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平面擺動動作髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)按模擬運(yùn)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(yùn)動進(jìn)行合成來模擬人工髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動形態(tài)；擺軸型是依靠基座與斜面底座之間的相對運(yùn)動來模擬髖關(guān)節(jié)三個不同平面的擺動動作目前市場應(yīng)用較多的摩擦試驗(yàn)機(jī)有三大類，第一種中國專利[授權(quán)公告號CN101975707B]涉及一種基于鋼絲繩傳動的髖關(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，而將價格高昂的進(jìn)口電動缸去除，降低了試驗(yàn)成本和機(jī)臺適應(yīng)性；但其功能性單一，摩擦面控制穩(wěn)定性差。第二種中國專利[授權(quán)公告號CN101243998B]涉及一種多功能摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，雖增加了測試功能，但調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其生物摩擦學(xué)性能影響方面卻無提高。第三種美國專利[授權(quán)公告號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)滑動速率、接觸壓力、方向及接觸面來測試更為復(fù)雜工況，但其接觸和運(yùn)動方式與人工髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動方式差別較大。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)，提出了一種能夠無級調(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)對髖關(guān)節(jié)球頭自轉(zhuǎn)速度的無級調(diào)速；同時采用不同的機(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)在解決上述問題的同時，還實(shí)現(xiàn)了無級調(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，涉及到無級調(diào)試系統(tǒng)的運(yùn)行體系。對于電動機(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、例如價格和維護(hù)成本在上式中，F(xiàn)在對最大試驗(yàn)載荷以及轉(zhuǎn)速計(jì)算上，通過上述公式以及內(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)速和同步電動機(jī)速度，在旋轉(zhuǎn)的主軸和電動機(jī)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(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，主軸穿過測試臺，為一對齒輪供電。因此，主軸和試驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)優(yōu)化在本次創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，無級調(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)對髖關(guān)節(jié)球頭自轉(zhuǎn)速度的無級調(diào)速；同時采用不同的機(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)摩擦性能測試結(jié)果進(jìn)一步接近真實(shí)工況，完成對無級調(diào)試的優(yōu)化。如今我國人口趨于老齡化，關(guān)節(jié)疾病隨著年齡的增大會慢慢的涌現(xiàn)，如髖關(guān)節(jié)炎等疾病，對于人工關(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，最后分析了無級調(diào)速、節(jié)省成本以及適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(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帶動旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6旋轉(zhuǎn)，（直齒）錐形齒