CN101243998A - 多功能摩擦学实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种多功能摩擦学实验装置，包括：机台框架和变速马达，机台框架上有中横梁通过平面轴承转动插置一个旋转托盘；旋转托盘的向下延伸的转轴通过联轴器与变速马达联接，而上端的托盘与实验模块的下转盘夹具连接；机台框架顶部有一个加载板，其中心处固定连接一个加载顶压柱，加载顶压柱与实验模块的上轴销夹具连接。本发明的实验装置可用于人工髋关节模拟实验和销盘型摩擦实验，具有较强的兼容性，成本低，易于操作。

Description

多功能摩擦学实验装置
技术领域
本发明涉及机械及材料摩擦学研究领域，为新型材料摩擦、磨损性能的评定提供了可靠且具有多种功能的测试评价平台。更确切地，本发明能够针对人工假肢，即人工髋关节进行摩擦磨损评价，同时能够为通用销盘型摩擦学实验提供平台。
背景技术
目前，人工关节广泛应用于关节炎的晚期治疗、外伤致残和骨瘤切除手术中，并已成为一种常规的外科手术。人工关节的置换包括有髋、膝、肩、肘、腕等关节的置换，其中髋关节和膝关节是人体主要的受力和磨损部位，损坏率高，所以手术主要以其为主。在我国，大约有3000万人需要进行人工关节置换术，目前只有3万套，其中进口产品约占市场的1/4，而估计每年中国有100-150万骨关节炎患者需实施人工关节置换手术，年增长约为25％以上。随着医学的发展，人工关节的需求量会越来越大。
在人工关节实际应用中，关节的摩擦磨损是主要问题之一，其中包括人工关节服役中自身的磨损，以及摩擦副材料磨损后的磨粒引起关节周围的异物反应，引发关节松动，最终导致人工关节失效。对人工髋关节摩擦、磨损和润滑方面的研究主要分为生物体内研究和体外模拟实验研究。生物体内研究，是将人工关节植入动物体内一段时间后，通过手术、解剖等形式对关节的磨损情况进行观察、分析研究。体外模拟实验研究主要是以人工髋关节模拟实验机作为载体，通过模拟髋关节的复杂运动，来分析研究人工髋关节的摩擦磨损情况。由于体内实验过程比较复杂，且实验风险大、成本高、周期长，所以较体内实验而言，体外实验因其实验过程较为简单，易于观察和分析，实验干扰因素较少，且成本低的特点，得到了广泛的推广和使用。而体外模拟实验的难点在于实际使用中的人工髋关节与模拟实验中的关节存在着一定运动差异，即真实情况还原度的问题。
模拟实验机的目标不但在于真实模拟天然髋关节的运动形态，更重要的是基于实验机来研究人工髋关节的生物力学和运动性能，对相关材料进行分析研究，此外，通过模拟实验所产生和实际人体应用过程中相近甚至是相同的磨粒形态，在此基础之上对滑液性能、磨损颗粒引起的异物反应等研究也更具现实性和科学性。
销盘型摩擦学实验机是一种比较通用性实验机，由于其结构、模拟运动比较简单，易于对摩擦、磨损性能作出快速分析，主要通过圆盘与加工成销状的试验样品之间所形成的相对运动来研究材料的摩擦性能和滑液的润滑性能，此外销盘实验机还能通过力学传感器实时测量实验中摩擦力的大小，以此来分析受力大小与磨损之间的关系，适用于普遍的润滑、摩擦磨损的研究。
综上，在多功能摩擦学实验装置的开发上，设计要求与目标可以归纳为以下几点：
a.能够真实可靠的重现人工髋关节在实际应用中的情况，产生与实际应用中相类似的磨粒，即实验机中的所产生的磨粒大小、形状须与实际中的一致；
b.能够支持不同种类滑液的润滑测试实验，分析比较不同在不同滑液中磨粒的情况；
c.有助于分析比较髋关节的运动与磨粒大小、数量的相互关系，例如：简单往复运动会产生较小的磨粒；
d.适用于不同规格人工髋关节的实验，如：直径22、28、32mm的股骨球；
e.具有较强的兼容性和改进功能；
f.易于操作、装卸；
g.保养成本低、良好的互换性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能摩擦学实验装置，具有较强的兼容性，为人工髋关节和通用型销盘摩擦实验提供平台，成本低，易于操作。
为达到上述目的，本发明的构思是：
本发明的多功能摩擦学实验装置，包括：机台框架、人工髋关节模拟实验模块、销盘型摩擦实验模块和变速马达。人工髋关节模拟模块的夹具由20度斜面支撑托件与股骨球摆动下托盘部件构成，主要通过圆锥型滚动轴承联接，借此保证支撑件与托盘之间的相对运动，形成仿人体髋关节运动。其次，通过所述髋臼夹具的变换，即将原先夹持人工髋臼换下，通过螺纹将原夹具与销夹持部件联接；通过斜面支撑件与转盘部件转换，则可将髋关节模拟实验机转变为通用式销盘型摩擦实验机。在销盘模块中，联接件与销夹持件通过轴承联接，以便摩擦扭矩传递测量。
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种多功能摩擦学实验装置，包括机台框架和变速马达，其特征在于机台框架上有一个中横梁通过平面轴承转动插置一个转动托盘；所述的转动托盘的向下延伸的转轴通过联轴器与所述的变速马达联接，而上端的托盘与实验模块的下转盘夹具连接；机台框架顶部有一个加载板，其中心处固定连接一个加载顶压柱，加载顶压柱与实验模块的上轴销夹具连接。
在上述的多功能摩擦学实验装置中，所述的实验模块为人工髋关节模拟实验模块，由人工髋关节杯臼和人工髋关节股骨球构成；所述的实验模块下转盘夹具的结构是：一个斜面支撑件通过螺钉与所述的旋转托盘固定连接，所述的斜面支撑托件通过两个圆锥滚子轴承插装一个股骨球下托盘，该股骨球下托盘上面通过螺钉连接一个股骨球上托盘，而侧面固定一根转动制动杆；所述的股骨球上托盘中心有盲螺纹孔与人工髋关节股骨球旋接，在股骨球上托盘上还装有一个润滑液容器；所述的实验模块上轴销夹具的结构是：一个短筒形的人工髋关节杯臼夹具通过螺钉与所述的加载顶压柱固定连接，人工髋关节杯臼夹具下端插置人工髋关节杯臼。
在上述的多功能摩擦学实验装置中，所述的实验模块为销盘型摩擦实验模块，由实验销和实验盘构成；所述的实验模块下转盘夹具的结构是：一个转盘部件与所述的旋转托盘通过螺钉固定连接，转盘部件上安置实验盘；所述的实验模块上轴销夹具是一个销夹持部件，其结构是：一个销夹盘的盘面上周向均布8个销套；销套的上端有螺孔通过螺钉与销夹盘固定连接，销套内滑动插置实验销；销夹盘的中心轴通过压板和螺钉连接一个平面轴承和螺母件，螺母件与一个联接套旋接，联接套与加载顶压柱插接；销夹盘外缘有固定连接一个扭矩传递杆，该扭矩传递杆外端连接一个传感器。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明的实验装置用于人工髋关节模拟实验，能真实可靠重现人工髋关节在实际应用中的情况，也可用于销盘型摩擦实验，通过更换实验模块的下转盘夹具和上轴销夹具就可实现上述两类实验的转换。具有较强的兼容性，为人工髋关节和通用型销盘摩擦实验提供平台，成本低，易于操作。
附图说明
图1是本发明的髋关节模拟实验模块的实验装置结构示意图。
图2是本发明的通用式销盘型摩擦实验模块的实验装置结构示意图。
图3是本发明的销夹持部件结构示意图。
图4是本发明的实验模块夹具转换示意图。
具体实施方案
现将参照附图更充分地描述本发明，附图中表示了本发明的一个优选实施例。
本发明的一个优选实施例是：参见图1、图2，本包含机台框架、髋关节模拟实验模块、销盘型摩擦实验模块和变速马达。本实施例中，在人工髋关节模拟实验模块夹具中，斜面支撑托件(11)与股骨球下托盘(9)通过圆锥滚子轴承(2，3)进行联接与固定，保证股骨球托盘产生类似人体髋关节的屈曲与侧向摆动运动。股骨球下托盘(9)与股骨球上托盘(8)通过螺栓联接，润滑液容器(7)与股骨球上托盘之间采用O型密封圈进行密封。在股骨球上托盘(9)中心通过盲螺纹孔与人工股骨球联接。股骨球下托盘(9)的侧面固定一根转动制动杆(10)抵靠于机台框架的立柱之上。旋转托盘(12)与斜面支撑托件(11)通过螺纹联接，并与变速马达(14)联接，进行动力传递。本实施例中，包括销夹持部件(15)与转盘部件(16)，通过变速电机(14)驱动，产生相对圆周转动。参见图5，在销夹持部件(15)中，8个销套(17)通过螺纹固定于销夹盘(19)上；销夹盘(19)与平面轴承(18)联接，并通过压板(22)与螺钉(20)固定，以便防止销夹盘(19)轴向滑动；平面轴承(18)上端由压板(22)固定，同时下端与螺母件(24)联接固定；，螺母件(24)则通过螺纹与联接套(21)固定。该结构能够保证销夹盘(19)与销夹持部件(15)之间产生相对转动，以此通过扭矩传递杆(26)，将摩擦力拒传送至传感器(25)。
本发明的工作原理如下：参见图1，在对人工髋关节模拟实验模块的实验中，变速马达(14)带动旋转底座(12)与斜面支撑托件(11)产生周向转动，同时由于斜面支撑托件(11)与股骨球下托盘(9)通过圆锥滚子轴承(2，3)进行联接，增加了两者间相对转动的自由度，从而带动股骨球上托盘(8)与固定于其上的人工股骨球在垂直于转动平面的范围内产生类似于人体髋关节的摆动屈曲，而幅度大小取决于斜面支撑件的斜角大小，人工髋关节杯臼夹具(6)与多用夹具(5)联接，并固定于加载板(4)上，实验用股骨球与杯臼主要通过加载板的槽型口进行对中调整，加载板主要用于静态载荷的施加；参见图2、图5，在销盘型摩擦实验模块中，变速马达(14)带动旋转托盘(12)与转盘部件(16)产生周向转动，其次，实验用销安装于销套(17)上，整体固定于销夹持部件(15)，销夹持部件中由于平面轴承的作用，使销夹盘与夹持部件之间能够产生相对转动，其特点在于，由于相对转动，实验销与盘之间产生摩擦，摩擦力经销套(17)从传递至销夹盘(19)，但由于销夹盘(19)与销夹持部件(15)存在相对自由度，所以可以通过固定在销夹盘上扭矩传递杆(26)，将摩擦力拒传送至传感器(25)。
本发明的模块转换工作原理如下：参见图1、图2、图6，由于基本以螺纹联接方式为主接口，所以转换较为简单。以人工髋关节模拟实验模块夹具向销盘型摩擦实验模块夹具转换为例，首先，取下加载板(4)，人工髋关节杯臼夹具(6)与加载顶压柱(5)通过螺纹拆卸，将加载顶压柱(5)外螺纹部与销夹持部件(15)中联接套(21)上部的内螺纹孔进行联接，之后通过加载顶压柱(5)上端压紧螺母与加载板(4)固定，以此完成销盘型实验模块夹具上部构件的转换；斜面支撑托件(11)通过内六角螺栓与旋转托盘(12)联接，螺栓卸下后，将销盘型实验模块夹具中转盘部件(16)与斜面支撑托件(11)互换，同样通过螺栓与旋转托盘(12)联接，通过变速马达(14)的变速调整，为销盘型摩擦实验装置选择合适的实验速度，此外，可在润滑液容器(7)中加入所需润滑液，进行实验测试；至此，完成人工髋关节模拟实验装置向销盘型摩擦实验装置的转换。

Claims (3)

1.一种多功能摩擦学实验装置，包括机台框架和变速马达(14)，其特征在于机台框架上有一个中横梁(1)通过平面轴承(13)转动插置一个转动托盘(12)；所述的转动托盘(12)的向下延伸的转轴通过联轴器与所述的变速马达(14)联接，而上端的托盘与实验模块的下转盘夹具连接；机台框架顶部有一个加载板(4)，其中心处固定连接一个加载顶压柱(5)，加载顶压柱(5)与实验模块的上轴销夹具连接。
2.根据权利要求1所述的多功能摩擦学实验装置，其特征在于所述的实验模块为人工髋关节模拟实验模块，由人工髋关节杯臼和人工髋关节股骨球构成；所述的实验模块下转盘夹具的结构是：一个斜面支撑件(11)通过螺钉与所述的旋转托盘(12)固定连接，所述的斜面支撑托件(11)通过两个圆锥滚子轴承(2、3)插装一个股骨球下托盘(9)，该股骨球下托盘(9)上面通过螺钉连接一个股骨球上托盘(8)，而侧面固定一根转动制动杆(10)；所述的股骨球上托盘(8)中心有盲螺纹孔与人工髋关节股骨球旋接，在股骨球上托盘(8)上还装有一个润滑液容器(7)；所述的实验模块上轴销夹具的结构是：一个短筒形的人工髋关节杯臼夹具(6)通过螺钉与所述的加载顶压柱(5)固定连接，人工髋关节杯臼夹具(6)下端插置人工髋关节杯臼。
3.根据权利要求1所述的多功能摩擦学实验装置，其特征在于所述的实验模块为销盘型摩擦学实验模块，由实验销和实验盘构成；所述的实验模块下转盘夹具的结构是：一个转盘部件(16)与所述的旋转托盘通过螺钉固定连接，转盘部件(16)上安置实验盘；所述的实验模块上轴销夹具是一个销夹持部件(15)，其结构是：一个销夹盘(19)的盘面上周向均布8个销套(17)；销套(17)的上端有螺孔通过螺钉与销夹盘(19)固定连接，销套(17)内滑动插置实验销；销夹盘(19)的中心轴通过压板(22)和螺钉(20)连接一个平面轴承(18)和螺母件(24)，螺母件(24)与一个联接套(21)旋接，联接套(21)与加载顶压柱(5)插接；销夹盘(19)外缘有固定连接一个扭矩传递杆(26)，该扭矩传递杆(26)外端连接一个传感器(25)。
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