人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)部分的研制（上置式 ）,人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)部分的研制（上置式,人工,髖關(guān)節(jié),模擬,摹擬,試驗(yàn),實(shí)驗(yàn),機(jī)械傳動(dòng),部分,部份,研制,上置式 圖書分類號(hào)： 密 級(jí)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)部分 的研制(上置式) A HIP JIONT TO SIMULATE TESTING MACHINE'S DEVELOPMENT (ON SETS AT THE TYPE) 學(xué)生姓名 黃清朋 學(xué)院名稱 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 黃傳輝 2008年 6月 2日 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 徐州工程學(xué)院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)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(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品或成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。 本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 　　 　　日期： 　　 年 　月　 　日 徐州工程學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書 本人完全了解徐州工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。徐州工程學(xué)院有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學(xué)院可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 論文作者簽名： 　　 導(dǎo)師簽名： 　　 日期： 　　 年 　月　 　日 日期： 　　 年 　月　 　日 摘要 本課題是對(duì)人體髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)部分的研制。試驗(yàn)機(jī)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(yàn)臺(tái)上，通過(guò)試驗(yàn)裝置使兩者之間產(chǎn)生規(guī)定的隨時(shí)間變化的負(fù)載及相對(duì)角運(yùn)動(dòng)。該機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素是使其在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況，以使試件在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實(shí)際使用條件下相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)出試驗(yàn)機(jī)的總裝配圖。該試驗(yàn)機(jī)要求的最大試驗(yàn)載荷為1t，要求主軸轉(zhuǎn)速為60rpm。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(jī)的功率從而計(jì)算出最小軸徑。根據(jù)最小軸徑初選各個(gè)零件的尺寸。通過(guò)校核確認(rèn)其安全以確保試驗(yàn)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)固定在主軸軸端的偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，試件座安裝在擺軸上和擺軸一起饒中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dá)到試驗(yàn)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(guò)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(dòng)。這樣實(shí)現(xiàn)模擬人體髖關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，使其產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實(shí)際使用條件下相一致，以達(dá)到設(shè)計(jì)該試驗(yàn)機(jī)的初衷。 關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī) ;模擬試驗(yàn) ;人體髖關(guān)節(jié) ;摩擦機(jī)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄 1 緒論 1 1.1 機(jī)械智能 1 1.1.1 機(jī)械智能的應(yīng)用 1 1.1.2 本設(shè)計(jì)原理 1 1.2 模擬人體關(guān)節(jié)的發(fā)展史 1 1.3 試驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)實(shí)意義 2 2 方案 3 2.1髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析 3 2.1.1人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 3 2.1.2 髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性分析 4 2.1.3人工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 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(shè)計(jì)方案 8 2.6 機(jī)械傳動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)特性分析 10 2.7磨損量的測(cè)定及磨損率的計(jì)算 12 2.7.1磨損量的測(cè)定 12 2.7.2 臨床磨損率的計(jì)算 13 2.7.3磨損因數(shù)的計(jì)算 13 2.8溫控裝置的工作原理 15 3 設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程 16 3.1初選電機(jī)功率 16 3.2主傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 18 3.5 裝配圖及主要零件圖設(shè)計(jì) 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(qiáng)度 22 4.2.1畫受力簡(jiǎn)圖 22 4.2.2求作用在軸上的支反力 22 4.2.3校核軸的強(qiáng)度 23 4.3主動(dòng)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(jié)論 28 致 謝 29 參考文獻(xiàn) 30 32 1 緒論 1.1 機(jī)械智能 1.1.1 機(jī)械智能的應(yīng)用 機(jī)械智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。這里所說(shuō)的“智能化”是對(duì)機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)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(biāo)。各種人工智能工具和計(jì)算智能方法在制造中的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了制造智能的發(fā)展。一類基于生物進(jìn)化算法的計(jì)算智能工具，在包括調(diào)度問(wèn)題在內(nèi)的組合優(yōu)化求解技術(shù)領(lǐng)域中，受到越來(lái)越普遍的關(guān)注，有望在制造中完成組合優(yōu)化問(wèn)題時(shí)的求解速度和求解精度方面雙雙突破問(wèn)題規(guī)模的制約。制造智能還表現(xiàn)在：智能調(diào)度、智能設(shè)計(jì)、智能加工、機(jī)器人學(xué)、智能控制、智能工藝規(guī)劃、智能診斷等多方面。 1.1.2 本設(shè)計(jì)原理 本設(shè)計(jì)是根據(jù)人類行走時(shí)髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)機(jī)械。該機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素是使其在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況，以使試件在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實(shí)際使用條件下相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 1.2 模擬人體關(guān)節(jié)的發(fā)展史 隨著人類社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，人的生命價(jià)值被廣泛認(rèn)同。由疾病、事故和戰(zhàn)爭(zhēng)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(huì)都帶來(lái)極大的影響和沉重的負(fù)擔(dān)。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(wèn)題。目前骨科學(xué)主要通過(guò)兩種方法解決骨缺損的修復(fù)問(wèn)題，一是通過(guò)人身自身的生物機(jī)能進(jìn)行骨骼的再生或植入帶有骨生長(zhǎng)因子的小塊異種骨誘惑導(dǎo)骨生長(zhǎng)。這類方法效果較好，但時(shí)間長(zhǎng)，見(jiàn)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(guó)曼徹斯特人John Charnley首先報(bào)道全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)治療類風(fēng)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(dá)4000萬(wàn)～6000萬(wàn)人，僅全髖關(guān)節(jié)置換就達(dá)80萬(wàn)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(xiàng)常規(guī)外科手術(shù)。 隨著人類社會(huì)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(huì)大量發(fā)生，因此對(duì)人工關(guān)節(jié)的需求也會(huì)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(wàn)件，1997 年已迅速上升到 17.09 萬(wàn)件，其整形外科用植入物市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率為 7%~8%。我國(guó)人口眾多，且部分地區(qū)生活條件相對(duì)較差，關(guān)節(jié)疾病的發(fā)病率高于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，是世界上人工關(guān)節(jié)最大市場(chǎng)之一。據(jù)我國(guó)民政部門報(bào)告，目前僅肢體不自由患者就達(dá) 1500 萬(wàn)人，其中殘疾約 780 萬(wàn)人，全國(guó)骨缺損和骨損患者近 300 萬(wàn)人，且隨著我國(guó)社會(huì)老齡化的到來(lái)，這一數(shù)字還有上升的趨勢(shì)。因此，加強(qiáng)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(xiàng)十分迫切的任務(wù)。 1.3 試驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)實(shí)意義 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(shí)，需要多方面的科研人員不斷探索。其中，對(duì)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(dòng)的連接機(jī)構(gòu)，接觸界面間必然發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生摩擦、磨損和潤(rùn)滑等摩擦學(xué)問(wèn)題。近期的研究工作已證明人工x`關(guān)節(jié)磨損時(shí)產(chǎn)生的磨損顆粒與置換關(guān)節(jié)的無(wú)菌性松動(dòng)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(jī)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(jì)（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(dòng)摩擦學(xué)行為研究和關(guān)節(jié)材料磨損顆粒生成機(jī)理及有效識(shí)別等），對(duì)于提高人工關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量，延長(zhǎng)其臨床壽命和減輕患者痛苦具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 2 方案 自從第一例 Charnley 型低磨損人工髖關(guān)節(jié)運(yùn)用于臨床實(shí)際以來(lái)，人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)迅速發(fā)展。醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，關(guān)節(jié)材料性能及其生物摩擦學(xué)特性對(duì)于關(guān)節(jié)使用質(zhì)量及臨床壽命起著決定性的作用。因此，人們?cè)谶@方面開展了大量的研究工作。這為提高人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)的成功率、延長(zhǎng)置換關(guān)節(jié)的使用年限提供了強(qiáng)有力的理論支持和技術(shù)保障。從臨床醫(yī)學(xué)來(lái)看，人工關(guān)節(jié)作為一種植入器官，其制作材料一般應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求： ①、生物相容性好。要求人工關(guān)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(duì)人體的正常生理功能無(wú)不良影響，無(wú)毒，無(wú)排異反應(yīng)； ②、生物力學(xué)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(fù)載情況下，人工關(guān)節(jié)假體與其接觸的組織所發(fā)生的形變要彼此協(xié)調(diào)； ③、生物結(jié)合性能好。要求人工關(guān)節(jié)材料與周圍骨組織結(jié)合良好，使用過(guò)程中不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)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(xué)性能。要求材料的摩擦系數(shù)低，耐磨損能力強(qiáng)，磨損顆粒生成率低，以保證置換關(guān)節(jié)有較長(zhǎng)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(nèi)所發(fā)生的組織反應(yīng)不引起材料的劣化，反復(fù)承受交變應(yīng)力不會(huì)引起材料的破損。人們最早曾使用牙托粉、聚丙烯、有機(jī)玻璃等材料制作人工關(guān)節(jié)，但這些材料強(qiáng)度低，易折斷，生物相容性差，在臨床使用中難以保證置換關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量。其后改用不銹鋼（316L）。不銹鋼雖然強(qiáng)度、硬度較高，能滿足關(guān)節(jié)負(fù)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(shí)會(huì)出現(xiàn)腐蝕和斷裂，近年來(lái)隨著材料科學(xué)的發(fā)展、新型人工關(guān)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(fù)合材料來(lái)制作人工關(guān)節(jié)。 2.1髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析 2.1.1人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 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 2-1 給出人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 圖2-1 人體髖關(guān)節(jié) 解剖學(xué)表明，髖關(guān)節(jié)可以圍繞以股頭為中心的無(wú)數(shù)軸運(yùn)動(dòng)（臨床醫(yī)學(xué)為研究方便，規(guī)定了水平、垂直、前后 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸）。為了完成支持體重和負(fù)重條件下運(yùn)動(dòng)這兩個(gè)基本功能同時(shí)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(gè)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，形成拱形結(jié)構(gòu)，橫跨于前后兩柱之間，是髖臼的主要負(fù)重區(qū)，稱臼頂，又稱負(fù)重頂，約占髖臼的 2/5，由髂骨下部構(gòu)成，厚而堅(jiān)強(qiáng)。髖臼呈半球形深凹，直徑約為 3.5mm，與下肢股骨頭相關(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(xì)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(hù)髖關(guān)節(jié)免受沖擊。髖臼中央無(wú)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(qiáng)大的韌帶及豐厚的肌肉，使得該關(guān)節(jié)穩(wěn)定性較強(qiáng)。正常情況下髖關(guān)節(jié)的最大活動(dòng)度是在矢狀面上，屈曲幅度可達(dá) 0～140°，伸展 0～15°；在冠狀面上能外展 0～45°，內(nèi)收 0～30°；在橫截面上，當(dāng)髖關(guān)節(jié)屈曲時(shí)，能夠外旋 0～45°，內(nèi)旋 0～50°。 2.1.2 髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性分析 由于人體下肢運(yùn)動(dòng)的多樣性（走、跑、跳等），使得髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的復(fù)雜性。由上一節(jié)解剖學(xué)分析知，股骨頭根據(jù)運(yùn)動(dòng)需要，可在髖臼中圍繞其球心向任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，僅就人體運(yùn)動(dòng)的不確定性而言，髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡是不可能用常規(guī)數(shù)學(xué)方法表達(dá)的。考慮到關(guān)節(jié)置換病人的特殊性，此處僅討論人體正常行走時(shí)股骨頭在髖臼中的運(yùn)動(dòng)軌跡。R.C.Johnston、J.L.Smidt 等的研究結(jié)果表明，人體正常行走時(shí)，髖關(guān)節(jié)在一個(gè)步態(tài)中的主要運(yùn)動(dòng)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(shí)，關(guān)節(jié)彎曲度達(dá)到最大；腳尖離地前 0.1T 時(shí)關(guān)節(jié)拉伸度達(dá)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(yùn)動(dòng)曲線，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)髖關(guān)節(jié)摩擦面上隨機(jī)選取點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算，其結(jié)果如圖 2-3 所示?？梢钥闯觯@些點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡很不規(guī)則，大致上呈橢圓形，且軌跡形狀隨選取點(diǎn)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(duì)運(yùn)動(dòng)為交叉狀、多方向性復(fù)合滑動(dòng)摩擦。 圖2-2 人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)波形圖 圖2-3 選取點(diǎn)的滑動(dòng)軌跡圖 2.1.3人工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 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(dòng)時(shí)的大部分載荷。當(dāng)股骨上部發(fā)生創(chuàng)傷時(shí)，在臨床骨科醫(yī)學(xué)上，常常采用植入人工髖關(guān)節(jié)來(lái)代替原先破損的髖關(guān)節(jié)，以達(dá)到支撐點(diǎn)的目的。圖 2-4 示出了人工髖關(guān)節(jié)的實(shí)物照片。與天然髖關(guān)節(jié)相對(duì)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(yùn)動(dòng)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 人工髖關(guān)節(jié)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(shí)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(dá)到固定目的。非骨水泥固定技術(shù)是通過(guò)改進(jìn)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(zhǎng)入金屬外殼面從而達(dá)到生物學(xué)固定的目的。人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)后，承擔(dān)原人體髖關(guān)節(jié)的功能，其運(yùn)動(dòng)方式與人體自然髖關(guān)節(jié)基本一致。 2.2 方案的提出 2.2.1方案一： 關(guān)節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗(yàn)機(jī)主軸上。試驗(yàn)時(shí)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(dòng)，并通過(guò)花鍵軸帶動(dòng)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(qiáng)，可滿足試驗(yàn)時(shí)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(guò)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(zhuǎn)動(dòng)，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(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)兩種不同的運(yùn)動(dòng)形式： 2.2.1.1多向復(fù)合滑動(dòng)模式 支撐斜板在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，防轉(zhuǎn)桿受到試驗(yàn)機(jī)立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通過(guò)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(yàn)機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，一邊往復(fù)擺動(dòng)。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(dòng)運(yùn)動(dòng)。 圖2-5 試驗(yàn)機(jī)草圖 2.2.1.2旋轉(zhuǎn)方式 將防轉(zhuǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間作相互旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。臼杯座上裝有潤(rùn)滑劑罩筒，以容納潤(rùn)滑液。 2.3方案二 關(guān)節(jié)球頭由夾具固定與試驗(yàn)機(jī)主軸上，電機(jī)1帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪的形狀根據(jù)人髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算設(shè)計(jì)，電機(jī)2帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)大齒輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。大齒輪上方為一由兩個(gè)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(shí)中人髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡。試驗(yàn)機(jī)的最上端承受液壓裝置給予的沖擊載荷。見(jiàn)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(gè)電機(jī)，從節(jié)約資源的角度考慮不宜選擇。且齒輪剪切應(yīng)力較大，由于凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使大齒輪不斷的上下運(yùn)動(dòng)，而小齒輪則是靜止的，因此輪齒之間的摩擦較大，這樣試驗(yàn)機(jī)的壽命和安全系數(shù)就不會(huì)高。方案一由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，主動(dòng)軸帶動(dòng)楔塊轉(zhuǎn)動(dòng)，裝有人工髖關(guān)節(jié)的試件座則由擺軸固定在楔塊上，這樣的設(shè)計(jì)比較合理，避免了較大的摩擦，而且避免了大的計(jì)算量。 因此方案一比較合理，選方案一。 2.5 設(shè)計(jì)方案 人體關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)是一臺(tái)集機(jī)、電、液技術(shù)于一體的專用臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)各。該試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素是使其在試驗(yàn)室環(huán)境中能夠正確模擬人體髓關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)土況，以使試件在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實(shí)際使用條件卜相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測(cè)試人土關(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(yàn)數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)設(shè)各主要山機(jī)械傳動(dòng)部分、溫控系統(tǒng)及液壓加載系統(tǒng)組成。該試驗(yàn)機(jī)由四個(gè)相互獨(dú)立的試驗(yàn)單元組成，每個(gè)試驗(yàn)單元的結(jié)構(gòu)和土作原理都完全一致。為了真實(shí)模擬大然關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)土況，試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速小能過(guò)高，這樣一來(lái)勢(shì)必造成試驗(yàn)時(shí)間很長(zhǎng)，在多試樣重復(fù)試驗(yàn)時(shí)這一矛盾更為突出。木試驗(yàn)機(jī)在一個(gè)機(jī)架上同時(shí)裝配了四個(gè)試驗(yàn)單元，增加了試驗(yàn)土位，從而大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)也為作對(duì)比試驗(yàn)提供了便利。 關(guān)節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗(yàn)機(jī)主軸上。試驗(yàn)時(shí)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(dòng)，并通過(guò)花鍵軸帶動(dòng)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(qiáng)，可滿足試驗(yàn)時(shí)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(guò)組合軸承部件固定在支撐斜板上。支撐斜板在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，防轉(zhuǎn)桿受到試驗(yàn)機(jī)立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通過(guò)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(yàn)機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，一邊往復(fù)擺動(dòng)。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(dòng)運(yùn)動(dòng)； 圖2-7試驗(yàn)機(jī)草圖 2.6 機(jī)械傳動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)特性分析 多向復(fù)合滑動(dòng)方式：采用該方式試驗(yàn)時(shí)，偏心輪以恒角速度ω旋轉(zhuǎn)，臼杯座支承軸在其帶動(dòng)下圍繞主軸軸線作圓錐狀回轉(zhuǎn)，固定在支承軸上的防轉(zhuǎn)桿受機(jī)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(shí)試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖可以表示成圖 2-8 所示形式（為分析方便，防轉(zhuǎn)桿與機(jī)座的點(diǎn)接觸形成的Ⅰ級(jí)運(yùn)動(dòng)副用兩個(gè)Ⅳ運(yùn)動(dòng)副及一個(gè)Ⅴ運(yùn)動(dòng)副代替）： 圖2-8 試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)原理圖 由機(jī)械原理知，若某空間運(yùn)動(dòng)鏈由 N 個(gè)構(gòu)件組成，當(dāng)固定其中之一為機(jī)架后，所剩活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為 n=N－1，如果在組成運(yùn)動(dòng)鏈時(shí)共加入 P1個(gè) I 級(jí)副、P2個(gè)Ⅱ級(jí)副、P3個(gè)Ⅲ級(jí)副、P4個(gè)Ⅳ級(jí)副及 P5個(gè)Ⅴ級(jí)副，則空間運(yùn)動(dòng)鏈相對(duì)于機(jī)架的自由度為： F≤0 時(shí)運(yùn)動(dòng)鏈不可能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì) F＞0 的運(yùn)動(dòng)鏈，當(dāng)原動(dòng)件數(shù)小于機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的；原動(dòng)件數(shù)大于 F 時(shí)，機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)；只有當(dāng)原動(dòng)件數(shù)等于 F 時(shí)，構(gòu)件之間才能獲得確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。分析圖 2-7 可知，該空間運(yùn)動(dòng)鏈的構(gòu)件數(shù) N＝5，共包括 3 個(gè) V 級(jí)副和 2 個(gè)IV 級(jí)副，因此其自由度為： F＝6×（5－1）－5×3－4×2＝1 關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，只有一個(gè)原動(dòng)件，即偏心輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此可知，該空間機(jī)構(gòu)能夠獲得確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 盡管從理論上講，有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以用數(shù)學(xué)方程來(lái)唯一表達(dá)，然而，由于髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)所固有的復(fù)雜性，人們?cè)谘芯磕Σ帘砻娴倪\(yùn)動(dòng)特性時(shí)，往往采用模擬軌跡法或刻痕軌跡法，以達(dá)到簡(jiǎn)單、形象地描繪出運(yùn)動(dòng)軌跡的目的。 本試驗(yàn)機(jī)從結(jié)構(gòu)原理上看，應(yīng)屬于 BRM（Biaxial rocking motion）型全髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)。該類型試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行時(shí)主要依靠下試件相對(duì)于上試件作往復(fù)式圓弧狀擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)摩擦面間的交叉狀復(fù)合滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)行過(guò)程中，下試件摩擦表面上的任一點(diǎn)均相對(duì)于水平、垂直二軸作周期性擺動(dòng)。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(diǎn)的運(yùn)動(dòng)波形可以表達(dá)成圖 2-9 所示形式： 圖2-9試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)波形分析 以此運(yùn)動(dòng)波形為基礎(chǔ)，在摩擦面上隨機(jī)地挑選幾個(gè)點(diǎn)計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬結(jié)果如圖 2-10 所示?？梢钥闯觯S著所分析點(diǎn)在摩擦面上所處位置的不同，其運(yùn)動(dòng)軌跡相差很大。在球的端部出現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓周軌跡，該軌跡所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)恰為臼杯座支承軸軸線與關(guān)節(jié)副對(duì)摩表面的交點(diǎn)。因該點(diǎn)位于臼杯試件自轉(zhuǎn)軸線上，在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)因臼杯試件的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生水平方向的相對(duì)位移，因此其運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓。從該點(diǎn)依次向外，點(diǎn)的軌跡逐漸變成非對(duì)稱橢圓形，且隨著與球頂點(diǎn)距離的增大，運(yùn)動(dòng)軌跡越來(lái)越不規(guī)則，當(dāng)點(diǎn)到達(dá)試件邊緣時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡變?yōu)椤?”字型。V.Saikko 等為驗(yàn)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(gè)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(yàn)機(jī)，加載后運(yùn)行一個(gè)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 2-10、圖 2-11 可發(fā)現(xiàn)，兩種模擬結(jié)果的對(duì)應(yīng)性非常好。 圖2-10 BRM關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡模擬圖 在自行研制的髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)上，采用與 V.Saikko 類似的方法得關(guān)節(jié)摩擦面間的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)相同。 圖2-11關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)測(cè)圖 研究資料表明，為了準(zhǔn)確、逼真地再現(xiàn)人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性，模擬試驗(yàn)機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)要求：1、偶副對(duì)摩面在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)呈交叉狀、多方向性相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)；2、對(duì)摩面上任一點(diǎn)的滑動(dòng)軌跡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)持續(xù)改變。通過(guò)以上模擬結(jié)果可知，本試驗(yàn)機(jī)可以較好地實(shí)現(xiàn)這兩種功能。因此，從理論上分析，盡管本試驗(yàn)機(jī)所提供的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)理與天然關(guān)節(jié)一致。 2.7磨損量的測(cè)定及磨損率的計(jì)算 2.7.1磨損量的測(cè)定 磨損量常用的測(cè)量方法有稱重法、測(cè)長(zhǎng)法、表面輪廓法以及光譜法、鐵譜法等。在本試驗(yàn)中，考慮到試驗(yàn)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)以及本著方便、快捷的原則，采用稱重法測(cè)量試樣的磨損質(zhì)量損失。在測(cè)試高分子材料的磨損量時(shí)，材料的吸水特性對(duì)磨損量的測(cè)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(shí)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 45.9088g 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(dá)到 0.6mg。如此大的重量變化對(duì)于磨損量的測(cè)量極為不利。可以想象，在關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)時(shí)，由于潤(rùn)滑介質(zhì)的存在這種影響還將大大加劇。試驗(yàn)過(guò)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(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量，甚至將真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)覆蓋。為保證磨損量的測(cè)試精度，把材料吸水性引起的測(cè)量誤差減至最小，在試驗(yàn)中采取了“參考試件法”。取一與被測(cè)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(yàn)偶副相同的試驗(yàn)環(huán)境中（相同溫度、相同潤(rùn)滑液浸泡）。試驗(yàn)后取下被測(cè)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(cè)量試件重量變化。設(shè)參考試件試驗(yàn)前重量為 Wc1，試驗(yàn)后為 Wc2，則由試驗(yàn)環(huán)境導(dǎo)致的材料單位重量的改變量為： 式（2-1） 被測(cè)試件與參考試件材料、形狀相同，因此可認(rèn)為二者受試驗(yàn)環(huán)境影響造成的單位重量改變量一致，如被測(cè)試件試驗(yàn)前重量為 Ws1，則其由試驗(yàn)環(huán)境導(dǎo)致的重量改變量為： 式（2-2） 在最終計(jì)算被測(cè)試件的磨損量時(shí)，減去Δ2 即可消除試驗(yàn)環(huán)境改變對(duì)試件重量的影響。采用這種處理方式后，可確保試件稱量時(shí)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(nèi)。 2.7.2 臨床磨損率的計(jì)算 臨床磨損率（Penetration rate）表示了股骨頭每年對(duì)人工髖臼所造成磨損程度的大小，對(duì)于衡量人工關(guān)節(jié)副的長(zhǎng)期療效具有重要意義。臨床磨損率一般通過(guò) X 射線法或臨床解剖測(cè)得。J.R.Atkinson、D.Dowson 等人通過(guò)長(zhǎng)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(guò)下式將關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)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）； ρ：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(yàn)室中進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行 106cycle 相當(dāng)于關(guān)節(jié)假體在體內(nèi)環(huán)境中運(yùn)行一年。據(jù)此可將試驗(yàn)結(jié)果換算為臨床磨損率。 2.7.3磨損因數(shù)的計(jì)算 磨損因數(shù)（Wear factor）表示了材料在單位載荷（N）、單位滑動(dòng)距離（m）時(shí)的磨損質(zhì)量損失，在比較不同材料的耐磨性時(shí)有重要應(yīng)用。一般情況下在試驗(yàn)室中進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)， 磨損因數(shù)可由下式計(jì)算： 式（2-4） 式中：k：磨損因數(shù)（mm3N-1m-1）； W：試驗(yàn)材料的磨損量（mg）； ρ：試驗(yàn)材料的密度（g/cm3）； L：試驗(yàn)載荷（N）； X：相對(duì)滑動(dòng)距離（m）。 用銷－盤式、環(huán)－塊式等標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可利用 2-4 式直接計(jì)算磨損因數(shù)。但關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)由于其固有的特殊接觸方式（凸球面－凹球面）和運(yùn)動(dòng)類型（多方向性復(fù)合滑動(dòng)摩擦），計(jì)算時(shí)要相對(duì)困難一些，必須對(duì) 2-4 式進(jìn)行適當(dāng)?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(guò)程中載荷與滑動(dòng)距離乘積的積分，其物理意義在于表明外部條件對(duì)置換關(guān)節(jié)磨損的影響程度?！襆dx 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(dòng)距離及假體球頭半徑有關(guān)。對(duì) 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(yàn)時(shí)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(guān)節(jié)在體內(nèi)環(huán)境溫度下的摩擦磨損特性，試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)整體上采用封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部裝有加熱器。試驗(yàn)開始時(shí)，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(yàn)機(jī)內(nèi)的環(huán)境溫度上升。測(cè)溫元件（熱電偶）將機(jī)內(nèi)環(huán)境溫度反饋給溫控器。當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，溫控器控制交流接觸器斷開，加熱器失電。此時(shí)處于保溫狀態(tài)。當(dāng)機(jī)內(nèi)環(huán)境溫度低于設(shè)定數(shù)值時(shí)，溫控器使得交流接觸器再次閉合，加熱器得電開始工作。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，利用該套溫控裝置可使得試驗(yàn)溫度保持在 37±1℃。 3 設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程 3.1初選電機(jī)功率 選擇關(guān)節(jié)球頭的直徑為50mm，已知最大試驗(yàn)載荷為1t，主軸轉(zhuǎn)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(jī)械手冊(cè)知，初擬使用Y系列4極電動(dòng)機(jī) 選用Y801—4，P=0.55KW, n=1390轉(zhuǎn) M=17kg 3.2主傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 3.2.1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(jī)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(zhuǎn)強(qiáng)度初步計(jì)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(gè)平鍵，開有鍵槽應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 因軸中間安裝軸承，外伸端安裝聯(lián)軸器，故軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)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(dòng)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(zhǎng)度，確定軸段E的直徑和長(zhǎng)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(zhǎng)度初步確定=40mm。 3.2.3.1初步選擇滾動(dòng)軸承 確定C段直徑和長(zhǎng)度。因軸承同時(shí)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(zhǎng)度 因左端軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)上查得7207的定位軸肩高度，因此=43mm，初步確定B端長(zhǎng)度為30mm。 3.2.3.3確定軸段D處直徑和長(zhǎng)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(zhǎng)度為5mm的退刀槽。 3.2.3.4確定軸段A處直徑和長(zhǎng)度 A段和偏心輪配合，需靠軸肩進(jìn)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(zhǎng)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(cè)查得平鍵截面b=87，長(zhǎng)為28mm，軸槽深t=4mm,轂槽深為3.3mm.同時(shí)為保證軸上各零件的良好的對(duì)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(dòng)軸承與軸的周向定位是借過(guò)渡配合來(lái)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(diào)質(zhì)處理,其機(jī)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(yīng)力初步計(jì)算軸的最小直徑. 查手冊(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)盈配合。 3.3.2.1 擺軸軸承 由圖3-2可知擺軸的結(jié)構(gòu)和主傳動(dòng)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(zhǎng)度為39mm。 3.3.2.1確定軸段直徑和長(zhǎng)度 因左端軸承采用軸肩進(jìn)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(zhǎng)度為10mm。 3.3.2.2確定軸段直徑和長(zhǎng)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(zhǎng)度為5mm的退刀槽。 ④初選A段直徑為30mm，長(zhǎng)度為15mm。 至此已初步確定擺軸各段長(zhǎng)度和直徑。 3.4液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) （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(jì)算 缸內(nèi)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(cè)知p=2.3Mpa 所以D=3.57=74.4mm 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(hào)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50mm 3.5 裝配圖及主要零件圖設(shè)計(jì) 3.5.1 裝配圖草圖 圖3-2 試驗(yàn)機(jī)草圖 3.5.2零件圖 圖3-3 擺軸 圖3-4 主傳動(dòng)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(jié)構(gòu)畫出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在確定軸承的支點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)從手冊(cè)中查取a值。對(duì)于7207型圓錐滾子軸承，由手冊(cè)中查的a=13.5mm，因此作為簡(jiǎn)支梁的軸的支承跨距為89.5mm。根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖、扭矩圖和計(jì)算彎矩圖。 力簡(jiǎn)圖如下： 圖4-1 軸的受力簡(jiǎn)圖 4.2校核軸的強(qiáng)度 4.2.1畫受力簡(jiǎn)圖 畫軸空間受力簡(jiǎn)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(duì)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(dāng)作集中力作用于軸上零件的寬度中點(diǎn)。對(duì)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(qiáng)度 從應(yīng)力集中對(duì)軸的影響來(lái)看，截面B處引起的應(yīng)力集中最重要；從受載情況來(lái)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 ,[s]取1.5 ; 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(dá)到強(qiáng)度要求。 4.3主動(dòng)軸上軸承的校核 根據(jù)工況，初選7207。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得 e=0.37 Y=1.6 , 畫軸承受力簡(jiǎn)圖計(jì)算 ① 計(jì)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(jì)算軸承所受的軸向負(fù)荷 因?yàn)? 所以 ③ 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷 ④ 軸承壽命的計(jì)算 因 故按軸承2計(jì)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(jié)構(gòu)畫出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在確定軸承的支點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)從手冊(cè)中查取a值。對(duì)于7107型圓錐滾子軸承，由手冊(cè)中查的a=13.5mm，因此作為簡(jiǎn)支梁的軸的支承跨距為50.5mm。根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖、扭矩圖和計(jì)算彎矩圖。 圖4-2 軸彎矩圖、扭矩圖和計(jì)算彎矩圖 （2）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 ①畫受力簡(jiǎn)圖 畫軸空間受力簡(jiǎn)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(duì)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(dāng)作集中力作用于軸上零件的寬度中點(diǎn)。對(duì)于支反力的位置，隨軸承類型和布置方式的不同而異。 ②計(jì)算軸上支反力 已知 ③校核軸的強(qiáng)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。 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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得 X=0.4 Y=2 畫軸承受力簡(jiǎn)圖計(jì)算 ①計(jì)算派生軸向力 查表的7107型軸承的派生力為：S=R/（2Y） ②計(jì)算軸承所受的軸向負(fù)載 因?yàn)? 所以軸承2被壓緊，軸承1被放松 因此 ③計(jì)算當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷 軸承1 4=37214N ⑤ 軸承壽命的計(jì)算 因 故按軸承2計(jì)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(jì)的人工關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況，以使試件在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實(shí)際使用條件下相一致，從而可以準(zhǔn)確可靠地測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù).本次設(shè)計(jì)中的液壓系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)部分均已經(jīng)在裝配圖中標(biāo)出，溫控裝置是模擬在一個(gè)恒溫的密封容器內(nèi)進(jìn)行的，模仿的是人體恒溫的原理，在裝配圖中未進(jìn)行標(biāo)出。 致 謝 本文是在指導(dǎo)老師黃傳輝博士的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題、開展、定稿到最后的結(jié)果，指導(dǎo)老師都付出了相當(dāng)?shù)木托难?，并給予了很大的支持和幫助。在學(xué)習(xí)期間，作者不僅感受到了導(dǎo)師極好的人格魅力，也不斷地為他的學(xué)識(shí)、工作風(fēng)格、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)精神所折服。在此向指導(dǎo)老師致以深深的謝意。 老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)以及勤奮的工作作風(fēng)將使本人以后的人生受益匪淺。正是由于老師在這一學(xué)期內(nèi)對(duì)本人細(xì)心、耐心的指導(dǎo)，并對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量嚴(yán)格要求，使本人能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，在本文完成之際，謹(jǐn)在此向我所敬愛(ài)的老師們致以深深的謝意！同時(shí)04機(jī)本2班的同學(xué)們?cè)谠O(shè)計(jì)期間也給予我無(wú)私的幫助。在此我衷心的感謝：感謝我敬愛(ài)的老師們，感謝04機(jī)本2班的同學(xué)們！ 最后，對(duì)在百忙之中抽出時(shí)間關(guān)心我設(shè)計(jì)的機(jī)電學(xué)院黃傳輝博士的指導(dǎo)和幫助。機(jī)電系教研室李志老師也對(duì)課題的展開和工作給予了很大的關(guān)心和支持。在此作者向以上諸位老師和所有關(guān)心幫助過(guò)我的老師和同學(xué)一并致以誠(chéng)摯的謝意。 參考文獻(xiàn) [1]. 葛世榮, 熊黨生, 王紀(jì)湘. 人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)問(wèn)題及其研究