人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機機械傳動部分研制

1、圖書分類號：密 級：摘要本課題是對人體髖關(guān)節(jié)模擬試驗機機械傳動部分的研制。模擬試驗機是一臺集機、電、液技術(shù)于一體的專用臺架試驗設(shè)備。試驗機的工作原理是將股骨頭和髖臼部件試樣按照其正常位置安裝于試驗臺上，通過試驗裝置使兩者之間產(chǎn)生規(guī)定的隨時間變化的負載及相對角運動。該機械設(shè)計時考慮的主要因素是使其在實驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動工況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準確、可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)以上要求設(shè)計出試驗機的總裝配圖。該試驗機要求的最大試驗載荷為1t，要求主軸轉(zhuǎn)速為60rpm。

2、假設(shè)作用在股骨頭頭部的載荷為1t，則可以算出最大阻力。選則直徑為50mm的股骨頭，求出最大扭矩，由此確定電機的功率從而計算出最小軸徑。根據(jù)最小軸徑初選各個零件的尺寸。通過校核確認其安全以確保試驗機正常運轉(zhuǎn)。電機運轉(zhuǎn)時通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動固定在主軸軸端的偏心輪轉(zhuǎn)動，試件座安裝在擺軸上和擺軸一起饒中心軸線轉(zhuǎn)動。使得由關(guān)節(jié)球支架固定在試件座上的關(guān)節(jié)球頭和髖臼試件之間產(chǎn)生摩擦，從而達到試驗的目的。其中髖臼試件由骨水泥固定在髖臼座上，沖擊載荷由液壓缸提供作用于自定心軸上，通過髖臼支架最終作用在關(guān)節(jié)球頭上，加上關(guān)節(jié)球頭隨試件座繞中心線轉(zhuǎn)動。這樣實現(xiàn)模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動，使其產(chǎn)生的摩擦機理、

3、磨損形式與實際使用條件下相一致，以達到設(shè)計該試驗機的初衷。關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)試驗機 ;模擬試驗 ;人體髖關(guān)節(jié) ;摩擦機理AbstractA hip simulator had been designed and manufactured in this study. Simulation test is a set of mechanical, electrical, fluid technology in one of the special bench test equipment.The principle of the simulator is fit the stock bone and

4、the part test specimen to its normal position in the test platform, causing the variation load changing with the time and the relative angular motion between them through the test equipment. The primary factor which this machine design considered is whether it can simulate the human body coxa correc

5、tly in the laboratory environment, so that the friction mechanism, the attrition form of the test sample which produces in the testing with the actual exploitation conditions under consistent, thus may be accurate, reliably test the biological friction of the artificial joint material, provides the

6、guidance tentative data for the clinical practice. Designs the testing machine according to the above request the assembly drawing. The biggest experimental load of this testing machine requests is 1t, the main axle rotational speed is requests 60rpm. The supposition function in the thighbone leader

7、s department load is 1t, then may figure out the biggest resistance. Elects then the diameter is the 50mm stock bone, extracts the maximum torque, from this determines the electrical machinery the power thus to calculate the smallest axle diameter. According to smallest axle diameter primary electio

8、n each components size. Through the examination confirmed its security by guarantees the testing machine normal work. The electrical machinery revolves when revolves through the shaft coupling impetus main axle, thus leads fixes in the main axle axial-tab terminal eccentric rotation, the test sample

9、 place installs on the pendulum shaft and the pendulum shaft forgives the central axis rotation together. Causes to fix by the joint ball support in the test sample place the joint ball and between the acetabulum test sample has the friction, thus achieves experimental the goal. Acetabulum test samp

10、le fixes by the bone cement in the acetabulum place, the impact load provides the function by the hydraulic cylinder on the self-centering axis, finally affects through the acetabulum support on joint ball, in addition joint ball circles the middle line rotation along with the test sample place. Lik

11、e this realizes the simulation human body coxa proper motion, causes the friction mechanism, the attrition form which it produces with the actual exploitation conditions under to be consistent, by achieved designs this testing machine the original intention.Keywords: hip simulator simulative test hi

12、p jiont wear mechanism目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc200287658 1 緒論 PAGEREF _Toc200287658 h 1 HYPERLINK l _Toc200287659 1.1 引言 PAGEREF _Toc200287659 h 1 HYPERLINK l _Toc200287660 2方 案 PAGEREF _Toc200287660 h 3 HYPERLINK l _Toc200287661 2.1 人工髖關(guān)節(jié)模擬實驗機的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc200287661 h 3 HYPERLINK l _

13、Toc200287662 2.2 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運動分析 PAGEREF _Toc200287662 h 5 HYPERLINK l _Toc200287663 人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc200287663 h 5 HYPERLINK l _Toc200287664 髖關(guān)節(jié)運動特性分析 PAGEREF _Toc200287664 h 6 HYPERLINK l _Toc200287665 人工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc200287665 h 6 HYPERLINK l _Toc200287666 2.3 設(shè)計方案 PAGEREF _Toc200287666 h 7 HYP

14、ERLINK l _Toc200287667 2.4 機械傳動部分的運動特性分析 PAGEREF _Toc200287667 h 8 HYPERLINK l _Toc200287668 磨損量的測定及磨損率的計算 PAGEREF _Toc200287668 h 11 HYPERLINK l _Toc200287669 磨損量的測定 PAGEREF _Toc200287669 h 11 HYPERLINK l _Toc200287670 臨床磨損率的計算 PAGEREF _Toc200287670 h 12 HYPERLINK l _Toc200287671 磨損因數(shù)的計算 PAGEREF _T

15、oc200287671 h 13 HYPERLINK l _Toc200287672 3設(shè)計計算過程 PAGEREF _Toc200287672 h 14 HYPERLINK l _Toc200287673 3.1 理論計算 PAGEREF _Toc200287673 h 14 HYPERLINK l _Toc200287674 選取電機功率 PAGEREF _Toc200287674 h 14 HYPERLINK l _Toc200287675 主傳動軸的設(shè)計 PAGEREF _Toc200287675 h 14 HYPERLINK l _Toc200287676 初選擺軸的大小 PAGER

16、EF _Toc200287676 h 15 HYPERLINK l _Toc200287677 液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 PAGEREF _Toc200287677 h 17 HYPERLINK l _Toc200287678 3.2 裝配圖及主要零件圖設(shè)計 PAGEREF _Toc200287678 h 18 HYPERLINK l _Toc200287679 裝配圖草圖 PAGEREF _Toc200287679 h 18 HYPERLINK l _Toc200287680 零件圖草圖 PAGEREF _Toc200287680 h 18 HYPERLINK l _Toc200287681 4

17、零件校核 PAGEREF _Toc200287681 h 20 HYPERLINK l _Toc200287682 主傳動軸的校核 PAGEREF _Toc200287682 h 20 HYPERLINK l _Toc200287683 主動軸上軸承的校核 PAGEREF _Toc200287683 h 22 HYPERLINK l _Toc200287684 擺軸的校核 PAGEREF _Toc200287684 h 22 HYPERLINK l _Toc200287685 擺軸上軸承的校核 PAGEREF _Toc200287685 h 24 HYPERLINK l _Toc2002876

18、86 結(jié)論 PAGEREF _Toc200287686 h 25 HYPERLINK l _Toc200287687 致謝 PAGEREF _Toc200287687 h 26 HYPERLINK l _Toc200287688 參考文獻 PAGEREF _Toc200287688 h 27 HYPERLINK l _Toc200287689 附錄 專業(yè)英語翻譯 PAGEREF _Toc200287689 h 291 緒論1.1 引言隨著人類社會的發(fā)展與進步，人的生命價值被廣泛認同。由疾病、事故和戰(zhàn)爭等原因?qū)е麓罅咳梭w骨骼病變和損傷，使得許多人成為殘疾而失去基本生活能力，給病人的家庭及社會都帶

19、來極大的影響和沉重的負擔。為減輕病人的痛苦，提高他們的生活質(zhì)量，醫(yī)學(xué)界一直致力于解決人體骨骼的材料、成型、植入和再生性的問題。目前骨科學(xué)主要通過兩種方法解決骨缺損的修復(fù)問題，一是通過人身自身的生物機能進行骨骼的再生或植入帶有骨生長因子的小塊異種骨誘惑導(dǎo)骨生長。這類方法效果較好，但時間長，見效慢，只適合于小塊骨缺損的修復(fù)。另一種方法是用人造生物材料（金屬、塑料、陶瓷）制成替代骨植入人體，以解決大塊缺損骨骼的修復(fù)。1963年英國曼徹斯特人John Charnley首先報道全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)治療類風濕性髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎。他利用不銹鋼制作22.25mm直徑的股骨頭，以聚四氟乙烯（PTFE）制作髖臼，聚甲

20、基丙稀酸甲酯（骨水泥）固定，形成Charnley型低摩擦全髖關(guān)節(jié)假體，奠定了現(xiàn)代人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的基礎(chǔ)。自此以后，人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)發(fā)展迅速，日益成為治療關(guān)節(jié)傷痛，重建關(guān)節(jié)功能的重要手段。目前，全世界每年因各種疾病需要更換關(guān)節(jié)的人數(shù)高達4000萬6000萬人，僅全髖關(guān)節(jié)置換就達80萬例。其中在關(guān)節(jié)炎晚期治療、外傷致殘和骨瘤切除手術(shù)中，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)已成為一項常規(guī)外科手術(shù)。隨著人類社會步入高齡化階段，各種與高齡有關(guān)的關(guān)節(jié)疾病，如大腿骨骨折、關(guān)節(jié)炎等病癥，將會大量發(fā)生，因此對人工關(guān)節(jié)的需求也會日益增加。以日本為例，1993 年人工關(guān)節(jié)的需求量為 10.879 萬件，1997 年已迅速上升到 17.09

21、 萬件，其整形外科用植入物市場的年增長率為 7%8%。我國人口眾多，且部分地區(qū)生活條件相對較差，關(guān)節(jié)疾病的發(fā)病率高于經(jīng)濟發(fā)達國家，是世界上人工關(guān)節(jié)最大市場之一。據(jù)我國民政部門報告，目前僅肢體不自由患者就達 1500 萬人，其中殘疾約 780 萬人，全國骨缺損和骨損患者近 300 萬人，且隨著我國社會老齡化的到來，這一數(shù)字還有上升的趨勢。因此，加強研制人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)，提高置換關(guān)節(jié)的使用壽命，是一項十分迫切的任務(wù)。人工關(guān)節(jié)是模擬人體關(guān)節(jié)制成的植入性假體，以代替病變或損傷的關(guān)節(jié)并恢復(fù)其功能。人工關(guān)節(jié)的研制、開發(fā)是一門跨領(lǐng)域的交叉學(xué)科，涉及到材料學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)、成型技術(shù)和醫(yī)療等多門學(xué)科的知識，需要

22、多方面的科研人員不斷探索。其中，對人工關(guān)節(jié)生物摩擦學(xué)特性的研究由于直接關(guān)系到置換關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量和臨床壽命而備受人矚目。人體關(guān)節(jié)屬于身體活動的連接機構(gòu)，接觸界面間必然發(fā)生相對滑動，因此會產(chǎn)生摩擦、磨損和潤滑等摩擦學(xué)問題。近期的研究工作已證明人工關(guān)節(jié)磨損時產(chǎn)生的磨損顆粒與置換關(guān)節(jié)的無菌性松動有直接關(guān)系。因此，積極開展人工關(guān)節(jié)生物摩擦學(xué)特性方面的研究，掌握置換關(guān)節(jié)材料在生物機體環(huán)境內(nèi)的摩擦磨損行為規(guī)律，在人工關(guān)節(jié)的開發(fā)中引入摩擦學(xué)設(shè)計（包括基于生物力學(xué)的關(guān)節(jié)配副載荷最小化研究、假體固定的微動摩擦學(xué)行為研究和關(guān)節(jié)材料磨損顆粒生成機理及有效識別等），對于提高人工關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量，延長其臨床壽命和減輕患者痛

23、苦具有重要的現(xiàn)實意義。本設(shè)計是根據(jù)人類行走時髖關(guān)節(jié)的運動特點，結(jié)合人工關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特征研制一種能正確模擬髖關(guān)節(jié)運動的實驗機械。該機械設(shè)計時考慮的主要因素是使其在實驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動工況，以使試件在實驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準確、可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù),為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性實驗數(shù)據(jù)。2方 案2.1 人工髖關(guān)節(jié)模擬實驗機的研究現(xiàn)狀根據(jù)研究內(nèi)容合理選擇試驗設(shè)備和試驗方法，在所要求的精度上，真實、可靠、靈敏地反映出工作參數(shù)和材料的摩擦磨損特性，是人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)研究中的重要組成部分。早期人們由于條件的限制，大多采用銷盤式或往

24、復(fù)滑動式試驗機來評價關(guān)節(jié)材料的摩擦學(xué)性能，并試圖將得到的試驗結(jié)果應(yīng)用于臨床。但這些摩擦磨損試儉設(shè)備由于結(jié)構(gòu)限制，無法進行全尺寸關(guān)節(jié)副摩擦試驗，而且無論是在試件偶副接觸方式上，還是在所提供的運動形式以及載荷性質(zhì)上都與人工關(guān)節(jié)的實際工況相距甚遠。因此，其試驗數(shù)據(jù)的真實性和臨床應(yīng)用的可靠性不能不受到質(zhì)疑。為逼真地再現(xiàn)人工關(guān)節(jié)在機體內(nèi)的運動特性，準確揭示其摩擦、磨損規(guī)律，人們在關(guān)節(jié)模擬試驗機的研制方面給予了極大關(guān)注。從20世紀80年代開始，國外研究人員陸續(xù)設(shè)計、制造了一批專門用于考察關(guān)節(jié)材料摩擦學(xué)性能的試驗設(shè)備。目前國內(nèi)尚未見到有關(guān)髖關(guān)節(jié)模擬試驗機研制方面的報道。研究人員主要利用銷盤式、環(huán)塊式等常規(guī)摩

25、擦試驗機評價關(guān)節(jié)材料的摩擦學(xué)性能。也有研究人員為更好地模擬關(guān)節(jié)副接觸狀態(tài)，將銷試件(一般由陶瓷、大然骨等制作)端部加工成半球形與盤試件對摩。然而，不管怎樣，標準試驗機提供的運動形式大都是一維單向滑動摩擦，這與人工關(guān)節(jié)多向復(fù)合滑動摩擦的實際工況有較大區(qū)別，因而在標準試驗機上得出的試驗數(shù)據(jù)的臨床應(yīng)用性小能小受到質(zhì)疑。歐洲關(guān)節(jié)模擬實驗機的設(shè)計特點見圖2-1： 表2-1歐洲關(guān)節(jié)模擬實驗機的設(shè)計特點 2.2 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運動分析髖關(guān)節(jié)位于人體中部，是人體中最重要的關(guān)節(jié)之一。圖 2-2 給出人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖。圖2-1人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖解剖學(xué)表明，髖關(guān)節(jié)可以圍繞以股頭為中心的無數(shù)軸運動（臨床醫(yī)學(xué)為研究

26、方便，規(guī)定了水平、垂直、前后 3 個運動軸）。為了完成支持體重和負重條件下運動這兩個基本功能同時又具備必要的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)上呈杵臼關(guān)節(jié)。髖臼及其臨近結(jié)構(gòu)可劃分為前柱、后柱兩個部分：前柱（即髂恥柱）由髂嵴前上方斜向前內(nèi)下方，經(jīng)恥骨支止于恥骨聯(lián)合，分髂骨部、髖臼部、恥骨部三段。后柱（即髂坐柱）由坐骨大切跡經(jīng)髖臼中心至坐骨結(jié)節(jié)，包括坐骨的垂直部分及坐骨上方的髂骨。后柱內(nèi)側(cè)面由坐骨體內(nèi)側(cè)的四邊形區(qū)域構(gòu)成，稱四方區(qū)。髖臼前、后兩柱呈60相交，形成一拱形結(jié)構(gòu)，橫跨于前后兩柱之間，是髖臼的主要負重區(qū)，稱臼頂，又稱負重頂，約占髖臼的 2/5，由髂骨下部構(gòu)成，厚而堅強。髖臼呈半球形深凹，直徑約為 3.5mm，與下

27、肢股骨頭相關(guān)節(jié)。髖臼邊緣的關(guān)節(jié)盂唇可使髖臼加深加寬，并使臼口變小，使髖臼包容股骨頭的一半以上。在髖臼表面上有一層約厚 2mm 的透明軟骨，呈半月形分布于髖臼的前、后、上壁。軟骨的組成中固態(tài)物質(zhì)占 20%40%，其余為水。固態(tài)物質(zhì)中膠原纖維約占 60%，蛋白多糖占 40%，軟骨細胞占 2%。關(guān)節(jié)軟骨的這種多相結(jié)構(gòu)使得它在載荷之下呈現(xiàn)粘彈性響應(yīng)，在外界力作用下發(fā)生蠕變和應(yīng)力松馳，從而保護髖關(guān)節(jié)免受沖擊。髖臼中央無關(guān)節(jié)軟骨覆蓋的臼窩由哈佛森腺充填，它可隨關(guān)節(jié)內(nèi)壓力的培養(yǎng)而被擠出或吸入，從而維持關(guān)節(jié)內(nèi)壓力的平衡。髖關(guān)節(jié)周圍包圍著強大的韌帶及豐厚的肌肉，這使得該關(guān)節(jié)穩(wěn)定性較強。正常情況下髖關(guān)節(jié)的最大活動

28、度是在矢狀面上，屈曲幅度可達 0140，伸展 015；在冠狀面上能外展 045，內(nèi)收030；在橫截面上，當髖關(guān)節(jié)屈曲時，能夠外旋 045，內(nèi)旋 050。由于人體下肢運動的多樣性（走、跑、跳等），使得髖關(guān)節(jié)的運動呈現(xiàn)出很強的復(fù)雜性。由上一節(jié)解剖學(xué)分析知，股骨頭根據(jù)運動需要，可在髖臼中圍繞其球心向任何方向轉(zhuǎn)動。因此，僅就人體運動的不確定性而言，髖關(guān)節(jié)的運動軌跡是不可能用常規(guī)數(shù)學(xué)方法表達的?？紤]到關(guān)節(jié)置換病人的特殊性，此處僅討論人體正常行走時股骨頭在髖臼中的運動軌跡。R.C.Johnston、J.L.Smidt 等的研究結(jié)果表明，人體正常行走時，髖關(guān)節(jié)在一個步態(tài)中的主要運動角度變化如圖 2-2 所示

29、。FE 角（Flexion-extension）的變化幅度為 046，AA 角（Abduction-adduction）和 IER 角（Internal-external rotation）的變化幅度同為 012。FE 角和 AA 角的相位相差/2。在足跟離地前 0.1T 時，關(guān)節(jié)彎曲度達到最大；腳尖離地前 0.1T 時關(guān)節(jié)拉伸度達到最（T為步態(tài)周期，單位：秒）。V.Saikko、O.Cabonius 等根據(jù)圖 2-3所示運動曲線，利用計算機模擬技術(shù)對髖關(guān)節(jié)摩擦面上隨機選取點的運動軌跡進行了相應(yīng)計算，其結(jié)果如圖 2-4 所示?？梢钥闯觯@些點的運動軌跡很不規(guī)則，大致上呈橢圓形，且軌跡形狀隨選取

30、點在球體上位置的不同而有所變化。這一結(jié)果表明，天然髖關(guān)節(jié)間的相對運動為交叉狀、多方向性復(fù)合滑動摩擦。 圖2-2 運動曲線 圖2-3 運動軌跡股骨上部大轉(zhuǎn)子與髖骨相支承，承受了人體的大部分重量及人體活動時的大部分載荷。當股骨上部發(fā)生創(chuàng)傷時，在臨床骨科醫(yī)學(xué)上，常常采用植入人工髖關(guān)節(jié)來代替原先破損的髖關(guān)節(jié)，以達到支撐點的目的。圖 2-5 示出了人工髖關(guān)節(jié)的實物照片。與天然髖關(guān)節(jié)相對應(yīng)，人工關(guān)節(jié)也分為股骨球頭和關(guān)節(jié)臼窩。為完成人體必需的運動及加工工藝的需要，人工關(guān)節(jié)聯(lián)接部分做成凸球凹球形式。臨床上常用球頭半徑為 22.25mm、25mm、26mm、28mm、32mm、38mm、42mm等。圖2-4 人

31、工髖關(guān)節(jié)的實物照片人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)的固定方式分為兩種：骨水泥固定和非骨水泥固定。骨水泥固定時利用甲基丙烯酸甲酯(骨水泥)將人工假體與自然骨粘結(jié)固化后達到固定目的。非骨水泥固定技術(shù)是通過改進假體外形尺寸使之緊密嵌入髓腔或在假體外殼表面上制造出多孔結(jié)構(gòu)，以使宿主骨能夠長入金屬外殼面從而達到生物學(xué)固定的目的。人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)后，承擔原人體髖關(guān)節(jié)的功能，其運動方式與人體自然髖關(guān)節(jié)基本一致。2.3 設(shè)計方案本次設(shè)計的人體關(guān)節(jié)模擬試驗機是一臺集機、電、液技術(shù)于一體的專用臺架試驗設(shè)備。該試驗機設(shè)計時考慮的主要因素是使其在試驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髓關(guān)節(jié)的實際運動工況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、磨損

32、形式與實際使用條件下相一致，從而可以準確、可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。該試驗設(shè)備主要由機械傳動部分、溫控系統(tǒng)及液壓加載系統(tǒng)組成。該試驗機由四個相互獨立的試驗單元組成，每個試驗單元的結(jié)構(gòu)和工作原理都完全一致。為了真實模擬天然關(guān)節(jié)的運動工況，試驗時轉(zhuǎn)速小能過高，這樣一來勢必造成試驗時間很長，在多試樣重復(fù)試驗時這一矛盾更為突出。本試驗機在一個機架上同時裝配了四個試驗單元，增加了試驗工位，從而大大縮短了試驗時間，同時也為作對比試驗提供了便利。關(guān)節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗機主軸上。試驗時載荷的施加由加載油缸完成。向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動

33、，并通過花鍵軸帶動關(guān)節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓油的壓強，可滿足試驗時不同載荷要求。臼杯座中可安裝不同規(guī)格（20mm50mm）的髖臼試件，并通過組合軸承部件固定在支撐斜板上。支撐斜板在電機驅(qū)動下作勻速旋轉(zhuǎn)運動，防轉(zhuǎn)桿受到試驗機立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通過軸承固定于支撐斜板上的臼杯座在合力作用下一邊繞試驗機主軸旋轉(zhuǎn)，一邊往復(fù)擺動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復(fù)合滑動運動。實驗裝配草圖如圖2-6圖2-5實驗裝配草圖2.4 機械傳動部分的運動特性分析多向復(fù)合滑動方式：采用該方式試驗時，偏心輪以恒角速度旋轉(zhuǎn)，臼杯座支承軸在其帶動下圍繞主軸軸線作圓錐狀回轉(zhuǎn)，固

34、定在支承軸上的防轉(zhuǎn)桿受機座限制產(chǎn)生反向阻力，在該力作用下支承軸除繞主軸軸線回轉(zhuǎn)外還要自轉(zhuǎn)，此時試驗機的運動簡圖可以表示成圖 2-7 所示形式（為分析方便，防轉(zhuǎn)桿與機座的點接觸形成的級運動副用兩個運動副及一個運動副代替）：1：機座；2：回轉(zhuǎn)軸；3：防轉(zhuǎn)桿；4，5：滑動、擺動副；圖2-6 試驗機運動原理圖由機械原理知，若某空間運動鏈由 N 個構(gòu)件組成，當固定其中之一為機架后，所?；顒訕?gòu)件數(shù)為 n=N1，如果在組成運動鏈時共加入 P1個 I 級副、P2個級副、P3個級副、P4個級副及 P5個級副，則空間運動鏈相對于機架的自由度為： F0 時運動鏈不可能產(chǎn)生相對運動。對 F0 的運動鏈，當原動件數(shù)小于

35、機構(gòu)自由度時，構(gòu)件間的相對運動是無規(guī)則的；原動件數(shù)大于 F 時，機構(gòu)不能運動；只有當原動件數(shù)等于 F 時，構(gòu)件之間才能獲得確定的相對運動。分析圖 2-7 可知，該空間運動鏈的構(gòu)件數(shù) N5，共包括 3 個 V 級副和 2 個IV 級副，因此其自由度為：F6（51）53421關(guān)節(jié)模擬試驗機運轉(zhuǎn)時，只有一個原動件，即偏心輪的旋轉(zhuǎn)運動，因此可知，該空間機構(gòu)能夠獲得確定的相對運動。盡管從理論上講，有確定相對運動的運動軌跡可以用數(shù)學(xué)方程來唯一表達，然而，由于髖關(guān)節(jié)運動時所固有的復(fù)雜性，人們在研究摩擦表面的運動特性時，往往采用模擬軌跡法或刻痕軌跡法，以達到簡單、形象地描繪出運動軌跡的目的。本試驗機從結(jié)構(gòu)原理

36、上看，應(yīng)屬于 BRM（Biaxial rocking motion）型全髖關(guān)節(jié)模擬試驗機。該類型試驗機運行時主要依靠下試件相對于上試件作往復(fù)式圓弧狀擺動以實現(xiàn)摩擦面間的交叉狀復(fù)合滑動運動。在運行過程中，下試件摩擦表面上的任一點均相對于水平、垂直二軸作周期性擺動。若以與其中一軸的夾角為FE，與另一軸的夾角為 AA，則摩擦面上任一點的運動波形可以表達成圖 2-8 所示形式：圖2-7 試驗機的運動波形分析以此運動波形為基礎(chǔ)，在摩擦面上隨機地挑選幾個點計算其運動軌跡，模擬結(jié)果如圖 2-9 所示?？梢钥闯?，隨著所分析點在摩擦面上所處位置的不同，其運動軌跡相差很大。在球的端部出現(xiàn)一個標準圓周軌跡，該軌跡所

37、對應(yīng)的點恰為臼杯座支承軸軸線與關(guān)節(jié)副對摩表面的交點。因該點位于臼杯試件自轉(zhuǎn)軸線上，在試驗過程中不會因臼杯試件的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生水平方向的相對位移，因此其運動軌跡為一個標準圓。從該點依次向外，點的軌跡逐漸變成非對稱橢圓形，且隨著與球頂點距離的增大，運動軌跡越來越不規(guī)則，當點到達試件邊緣時，其運動軌跡變?yōu)椤?”字型。V.Saikko 等為驗證該模擬結(jié)果的正確性，在髖臼試件的不同位置嵌入 17 個硬質(zhì)針頭，并將此試件與關(guān)節(jié)頭試件一同裝入 BRM 型試驗機，加載后運行一個周期。在顯微鏡下觀察關(guān)節(jié)頭試件的表面劃痕并用墨水描出軌跡。如圖 2-10 所示。比較圖 2-9、圖 2-10 可發(fā)現(xiàn)，兩種模擬結(jié)果的對應(yīng)性非

38、常好。圖2-8 BRM關(guān)節(jié)試驗機運動軌跡模擬圖在自行研制的髖關(guān)節(jié)模擬試驗機上，采用與 V.Saikko 類似的方法得關(guān)節(jié)摩擦面間的運動軌跡如圖 2-11 所示。與圖 2-9、圖 2-10 比較后可看出，它們的運動圖2-9 BRM關(guān)節(jié)試驗機運動軌跡實測圖 圖2-10 自制關(guān)節(jié)試驗機運動軌跡實測圖軌跡基本屬于同一種類型。研究資料表明，為了準確、逼真地再現(xiàn)人體髖關(guān)節(jié)的運動特性，模擬試驗機在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)滿足以下兩點要求：1、偶副對摩面在實驗過程中應(yīng)呈交叉狀、多方向性相對滑動運動；2、對摩面上任一點的滑動軌跡在運動過程中應(yīng)持續(xù)改變。通過以上模擬結(jié)果可知，本試驗機可以較好地實現(xiàn)這兩種功能。因此，從理論上分

39、析，盡管本試驗機所提供的運動形式與天然髖關(guān)節(jié)相比不盡相同，但它能夠較好地模擬關(guān)節(jié)運動的特殊性和復(fù)雜性，并使得在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的摩擦形式、磨損機理與天然關(guān)節(jié)一致。磨損量常用的測量方法有稱重法、測長法、表面輪廓法以及光譜法、鐵譜法等。在本試驗中，考慮到試驗機的具體結(jié)構(gòu)以及本著方便、快捷的原則，采用稱重法測量試樣的磨損質(zhì)量損失。在測試高分子材料的磨損量時，材料的吸水特性對磨損量的測量影響尤其大。表 2-1示出了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）試件在一天之中由于吸濕引起的重量變化：表2-2 UHMWPE在不同時刻的重要變化可以看出，一天之中由于溫度、濕度的改變導(dǎo)致試件重量發(fā)生了很大變化，從早晨的 45.

40、9088g 至中午的 45.9083g 再到傍晚的 45.9089g，一天之中試件重量的最大改變量達到 0.6mg。如此大的重量變化對于磨損量的測量極為不利。可以想象，在關(guān)節(jié)模擬試驗機上試驗時，由于潤滑介質(zhì)的存在這種影響還將大大加劇。試驗過程中試件由磨損造成的質(zhì)量損失較小，這種由材料吸濕性導(dǎo)致的重量改變完全有可能影響試驗數(shù)據(jù)的測量，甚至將真實試驗數(shù)據(jù)覆蓋。為保證磨損量的測試精度，把材料吸水性引起的測量誤差減至最小，在試驗中采取了“參考試件法”。取一與被測試件材料、形狀完全相同的樣品作為參考試件，稱重后置于與試驗偶副相同的試驗環(huán)境中（相同溫度、相同潤滑液浸泡）。試驗后取下被測試件和參考試件一同置

41、于超聲波清洗器中用蒸餾水清洗 3min，在 80烘箱中烘干 40min，然后在干燥器中冷卻至室溫，采用感量為 0.01mg 的BT211D 型電子天平測量試件重量變化。設(shè)參考試件試驗前重量為 Wc1，試驗后為 Wc2，則由試驗環(huán)境導(dǎo)致的材料單位重量的改變量為： 式（2.1）被測試件與參考試件材料、形狀相同，因此可認為二者受試驗環(huán)境影響造成的單位重量改變量一致，如被測試件試驗前重量為 Ws1，則其由試驗環(huán)境導(dǎo)致的重量改變量為： 式（2.2）在最終計算被測試件的磨損量時，減去2 即可消除試驗環(huán)境改變對試件重量的影響。采用這種處理方式后，可確保試件稱量時環(huán)境因素的一致性，把由材料吸水性等造成的誤差控

42、制在最小范圍內(nèi)。臨床磨損率（Penetration rate）表示了股骨頭每年對人工髖臼所造成磨損程度的大小，對于衡量人工關(guān)節(jié)副的長期療效具有重要意義。臨床磨損率一般通過 X 射線法或臨床解剖測得。J.R.Atkinson、D.Dowson 等人通過長期臨床觀察表明臨床磨損率同髖臼磨損量之間呈線性關(guān)系，因此可通過下式將關(guān)節(jié)模擬試驗機上所得磨損結(jié)果轉(zhuǎn)化為臨床磨損率： 式（2.3）式中：P：臨床磨損率（mm/year）；W：人工髖臼 1 年的磨損量（mg）；：髖臼材料的密度（g/cm3）；r：關(guān)節(jié)頭假體的球頭半徑（mm）；C：髖臼材料的蠕變率（%）。資料表明，一般情況下在試驗室中進行試驗時，關(guān)節(jié)試

43、驗機運行 106cycle 相當于關(guān)節(jié)假體在體內(nèi)環(huán)境中運行一年。據(jù)此可將試驗結(jié)果換算為臨床磨損率。磨損因數(shù)（Wear factor）表示了材料在單位載荷（N）、單位滑動距離（m）時的磨損質(zhì)量損失，在比較不同材料的耐磨性時有重要應(yīng)用。一般情況下在試驗室中進行試驗時，磨損因數(shù)可由下式計算： 式（2,4）式中：k：磨損因數(shù)（mm3N-1m-1）；W：試驗材料的磨損量（mg）；：試驗材料的密度（g/cm3）；L：試驗載荷（N）；X：相對滑動距離（m）。用銷盤式、環(huán)塊式等標準試驗機進行試驗時，可利用 2-4 式直接計算磨損因數(shù)。但關(guān)節(jié)模擬試驗機由于其固有的特殊接觸方式（凸球面凹球面）和運動類型（多方向性

44、復(fù)合滑動摩擦），計算時要相對困難一些，必須對 2-4 式進行適當?shù)淖儞Q。由 2-3 式可得： 式（2.5）將（2-5）代入（2-4）得： 式（2.6）式中，N 為一年中人工髖臼所受沖擊載荷的循環(huán)次數(shù)；Ldx 表示一次載荷循環(huán)過程中載荷與滑動距離乘積的積分，其物理意義在于表明外部條件對置換關(guān)節(jié)磨損的影響程度。Ldx 值的大小與病人體重、關(guān)節(jié)假體所受載荷的循環(huán)特征、關(guān)節(jié)間的有效滑動距離及假體球頭半徑有關(guān)。對 Charnley 型人工關(guān)節(jié)的研究表明： 式（2.7）式中：B 為病人的體重（N），d 為關(guān)節(jié)頭假體的球頭直徑（m）。將式 2-7 代入式 2-6 可得關(guān)節(jié)模擬試驗時的磨損因數(shù)為： 式（2.8

45、）3設(shè)計計算過程3.1 理論計算已知關(guān)節(jié)球頭的直徑為50mm，最大試驗載荷為1t，主軸轉(zhuǎn)速為60rpm.。最大正壓力 F=1000kgX9.8=9800N所以摩擦力由公式 n=60rpm得出 P查機械手冊知，初擬使用Y系列4極電動機選用Y8014，P=0.55KW, n=1390轉(zhuǎn) M=17kga選擇軸的材料選擇軸的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,其機械性能由表查得=60MPa,=640Mpa,=275Mpa,=155Mpab初步確定軸的最小直徑按扭轉(zhuǎn)強度初步計算軸的最小直徑.取材料系數(shù)=112d=11223.4mm.1.03=24.1mm。經(jīng)圓整后取此軸的最小軸徑為25mm。c軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸中間安

46、裝軸承，外伸端安裝聯(lián)軸器，故軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計為直徑中間大兩頭小的的階梯軸，外伸端軸徑最小，向內(nèi)逐漸增大。左軸承用軸肩和套筒固定，右軸承用套筒和緊固螺母固定，兩軸承的周向固定采用過盈配合，聯(lián)軸器安裝在軸的右端采用平鍵作周向固定。如下圖所示：圖3-1 主傳動軸的結(jié)構(gòu)與裝配根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度，確定軸段E的直徑和長度。輸出軸的最小直徑顯然是安裝在聯(lián)軸器處的直徑=25mm，根據(jù)半聯(lián)軸器長度初步確定=40mm。初步選擇滾動軸承，并確定C段直徑和長度。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承。參照工作要求并根據(jù)=25mm，查表GB297-64，選擇單列圓錐滾子軸承7207

47、E，故=35mm，T=18.25mm,D=72mm,=48mm。確定軸段B處直徑和長度。因左端軸承采用軸肩進行軸向定位。由手冊上查得7207的定位軸肩高度，因此=43mm，初步確定B端長度為30mm。確定軸段D處直徑和長度。因右端軸承采用圓螺母鎖緊，根據(jù)軸承的尺寸要求查表GB812-76初步確定圓螺母為M301.5，d=48mm,m=10mm=30mm，左端開長度為5mm的退刀槽。確定軸段A處直徑和長度。A段和偏心輪配合，需靠軸肩進行軸向定位，因此初選=35mm，=30mm。至此已初步確定軸的各段直徑和長度。d軸上零件的周向定位半聯(lián)軸器的周向定位采用平鍵聯(lián)接，由手冊查得平鍵截面b=87，長為2

48、8mm，軸槽深t=4mm,轂槽深為3.3mm.同時為保證軸上各零件的良好的對中性，半聯(lián)軸器于軸的配合為H8/f7，偏心輪與軸的配合為H8/js7，滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為k6。e 定軸上倒角 取軸端倒角為1。1、選擇軸的材料選擇軸的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,其機械性能由表查得=60MPa,=640Mpa,=275Mpa,=155Mpa2、初步確定軸的最小直徑按彎曲應(yīng)力初步計算軸的最小直徑.查手冊知其因為擺軸與中心成23角度，所以最大彎距由公式：最小直徑經(jīng)圓整后取此軸的最小軸徑為25mm。因軸中間安裝軸承，故軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計為直徑中間大兩頭小的的階梯軸，外

49、伸端軸徑最小，向內(nèi)逐漸增大。左軸承用軸肩和套筒固定，右軸承用套筒和緊固螺母固定，兩軸承的周向固定采用過盈配合。如下圖所示：圖3-2 擺軸的結(jié)構(gòu)與裝配由圖3-2可知擺軸的結(jié)構(gòu)和主傳動軸的結(jié)構(gòu)類似，因此擺軸上選用與主軸一樣的軸承，從而確定了擺軸上C段的直徑為35mm，初步確定C段的長度為39mm。確定軸段B處直徑和長度。因左端軸承采用軸肩進行軸向定位。查表GB297-64，選擇單列圓錐滾子軸承7107E，故=35mm，T=18mm,D=62mm,=48mm。=42mm，初步確定B端長度為10mm。確定軸段D處直徑和長度。因右端軸承采用圓螺母鎖緊，根據(jù)軸承的尺寸要求查表GB812-76初步確定圓螺母

50、為M331.5，m=10,=20mm，左端開長度為5mm的退刀槽。初選A段直徑為30mm，長度為15mm。至此已初步確定擺軸各段長度和直徑。1、選擇液壓缸的類型：選擇活塞式液壓缸選擇液壓缸的安裝方式：頭部法蘭型2、液壓缸體尺寸計算：缸內(nèi)徑D: 公式 D= ;F液壓缸推力（kN）,F=10kNPpa經(jīng)圓整后取內(nèi)徑D為75mm活塞桿直徑:由公式：d;其中為活塞桿的許用應(yīng)力，選用45號碳素鋼，取120Mpa.d=17mm又上式可得活塞桿的直徑只需大于17mm即可，由液壓鋼的結(jié)構(gòu)選取活塞桿的直徑為50mm3.2 裝配圖及主要零件圖設(shè)計圖3-3裝配圖草圖圖3-4主傳動軸圖3-5軸承套圖3-6擺軸 4零件

51、校核1、求軸上載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)畫出軸的計算簡圖。在確定軸承的支點位置時，應(yīng)從手冊中查取a值。對于7207型圓錐滾子軸承，由手冊中查的a=13.5mm，因此作為簡支梁的軸的支承跨距為89.5mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖。力簡圖如下圖4-1 軸的彎矩圖、扭矩圖和彎矩圖2、按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度畫受力簡圖畫軸空間受力簡圖，將軸上作用力分解水平面受力圖和垂直面受力圖。分別求出水平面上的支反力和垂直面上的支反力。對于零件作用與軸上的分布載荷或扭矩（因軸上零件如聯(lián)軸器有寬度）可當作集中力作用于軸上零件的寬度中點。對于支反力的位置，隨軸承類型和布置方式的不同而異。求作用在

52、軸上的支反力已知 Nmm 校核軸的強度從應(yīng)力集中對軸的影響來看，截面B處引起的應(yīng)力集中最重要；從受載情況來看，B處所受彎矩最大。因此該軸只須校核截面B左右兩側(cè)即可。左側(cè)：抗彎截面模量 抗扭截面模量 截面B左側(cè)的彎矩 截面B上的扭矩 T=87542Nmm截面B上的彎曲應(yīng)力 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 查表得 ;右側(cè)：抗彎截面模量 抗扭截面模量 截面B右側(cè)的彎矩 截面B上的扭矩 T=87542Nmm截面B上的彎曲應(yīng)力 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 查表得 綜上可得：此軸達到強度要求。根據(jù)工況，初選7207。查機械設(shè)計手冊得 e=0.37 Y=1.6 ,畫軸承受力簡圖計算1、計算派生軸向力查表的7207型軸承的派生力

53、為：S=R/（2Y）NN2、計算軸承所受的軸向負荷因為 所以 3、計算當量動負荷軸承壽命的計算因 故按軸承2計算軸承壽命1、求軸上載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)畫出軸的計算簡圖。在確定軸承的支點位置時，應(yīng)從手冊中查取a值。對于7107型圓錐滾子軸承，由手冊中查的a=13.5mm，因此作為簡支梁的軸的支承跨距為50.5mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出擺軸的彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖。圖4-2擺軸的彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖2、按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度畫受力簡圖畫軸空間受力簡圖，將軸上作用力分解水平面受力圖和垂直面受力圖。分別求出水平面上的支反力和垂直面上的支反力。對于零件作用與軸上的分布載荷或扭矩（因軸上零件

54、如聯(lián)軸器有寬度）可當作集中力作用于軸上零件的寬度中點。對于支反力的位置，隨軸承類型和布置方式的不同而異。計算軸上支反力已知 校核軸的強度由彎矩圖可以看出截面C所受彎曲應(yīng)力最大，因此只須校核C處的彎曲應(yīng)力?？箯澖孛婺Ａ浚焊鶕?jù)工況，初選3007107。查機械設(shè)計手冊得 X=0.4 Y=2 畫軸承受力簡圖計算 計算派生軸向力查表的7107型軸承的派生力為：S=R/（2Y） 計算軸承所受的軸向負載因為 所以軸承2被壓緊，軸承1被放松因此 計算當量動負荷 軸承1 4=37214N軸承壽命的計算因 故按軸承2計算軸承壽命至此校核全部結(jié)束，零件全部符合要求。結(jié)論本課題所設(shè)計的人工關(guān)節(jié)模擬試驗機能夠正確模擬人

55、體髖關(guān)節(jié)的實際運動工況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準確、可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。1 確定了試驗機的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方案。2 確定了電動機、主傳動軸、擺軸和液壓缸的選擇。3 完成了對主傳動軸、擺軸、軸承的校核。鑒于本人知識及能力有限，本設(shè)計錯誤在所難免，在此敬請各位老師和同學(xué)批評和指正。致謝這次的畢業(yè)設(shè)計論文是在黃傳輝老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴肅的科學(xué)態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，黃傳輝老師都始終給予我細心的指導(dǎo)和不懈的支持。兩

56、個多月來，黃傳輝老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹向黃老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。在此，我還要感謝在一起愉快的度過畢業(yè)設(shè)計的同組同學(xué)，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。在論文即將完成之際，需要感謝的人還很多，從開始進入課題到論文的順利完成，有很多可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!參考文獻1葛世榮, 熊黨生, 王紀湘. 人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)問題及其研究現(xiàn)狀J. 生物摩擦學(xué)與人工關(guān)節(jié)學(xué)術(shù)研討會論文集. 上海, 2000 年 9

57、月:27-30.2黃傳輝.人工髖關(guān)節(jié)的磨損行為及磨粒形態(tài)研究.中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文.3張亞平, 高家成, 王勇. 人工關(guān)節(jié)材料的研究與進展J. 世界科技研究與發(fā)展,22(1):47-50.4 邱宣懷等，機械設(shè)計M，高等教育出版社5 朱龍根等，簡明機械設(shè)計零件設(shè)計手冊M，朱龍根主編，機械工業(yè)出版社6 謝鐵邦等，互換性與技術(shù)測量M，華中科技大學(xué)出版社7Pariente.J.L, etal. The Biocompatibility of Cathelers and Stents used on UrologyJ. Prog Urol .Apr. 1994, 8(2):181.8郭治天, 熊黨生, 葛世榮. 表面粗糙度對超高分子量聚乙烯的生物摩擦學(xué)特性的影響J. 生物摩擦學(xué)與人工關(guān)節(jié)學(xué)術(shù)研討會論文集. 上海, 2000 年 9 月:31-34.9陳長春. 髖關(guān)節(jié)置換用股骨假體材料