專利名稱：多功能摩擦學(xué)實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械及材料摩擦學(xué)研究領(lǐng)域，為新型材料摩擦、磨損性能的評定提供 了可靠且具有多種功能的測試評價平臺。更確切地，本發(fā)明能夠針對人工假肢，即 人工髖關(guān)節(jié)進(jìn)行摩擦磨損評價，同時能夠為通用銷盤型摩擦學(xué)實驗提供平臺。
背景技術(shù)：
目前，人工關(guān)節(jié)廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)炎的晚期治療、外傷致殘和骨瘤切除手術(shù)中，并 已成為一種常規(guī)的外科手術(shù)。人工關(guān)節(jié)的置換包括有髖、膝、肩、肘、腕等關(guān)節(jié)的置 換，其中髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)是人體主要的受力和磨損部位，損壞率高，所以手術(shù)主要以 其為主。在我國，大約有3000萬人需要進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換術(shù)，目前只有3萬套，其 中進(jìn)口產(chǎn)品約占市場的1/4，而估計每年中國有100—150萬骨關(guān)節(jié)炎患者需實施人 工關(guān)節(jié)置換手術(shù)，年增長約為25%以上。隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人工關(guān)節(jié)的需求量會越來 越大。在人工關(guān)節(jié)實際應(yīng)用中，關(guān)節(jié)的摩擦磨損是主要問題之一,其中包括人工關(guān)節(jié)服役 中自身的磨損，以及摩擦副材料磨損后的磨粒引起關(guān)節(jié)周圍的異物反應(yīng)，引發(fā)關(guān)節(jié)松 動，最終導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)失效。對人工髖關(guān)節(jié)摩擦、磨損和潤滑方面的研究主要分為生 物體內(nèi)研究和體外模擬實驗研究。生物體內(nèi)研究，是將人工關(guān)節(jié)植入動物體內(nèi)一段時 間后，通過手術(shù)、解剖等形式對關(guān)節(jié)的磨損情況進(jìn)行觀察、分析研究。體外模擬實驗 研究主要是以人工髖關(guān)節(jié)模擬實驗機(jī)作為載體，通過模擬髖關(guān)節(jié)的復(fù)雜運(yùn)動，來分析 研究人工髖關(guān)節(jié)的摩擦磨損情況。由于體內(nèi)實驗過程比較復(fù)雜，且實驗風(fēng)險大、成本 高、周期長，所以較體內(nèi)實驗而言，體外實驗因其實驗過程較為簡單，易于觀察和分 析，實驗干擾因素較少，且成本低的特點(diǎn)，得到了廣泛的推廣和使用。而體外模擬實 驗的難點(diǎn)在于實際使用中的人工髖關(guān)節(jié)與模擬實驗中的關(guān)節(jié)存在著一定運(yùn)動差異，即 真實情況還原度的問題。模擬實驗機(jī)的目標(biāo)不但在于真實模擬天然髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動形態(tài)，更重要的是基于實 驗機(jī)來研究人工髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)和運(yùn)動性能，對相關(guān)材料進(jìn)行分析研究，此外，通 過模擬實驗所產(chǎn)生和實際人體應(yīng)用過程中相近甚至是相同的磨粒形態(tài)，在此基礎(chǔ)之上對滑液性能、磨損顆粒引起的異物反應(yīng)等研究也更具現(xiàn)實性和科學(xué)性。銷盤型摩擦學(xué)實驗機(jī)是一種比較通用性實驗機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)、模擬運(yùn)動比較簡 單，易于對摩擦、磨損性能作出快速分析，主要通過圓盤與加工成銷狀的試驗樣品之 間所形成的相對運(yùn)動來研究材料的摩擦性能和滑液的潤滑性能，此外銷盤實驗機(jī)還能 通過力學(xué)傳感器實時測量實驗中摩擦力的大小，以此來分析受力大小與磨損之間的關(guān) 系，適用于普遍的潤滑、摩擦磨損的研究。綜上，在多功能摩擦學(xué)實驗裝置的開發(fā)上，設(shè)計要求與目標(biāo)可以歸納為以下幾點(diǎn)a. 能夠真實可靠的重現(xiàn)人工髖關(guān)節(jié)在實際應(yīng)用中的情況，產(chǎn)生與實際應(yīng)用中相類 似的磨粒，即實驗機(jī)中的所產(chǎn)生的磨粒大小、形狀須與實際中的一致；b. 能夠支持不同種類滑液的潤滑測試實驗，分析比較不同在不同滑液中磨粒的情況；C.有助于分析比較髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動與磨粒大小、數(shù)量的相互關(guān)系，例如簡單往復(fù) 運(yùn)動會產(chǎn)生較小的磨粒；d. 適用于不同規(guī)格人工髖關(guān)節(jié)的實驗，如直徑22、 28、 32mm的股骨球；e. 具有較強(qiáng)的兼容性和改進(jìn)功能；f. 易于操作、裝卸；g. 保養(yǎng)成本低、良好的互換性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種多功能摩擦學(xué)實驗裝置，具有較強(qiáng)的兼容性，為人工 髖關(guān)節(jié)和通用型銷盤摩擦實驗提供平臺，成本低，易于操作。 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是本發(fā)明的多功能摩擦學(xué)實驗裝置，包括機(jī)臺框架、人工髖關(guān)節(jié)模擬實驗?zāi)K、 銷盤型摩擦實驗?zāi)K和變速馬達(dá)。人工髖關(guān)節(jié)模擬模塊的夾具由20度斜面支撐托件 與股骨球擺動下托盤部件構(gòu)成，主要通過圓錐型滾動軸承聯(lián)接，借此保證支撐件與托 盤之間的相對運(yùn)動，形成仿人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動。其次，通過所述髖臼夾具的變換，即將 原先夾持人工髖臼換下，通過螺紋將原夾具與銷夾持部件聯(lián)接；通過斜面支撐件與轉(zhuǎn) 盤部件轉(zhuǎn)換，則可將髖關(guān)節(jié)模擬實驗機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ檬戒N盤型摩擦實驗機(jī)。在銷盤模塊 中，聯(lián)接件與銷夾持件通過軸承聯(lián)接，以便摩擦扭矩傳遞測量。根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種多功能摩擦學(xué)實驗裝置，包括機(jī)臺框架和變速馬達(dá)，其特征在于機(jī)臺框架上 有一個中橫梁通過平面軸承轉(zhuǎn)動插置一個轉(zhuǎn)動托盤；所述的轉(zhuǎn)動托盤的向下延伸的轉(zhuǎn) 軸通過聯(lián)軸器與所述的變速馬達(dá)聯(lián)接，而上端的托盤與實驗?zāi)K的下轉(zhuǎn)盤夾具連接； 機(jī)臺框架頂部有一個加載板，其中心處固定連接一個加載頂壓柱，加載頂壓柱與實驗 模塊的上軸銷夾具連接。在上述的多功能摩擦學(xué)實驗裝置中，所述的實驗?zāi)K為人工髖關(guān)節(jié)模擬實驗?zāi)?塊，由人工髖關(guān)節(jié)杯臼和人工髖關(guān)節(jié)股骨球構(gòu)成；所述的實驗?zāi)K下轉(zhuǎn)盤夾具的結(jié)構(gòu) 是 一個斜面支撐件通過螺釘與所述的旋轉(zhuǎn)托盤固定連接，所述的斜面支撐托件通過 兩個圓錐滾子軸承插裝一個股骨球下托盤，該股骨球下托盤上面通過螺釘連接一個股 骨球上托盤，而側(cè)面固定一根轉(zhuǎn)動制動桿；所述的股骨球上托盤中心有盲螺紋孔與人 工髖關(guān)節(jié)股骨球旋接，在股骨球上托盤上還裝有一個潤滑液容器；所述的實驗?zāi)K上 軸銷夾具的結(jié)構(gòu)是一個短筒形的人工髖關(guān)節(jié)杯臼夾具通過螺釘與所述的加載頂壓柱 固定連接，人工髖關(guān)節(jié)杯臼夾具下端插置人工髖關(guān)節(jié)杯臼。在上述的多功能摩擦學(xué)實驗裝置中，所述的實驗?zāi)K為銷盤型摩擦實驗?zāi)K，由 實驗銷和實驗盤構(gòu)成；所述的實驗?zāi)K下轉(zhuǎn)盤夾具的結(jié)構(gòu)是 一個轉(zhuǎn)盤部件與所述的 旋轉(zhuǎn)托盤通過螺釘固定連接，轉(zhuǎn)盤部件上安置實驗盤；所述的實驗?zāi)K上軸銷夾具是 一個銷夾持部件，其結(jié)構(gòu)是 一個銷夾盤的盤面上周向均布8個銷套；銷套的上端有 螺孔通過螺釘與銷夾盤固定連接，銷套內(nèi)滑動插置實驗銷；銷夾盤的中心軸通過壓板 和螺釘連接一個平面軸承和螺母件，螺母件與一個聯(lián)接套旋接，聯(lián)接套與加載頂壓柱 插接；銷夾盤外緣有固定連接一個扭矩傳遞桿，該扭矩傳遞桿外端連接一個傳感器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本 發(fā)明的實驗裝置用于人工髖關(guān)節(jié)模擬實驗，能真實可靠重現(xiàn)人工髖關(guān)節(jié)在實際應(yīng)用中 的情況，也可用于銷盤型摩擦實驗，通過更換實驗?zāi)K的下轉(zhuǎn)盤夾具和上軸銷夾具就 可實現(xiàn)上述兩類實驗的轉(zhuǎn)換。具有較強(qiáng)的兼容性，為人工髖關(guān)節(jié)和通用型銷盤摩擦實 驗提供平臺，成本低，易于操作。


圖1是本發(fā)明的髖關(guān)節(jié)模擬實驗?zāi)K的實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的通用式銷盤型摩擦實驗?zāi)K的實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的銷夾持部件結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的實驗?zāi)K夾具轉(zhuǎn)換示意圖。 具體實施方案現(xiàn)將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，附圖中表示了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。 本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例是參見圖l、圖2，本包含機(jī)臺框架、髖關(guān)節(jié)模擬實 驗?zāi)K、銷盤型摩擦實驗?zāi)K和變速馬達(dá)。本實施例中，在人工髖關(guān)節(jié)模擬實驗?zāi)K夾具中，斜面支撐托件(11)與股骨球下托盤(9)通過圓錐滾子軸承(2， 3)進(jìn)行聯(lián)接與固定，保證股骨球托盤產(chǎn)生類似人體髖關(guān)節(jié)的屈曲與側(cè)向擺動運(yùn)動。股骨球下托盤(9)與股骨球上托盤(8)通過螺栓聯(lián)接，潤滑液容器(7)與股骨球上托盤之 間采用O型密封圈進(jìn)行密封。在股骨球上托盤(9)中心通過盲螺紋孔與人工股骨球 聯(lián)接。股骨球下托盤(9)的側(cè)面固定一根轉(zhuǎn)動制動桿(10)抵靠于機(jī)臺框架的立柱 之上。旋轉(zhuǎn)托盤(12)與斜面支撐托件(11)通過螺紋聯(lián)接，并與變速馬達(dá)(14)聯(lián) 接，進(jìn)行動力傳遞。本實施例中，包括銷夾持部件(15)與轉(zhuǎn)盤部件(16)，通過變 速電機(jī)(14)驅(qū)動，產(chǎn)生相對圓周轉(zhuǎn)動。參見圖5，在銷夾持部件(15)中，8個銷 套(17)通過螺紋固定于銷夾盤(19)上；銷夾盤(19)與平面軸承(18)聯(lián)接，并 通過壓板(22)與螺釘(20)固定，以便防止銷夾盤(19)軸向滑動；平面軸承(18) 上端由壓板(22)固定，同時下端與螺母件(24)聯(lián)接固定；，螺母件(24)則通過 螺紋與聯(lián)接套(21)固定。該結(jié)構(gòu)能夠保證銷夾盤(19)與銷夾持部件(15)之間產(chǎn) 生相對轉(zhuǎn)動，以此通過扭矩傳遞桿(26)，將摩擦力拒傳送至傳感器(25)。本發(fā)明的工作原理如下參見圖l，在對人工髖關(guān)節(jié)模擬實驗?zāi)K的實驗中，變 速馬達(dá)(14)帶動旋轉(zhuǎn)底座(12)與斜面支撐托件(11)產(chǎn)生周向轉(zhuǎn)動，同時由于斜 面支撐托件(11)與股骨球下托盤(9)通過圓錐滾子軸承(2， 3)進(jìn)行聯(lián)接，增加 了兩者間相對轉(zhuǎn)動的自由度，從而帶動股骨球上托盤(8)與固定于其上的人工股骨 球在垂直于轉(zhuǎn)動平面的范圍內(nèi)產(chǎn)生類似于人體髖關(guān)節(jié)的擺動屈曲，而幅度大小取決于 斜面支撐件的斜角大小，人工髖關(guān)節(jié)杯臼夾具(6)與多用夾具(5)聯(lián)接，并固定于 加載板(4)上，實驗用股骨球與杯臼主要通過加載板的槽型口進(jìn)行對中調(diào)整，加載 板主要用于靜態(tài)載荷的施加；參見圖2、圖5，在銷盤型摩擦實驗?zāi)K中，變速馬達(dá) (14)帶動旋轉(zhuǎn)托盤(12)與轉(zhuǎn)盤部件(16)產(chǎn)生周向轉(zhuǎn)動，其次，實驗用銷安裝于 銷套(17)上，整體固定于銷夾持部件(15),銷夾持部件中由于平面軸承的作用， 使銷夾盤與夾持部件之間能夠產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，其特點(diǎn)在于，由于相對轉(zhuǎn)動，實驗銷與盤之間產(chǎn)生摩擦，摩擦力經(jīng)銷套(17)從傳遞至銷夾盤(19)，但由于銷夾盤(19) 與銷夾持部件(15)存在相對自由度，所以可以通過固定在銷夾盤上扭矩傳遞桿(26), 將摩擦力拒傳送至傳感器(25)。本發(fā)明的模塊轉(zhuǎn)換工作原理如下參見圖1、圖2、圖6，由于基本以螺紋聯(lián)接 方式為主接口，所以轉(zhuǎn)換較為簡單。以人工髖關(guān)節(jié)模擬實驗?zāi)?塊夾具向銷盤型摩擦實 驗?zāi)K夾具轉(zhuǎn)換為例，首先，取下加載板(4)，人工髖關(guān)節(jié)杯臼夾具(6)與加載頂 壓柱(5)通過螺紋拆卸，將加載頂壓柱(5)外螺紋部與銷夾持部件(15)中聯(lián)接套 (21)上部的內(nèi)螺紋孔進(jìn)行聯(lián)接，之后通過加載頂壓柱(5)上端壓緊螺母與加載板 (4)固定，以此完成銷盤型實驗?zāi)K夾具上部構(gòu)件的轉(zhuǎn)換；斜面支撐托件(11)通 過內(nèi)六角螺栓與旋轉(zhuǎn)托盤(12)聯(lián)接，螺栓卸下后，將銷盤型實驗?zāi)K夾具中轉(zhuǎn)盤部 件(16)與斜面支撐托件(11)互換，同樣通過螺栓與旋轉(zhuǎn)托盤(12)聯(lián)接，通過變 速馬達(dá)(14)的變速調(diào)整，為銷盤型摩擦實驗裝置選擇合適的實驗速度，此外，可在 潤滑液容器(7)中加入所需潤滑液，進(jìn)行實驗測試；至此，完成人工髖關(guān)節(jié)模擬實 驗裝置向銷盤型摩擦實驗裝置的轉(zhuǎn)換。
權(quán)利要求
1.一種多功能摩擦學(xué)實驗裝置，包括機(jī)臺框架和變速馬達(dá)(14)，其特征在于機(jī)臺框架上有一個中橫梁(1)通過平面軸承(13)轉(zhuǎn)動插置一個轉(zhuǎn)動托盤(12)；所述的轉(zhuǎn)動托盤(12)的向下延伸的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與所述的變速馬達(dá)(14)聯(lián)接，而上端的托盤與實驗?zāi)K的下轉(zhuǎn)盤夾具連接；機(jī)臺框架頂部有一個加載板(4)，其中心處固定連接一個加載頂壓柱(5)，加載頂壓柱(5)與實驗?zāi)K的上軸銷夾具連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能摩擦學(xué)實驗裝置，其特征在于所述的實驗?zāi)K為人 工髖關(guān)節(jié)模擬實驗?zāi)K，由人工髖關(guān)節(jié)杯臼和人工髖關(guān)節(jié)股骨球構(gòu)成；所述的實 驗?zāi)K下轉(zhuǎn)盤夾具的結(jié)構(gòu)是 一個斜面支撐件(11)通過螺釘與所述的旋轉(zhuǎn)托盤(12)固定連接，所述的斜面支撐托件(11)通過兩個圓錐滾子軸承(2、 3)插 裝一個股骨球下托盤(9)，該股骨球下托盤(9)上面通過螺釘連接一個股骨球上 托盤(8)，而側(cè)面固定一根轉(zhuǎn)動制動桿(10);所述的股骨球上托盤(8)中心有 盲螺紋孔與人工髖關(guān)節(jié)股骨球旋接，在股骨球上托盤(8)上還裝有一個潤滑液容 器(7);所述的實驗?zāi)K上軸銷夾具的結(jié)構(gòu)是 一個短筒形的人工髖關(guān)節(jié)杯臼夾 具(6)通過螺釘與所述的加載頂壓柱(5)固定連接，人工髖關(guān)節(jié)杯臼夾具(6) 下端插置人工髖關(guān)節(jié)杯臼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能摩擦學(xué)實驗裝置，其特征在于所述的實驗?zāi)K為銷 盤型摩擦學(xué)實驗?zāi)K，由實驗銷和實驗盤構(gòu)成；所述的實驗?zāi)K下轉(zhuǎn)盤夾具的結(jié) 構(gòu)是 一個轉(zhuǎn)盤部件(16)與所述的旋轉(zhuǎn)托盤通過螺釘固定連接，轉(zhuǎn)盤部件(16) 上安置實驗盤；所述的實驗?zāi)K上軸銷夾具是一個銷夾持部件(15)，其結(jié)構(gòu)是 一個銷夾盤(19)的盤面上周向均布8個銷套(17);銷套(17)的上端有螺孔通 過螺釘與銷夾盤(19)固定連接，銷套(17)內(nèi)滑動插置實驗銷；銷夾盤(19) 的中心軸通過壓板(22)和螺釘(20)連接一個平面軸承(18)和螺母件(24)， 螺母件(24)與一個聯(lián)接套(21)旋接，聯(lián)接套(21)與加載頂壓柱(5)插接； 銷夾盤(19)外緣有固定連接一個扭矩傳遞桿(26)，該扭矩傳遞桿(26)外端連 接一個傳感器(25)。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種多功能摩擦學(xué)實驗裝置，包括機(jī)臺框架和變速馬達(dá)，機(jī)臺框架上有中橫梁通過平面軸承轉(zhuǎn)動插置一個旋轉(zhuǎn)托盤；旋轉(zhuǎn)托盤的向下延伸的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與變速馬達(dá)聯(lián)接，而上端的托盤與實驗?zāi)K的下轉(zhuǎn)盤夾具連接；機(jī)臺框架頂部有一個加載板，其中心處固定連接一個加載頂壓柱，加載頂壓柱與實驗?zāi)K的上軸銷夾具連接。本發(fā)明的實驗裝置可用于人工髖關(guān)節(jié)模擬實驗和銷盤型摩擦實驗，具有較強(qiáng)的兼容性，成本低，易于操作。
文檔編號A61F2/30GK101243998SQ20081003238
公開日2008年8月20日 申請日期2008年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月8日
發(fā)明者華子愷, 張建華, 克 薛, 方 袁 申請人:上海大學(xué)