髋关节摩擦试验机的设计

髋关节摩擦试验机的设计

随着人类生活水平的提高，用人工关节作为一种治疗疾病的方法之一。然而，与关节体的相应长度和损伤是体表丧失的重要原因之一。因此，人工关节摩擦模拟器用于模拟和比较人体中体育节的实际情况，研究体材料的强度、长度、摩擦磨损和变形的性能。是该领域的摩擦试验应用。1新型多功能摩擦机的设计理念1.1平面摆动动作髋关节摩擦试验机按模拟运动方式可分为三类，其包括销盘型、摆轴型及多轴型。销盘型是通过圆盘与销状试样之间形成的相对滑动来研究材料摩擦润滑性能；多轴型是将不同轴系形成的单个运动进行合成来模拟人工髋关节的运动形态；摆轴型是依靠基座与斜面底座之间的相对运动来模拟髋关节三个不同平面的摆动动作目前市场应用较多的摩擦试验机有三大类，第一种中国专利[授权公告号CN101975707B]涉及一种基于钢丝绳传动的髋关节试验机，该结构在零件上有了很大的改进，运用了传统机械零件，而将价格高昂的进口电动缸去除，降低了试验成本和机台适应性；但其功能性单一，摩擦面控制稳定性差。第二种中国专利[授权公告号CN101243998B]涉及一种多功能摩擦学实验装置的设计，虽增加了测试功能，但调节髋关节结构参数对其生物摩擦学性能影响方面却无提高。第三种美国专利[授权公告号US6199424B1]涉及一种适应橡胶及胎面的销盘摩擦试验机，虽然能够调节滑动速率、接触压力、方向及接触面来测试更为复杂工况，但其接触和运动方式与人工髋关节的运动方式差别较大。而球头自转速度与锥面旋转速度有关联性及锥面旋转角调节不方便是当前传统摩擦试验机的局限所在，因此需要提出一种新型多功能摩擦试验机设计方案，以此优化这些不足。1.2多功能机械主视设计针对现有摩擦试验机技术的不足（球头自转速度与锥面旋转速度有关联性及锥面旋转角调节不便），对其旋转中心机构（旋转装置）在设计原理上进行创新设计，提出了一种能够无级调节球头的自转速度和锥面旋转速度，并方便调节锥面旋转角度的新型人工髋关节摩擦试验机。新型人工髋关节摩擦试验机在分析传统髋关节摩擦试验机的旋转中心机构设计原理基础上，将旋转中心机构的旋转作用进行创新性机构分离，从而实现对髋关节球头自转速度的无级调速；同时采用不同的机构模块和装配实现球头旋转锥形角调节，从而适应不同年龄、地域及运动状态等复杂工况的摩擦性研究，使得人工髋关节摩擦性能测试结果进一步接近真实工况。本次设计在解决上述问题的同时，还实现了无级调节球头的自转速度和锥面旋转速度，方便调节锥面旋转角度，如图1所示为优化结构示意图。新型多功能摩擦试验机主要由载荷机构、扭矩测试、球头、球碗臼杯和下方球头旋转装置构成，其系统构成如图2所示。图2(1）是本发明实施例人工髋关节置摩擦试验机三维图；图2(2）是本发明实施例人工髋关节置摩擦试验机主视图；图2(3）是本发明实施例人工髋关节摩擦试验机中心机构主视图；图2(4）是本发明实施例人工髋关节摩擦试验机中心机构主视图的局部放大如图2(3)a；图2(5）是本发明实施例人工髋关节摩擦试验机中心机构主视图的局部放大如图2(3)b；图2(6）是本发明实施例人工髋关节摩擦试验机中心机构主视图的局部放大如图2(3)c。2.2系统运行体系在本文设计的新型多功能摩擦试验机中，电机是试验机的核心元件，涉及到无级调试系统的运行体系。对于电动机选择第一是匹配负载和位置的要求，其次要考虑经济因素、例如价格和维护成本在上式中，F在对最大试验载荷以及转速计算上，通过上述公式以及内径与宽度则可以得到F2.3给排水设计根据最大转速和同步电动机速度，在旋转的主轴和电动机之间使用传动比为1.1的同步传动装置2.4其他部件的设计2.4.1x轴的结构主要取决于轴的承载性质、大小、方向以及传动布置方案、轴上零件的布置与固定方式、轴承的类型与尺寸，还有制造经济性等。2.4.2主轴和试验台的垂直度在本次新型多功能试验机中，主轴旋转系统安装在主轴支撑板上，主轴穿过测试台，为一对齿轮供电。因此，主轴和试验台的垂直度有很高的要求。在上层平台上，对支撑板的表面进行处理以确保支撑板和测试台的垂直度，然后将主轴支架安装在支撑板的表面上，确保传动轴与测试台垂直。3摩擦性实验优化在本次创新设计中，无级调节球头的自转速度和锥面旋转速度，并方便调节锥面旋转角度的新型人工髋关节摩擦试验机，是将其旋转中心机构的旋转作用进行创新性机构分离，从而实现对髋关节球头自转速度的无级调速；同时采用不同的机构模块和装配实现球头旋转锥形角调节，进而适应不同年龄、地域及运动状态等复杂工况的摩擦性研究，使得人工髋关节摩擦性能测试结果进一步接近真实工况，完成对无级调试的优化。如今我国人口趋于老龄化，关节疾病随着年龄的增大会慢慢的涌现，如髋关节炎等疾病，对于人工关节摩擦实验机的需求也日益增加，并且对人工髋关节假体质量要求也更加严格。因此本文在对设计理念进行阐述后，从系统组成构造、电机的选用、传动设计以及其它部件设计完成工艺流程方案分析，最后分析了无级调速、节省成本以及适用性强等优点，以期对医疗企业行业有所帮助。2新型多功能摩擦试剂盒的工艺方案2.1旋转轴电机15控制旋转速度2.3.1旋转Ⅱ轴电机14带动旋转盘11进行周向旋转，使得旋转Ⅱ轴7上固定的球头3绕锥面旋转，并通过旋转Ⅱ轴电机14控制旋转速度。2.3.2所述旋转Ⅰ轴电机15带动旋转Ⅰ轴6旋转，（直齿）锥形齿