zhuǎn)速度，方便調(diào)節(jié)錐面旋轉(zhuǎn)角度，如圖1所示為優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖。新型多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)主要由載荷機(jī)構(gòu)、扭矩測(cè)試、球頭、球碗臼杯和下方球頭旋轉(zhuǎn)裝置構(gòu)成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。圖2(1）是本發(fā)明實(shí)施例人工髖關(guān)節(jié)置摩擦試驗(yàn)機(jī)三維圖；圖2(2）是本發(fā)明實(shí)施例人工髖關(guān)節(jié)置摩擦試驗(yàn)機(jī)主視圖；圖2(3）是本發(fā)明實(shí)施例人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)中心機(jī)構(gòu)主視圖；圖2(4）是本發(fā)明實(shí)施例人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)中心機(jī)構(gòu)主視圖的局部放大如圖2(3)a；圖2(5）是本發(fā)明實(shí)施例人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)中心機(jī)構(gòu)主視圖的局部放大如圖2(3)b；圖2(6）是本發(fā)明實(shí)施例人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)中心機(jī)構(gòu)主視圖的局部放大如圖2(3)c。2.2系統(tǒng)運(yùn)行體系在本文設(shè)計(jì)的新型多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)中，電機(jī)是試驗(yàn)機(jī)的核心元件，涉及到無(wú)級(jí)調(diào)試系統(tǒng)的運(yùn)行體系。對(duì)于電動(dòng)機(jī)選擇第一是匹配負(fù)載和位置的要求，其次要考慮經(jīng)濟(jì)因素、例如價(jià)格和維護(hù)成本在上式中，F(xiàn)在對(duì)最大試驗(yàn)載荷以及轉(zhuǎn)速計(jì)算上，通過(guò)上述公式以及內(nèi)徑與寬度則可以得到F2.3給排水設(shè)計(jì)根據(jù)最大轉(zhuǎn)速和同步電動(dòng)機(jī)速度，在旋轉(zhuǎn)的主軸和電動(dòng)機(jī)之間使用傳動(dòng)比為1.1的同步傳動(dòng)裝置2.4其他部件的設(shè)計(jì)2.4.1x軸的結(jié)構(gòu)主要取決于軸的承載性質(zhì)、大小、方向以及傳動(dòng)布置方案、軸上零件的布置與固定方式、軸承的類型與尺寸，還有制造經(jīng)濟(jì)性等。2.4.2主軸和試驗(yàn)臺(tái)的垂直度在本次新型多功能試驗(yàn)機(jī)中，主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝在主軸支撐板上，主軸穿過(guò)測(cè)試臺(tái)，為一對(duì)齒輪供電。因此，主軸和試驗(yàn)臺(tái)的垂直度有很高的要求。在上層平臺(tái)上，對(duì)支撐板的表面進(jìn)行處理以確保支撐板和測(cè)試臺(tái)的垂直度，然后將主軸支架安裝在支撐板的表面上，確保傳動(dòng)軸與測(cè)試臺(tái)垂直。3摩擦性實(shí)驗(yàn)優(yōu)化在本次創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)球頭的自轉(zhuǎn)速度和錐面旋轉(zhuǎn)速度，并方便調(diào)節(jié)錐面旋轉(zhuǎn)角度的新型人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)，是將其旋轉(zhuǎn)中心機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作用進(jìn)行創(chuàng)新性機(jī)構(gòu)分離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)髖關(guān)節(jié)球頭自轉(zhuǎn)速度的無(wú)級(jí)調(diào)速；同時(shí)采用不同的機(jī)構(gòu)模塊和裝配實(shí)現(xiàn)球頭旋轉(zhuǎn)錐形角調(diào)節(jié)，進(jìn)而適應(yīng)不同年齡、地域及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等復(fù)雜工況的摩擦性研究，使得人工髖關(guān)節(jié)摩擦性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步接近真實(shí)工況，完成對(duì)無(wú)級(jí)調(diào)試的優(yōu)化。如今我國(guó)人口趨于老齡化，關(guān)節(jié)疾病隨著年齡的增大會(huì)慢慢的涌現(xiàn)，如髖關(guān)節(jié)炎等疾病，對(duì)于人工關(guān)節(jié)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)的需求也日益增加，并且對(duì)人工髖關(guān)節(jié)假體質(zhì)量要求也更加嚴(yán)格。因此本文在對(duì)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行闡述后，從系統(tǒng)組成構(gòu)造、電機(jī)的選用、傳動(dòng)設(shè)計(jì)以及其它部件設(shè)計(jì)完成工藝流程方案分析，最后分析了無(wú)級(jí)調(diào)速、節(jié)省成本以及適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，以期對(duì)醫(yī)療企業(yè)行業(yè)有所幫助。2新型多功能摩擦試劑盒的工藝方案2.1旋轉(zhuǎn)軸電機(jī)15控制旋轉(zhuǎn)速度2.3.1旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機(jī)14帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤11進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)，使得旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7上固定的球頭3繞錐面旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機(jī)14控制旋轉(zhuǎn)速度。2.3.2所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸電機(jī)15帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6旋轉(zhuǎn)，（直齒）錐形齒