髖關節(jié)摩擦試驗機的設計

髖關節(jié)摩擦試驗機的設計

隨著人類生活水平的提高，用人工關節(jié)作為一種治療疾病的方法之一。然而，與關節(jié)體的相應長度和損傷是體表喪失的重要原因之一。因此，人工關節(jié)摩擦模擬器用于模擬和比較人體中體育節(jié)的實際情況，研究體材料的強度、長度、摩擦磨損和變形的性能。是該領域的摩擦試驗應用。1新型多功能摩擦機的設計理念1.1平面擺動動作髖關節(jié)摩擦試驗機按模擬運動方式可分為三類，其包括銷盤型、擺軸型及多軸型。銷盤型是通過圓盤與銷狀試樣之間形成的相對滑動來研究材料摩擦潤滑性能；多軸型是將不同軸系形成的單個運動進行合成來模擬人工髖關節(jié)的運動形態(tài)；擺軸型是依靠基座與斜面底座之間的相對運動來模擬髖關節(jié)三個不同平面的擺動動作目前市場應用較多的摩擦試驗機有三大類，第一種中國專利[授權公告號CN101975707B]涉及一種基于鋼絲繩傳動的髖關節(jié)試驗機，該結構在零件上有了很大的改進，運用了傳統(tǒng)機械零件，而將價格高昂的進口電動缸去除，降低了試驗成本和機臺適應性；但其功能性單一，摩擦面控制穩(wěn)定性差。第二種中國專利[授權公告號CN101243998B]涉及一種多功能摩擦學實驗裝置的設計，雖增加了測試功能，但調節(jié)髖關節(jié)結構參數(shù)對其生物摩擦學性能影響方面卻無提高。第三種美國專利[授權公告號US6199424B1]涉及一種適應橡膠及胎面的銷盤摩擦試驗機，雖然能夠調節(jié)滑動速率、接觸壓力、方向及接觸面來測試更為復雜工況，但其接觸和運動方式與人工髖關節(jié)的運動方式差別較大。而球頭自轉速度與錐面旋轉速度有關聯(lián)性及錐面旋轉角調節(jié)不方便是當前傳統(tǒng)摩擦試驗機的局限所在，因此需要提出一種新型多功能摩擦試驗機設計方案，以此優(yōu)化這些不足。1.2多功能機械主視設計針對現(xiàn)有摩擦試驗機技術的不足（球頭自轉速度與錐面旋轉速度有關聯(lián)性及錐面旋轉角調節(jié)不便），對其旋轉中心機構（旋轉裝置）在設計原理上進行創(chuàng)新設計，提出了一種能夠無級調節(jié)球頭的自轉速度和錐面旋轉速度，并方便調節(jié)錐面旋轉角度的新型人工髖關節(jié)摩擦試驗機。新型人工髖關節(jié)摩擦試驗機在分析傳統(tǒng)髖關節(jié)摩擦試驗機的旋轉中心機構設計原理基礎上，將旋轉中心機構的旋轉作用進行創(chuàng)新性機構分離，從而實現(xiàn)對髖關節(jié)球頭自轉速度的無級調速；同時采用不同的機構模塊和裝配實現(xiàn)球頭旋轉錐形角調節(jié)，從而適應不同年齡、地域及運動狀態(tài)等復雜工況的摩擦性研究，使得人工髖關節(jié)摩擦性能測試結果進一步接近真實工況。本次設計在解決上述問題的同時，還實現(xiàn)了無級調節(jié)球頭的自轉速度和錐面旋轉速度，方便調節(jié)錐面旋轉角度，如圖1所示為優(yōu)化結構示意圖。新型多功能摩擦試驗機主要由載荷機構、扭矩測試、球頭、球碗臼杯和下方球頭旋轉裝置構成，其系統(tǒng)構成如圖2所示。圖2(1）是本發(fā)明實施例人工髖關節(jié)置摩擦試驗機三維圖；圖2(2）是本發(fā)明實施例人工髖關節(jié)置摩擦試驗機主視圖；圖2(3）是本發(fā)明實施例人工髖關節(jié)摩擦試驗機中心機構主視圖；圖2(4）是本發(fā)明實施例人工髖關節(jié)摩擦試驗機中心機構主視圖的局部放大如圖2(3)a；圖2(5）是本發(fā)明實施例人工髖關節(jié)摩擦試驗機中心機構主視圖的局部放大如圖2(3)b；圖2(6）是本發(fā)明實施例人工髖關節(jié)摩擦試驗機中心機構主視圖的局部放大如圖2(3)c。2.2系統(tǒng)運行體系在本文設計的新型多功能摩擦試驗機中，電機是試驗機的核心元件，涉及到無級調試系統(tǒng)的運行體系。對于電動機選擇第一是匹配負載和位置的要求，其次要考慮經(jīng)濟因素、例如價格和維護成本在上式中，F(xiàn)在對最大試驗載荷以及轉速計算上，通過上述公式以及內徑與寬度則可以得到F2.3給排水設計根據(jù)最大轉速和同步電動機速度，在旋轉的主軸和電動機之間使用傳動比為1.1的同步傳動裝置2.4其他部件的設計2.4.1x軸的結構主要取決于軸的承載性質、大小、方向以及傳動布置方案、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)濟性等。2.4.2主軸和試驗臺的垂直度在本次新型多功能試驗機中，主軸旋轉系統(tǒng)安裝在主軸支撐板上，主軸穿過測試臺，為一對齒輪供電。因此，主軸和試驗臺的垂直度有很高的要求。在上層平臺上，對支撐板的表面進行處理以確保支撐板和測試臺的垂直度，然后將主軸支架安裝在支撐板的表面上，確保傳動軸與測試臺垂直。3摩擦性實驗優(yōu)化在本次創(chuàng)新設計中，無級調節(jié)球頭的自轉速度和錐面旋轉速度，并方便調節(jié)錐面旋轉角度的新型人工髖關節(jié)摩擦試驗機，是將其旋轉中心機構的旋轉作用進行創(chuàng)新性機構分離，從而實現(xiàn)對髖關節(jié)球頭自轉速度的無級調速；同時采用不同的機構模塊和裝配實現(xiàn)球頭旋轉錐形角調節(jié)，進而適應不同年齡、地域及運動狀態(tài)等復雜工況的摩擦性研究，使得人工髖關節(jié)摩擦性能測試結果進一步接近真實工況，完成對無級調試的優(yōu)化。如今我國人口趨于老齡化，關節(jié)疾病隨著年齡的增大會慢慢的涌現(xiàn)，如髖關節(jié)炎等疾病，對于人工關節(jié)摩擦實驗機的需求也日益增加，并且對人工髖關節(jié)假體質量要求也更加嚴格。因此本文在對設計理念進行闡述后，從系統(tǒng)組成構造、電機的選用、傳動設計以及其它部件設計完成工藝流程方案分析，最后分析了無級調速、節(jié)省成本以及適用性強等優(yōu)點，以期對醫(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旋轉軸電機15控制旋轉速度2.3.1旋轉Ⅱ軸電機14帶動旋轉盤11進行周向旋轉，使得旋轉Ⅱ軸7上固定的球頭3繞錐面旋轉，并通過旋轉Ⅱ軸電機14控制旋轉速度。2.3.2所述旋轉Ⅰ軸電機15帶動旋轉Ⅰ軸6旋轉，（直齒）錐形齒