本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)計(jì)及材料摩擦研究，具體為一種人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)，其能夠?yàn)樾滦筒牧夏Σ列阅軠y(cè)試提供多工況且可靠的測(cè)試。

背景技術(shù)：
據(jù)統(tǒng)計(jì)，60歲以上老年人罹患關(guān)節(jié)退變性疾病的比例高達(dá)90％以上，其中髖關(guān)節(jié)骨折是其最主要?jiǎng)?chuàng)傷之一，從2009～2011年，歐洲骨科與創(chuàng)傷協(xié)會(huì)、美國(guó)整形外科醫(yī)學(xué)會(huì)及中華醫(yī)學(xué)會(huì)骨科專業(yè)分會(huì)先后將“植入物的安全性、耐磨性及耐久性”作為該領(lǐng)域里最重要的議題之一。針對(duì)人工髖關(guān)節(jié)植入生物體內(nèi)試驗(yàn)研究復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高及周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。目前，髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)按模擬運(yùn)動(dòng)方式可分為：銷盤型、擺軸型及多軸型：銷盤型是通過(guò)圓盤與銷狀試樣之間形成的相對(duì)滑動(dòng)來(lái)研究材料摩擦潤(rùn)滑性能；多軸型是將不同軸系形成的單個(gè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成來(lái)模擬人工髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)；擺軸型是依靠基座與斜面底座之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬髖關(guān)節(jié)三個(gè)不同平面的擺動(dòng)動(dòng)作。美國(guó)專利[授權(quán)公告號(hào)US6199424B1]涉及一種適應(yīng)橡膠及胎面的銷盤摩擦試驗(yàn)機(jī)，能夠調(diào)節(jié)滑動(dòng)速率、接觸壓力、方向及接觸面來(lái)測(cè)試更為復(fù)雜工況。其主要包括負(fù)載單元、力測(cè)量裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、摩擦盤及測(cè)試樣夾持器等，便于調(diào)整和測(cè)試不同工況條件下橡膠制品的摩擦性能；但其接觸和運(yùn)動(dòng)方式與人工髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式差別較大。中國(guó)專利[授權(quán)公告號(hào)CN101975707B]涉及一種基于鋼絲繩傳動(dòng)的髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)。其為多軸型結(jié)構(gòu)，采用伸縮及拉伸彈簧、凸輪、定滑輪及鋼絲繩組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與其連接動(dòng)平臺(tái)上的關(guān)節(jié)球頭完成交叉狀的多向復(fù)合滑動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)采用以上傳統(tǒng)機(jī)械零件代替了價(jià)格昂貴的進(jìn)口電動(dòng)缸，降低了試驗(yàn)成本和機(jī)臺(tái)適應(yīng)性；但其功能性單一，摩擦面控制穩(wěn)定性差。中國(guó)專利[授權(quán)公告號(hào)CN101243998B]涉及一種多功能摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。其在搖軸型髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，將銷盤型功能集成到該試驗(yàn)機(jī)上，使得單臺(tái)試驗(yàn)機(jī)具有較強(qiáng)的兼容性和改進(jìn)功能，易于拆卸和操作；但由于該試驗(yàn)機(jī)在設(shè)計(jì)原理上并沒(méi)有進(jìn)行改進(jìn)，雖增加了測(cè)試功能，但對(duì)調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其生物摩擦學(xué)性能影響方面卻無(wú)提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足(球頭自轉(zhuǎn)速度與錐面旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)聯(lián)性及錐面旋轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)不便)，本發(fā)明的目的在于對(duì)其旋轉(zhuǎn)中心機(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)裝置)在設(shè)計(jì)原理上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出了一種能夠無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)球頭的自轉(zhuǎn)速度和錐面旋轉(zhuǎn)速度，并方便調(diào)節(jié)錐面旋轉(zhuǎn)角度的人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)。能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)，其技術(shù)方案包括載荷機(jī)構(gòu)、扭矩測(cè)試儀、相配裝的下方球頭和上方臼杯以及球頭旋轉(zhuǎn)裝置，所述載荷機(jī)構(gòu)設(shè)于載荷平臺(tái)上，所述臼杯通過(guò)扭矩測(cè)試儀向上連接載荷機(jī)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是所述球頭旋轉(zhuǎn)裝置包括旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸和旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸，所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸于球頭下方通過(guò)中層平臺(tái)上的Ⅰ軸上軸承位和下層平臺(tái)上的Ⅰ軸下軸承位垂直安裝，所述旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸斜向設(shè)于旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸旁，旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸的上端連接球頭，旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸的下端于斜臺(tái)上的Ⅱ軸軸承位安裝，所述斜臺(tái)于旋轉(zhuǎn)盤上安裝，所述旋轉(zhuǎn)盤同軸空套于旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸并通過(guò)中層平臺(tái)上的轉(zhuǎn)軸軸承位安裝，旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸和旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸之間由相互嚙合的錐形齒輪和圓柱齒輪連接，所述錐形齒輪安裝于旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸上，所述圓柱齒輪安裝于旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸上。上述結(jié)構(gòu)中，所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸通過(guò)錐形齒輪——圓柱齒輪——旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸的運(yùn)動(dòng)傳遞，實(shí)現(xiàn)球頭的自轉(zhuǎn)；所述旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸在旋轉(zhuǎn)盤的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)球頭于錐面上的旋轉(zhuǎn)。所述旋轉(zhuǎn)盤的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可采用旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機(jī)帶動(dòng)的皮帶輪傳動(dòng)副，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，此時(shí)的旋轉(zhuǎn)盤作為皮帶輪傳動(dòng)副中的從動(dòng)皮帶輪使用。所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可采用旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸電機(jī)帶動(dòng)的皮帶輪傳動(dòng)副。所述斜臺(tái)的斜角度數(shù)選擇為16°～30°，即可更換不同斜角度數(shù)的斜臺(tái)，配合更換不同錐度配合的錐形齒輪和圓柱齒輪，以改變球頭的錐面旋轉(zhuǎn)角度。大多數(shù)情況下，所述斜臺(tái)的斜角度數(shù)優(yōu)選27°。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下突出效果：本發(fā)明人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)在分析傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，將旋轉(zhuǎn)中心機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作用進(jìn)行創(chuàng)新性機(jī)構(gòu)分離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)髖關(guān)節(jié)球頭自轉(zhuǎn)速度的無(wú)級(jí)調(diào)速；同時(shí)采用不同的機(jī)構(gòu)模塊和裝配實(shí)現(xiàn)球頭旋轉(zhuǎn)錐形角調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不同年齡、地域及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等復(fù)雜工況的摩擦性研究，使得人工髖關(guān)節(jié)摩擦性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步接近真實(shí)工況。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明一種實(shí)施方式的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1實(shí)施方式的主視圖。圖3是圖1實(shí)施方式的中心機(jī)構(gòu)主視圖。圖號(hào)標(biāo)識(shí)：1、載荷機(jī)構(gòu)；2、扭矩測(cè)試儀；3、球頭；4、臼杯；5、上層平臺(tái)；6、旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸；7、旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸；8、中層平臺(tái)；9、下層平臺(tái)；10、斜臺(tái)；11、旋轉(zhuǎn)盤；12、錐形齒輪；13、圓柱齒輪；14、旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機(jī)；15、旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸電機(jī)；16、機(jī)臺(tái)框架；17、Ⅰ軸上軸承位；18、Ⅰ軸下軸承位；19、Ⅱ軸軸承位；20、轉(zhuǎn)盤軸承位。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖所示實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗(yàn)機(jī)包括基于機(jī)臺(tái)框架16的前側(cè)豎直框板安裝的上層平臺(tái)5、中層平臺(tái)8和下層平臺(tái)9，所述上層平臺(tái)5上方設(shè)有載荷機(jī)構(gòu)1，所述載荷機(jī)構(gòu)1的中心軸貫通(間隙配合)上層平臺(tái)5，載荷機(jī)構(gòu)1與上層平臺(tái)5通過(guò)機(jī)臺(tái)框架16的限位孔道進(jìn)行旋轉(zhuǎn)限制，上層平臺(tái)5下方設(shè)有相配裝的下方球頭3和上方臼杯4，所述臼杯4通過(guò)扭矩測(cè)試儀2連接載荷機(jī)構(gòu)1的中心軸(定位螺釘?shù)倪B接方式)，所述球頭3向下連接球頭旋轉(zhuǎn)裝置，如圖1、圖2、圖3所示。所述球頭旋轉(zhuǎn)裝置包括旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6和旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7以及驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6和旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6于球頭3的下方垂直設(shè)置，并通過(guò)中層平臺(tái)8上的Ⅰ軸上軸承位17(設(shè)于旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6與中層平臺(tái)8之間的滾動(dòng)軸承)和下層平臺(tái)9上的Ⅰ軸下軸承位18(滾珠軸承和平面滾針軸承)垂直安裝(旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6與載荷機(jī)構(gòu)1的中心軸同軸線)，旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6頂部同軸安裝(直齒)錐形齒輪12，旋轉(zhuǎn)盤11設(shè)于中層平臺(tái)8上并通過(guò)轉(zhuǎn)盤軸承位20(設(shè)于旋轉(zhuǎn)盤11與中層平臺(tái)8之間的向心滾針軸承和平面滾針軸承)定位安裝，所述旋轉(zhuǎn)盤11的中心孔套裝于旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6；所述旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7斜向設(shè)于錐形齒輪12旁，旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7的上端通過(guò)定位螺釘連接球頭3，旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7的下端通過(guò)斜臺(tái)10上的Ⅱ軸軸承位19(設(shè)于旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7與斜臺(tái)10之間的滾珠軸承和平面滾針軸承)定位安裝，所述斜臺(tái)10安裝在旋轉(zhuǎn)盤11上端面的外圍圓周上，與錐形齒輪12位置對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7上同軸固裝(直齒)圓柱齒輪13，所述(直齒)圓柱齒輪13與(直齒)錐形齒輪12嚙合，(直齒)錐形齒輪12的錐角與斜臺(tái)10的斜角度數(shù)相同，斜臺(tái)10的斜角度數(shù)決定了旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6與旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7的夾角度數(shù)，更換不同斜角角度的斜臺(tái)10，可以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6與旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7的夾角度數(shù)為16°～30°(優(yōu)選斜角角度為27°)，如圖1、圖2、圖3所示。所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸電機(jī)15帶動(dòng)的皮帶輪傳動(dòng)副，所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸電機(jī)15安裝于機(jī)臺(tái)框架16的前、后側(cè)豎直框板之間的下部，皮帶輪傳動(dòng)副中的主動(dòng)皮帶輪安裝于旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸電機(jī)15的輸出軸上，從動(dòng)皮帶輪安裝于中、下層平臺(tái)8、9之間的旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6上，所述主、從動(dòng)皮帶輪之間由皮帶連接，如圖2、3所示。所述旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機(jī)14帶動(dòng)的皮帶輪傳動(dòng)副，所述旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機(jī)14安裝于機(jī)臺(tái)框架16的前、后側(cè)豎直框板之間的上部，皮帶輪傳動(dòng)副中的主動(dòng)皮帶輪安裝于旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機(jī)14的輸出軸上，從動(dòng)皮帶輪用旋轉(zhuǎn)盤11替代(旋轉(zhuǎn)盤11的圓周面上開(kāi)設(shè)皮帶槽)，主動(dòng)皮帶輪與旋轉(zhuǎn)盤11之間由皮帶連接，如圖2、3所示。本發(fā)明的運(yùn)行方式：1、所述旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機(jī)14帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤11進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)，使得旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7上固定的球頭3繞錐面旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機(jī)14控制旋轉(zhuǎn)速度。2、所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸電機(jī)15帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸6旋轉(zhuǎn)，(直齒)錐形齒輪12同步旋轉(zhuǎn)，(直齒)錐形齒輪12帶動(dòng)(直齒)圓柱齒輪13轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)球頭3的自轉(zhuǎn)，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸電機(jī)15控制其自轉(zhuǎn)速度和方向。3、上述兩種運(yùn)動(dòng)方式的協(xié)同工作，從而完成人工髖關(guān)節(jié)摩擦性能測(cè)試試驗(yàn)。