人工髖關節(jié)模擬試驗機機械傳動部分的研制（上置式 ）
人工髖關節(jié)模擬試驗機機械傳動部分的研制（上置式 ）,人工髖關節(jié)模擬試驗機機械傳動部分的研制（上置式,人工,髖關節(jié),模擬,摹擬,試驗,實驗,機械傳動,部分,部份,研制,上置式
圖書分類號：
密 級：
畢業(yè)設計(論文)
人工髖關節(jié)模擬試驗機機械傳動部分
的研制(上置式)
A HIP JIONT TO SIMULATE
TESTING MACHINE'S DEVELOPMENT
(ON SETS AT THE TYPE)
學生姓名
黃清朋
學院名稱
機電工程學院
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
指導教師
黃傳輝
2008年
6月
2日
徐州工程學院畢業(yè)設計
徐州工程學院學位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明： 所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。
本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。
論文作者簽名： 日期： 年 月 日
徐州工程學院學位論文版權協(xié)議書
本人完全了解徐州工程學院關于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，即：本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產權歸徐州工程學院所擁有。徐州工程學院有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的紙本復印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學院可以公布學位論文的全部或部分內容，可以將本學位論文的全部或部分內容提交至各類數(shù)據(jù)庫進行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。
論文作者簽名： 導師簽名：
日期： 年 月 日 日期： 年 月 日
摘要
本課題是對人體髖關節(jié)模擬試驗機機械傳動部分的研制。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生規(guī)定的隨時間變化的負載及相對角運動。該機械設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節(jié)的實際運動工況，以使試件在試驗過程中產生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準確、可靠地測試人工關節(jié)材料的生物摩擦學特性參數(shù)，為臨床應用提供指導性試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)以上要求設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，要求主軸轉速為60rpm。假設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。電機運轉時通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉，從而帶動固定在主軸軸端的偏心輪轉動，試件座安裝在擺軸上和擺軸一起饒中心軸線轉動。使得由關節(jié)球支架固定在試件座上的關節(jié)球頭和髖臼試件之間產生摩擦，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節(jié)球頭上，加上關節(jié)球頭隨試件座繞中心線轉動。這樣實現(xiàn)模擬人體髖關節(jié)的實際運動，使其產生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件下相一致，以達到設計該試驗機的初衷。
關鍵詞：關節(jié)試驗機 ;模擬試驗 ;人體髖關節(jié) ;摩擦機理
Abstract
A hip simulator had been designed and manufactured in this study. The principle of the simulator is fit the stock bone and 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 correctly 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 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'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 election 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 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 sample 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. Like 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 hip jiont wear mechanism
II
徐州工程學院畢業(yè)設計
目 錄
1 緒論 1
1.1 機械智能 1
1.1.1 機械智能的應用 1
1.1.2 本設計原理 1
1.2 模擬人體關節(jié)的發(fā)展史 1
1.3 試驗機的現(xiàn)實意義 2
2 方案 3
2.1髖關節(jié)結構及運動分析 3
2.1.1人體髖關節(jié)結構 3
2.1.2 髖關節(jié)運動特性分析 4
2.1.3人工髖關節(jié)結構 5
2.2 方案的提出 6
2.2.1方案一： 6
2.3方案二 7
2.4 方案的選擇： 8
2.5 設計方案 8
2.6 機械傳動部分的運動特性分析 10
2.7磨損量的測定及磨損率的計算 12
2.7.1磨損量的測定 12
2.7.2 臨床磨損率的計算 13
2.7.3磨損因數(shù)的計算 13
2.8溫控裝置的工作原理 15
3 設計計算過程 16
3.1初選電機功率 16
3.2主傳動軸的設計 16
3.2.1選擇軸的材料 16
3.2.2初步確定軸的最小直徑 16
3.2.3軸的結構設計 16
3.2.4軸上零件的周向定位 17
3.2.5確定軸上倒角 17
3.3.2初步確定軸的最小直徑 18
3.4液壓缸的結構尺寸設計 18
3.5 裝配圖及主要零件圖設計 19
3.5.1 裝配圖草圖 19
3.5.2零件圖草圖 20
4 零件校核 21
4.1求軸上載荷 22
4.2校核軸的強度 22
4.2.1畫受力簡圖 22
4.2.2求作用在軸上的支反力 22
4.2.3校核軸的強度 23
4.3主動軸上軸承的校核 24
4.4擺軸的校核 25
4.5擺軸上軸承的校核 26
結論 28
致 謝 29
參考文獻 30
32
1 緒論
1.1 機械智能
1.1.1 機械智能的應用
機械智能化是21世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標。各種人工智能工具和計算智能方法在制造中的廣泛應用促進了制造智能的發(fā)展。一類基于生物進化算法的計算智能工具，在包括調度問題在內的組合優(yōu)化求解技術領域中，受到越來越普遍的關注，有望在制造中完成組合優(yōu)化問題時的求解速度和求解精度方面雙雙突破問題規(guī)模的制約。制造智能還表現(xiàn)在：智能調度、智能設計、智能加工、機器人學、智能控制、智能工藝規(guī)劃、智能診斷等多方面。
1.1.2 本設計原理
本設計是根據(jù)人類行走時髖關節(jié)的運動特點，結合人工關節(jié)結構特征研制一種能正確模擬髖關節(jié)運動的實驗機械。該機械設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節(jié)的實際運動工況，以使試件在實驗過程中產生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準確、可靠地測試人工關節(jié)材料的生物摩擦學特性參數(shù),為臨床應用提供指導性實驗數(shù)據(jù)
1.2 模擬人體關節(jié)的發(fā)展史
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)爭等原因導致大量人體骨骼病變和損傷，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，提高他們的生活質量，醫(yī)學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。目前骨科學主要通過兩種方法解決骨缺損的修復問題，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。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。1963年英國曼徹斯特人John Charnley首先報道全髖關節(jié)置換手術治療類風濕性髖關節(jié)骨性關節(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，聚甲基丙稀酸甲酯（骨水泥）固定，形成Charnley型低摩擦全髖關節(jié)假體，奠定了現(xiàn)代人工關節(jié)置換術的基礎。自此以后，人工關節(jié)置換技術發(fā)展迅速，日益成為治療關節(jié)傷痛，重建關節(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節(jié)的人數(shù)高達4000萬～6000萬人，僅全髖關節(jié)置換就達80萬例。其中在關節(jié)炎晚期治療、外傷致殘和骨瘤切除手術中，人工關節(jié)置換術已成為一項常規(guī)外科手術。
隨著人類社會步入高齡化階段，各種與高齡有關的關節(jié)疾病，如大腿骨骨折、關節(jié)炎等病癥，將會大量發(fā)生，因此對人工關節(jié)的需求也會日益增加。以日本為例，1993 年人工關節(jié)的需求量為 10.879 萬件，1997 年已迅速上升到 17.09 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，加強研制人工關節(jié)置換技術，提高置換關節(jié)的使用壽命，是一項十分迫切的任務。
1.3 試驗機的現(xiàn)實意義
人工關節(jié)是模擬人體關節(jié)制成的植入性假體，以代替病變或損傷的關節(jié)并恢復其功能。人工關節(jié)的研制、開發(fā)是一門跨領域的交叉學科，涉及到材料學、力學、生物學、成型技術和醫(yī)療等多門學科的知識，需要多方面的科研人員不斷探索。其中，對人工關節(jié)生物摩擦學特性的研究由于直接關系到置換關節(jié)的使用質量和臨床壽命而備受人矚目。人體關節(jié)屬于身體活動的連接機構，接觸界面間必然發(fā)生相對滑動，因此會產生摩擦、磨損和潤滑等摩擦學問題。近期的研究工作已證明人工x`關節(jié)磨損時產生的磨損顆粒與置換關節(jié)的無菌性松動有直接關系。因此，積極開展人工關節(jié)生物摩擦學特性方面的研究，掌握置換關節(jié)材料在生物機體環(huán)境內的摩擦磨損行為規(guī)律，在人工關節(jié)的開發(fā)中引入摩擦學設計（包括基于生物力學的關節(jié)配副載荷最小化研究、假體固定的微動摩擦學行為研究和關節(jié)材料磨損顆粒生成機理及有效識別等），對于提高人工關節(jié)的使用質量，延長其臨床壽命和減輕患者痛苦具有重要的現(xiàn)實意義。
2 方案
自從第一例 Charnley 型低磨損人工髖關節(jié)運用于臨床實際以來，人工關節(jié)置換技術迅速發(fā)展。醫(yī)學實踐表明，關節(jié)材料性能及其生物摩擦學特性對于關節(jié)使用質量及臨床壽命起著決定性的作用。因此，人們在這方面開展了大量的研究工作。這為提高人工關節(jié)置換手術的成功率、延長置換關節(jié)的使用年限提供了強有力的理論支持和技術保障。從臨床醫(yī)學來看，人工關節(jié)作為一種植入器官，其制作材料一般應滿足以下幾點要求：
①、生物相容性好。要求人工關節(jié)材料和人體組織接觸后，在材料－組織界面發(fā)生一系列相互作用后最終被人體組織所接受，且材料對人體的正常生理功能無不良影響，無毒，無排異反應；
②、生物力學相容性好。植入材料和所處部位的生物組織彈性形變特性要相匹配，在負載情況下，人工關節(jié)假體與其接觸的組織所發(fā)生的形變要彼此協(xié)調；
③、生物結合性能好。要求人工關節(jié)材料與周圍骨組織結合良好，使用過程中不發(fā)生相對移動和下沉；
④、材料要具有一定的可降解性，可以逐漸被人體再生骨組織所替代；
⑤、優(yōu)良的生物摩擦學性能。要求材料的摩擦系數(shù)低，耐磨損能力強，磨損顆粒生成率低，以保證置換關節(jié)有較長的臨床壽命；
⑥、良好的耐腐蝕、耐疲勞性能。要求植入假體在體內所發(fā)生的組織反應不引起材料的劣化，反復承受交變應力不會引起材料的破損。人們最早曾使用牙托粉、聚丙烯、有機玻璃等材料制作人工關節(jié)，但這些材料強度低，易折斷，生物相容性差，在臨床使用中難以保證置換關節(jié)的使用質量。其后改用不銹鋼（316L）。不銹鋼雖然強度、硬度較高，能滿足關節(jié)負重的要求，但其比重大，約為人體骨骼比重的 2 倍，且受體液作用時會出現(xiàn)腐蝕和斷裂，近年來隨著材料科學的發(fā)展、新型人工關節(jié)材料的出現(xiàn)已較少采用。目前在臨床中主要采用鈦合金、生物陶瓷及各種復合材料來制作人工關節(jié)。
2.1髖關節(jié)結構及運動分析
2.1.1人體髖關節(jié)結構
髖關節(jié)位于人體中部，是人體中最重要的關節(jié)之一。圖 2-1 給出人體髖關節(jié)的結構簡圖。
圖2-1 人體髖關節(jié)
解剖學表明，髖關節(jié)可以圍繞以股頭為中心的無數(shù)軸運動（臨床醫(yī)學為研究方便，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，結構上呈杵臼關節(jié)。髖臼及其臨近結構可劃分為前柱、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)髖臼中心至坐骨結節(jié)，包括坐骨的垂直部分及坐骨上方的髂骨。后柱內側面由坐骨體內側的四邊形區(qū)域構成，稱四方區(qū)。髖臼前、后兩柱呈60°相交，形成拱形結構，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，由髂骨下部構成，厚而堅強。髖臼呈半球形深凹，直徑約為 3.5mm，與下肢股骨頭相關節(jié)。髖臼邊緣的關節(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)物質占 20%～40%，其余為水。固態(tài)物質中膠原纖維約占 60%，蛋白多糖占 40%，軟骨細胞占 2%。關節(jié)軟骨的這種多相結構使得它在載荷之下呈現(xiàn)粘彈性響應，在外界力作用下發(fā)生蠕變和應力松馳，從而保護髖關節(jié)免受沖擊。髖臼中央無關節(jié)軟骨覆蓋的臼窩由哈佛森腺充填，它可隨關節(jié)內壓力的培養(yǎng)而被擠出或吸入，從而維持關節(jié)內壓力的平衡。髖關節(jié)周圍包圍著強大的韌帶及豐厚的肌肉，使得該關節(jié)穩(wěn)定性較強。正常情況下髖關節(jié)的最大活動度是在矢狀面上，屈曲幅度可達 0～140°，伸展 0～15°；在冠狀面上能外展 0～45°，內收 0～30°；在橫截面上，當髖關節(jié)屈曲時，能夠外旋 0～45°，內旋 0～50°。
2.1.2 髖關節(jié)運動特性分析
由于人體下肢運動的多樣性（走、跑、跳等），使得髖關節(jié)的運動呈現(xiàn)出很強的復雜性。由上一節(jié)解剖學分析知，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動。因此，僅就人體運動的不確定性而言，髖關節(jié)的運動軌跡是不可能用常規(guī)數(shù)學方法表達的?？紤]到關節(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 等的研究結果表明，人體正常行走時，髖關節(jié)在一個步態(tài)中的主要運動角度變化如圖 2-2 所示。FE 角（Flexion-extension）的變化幅度為 0～46°，AA 角（Abduction-adduction）和 IER 角（Internal-external rotation）的變化幅度同為 0～12°。FE 角和 AA 角的相位相差π/2。在足跟離地前 0.1T 時，關節(jié)彎曲度達到最大；腳尖離地前 0.1T 時關節(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 2-2 所示運動曲線，利用計算機模擬技術對髖關節(jié)摩擦面上隨機選取點的運動軌跡進行了相應計算，其結果如圖 2-3 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，且軌跡形狀隨選取點在球體上位置的不同而有所變化。這一結果表明，天然髖關節(jié)間的相對運動為交叉狀、多方向性復合滑動摩擦。
圖2-2 人體步態(tài)運動波形圖 圖2-3 選取點的滑動軌跡圖
2.1.3人工髖關節(jié)結構
股骨上部大轉子與髖骨相支承，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)學上，常常采用植入人工髖關節(jié)來代替原先破損的髖關節(jié)，以達到支撐點的目的。圖 2-4 示出了人工髖關節(jié)的實物照片。與天然髖關節(jié)相對應，人工關節(jié)也分為股骨球頭和關節(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 人工髖關節(jié)照片
人工關節(jié)在體內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固化后達到固定目的。非骨水泥固定技術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構，以使宿主骨能夠長入金屬外殼面從而達到生物學固定的目的。人工關節(jié)植入體內后，承擔原人體髖關節(jié)的功能，其運動方式與人體自然髖關節(jié)基本一致。
2.2 方案的提出
2.2.1方案一：
關節(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，并通過花鍵軸帶動關節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調節(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（φ20mm～φ50mm）的髖臼試件，并通過組合軸承部件固定在支撐斜板上。裝配有臼杯座的軸即可以圍繞其軸線自由轉動，也可利用固定銷將其與支撐斜板聯(lián)接為一體。
根據(jù)固定銷的插入和拔出，關節(jié)模擬試驗機可實現(xiàn)兩種不同的運動形式：
2.2.1.1多向復合滑動模式
支撐斜板在電機驅動下作勻速旋轉運動，防轉桿受到試驗機立柱的阻擋產生反方向阻力，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，一邊往復擺動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復合滑動運動。
圖2-5 試驗機草圖
2.2.1.2旋轉方式
將防轉桿拆下，裝上螺栓支架，利用支架上的固定銷將臼杯座與支撐斜板固定在一起，支撐斜板在電機驅動下旋轉時，安裝在臼杯座中的髖臼試件與關節(jié)頭試件間作相互旋轉運動。臼杯座上裝有潤滑劑罩筒，以容納潤滑液。
2.3方案二
關節(jié)球頭由夾具固定與試驗機主軸上，電機1帶動凸輪轉動，凸輪的形狀根據(jù)人髖關節(jié)運動軌跡計算設計，電機2帶動小齒輪轉動，從而實現(xiàn)大齒輪的回轉運動。大齒輪上方為一由兩個部分邊重合的橢圓形軌道，這樣可以比較直觀的模擬現(xiàn)實中人髖關節(jié)的運動軌跡。試驗機的最上端承受液壓裝置給予的沖擊載荷。見圖2-6所示。
圖2-6 方案二
2.4 方案的選擇：
由于方案二需要兩個電機，從節(jié)約資源的角度考慮不宜選擇。且齒輪剪切應力較大，由于凸輪的轉動使大齒輪不斷的上下運動，而小齒輪則是靜止的，因此輪齒之間的摩擦較大，這樣試驗機的壽命和安全系數(shù)就不會高。方案一由一個電機帶動，主動軸帶動楔塊轉動，裝有人工髖關節(jié)的試件座則由擺軸固定在楔塊上，這樣的設計比較合理，避免了較大的摩擦，而且避免了大的計算量。
因此方案一比較合理，選方案一。
2.5 設計方案
人體關節(jié)模擬試驗機是一臺集機、電、液技術于一體的專用臺架試驗設各。該試驗機設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節(jié)的實際運動土況，以使試件在試驗過程中產生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件卜相一致，從而可以準確、可靠地測試人土關節(jié)材料的生物摩擦學特性參數(shù)，為臨床應用提供指導性試驗數(shù)據(jù)。該試驗設各主要山機械傳動部分、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，每個試驗單元的結構和土作原理都完全一致。為了真實模擬大然關節(jié)的運動土況，試驗時轉速小能過高，這樣一來勢必造成試驗時間很長，在多試樣重復試驗時這一矛盾更為突出。木試驗機在一個機架上同時裝配了四個試驗單元，增加了試驗土位，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，并通過花鍵軸帶動關節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調節(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（φ20mm～φ50mm）的髖臼試件，并通過組合軸承部件固定在支撐斜板上。支撐斜板在電機驅動下作勻速旋轉運動，防轉桿受到試驗機立柱的阻擋產生反方向阻力，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，一邊往復擺動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復合滑動運動；
圖2-7試驗機草圖
2.6 機械傳動部分的運動特性分析
多向復合滑動方式：采用該方式試驗時，偏心輪以恒角速度ω旋轉，臼杯座支承軸在其帶動下圍繞主軸軸線作圓錐狀回轉，固定在支承軸上的防轉桿受機座限制產生反向阻力，在該力作用下支承 軸除繞主軸軸線回轉外還要自轉，此時試驗機的運動簡圖可以表示成圖 2-8 所示形式（為分析方便，防轉桿與機座的點接觸形成的Ⅰ級運動副用兩個Ⅳ運動副及一個Ⅴ運動副代替）：
圖2-8 試驗機運動原理圖
由機械原理知，若某空間運動鏈由 N 個構件組成，當固定其中之一為機架后，所?；顒訕嫾?shù)為 n=N－1，如果在組成運動鏈時共加入 P1個 I 級副、P2個Ⅱ級副、P3個Ⅲ級副、P4個Ⅳ級副及 P5個Ⅴ級副，則空間運動鏈相對于機架的自由度為：
F≤0 時運動鏈不可能產生相對運動。對 F＞0 的運動鏈，當原動件數(shù)小于機構自由度時，構件間的相對運動是無規(guī)則的；原動件數(shù)大于 F 時，機構不能運動；只有當原動件數(shù)等于 F 時，構件之間才能獲得確定的相對運動。分析圖 2-7 可知，該空間運動鏈的構件數(shù) N＝5，共包括 3 個 V 級副和 2 個IV 級副，因此其自由度為：
F＝6×（5－1）－5×3－4×2＝1
關節(jié)模擬試驗機運轉時，只有一個原動件，即偏心輪的旋轉運動，因此可知，該空間機構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)學方程來唯一表達，然而，由于髖關節(jié)運動時所固有的復雜性，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。
本試驗機從結構原理上看，應屬于 BRM（Biaxial rocking motion）型全髖關節(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式圓弧狀擺動以實現(xiàn)摩擦面間的交叉狀復合滑動運動。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 2-9 所示形式：
圖2-9試驗機的運動波形分析
以此運動波形為基礎，在摩擦面上隨機地挑選幾個點計算其運動軌跡，模擬結果如圖 2-10 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，該軌跡所對應的點恰為臼杯座支承軸軸線與關節(jié)副對摩表面的交點。因該點位于臼杯試件自轉軸線上，在試驗過程中不會因臼杯試件的自轉產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 等為驗證該模擬結果的正確性，在髖臼試件的不同位置嵌入 17 個硬質針頭，并將此試件與關
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 2-10、圖 2-11 可發(fā)現(xiàn)，兩種模擬結果的對應性非常好。
圖2-10 BRM關節(jié)試驗機運動軌跡模擬圖
在自行研制的髖關節(jié)模擬試驗機上，采用與 V.Saikko 類似的方法得關節(jié)摩擦面間的運動軌跡如圖 2-11 所示。與圖 2-10、圖 2-11 比較后可看出，它們的運動相同。
圖2-11關節(jié)試驗機運動實測圖
研究資料表明，為了準確、逼真地再現(xiàn)人體髖關節(jié)的運動特性，模擬試驗機在結構設計上應滿足以下兩點要求：1、偶副對摩面在實驗過程中應呈交叉狀、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持續(xù)改變。通過以上模擬結果可知，本試驗機可以較好地實現(xiàn)這兩種功能。因此，從理論上分析，盡管本試驗機所提供的運動形式與天然髖關節(jié)相比不盡相同，但它能夠較好地模擬關節(jié)運動的特殊性和復雜性，并使得在此基礎上產生的摩擦形式、磨損機理與天然關節(jié)一致。
2.7磨損量的測定及磨損率的計算
2.7.1磨損量的測定
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構以及本著方便、快捷的原則，采用稱重法測量試樣的磨損質量損失。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2-1 UHMWPE在不同時刻的重要變化
可以看出，一天之中由于溫度、濕度的改變導致試件重量發(fā)生了很大變化，從早晨的 45.9088g 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?？梢韵胂螅陉P節(jié)模擬試驗機上試驗時，由于潤滑介質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量損失較小，這種由材料吸濕性導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。設參考試件試驗前重量為 Wc1，試驗后為 Wc2，則由試驗環(huán)境導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Δ2 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制在最小范圍內。
2.7.2 臨床磨損率的計算
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系，因此可通過下式將關節(jié)模擬試驗機上所得磨損結果轉化為臨床磨損率：
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）；
ρ：髖臼材料的密度（g/cm3）；
r：關節(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，關節(jié)試驗機運行 106cycle 相當于關節(jié)假體在體內環(huán)境中運行一年。據(jù)此可將試驗結果換算為臨床磨損率。
2.7.3磨損因數(shù)的計算
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）時的磨損質量損失，在比較不同材料的耐磨性時有重要應用。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）；
ρ：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（多方向性復合滑動摩擦），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節(jié)磨損的影響程度。∫Ldx 值的大小與病人體重、關節(jié)假體所受載荷的循環(huán)特征、關節(jié)間的有效滑動距離及假體球頭半徑有關。對 Charnley 型人工關節(jié)的研究表明：
式（2-7）
式中：B 為病人的體重（N），d 為關節(jié)頭假體的球頭直徑（m）。
將式 2-7 代入式 2-6 可得關節(jié)模擬試驗時的磨損因數(shù)為：
式（2-8）
2.8溫控裝置的工作原理
為更好地模擬人工關節(jié)在體內環(huán)境溫度下的摩擦磨損特性，試驗機裝有恒溫裝置。溫控原理如圖 2-12 所示：
圖2-11 溫度控制模擬圖
試驗機整體上采用封閉式結構，內部裝有加熱器。試驗開始時，開啟溫控器，交流接觸器處于閉合狀態(tài)，紅外加熱器（800W）與電源接通，以輻射形式提供熱量，使得試驗機內的環(huán)境溫度上升。測溫元件（熱電偶）將機內環(huán)境溫度反饋給溫控器。當試驗環(huán)境溫度達到設定數(shù)值時，溫控器控制交流接觸器斷開，加熱器失電。此時處于保溫狀態(tài)。當機內環(huán)境溫度低于設定數(shù)值時，溫控器使得交流接觸器再次閉合，加熱器得電開始工作。實際測試結果表明，利用該套溫控裝置可使得試驗溫度保持在 37±1℃。
3 設計計算過程
3.1初選電機功率
選擇關節(jié)球頭的直徑為50mm，已知最大試驗載荷為1t，主軸轉速為60rpm.。
取摩擦系數(shù)
最大正壓力 F=1000kgX9.8=9800N
因此摩擦力
得出最大扭矩 T=fd=980Xm0.025=24.5N
由公式 n=60rpm
得出 P≥0.15KW
查機械手冊知，初擬使用Y系列4極電動機
選用Y801—4，P=0.55KW, n=1390轉 M=17kg
3.2主傳動軸的設計
3.2.1選擇軸的材料
選擇軸的材料為45鋼,經(jīng)調質處理,其機械性能由表查得=60MPa,=640Mpa,=275Mpa,=155Mpa
3.2.2初步確定軸的最小直徑
按扭轉強度初步計算軸的最小直徑.
取材料系數(shù)=112
d=11223.4mm.
輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑，此外，此軸上要求安裝一個平鍵，開有鍵槽應放大3%左右，即23.41.03=24.1mm。
經(jīng)圓整后取此軸的最小軸徑為25mm。
3.2.3軸的結構設計
因軸中間安裝軸承，外伸端安裝聯(lián)軸器，故軸的結構設計為直徑中間大兩頭小的的階梯軸，外伸端軸徑最小，向內逐漸增大。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 主傳動軸的結構與裝配
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。
3.2.3.1初步選擇滾動軸承
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7207E，故=35mm，T=18.25mm,D=72mm,=48mm。
3.2.3.2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。
3.2.3.3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。
3.2.3.4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。
3.2.4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28mm，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m6。
3.2.5確定軸上倒角
取軸端倒角為1。
3.3 初選擺軸的大小
3.3.1選擇軸的材料
選擇軸的材料為45鋼,經(jīng)調質處理,其機械性能由表查=60MPa,=640Mpa,=275Mpa,=155Mpa
3.3.2初步確定軸的最小直徑
按彎曲應力初步計算軸的最小直徑.
查手冊知其
所以最大彎距
由公式：最小直徑
因軸中間安裝軸承，故軸的結構設計為直徑中間大兩頭小的的階梯軸，外伸端軸徑最小，向內逐漸增大。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。
3.3.2.1 擺軸軸承
由圖3-2可知擺軸的結構和主傳動軸的結構類似，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。
3.3.2.1確定軸段直徑和長度
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。
3.3.2.2確定軸段直徑和長度
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M331.5，，m=10,=20mm，左端開長度為5mm的退刀槽。
④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。
3.4液壓缸的結構尺寸設計
（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
缸內徑D:
公式 D= ;
F——液壓缸推力（kN）,F=10kN
P——選定的工作壓力（MPa）查手冊知p=2.3Mpa
所以D=3.57=74.4mm
經(jīng)圓整后取內徑D為75mm.
活塞桿直徑:
由公式：d;
其中為活塞桿的許用應力，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，
由液壓鋼的結構選取活塞桿的直徑為50mm
3.5 裝配圖及主要零件圖設計
3.5.1 裝配圖草圖
圖3-2 試驗機草圖
3.5.2零件圖
圖3-3 擺軸
圖3-4 主傳動軸
圖3-5 液壓缸體
圖3-6 缸蓋液壓
4 零件校核
4.1求軸上載荷
首先根據(jù)軸的結構畫出軸的計算簡圖。在確定軸承的支點位置時，應從手冊中查取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 軸的受力簡圖
4.2校核軸的強度
4.2.1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。
4.2.2求作用在軸上的支反力
已知
Nmm
4.2.3校核軸的強度
從應力集中對軸的影響來看，截面B處引起的應力集中最重要；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左右兩側即可。
左側：
抗彎截面模量
抗扭截面模量
截面B左側的彎矩
截面B上的扭矩 T=87542Nmm
截面B上的彎曲應力
截面上的扭轉切應力
查表得 ,[s]取1.5
;
右側：
抗彎截面模量
抗扭截面模量
截面B右側的彎矩
截面B上的扭矩 T=87542Nmm
截面B上的彎曲應力
截面上的扭轉切應力
查表得
綜上可得：此軸達到強度要求。
4.3主動軸上軸承的校核
根據(jù)工況，初選7207。查機械設計手冊得
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型軸承的派生力為：S=R/（2Y）
N
N
② 計算軸承所受的軸向負荷
因為
所以
③ 計算當量動負荷
④ 軸承壽命的計算
因 故按軸承2計算軸承壽命
4.4擺軸的校核
（1）求軸上載荷
首先根據(jù)軸的結構畫出軸的計算簡圖。在確定軸承的支點位置時，應從手冊中查取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)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖。
圖4-2 軸彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖
（2）按彎扭合成應力校核軸的強度
①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。
②計算軸上支反力
已知
③校核軸的強度
由彎矩圖可以看出截面C所受彎曲應力最大，因此只須校核C處的彎曲應力。
抗彎截面模量：
4.5擺軸上軸承的校核
根據(jù)工況，初選3007107。查機械設計手冊得
X=0.4 Y=2
畫軸承受力簡圖計算
①計算派生軸向力
查表的7107型軸承的派生力為：S=R/（2Y）
②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
③計算當量動負荷
軸承1
4=37214N
⑤ 軸承壽命的計算
因 故按軸承2計算軸承壽命
至此校核全部結束，零件全部符合要求。
結論
本課題所設計的人工關節(jié)模擬試驗機能夠正確模擬人體髖關節(jié)的實際運動工況，以使試件在試驗過程中產生的摩擦機理、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節(jié)材料的生物摩擦學特性參數(shù)，為臨床應用提供指導性試驗數(shù)據(jù).本次設計中的液壓系統(tǒng)和機械傳動部分均已經(jīng)在裝配圖中標出，溫控裝置是模擬在一個恒溫的密封容器內進行的，模仿的是人體恒溫的原理，在裝配圖中未進行標出。
致 謝
本文是在指導老師黃傳輝博士的悉心指導下完成的，從論文的選題、開展、定稿到最后的結果，指導老師都付出了相當?shù)木托难⒔o予了很大的支持和幫助。在學習期間，作者不僅感受到了導師極好的人格魅力，也不斷地為他的學識、工作風格、嚴謹?shù)膶W術精神所折服。在此向指導老師致以深深的謝意。
老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的知識以及勤奮的工作作風將使本人以后的人生受益匪淺。正是由于老師在這一學期內對本人細心、耐心的指導，并對設計質量嚴格要求，使本人能夠順利的完成畢業(yè)設計，在本文完成之際，謹在此向我所敬愛的老師們致以深深的謝意！同時04機本2班的同學們在設計期間也給予我無私的幫助。在此我衷心的感謝：感謝我敬愛的老師們，感謝04機本2班的同學們！
最后，對在百忙之中抽出時間關心我設計的機電學院黃傳輝博士的指導和幫助。機電系教研室李志老師也對課題的展開和工作給予了很大的關心和支持。在此作者向以上諸位老師和所有關心幫助過我的老師和同學一并致以誠摯的謝意。
參考文獻
[1]. 葛世榮, 熊黨生, 王紀湘. 人工關節(jié)的摩擦學問題及其研究
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