1、图书分类号：密 级：全套图纸，加 153893706毕 业 设 计 (论 文 )人工髋关节模拟试验机机械传动部分的研制(上置式)A HIP JIONT TO SIMULATE TESTING MACHINES DEVELOPMENT(ON SETS AT THE TYPE)学 生 姓 名学 院 名 称 机 电 工 程 学 院专 业 名 称 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化指 导 教 师2008 年 6 月 2 日徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计I徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用
2、或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印
3、、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计II摘要本课题是对人体髋关节模拟试验机机械传动部分的研制。试验机的工作原理是将股骨头和髋臼部件试样按照其正常位置安装于试验台上，通过试验装置使两者之间产生规定的随时间变化的负载及相对角运动。该机械设计时考虑的主要因素是使其在实验室环境中能够正确模拟人体髋关节的实际运动工况，以使试件在试验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一致，从而可以准确、可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数，为临床应用提供指导性试验数据。根据以上要求设计出试验
4、机的总装配图。该试验机要求的最大试验载荷为 1t，要求主轴转速为 60rpm。假设作用在股骨头头部的载荷为 1t，则可以算出最大阻力。选则直径为 50mm 的股骨头，求出最大扭矩，由此确定电机的功率从而计算出最小轴径。根据最小轴径初选各个零件的尺寸。通过校核确认其安全以确保试验机正常运转。电机运转时通过联轴器带动主轴旋转，从而带动固定在主轴轴端的偏心轮转动，试件座安装在摆轴上和摆轴一起饶中心轴线转动。使得由关节球支架固定在试件座上的关节球头和髋臼试件之间产生摩擦，从而达到试验的目的。其中髋臼试件由骨水泥固定在髋臼座上，冲击载荷由液压缸提供作用于自定心轴上，通过髋臼支架最终作用在关节球头上，加上
5、关节球头随试件座绕中心线转动。这样实现模拟人体髋关节的实际运动，使其产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一致，以达到设计该试验机的初衷。关键词：关节试验机 ;模拟试验 ;人体髋关节 ;摩擦机理徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计IIIAbstractA 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
6、 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 f
7、riction 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 practic
8、e. 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 leaders department load is 1t, then may figure out the
9、 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
10、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 pe
11、ndulum 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 pl
12、ace, 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 p
13、roper 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徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计I目 录1 绪
14、论 .11.1 机械智能 .11.1.1 机械智能的应用 .11.1.2 本设计原理 .11.2 模拟人体关节的发展史 .11.3 试验机的现实意义 .22 方案 .32.1 髋关节结构及运动分析 32.1.1 人体髋关节结构 32.1.2 髋关节运动特性分析 .42.1.3 人工髋关节结构 52.2 方案的提出 .62.2.1 方案一： 62.3 方案二 72.4 方案的选择： .82.5 设计方案 .82.6 机械传动部分的运动特性分析 .102.7 磨损量的测定及磨损率的计算 122.7.1 磨损量的测定 122.7.2 临床磨损率的计算 .132.7.3 磨损因数的计算 132.8 温
15、控装置的工作原理 153 设计计算过程 .163.1 初选电机功率 163.2 主传动轴的设计 163.2.1 选择轴的材料 163.2.2 初步确定轴的最小直径 163.2.3 轴的结构设计 163.2.4 轴上零件的周向定位 173.2.5 确定轴上倒角 173.3.2 初步确定轴的最小直径 183.4 液压缸的结构尺寸设计 183.5 装配图及主要零件图设计 .19徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计II3.5.1 装配图草图 .193.5.2 零件图草图 204 零件校核 .214.1 求轴上载荷 224.2 校核轴的强度 224.2.1 画受力简图 224.2.2 求作用在轴上的支
16、反力 224.2.3 校核轴的强度 234.3 主动轴上轴承的校核 244.4 摆轴的校核 254.5 摆轴上轴承的校核 26结论 .28致 谢 .29参考文献 .30附录（专业英语翻译） .32徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计11 绪论1.1 机械智能1.1.1 机械智能的应用机械智能化是 21 世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。各种人工智能工具和计
17、算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。1.1.2 本设计原理本设计是根据人类行走时髋关节的运动特点，结合人工关节结构特征研制一种能正确模拟髋关节运动的实验机械。该机械设计时考虑的主要因素是使其在实验室环境中能够正确模拟人体髋关节的实际运动工况，以使试件在实验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一
18、致，从而可以准确、可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数,为临床应用提供指导性实验数据1.2 模拟人体关节的发展史随着人类社会的发展与进步，人的生命价值被广泛认同。由疾病、事故和战争等原因导致大量人体骨骼病变和损伤，使得许多人成为残疾而失去基本生活能力，给病人的家庭及社会都带来极大的影响和沉重的负担。为减轻病人的痛苦，提高他们的生活质量，医学界一直致力于解决人体骨骼的材料、成型、植入和再生性的问题。目前骨科学主要通过两种方法解决骨缺损的修复问题，一是通过人身自身的生物机能进行骨骼的再生或植入带有骨生长因子的小块异种骨诱惑导骨生长。这类方法效果较好，但时间长，见效慢，只适合于小块骨缺损的修复
19、。另一种方法是用人造生物材料（金属、塑料、陶瓷）制成替代骨植入人体，以解决大块缺损骨骼的修复。1963 年英国曼彻斯特人 John Charnley 首先报道全髋关节置换手术治疗类风湿性髋关节骨性关节炎。他利用不锈钢制作 22.25mm 直径的股骨头，以聚四氟乙烯（PTFE）制作髋臼，聚甲基丙稀酸甲酯（骨水泥）固定，形成 Charnley 型低摩擦全髋关节假体，奠定了现代人工关节置换术的基础。自此以后，人工关节置换技术发展迅速，日益成为治疗关节伤痛，重建关节功能的重要手段。目前，全世界每年因各种疾病需要更换关节的人数高达 4000 万6000 万人，仅全徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计2
20、髋关节置换就达 80 万例。其中在关节炎晚期治疗、外伤致残和骨瘤切除手术中，人工关节置换术已成为一项常规外科手术。随着人类社会步入高龄化阶段，各种与高龄有关的关节疾病，如大腿骨骨折、关节炎等病症，将会大量发生，因此对人工关节的需求也会日益增加。以日本为例，1993 年人工关节的需求量为 10.879 万件，1997 年已迅速上升到 17.09 万件，其整形外科用植入物市场的年增长率为 7%8%。我国人口众多，且部分地区生活条件相对较差，关节疾病的发病率高于经济发达国家，是世界上人工关节最大市场之一。据我国民政部门报告，目前仅肢体不自由患者就达 1500 万人，其中残疾约 780 万人，全国骨缺
21、损和骨损患者近 300 万人，且随着我国社会老龄化的到来，这一数字还有上升的趋势。因此，加强研制人工关节置换技术，提高置换关节的使用寿命，是一项十分迫切的任务。1.3 试验机的现实意义人工关节是模拟人体关节制成的植入性假体，以代替病变或损伤的关节并恢复其功能。人工关节的研制、开发是一门跨领域的交叉学科，涉及到材料学、力学、生物学、成型技术和医疗等多门学科的知识，需要多方面的科研人员不断探索。其中，对人工关节生物摩擦学特性的研究由于直接关系到置换关节的使用质量和临床寿命而备受人瞩目。人体关节属于身体活动的连接机构，接触界面间必然发生相对滑动，因此会产生摩擦、磨损和润滑等摩擦学问题。近期的研究工作
22、已证明人工 x关节磨损时产生的磨损颗粒与置换关节的无菌性松动有直接关系。因此，积极开展人工关节生物摩擦学特性方面的研究，掌握置换关节材料在生物机体环境内的摩擦磨损行为规律，在人工关节的开发中引入摩擦学设计（包括基于生物力学的关节配副载荷最小化研究、假体固定的微动摩擦学行为研究和关节材料磨损颗粒生成机理及有效识别等） ，对于提高人工关节的使用质量，延长其临床寿命和减轻患者痛苦具有重要的现实意义。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计32 方案自从第一例 Charnley 型低磨损人工髋关节运用于临床实际以来，人工关节置换技术迅速发展。医学实践表明，关节材料性能及其生物摩擦学特性对于关节使用质量及
23、临床寿命起着决定性的作用。因此，人们在这方面开展了大量的研究工作。这为提高人工关节置换手术的成功率、延长置换关节的使用年限提供了强有力的理论支持和技术保障。从临床医学来看，人工关节作为一种植入器官，其制作材料一般应满足以下几点要求：、生物相容性好。要求人工关节材料和人体组织接触后，在材料组织界面发生一系列相互作用后最终被人体组织所接受，且材料对人体的正常生理功能无不良影响，无毒，无排异反应；、生物力学相容性好。植入材料和所处部位的生物组织弹性形变特性要相匹配，在负载情况下，人工关节假体与其接触的组织所发生的形变要彼此协调；、生物结合性能好。要求人工关节材料与周围骨组织结合良好，使用过程中不发生
24、相对移动和下沉；、材料要具有一定的可降解性，可以逐渐被人体再生骨组织所替代；、优良的生物摩擦学性能。要求材料的摩擦系数低，耐磨损能力强，磨损颗粒生成率低，以保证置换关节有较长的临床寿命；、良好的耐腐蚀、耐疲劳性能。要求植入假体在体内所发生的组织反应不引起材料的劣化，反复承受交变应力不会引起材料的破损。人们最早曾使用牙托粉、聚丙烯、有机玻璃等材料制作人工关节，但这些材料强度低，易折断，生物相容性差，在临床使用中难以保证置换关节的使用质量。其后改用不锈钢（316L） 。不锈钢虽然强度、硬度较高，能满足关节负重的要求，但其比重大，约为人体骨骼比重的 2 倍，且受体液作用时会出现腐蚀和断裂，近年来随着
25、材料科学的发展、新型人工关节材料的出现已较少采用。目前在临床中主要采用钛合金、生物陶瓷及各种复合材料来制作人工关节。2.1 髋关节结构及运动分析2.1.1 人体髋关节结构髋关节位于人体中部，是人体中最重要的关节之一。图 2-1 给出人体髋关节的结构简图。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计4图 2-1 人体髋关节解剖学表明，髋关节可以围绕以股头为中心的无数轴运动（临床医学为研究方便，规定了水平、垂直、前后 3 个运动轴） 。为了完成支持体重和负重条件下运动这两个基本功能同时又具备必要的稳定性，结构上呈杵臼关节。髋臼及其临近结构可划分为前柱、后柱两个部分：前柱（即髂耻柱）由髂嵴前上方斜向前内下
26、方，经耻骨支止于耻骨联合，分髂骨部、髋臼部、耻骨部三段。后柱（即髂坐柱）由坐骨大切迹经髋臼中心至坐骨结节，包括坐骨的垂直部分及坐骨上方的髂骨。后柱内侧面由坐骨体内侧的四边形区域构成，称四方区。髋臼前、后两柱呈 60相交，形成拱形结构，横跨于前后两柱之间，是髋臼的主要负重区，称臼顶，又称负重顶，约占髋臼的 2/5，由髂骨下部构成，厚而坚强。髋臼呈半球形深凹，直径约为 3.5mm，与下肢股骨头相关节。髋臼边缘的关节盂唇可使髋臼加深加宽，并使臼口变小，使髋臼包容股骨头的一半以上。在髋臼表面上有一层约厚 2mm 的透明软骨，呈半月形分布于髋臼的前、后、上壁。软骨的组成中固态物质占 20%40%，其余为
27、水。固态物质中胶原纤维约占 60%，蛋白多糖占 40%，软骨细胞占 2%。关节软骨的这种多相结构使得它在载荷之下呈现粘弹性响应，在外界力作用下发生蠕变和应力松驰，从而保护髋关节免受冲击。髋臼中央无关节软骨覆盖的臼窝由哈佛森腺充填，它可随关节内压力的培养而被挤出或吸入，从而维持关节内压力的平衡。髋关节周围包围着强大的韧带及丰厚的肌肉，使得该关节稳定性较强。正常情况下髋关节的最大活动度是在矢状面上，屈曲幅度可达 0140，伸展 015；在冠状面上能外展 045，内收 030 ；在横截面上，当髋关节屈曲时，能够外旋 045，内旋 050。2.1.2 髋关节运动特性分析徐 州 工 程 学 院 毕 业
28、设 计5由于人体下肢运动的多样性（走、跑、跳等） ，使得髋关节的运动呈现出很强的复杂性。由上一节解剖学分析知，股骨头根据运动需要，可在髋臼中围绕其球心向任何方向转动。因此，仅就人体运动的不确定性而言，髋关节的运动轨迹是不可能用常规数学方法表达的。考虑到关节置换病人的特殊性，此处仅讨论人体正常行走时股骨头在髋臼中的运动轨迹。R.C.Johnston、J.L.Smidt 等的研究结果表明，人体正常行走时，髋关节在一个步态中的主要运动角度变化如图 2-2 所示。 FE 角（Flexion-extension）的变化幅度为 0 46，AA 角（Abduction-adduction）和 IER 角（I
29、nternal-external rotation）的变化幅度同为 012。FE 角和 AA 角的相位相差 /2。在足跟离地前 0.1T 时，关节弯曲度达到最大；脚尖离地前 0.1T 时关节拉伸度达到最（T 为步态周期，单位：秒） 。V.Saikko、O.Cabonius 等根据图 2-2 所示运动曲线，利用计算机模拟技术对髋关节摩擦面上随机选取点的运动轨迹进行了相应计算，其结果如图 2-3 所示。可以看出，这些点的运动轨迹很不规则，大致上呈椭圆形，且轨迹形状随选取点在球体上位置的不同而有所变化。这一结果表明，天然髋关节间的相对运动为交叉状、多方向性复合滑动摩擦。图 2-2 人体步态运动波形图
30、 图 2-3 选取点的滑动轨迹图2.1.3 人工髋关节结构股骨上部大转子与髋骨相支承，承受了人体的大部分重量及人体活动时的大部分载荷。当股骨上部发生创伤时，在临床骨科医学上，常常采用植入人工髋关节来代替原先破损的髋关节，以达到支撑点的目的。图 2-4 示出了人工髋关节的实物照片。与天然髋关节相对应，人工关节也分为股骨球头和关节臼窝。为完成人体必需的运动及加工工艺的需要，人工关节联接部分做成凸球凹球形式。临床上常用球头半径为 22.25mm、25mm、26mm、28mm、32mm、38mm、42mm 等。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计6图 2-4 人工髋关节照片人工关节在体内的固定方式分
31、为两种：骨水泥固定和非骨水泥固定。骨水泥固定时利用甲基丙烯酸甲酯(骨水泥)将人工假体与自然骨粘结固化后达到固定目的。非骨水泥固定技术是通过改进假体外形尺寸使之紧密嵌入髓腔或在假体外壳表面上制造出多孔结构，以使宿主骨能够长入金属外壳面从而达到生物学固定的目的。人工关节植入体内后，承担原人体髋关节的功能，其运动方式与人体自然髋关节基本一致。2.2 方案的提出2.2.1 方案一：关节头试件由夹具夹持固定于试验机主轴上。试验时载荷的施加由加载油缸完成。向加载油缸的上腔输入压力油，活塞杆将向下移动，并通过花键轴带动关节头试件压向臼杯试件。利用液压系统调节液压油的压强，可满足试验时不同载荷要求。臼杯座中可
32、安装不同规格（20mm50mm）的髋臼试件，并通过组合轴承部件固定在支撑斜板上。装配有臼杯座的轴即可以围绕其轴线自由转动，也可利用固定销将其与支撑斜板联接为一体。根据固定销的插入和拔出，关节模拟试验机可实现两种不同的运动形式：2.2.1.1 多向复合滑动模式 支撑斜板在电机驱动下作匀速旋转运动，防转杆受到试验机立柱的阻挡产生反方向阻力，通过轴承固定于支撑斜板上的臼杯座在合力作用下一边绕试验机主轴旋转，一边往复摆动。安装在臼杯座中的髋臼试件与关节头试件间呈现交叉状、多方向复合滑动运动。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计7图 2-5人 工 试 验 机 草 图 1图 2-5 试验机草图2.2.1
33、.2 旋转方式将防转杆拆下，装上螺栓支架，利用支架上的固定销将臼杯座与支撑斜板固定在一起，支撑斜板在电机驱动下旋转时，安装在臼杯座中的髋臼试件与关节头试件间作相互旋转运动。臼杯座上装有润滑剂罩筒，以容纳润滑液。2.3 方案二关节球头由夹具固定与试验机主轴上，电机 1 带动凸轮转动，凸轮的形状根据人髋关节运动轨迹计算设计，电机 2 带动小齿轮转动，从而实现大齿轮的回转运动。大齿轮上方为一由两个部分边重合的椭圆形轨道，这样可以比较直观的模拟现实中人髋关节的运动轨迹。试验机的最上端承受液压装置给予的冲击载荷。见图 2-6 所示。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计8人 工 髋 关 节承 受 液 压
34、 载 荷滚 球 轨 道滚 球大 齿 轮小 齿 轮电 机 1凸 轮电 机 2图 2-6 方案二2.4 方案的选择：由于方案二需要两个电机，从节约资源的角度考虑不宜选择。且齿轮剪切应力较大，由于凸轮的转动使大齿轮不断的上下运动，而小齿轮则是静止的，因此轮齿之间的摩擦较大，这样试验机的寿命和安全系数就不会高。方案一由一个电机带动，主动轴带动楔块转动，装有人工髋关节的试件座则由摆轴固定在楔块上，这样的设计比较合理，避免了较大的摩擦，而且避免了大的计算量。因此方案一比较合理，选方案一。 2.5 设计方案人体关节模拟试验机是一台集机、电、液技术于一体的专用台架试验设各。该试验机设计时考虑的主要因素是使其在
35、试验室环境中能够正确模拟人体髓关节的实际运动土况，以使试件在试验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件卜相一致，从而可以准确、可靠地测试人土关节材料的生物摩擦学特性参数，为临床应用提供指导性试验数据。该试验设各主要山机械传动部分、温控系统及液压加载系统组成。该试验机由四个相互独立的试验单元组成，每个试验单元的结构和土作原理都完全一致。为了真实模拟大然关节的运动土况，试验时转速小能过高，这样一来势必造成试验时间很长，在多试样重复试验时这一矛盾更为突出。木试验机在一个机架上同时装配了四个试验单元，徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计9增加了试验土位，从而大大缩短了试验时间，同时也为作对比试
36、验提供了便利。关节头试件由夹具夹持固定于试验机主轴上。试验时载荷的施加由加载油缸完成。向加载油缸的上腔输入压力油，活塞杆将向下移动，并通过花键轴带动关节头试件压向臼杯试件。利用液压系统调节液压油的压强，可满足试验时不同载荷要求。臼杯座中可安装不同规格（20mm50mm）的髋臼试件，并通过组合轴承部件固定在支撑斜板上。支撑斜板在电机驱动下作匀速旋转运动，防转杆受到试验机立柱的阻挡产生反方向阻力，通过轴承固定于支撑斜板上的臼杯座在合力作用下一边绕试验机主轴旋转，一边往复摆动。安装在臼杯座中的髋臼试件与关节头试件间呈现交叉状、多方向复合滑动运动；图 2-7 试验机草图徐 州 工 程 学 院 毕 业
37、设 计102.6 机械传动部分的运动特性分析多向复合滑动方式：采用该方式试验时，偏心轮以恒角速度 旋转，臼杯座支承轴在其带动下围绕主轴轴线作圆锥状回转，固定在支承轴上的防转杆受机座限制产生反向阻力，在该力作用下支承 轴除绕主轴轴线回转外还要自转，此时试验机的运动简图可以表示成图 2-8 所示形式（为分析方便，防转杆与机座的点接触形成的级运动副用两个运动副及一个运动副代替）：图 2-8 试验机运动原理图由机械原理知，若某空间运动链由 N 个构件组成，当固定其中之一为机架后，所剩活动构件数为 n=N1，如果在组成运动链时共加入 P1 个 I 级副、P2 个级副、P3 个级副、P4 个级副及 P5
38、个级副，则空间运动链相对于机架的自由度为：F0 时运动链不可能产生相对运动。对 F0 的运动链，当原动件数小于机构自由度时，构件间的相对运动是无规则的；原动件数大于 F 时，机构不能运动；只有当原动件数等于 F 时，构件之间才能获得确定的相对运动。分析图 2-7 可知，该空间运动链的构件数 N5，共包括 3 个 V 级副和 2 个 IV 级副，因此其自由度为：F6（51）53421关节模拟试验机运转时，只有一个原动件，即偏心轮的旋转运动，因此可知，该空间机构能够获得确定的相对运动。尽管从理论上讲，有确定相对运动的运动轨迹可以用数学方程来唯一表达，然而，由于髋关节运动时所固有的复杂性，人们在研究
39、摩擦表面的运动特性时，往往采用模拟轨迹法或刻痕轨迹法，以达到简单、形象地描绘出运动轨迹的目的。本试验机从结构原理上看，应属于 BRM（Biaxial rocking motion）型全髋关节模拟试验机。该类型试验机运行时主要依靠下试件相对于上试件作往复式圆弧状摆动以实现摩擦面间的交叉状复合滑动运动。在运行过程中，下试件摩擦表面上的任一点均相对于水平、垂直二轴作周期性摆动。若以与其中一轴的夹角为 FE，与另一轴的夹角为 AA，徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计11则摩擦面上任一点的运动波形可以表达成图 2-9 所示形式：图 2-9 试验机的运动波形分析以此运动波形为基础，在摩擦面上随机地挑选
40、几个点计算其运动轨迹，模拟结果如图 2-10 所示。可以看出，随着所分析点在摩擦面上所处位置的不同，其运动轨迹相差很大。在球的端部出现一个标准圆周轨迹，该轨迹所对应的点恰为臼杯座支承轴轴线与关节副对摩表面的交点。因该点位于臼杯试件自转轴线上，在试验过程中不会因臼杯试件的自转产生水平方向的相对位移，因此其运动轨迹为一个标准圆。从该点依次向外，点的轨迹逐渐变成非对称椭圆形，且随着与球顶点距离的增大，运动轨迹越来越不规则，当点到达试件边缘时，其运动轨迹变为“8”字型。V.Saikko 等为验证该模拟结果的正确性，在髋臼试件的不同位置嵌入 17 个硬质针头，并将此试件与关节头试件一同装入 BRM 型试
41、验机，加载后运行一个周期。在显微镜下观察关节头试件的表面划痕并用墨水描出轨迹。如图 2-10 所示。比较图 2-10、图 2-11 可发现，两种模拟结果的对应性非常好。图 2-10 BRM 关节试验机运动轨迹模拟图在自行研制的髋关节模拟试验机上，采用与 V.Saikko 类似的方法得关节摩擦面间的运动轨迹如图 2-11 所示。与图 2-10、图 2-11 比较后可看出，它们的运动相同。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计12图 2-11 关节试验机运动实测图研究资料表明，为了准确、逼真地再现人体髋关节的运动特性，模拟试验机在结构设计上应满足以下两点要求：1、偶副对摩面在实验过程中应呈交叉状、
42、多方向性相对滑动运动；2、对摩面上任一点的滑动轨迹在运动过程中应持续改变。通过以上模拟结果可知，本试验机可以较好地实现这两种功能。因此，从理论上分析，尽管本试验机所提供的运动形式与天然髋关节相比不尽相同，但它能够较好地模拟关节运动的特殊性和复杂性，并使得在此基础上产生的摩擦形式、磨损机理与天然关节一致。2.7 磨损量的测定及磨损率的计算2.7.1 磨损量的测定磨损量常用的测量方法有称重法、测长法、表面轮廓法以及光谱法、铁谱法等。在本试验中，考虑到试验机的具体结构以及本着方便、快捷的原则，采用称重法测量试样的磨损质量损失。在测试高分子材料的磨损量时，材料的吸水特性对磨损量的测量影响尤其大。表 2
43、-1 示出了超高分子量聚乙烯（UHMWPE ）试件在一天之中由于吸湿引起的重量变化：表 2-1 UHMWPE 在不同时刻的重要变化可以看出，一天之中由于温度、湿度的改变导致试件重量发生了很大变化，从早晨的 45.9088g 至中午的 45.9083g 再到傍晚的 45.9089g，一天之中试件重量的最大改变量达到 0.6mg。如此大的重量变化对于磨损量的测量极为不利。可以想象，在关节模拟试验机上试验时，由于润滑介质的存在这种影响还将大大加剧。试验过程中试件由磨损造徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计13成的质量损失较小，这种由材料吸湿性导致的重量改变完全有可能影响试验数据的测量，甚至将真实试
44、验数据覆盖。为保证磨损量的测试精度，把材料吸水性引起的测量误差减至最小，在试验中采取了“参考试件法” 。取一与被测试件材料、形状完全相同的样品作为参考试件，称重后置于与试验偶副相同的试验环境中（相同温度、相同润滑液浸泡） 。试验后取下被测试件和参考试件一同置于超声波清洗器中用蒸馏水清洗 3min，在 80烘箱中烘干 40min，然后在干燥器中冷却至室温，采用感量为 0.01mg 的 BT211D 型电子天平测量试件重 量变化。设参考试件试验前重量为 Wc1，试验后为 Wc2，则 由试验环境导致的材料单位重量的改变量为：式（2-1）被测试件与参考试件材料、形状相同，因此可认为二者受试验环境影响造
45、成的单位重量改变量一致，如被测试件试验前重量为 Ws1，则其由试验环境导致的重量改变量为：式（2-2）在最终计算被测试件的磨损量时，减去 2 即可消除试验环境改变对试件重量的影响。采用这种处理方式后，可确保试件称量时环境因素的一致性，把由材料吸水性等造成的误差控制在最小范围内。2.7.2 临床磨损率的计算临床磨损率（Penetration rate）表示了股骨头每年对人工髋臼所造成磨损程度的大小，对于衡量人工关节副的长期疗效具有重要意义。临床磨损率一般通过 X 射线法或临床解剖测得。J.R.Atkinson、D.Dowson 等人通过长期临床观察表明临床磨损率同髋臼磨损量之间呈线性关系，因此可
46、通过下式将关节模拟试验机上所得磨损结果转化为临床磨损率：式（2-3）式中：P：临床磨损率（ mm/year） ；W：人工髋臼 1 年的磨损量（ mg） ；：髋臼材料的密度（g/cm3） ；r：关节头假体的球头半径（mm） ；C：髋臼材料的蠕变率（%） 。资料表明，一般情况下在试验室中进行试验时，关节试验机运行 106cycle 相当于关节假体在体内环境中运行一年。据此可将试验结果换算为临床磨损率。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计142.7.3 磨损因数的计算磨损因数（Wear factor）表示了材料在单位载荷（N） 、单位滑动距离（m）时的磨损质量损失，在比较不同材料的耐磨性时有重要应
47、用。一般情况下在试验室中进行试验时，磨损因数可由下式计算：式（2-4）式中：k：磨损因数（mm3N-1m-1） ；W：试验材料的磨损量（mg） ；：试验材料的密度（g/cm3） ；L：试验载荷（N） ；X：相对滑动距离（m） 。用销盘式、环块式等标准试验机进行试验时，可利用 2-4 式直接计算磨损因数。但关节模拟试验机由于其固有的特殊接触方式（凸球面凹球面）和运动类型（多方向性复合滑动摩擦） ，计算时要相对困难一些，必须对 2-4 式进行适当的变换。由 2-3 式可得：式（2-5）将（2-5 ）代入（2-4 ）得：式（ 2-6）式中，N 为一年中人工髋臼所受冲击载荷的循环次数；Ldx 表示一次
48、载荷循环过程中载荷与滑动距离乘积的积分，其物理意义在于表明外部条件对置换关节磨损的影响程度。Ldx 值的大小与病人体重、关节假体所受载荷的循环特征、关节间的有效滑动距离及假体球头半径有关。对 Charnley 型人工关节的研究表明：式（2-7）式中：B 为病人的体重（N） ，d 为关节头假体的球头直径（ m） 。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计15将式 2-7 代入式 2-6 可得关节模拟试验时的磨损因数为：式（2-8）2.8 温控装置的工作原理为更好地模拟人工关节在体内环境温度下的摩擦磨损特性，试验机装有恒温装置。温控原理如图 2-12 所示：图 2-11 温度控制模拟图试验机整体上采
49、用封闭式结构，内部装有加热器。试验开始时，开启温控器，交流接触器处于闭合状态，红外加热器（800W）与电源接通，以辐射形式提供热量，使得试验机内的环境温度上升。测温元件（热电偶）将机内环境温度反馈给温控器。当试验环境温度达到设定数值时，温控器控制交流接触器断开，加热器失电。此时处于保温状态。当机内环境温度低于设定数值时，温控器使得交流接触器再次闭合，加热器得电开始工作。实际测试结果表明，利用该套温控装置可使得试验温度保持在 371。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计163 设计计算过程3.1 初选电机功率选择关节球头的直径为 50mm，已知最大试验载荷为 1t，主轴转速为 60rpm.。取摩擦系数 1.0最大正压力 F=1000kgX9.8=9800N因此摩擦力 NFf980.得出最大扭矩 T=fd=980Xm0.025=24.5N由公式 n=60rpmnPT61095得出 P0.15KW查机械手册知，初拟使用 Y 系列 4 极电动机选用 Y8014，P=0.55KW, n=1390 转 M=17kg3.2 主传动
