人工關(guān)節(jié)材料復(fù)合運(yùn)動(dòng)磨損測(cè)試裝置研究與開(kāi)發(fā)

華子愷，范永威，張歡歡

（上海大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072）

人工關(guān)節(jié)在服役中的主要問(wèn)題在于其磨損所引起的假體松動(dòng)失效［1-3］。因此，對(duì)于人工關(guān)節(jié)的磨損預(yù)測(cè)逐步成為關(guān)節(jié)類(lèi)產(chǎn)品上市前的強(qiáng)制檢測(cè)項(xiàng)目。目前，這類(lèi)測(cè)試主要依靠關(guān)節(jié)模擬器開(kāi)展［4-6］，對(duì)象為人工關(guān)節(jié)成品，測(cè)試過(guò)程復(fù)雜、成本高且影響因素眾多，如加工工藝影響、裝配誤差影響等。然而，在關(guān)節(jié)類(lèi)外科植入物材料的研發(fā)中，對(duì)材料磨損性能的測(cè)試而言，該類(lèi)影響因素的存在并不科學(xué)。因此，有必要在人工關(guān)節(jié)制造的初始階段及材料研發(fā)階段，對(duì)材料的摩擦磨損性能進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試與研究，主要優(yōu)點(diǎn)在于排除人工關(guān)節(jié)后道制造加工的影響，得到關(guān)節(jié)類(lèi)外科植入物材料層面的磨損性能，亦對(duì)人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)以及完善制造過(guò)程的質(zhì)量認(rèn)證體系有所幫助。

通用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)因其操作方便、低成本、樣本量大、干擾因素少等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于材料磨損性能評(píng)價(jià)之中，以銷(xiāo)／球盤(pán)試驗(yàn)為典型，且相關(guān)操作也已標(biāo)準(zhǔn)化［7］。該類(lèi)測(cè)試裝置亦曾被應(yīng)用于關(guān)節(jié)類(lèi)外科植入物材料的磨損研究中，但結(jié)果并不理想。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)人工關(guān)節(jié)在實(shí)際使用過(guò)程中承擔(dān)多個(gè)方向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)直接影響其磨損行為［8-10］，而通用裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)該類(lèi)運(yùn)動(dòng)。以聚乙烯類(lèi)關(guān)節(jié)外科植入材料磨損測(cè)試為例，傳統(tǒng)銷(xiāo)盤(pán)測(cè)試易產(chǎn)生摩擦副材料分子定向纖維化現(xiàn)象，降低樣品磨損量，其測(cè)試數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于臨床磨損情況［11-13］。因此，在對(duì)人工關(guān)節(jié)材料摩擦磨損學(xué)裝置和測(cè)試方法的研究探討方面，應(yīng)當(dāng)對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)加以考慮，即考慮復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

在復(fù)合運(yùn)動(dòng)銷(xiāo)盤(pán)試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展中，CHARNLEY在1976年首次報(bào)道了多方向摩擦學(xué)試驗(yàn)儀器［14］，其后研究人員相繼研究開(kāi)發(fā)了大容量銷(xiāo)盤(pán)型髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)型外科材料摩擦磨損試驗(yàn)裝置［15-16］。但是，由于人工關(guān)節(jié)材料具有摩擦學(xué)測(cè)試特殊性，因而導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)材料摩擦學(xué)測(cè)試而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用銷(xiāo)盤(pán)試驗(yàn)機(jī)依然較少。

本研究中，針對(duì)關(guān)節(jié)類(lèi)外科植入物材料磨損測(cè)試，通過(guò)公理設(shè)計(jì)，研發(fā)一臺(tái)復(fù)合運(yùn)動(dòng)銷(xiāo)／球盤(pán)測(cè)試裝置（MPOD），其能在不同的潤(rùn)滑條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，適用于各種實(shí)驗(yàn)材料，可實(shí)現(xiàn)摩擦副（銷(xiāo)／球盤(pán)）間相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的改變，以及摩擦力在線測(cè)量和實(shí)時(shí)采集。

1 MPOD公理化設(shè)計(jì)

公理化設(shè)計(jì)是系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，其可將最初的需求（用戶域CAs）通過(guò)設(shè)計(jì)矩陣的方式轉(zhuǎn)化為功能要求（功能域FRs）、設(shè)計(jì)要素（物理域DPs）及工藝參數(shù)。通過(guò)公理化的途徑，將設(shè)計(jì)變?yōu)楣δ苄枨笈c設(shè)計(jì)要素之間的映射過(guò)程。

在MPOD開(kāi)發(fā)中，主要功能如下：能在各種不同的潤(rùn)滑條件下實(shí)驗(yàn)；可以適用于不同的實(shí)驗(yàn)材料；可以實(shí)現(xiàn)摩擦副（銷(xiāo)／球盤(pán)）之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)改變；能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦力在線測(cè)量和實(shí)時(shí)采集。根據(jù)對(duì)該功能的概括，得到用戶需求信息（CAs），包括CA1摩擦副多方向運(yùn)動(dòng)方式；CA2參數(shù)測(cè)量；CA3加載方式的確定；CA4具有多種潤(rùn)滑方式；CA6模擬普通人的步行速度；CA7模擬人體溫度。

對(duì)于功能需求（FRs），每一個(gè)FR都應(yīng)該與其他的FR相互獨(dú)立，即在功能域中完全表征出對(duì)產(chǎn)品功能獨(dú)立需求的一個(gè)最小集。鑒于此，在設(shè)計(jì)此試驗(yàn)機(jī)時(shí)，將FR對(duì)應(yīng)的所有設(shè)計(jì)參數(shù)（DPs）都劃分為模塊化的設(shè)計(jì)單位。為了保證各個(gè)模塊間的相對(duì)獨(dú)立，分析歸納出FRs之間的潛在聯(lián)系。此外，在之后的DPs設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)遇到的問(wèn)題進(jìn)行反饋（見(jiàn)圖1）。

圖1 復(fù)合運(yùn)動(dòng)銷(xiāo)盤(pán)試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Design flow of composite motion pin on disc test machine

基本功能被歸納成3個(gè)部分：銷(xiāo)與盤(pán)之間的復(fù)合運(yùn)動(dòng)、銷(xiāo)的引導(dǎo)、可調(diào)節(jié)加載。在物理域中，MPOD分為3個(gè)模塊：運(yùn)動(dòng)合成模塊、銷(xiāo)導(dǎo)向模塊、加載模塊。表1為各個(gè)層次的FRs與對(duì)應(yīng)的DPs，在此基礎(chǔ)上，其對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)矩陣表示見(jiàn)式（1），該矩陣為解耦矩陣，因而符合獨(dú)立公理。

表1 復(fù)合運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)功能需求以及相關(guān)設(shè)計(jì)要素Tab.1 Composite motion testing machine functional FRs and related DPs

2 MPOD模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)矩陣確立以后，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要素對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，圖2為試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)。

圖2 MPOD試驗(yàn)機(jī)Fig.2 MPOD testing machine

2.1 運(yùn)動(dòng)合成模塊

運(yùn)動(dòng)合成模塊由1個(gè)運(yùn)動(dòng)盤(pán)、卡盤(pán)以及3個(gè)偏心率為5mm的曲柄組成（見(jiàn)圖3）。運(yùn)動(dòng)合成模塊的裝配方式為將卡盤(pán)固定于運(yùn)動(dòng)盤(pán)上，測(cè)試盤(pán)由卡盤(pán)夾持。有機(jī)玻璃管與測(cè)試盤(pán)密封后作為潤(rùn)滑液容器。主動(dòng)曲柄由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而形成軌跡滑動(dòng)。

通過(guò)偏心曲柄與運(yùn)動(dòng)托盤(pán)的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)合成為圓周擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，在1Hz的運(yùn)動(dòng)頻率下，該偏心距離能夠模擬髖關(guān)節(jié)步態(tài)速度（約32mm／s）。如圖4所示，測(cè)試用盤(pán)相對(duì)于銷(xiāo)的運(yùn)動(dòng)速度大小和方向隨圓周擺動(dòng)實(shí)時(shí)改變，而且其形成的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為多方向，達(dá)到了FR1的功能需求。

圖3 運(yùn)動(dòng)合成模塊實(shí)物圖及潤(rùn)滑液容器Fig.3 Physical figure of motion synthesis module and lubricant container

圖4 MPOD運(yùn)動(dòng)合成模塊示意圖Fig.4 Schematics of motion synthesis module

2.2 銷(xiāo)導(dǎo)向模塊

銷(xiāo)導(dǎo)向模塊模型（見(jiàn)圖5）的2個(gè)功能包括對(duì)摩擦力（FR21）進(jìn)行測(cè)量，以及對(duì)銷(xiāo)夾持部件進(jìn)行引導(dǎo)（FR22）。銷(xiāo)導(dǎo)向模塊的布局如下：塔式工作臺(tái)把整個(gè)模塊支撐固定于試驗(yàn)裝置機(jī)架之上；拉壓力傳感器分別從X，Y兩個(gè)方向與塔式工作臺(tái)相連接；拉壓傳感器一端與對(duì)銷(xiāo)產(chǎn)生導(dǎo)向作用的導(dǎo)向塊通過(guò)傳遞桿進(jìn)行固定。試驗(yàn)中用到的銷(xiāo)／球裝夾于夾持件中，與導(dǎo)向塊之間間隙配合，兩者之間通過(guò)內(nèi)部鍵連接予以消除摩擦力影響，并保證其縱向的自由度。通過(guò)定位螺母，可以使整個(gè)工作臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，提高樣品利用率。

圖5 銷(xiāo)導(dǎo)向模塊模型Fig.5 Schematic of the pin guiding module

2.3 加載模塊

加載模塊的功能主要是實(shí)現(xiàn)測(cè)試銷(xiāo)載荷的施加。在該模塊的設(shè)計(jì)中采用了力矩的加載方法來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷的可調(diào)。如圖6所示，其主要通過(guò)對(duì)加載棒進(jìn)行砝碼加載，從而產(chǎn)生繞轉(zhuǎn)動(dòng)桿的扭矩并作用于轉(zhuǎn)動(dòng)塊上。該力矩由固定夾傳遞給頂尖，并最終作用于銷(xiāo)導(dǎo)向模塊中的銷(xiāo)／球夾持件上。

該機(jī)構(gòu)的加載方式為力矩加載，方法如下：調(diào)節(jié)配重（砝碼）在加載桿上的位置來(lái)改變加載桿旋轉(zhuǎn)中心到頂尖的距離，從而起到改變加載力大小的效果。由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)塊另一端配重的作用是平衡系統(tǒng)原有的固有重量。該機(jī)構(gòu)的安裝方法是通過(guò)支架固定于支撐板上，由支撐桿、固定塊、支撐板構(gòu)成的支座來(lái)對(duì)加載模塊的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證銷(xiāo)導(dǎo)向模塊與頂尖的良好接觸。

為了使加載的精確性得以確保，需對(duì)加載模塊進(jìn)行標(biāo)定，利用力傳感器測(cè)量頂尖處所加的載荷，通過(guò)采集數(shù)顯表直接讀取結(jié)果。在標(biāo)定中，通過(guò)對(duì)砝碼在加載桿上不同點(diǎn)的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)檢驗(yàn)及確定加載力的放大系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，所得結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)基本符合，能夠?qū)崿F(xiàn)1︰5的加載放大。

圖6 加載模塊三維模型Fig.6 Three-dimensional model of the loading module

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)人工關(guān)節(jié)材料磨損性能測(cè)試問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種新型的復(fù)合運(yùn)動(dòng)銷(xiāo)盤(pán)型磨損測(cè)試裝置（MPOD）。借助公理化設(shè)計(jì)的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，根據(jù)獨(dú)立公理設(shè)計(jì)相應(yīng)的矩陣，分析了裝置中不同模塊組件之間的關(guān)系。根據(jù)非耦合矩陣，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)合成模塊、銷(xiāo)導(dǎo)向模塊及加載模塊的設(shè)計(jì)。該裝置基本能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)目標(biāo)。進(jìn)一步工作將對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行標(biāo)定及性能測(cè)試，探索基于該類(lèi)裝置的人工關(guān)節(jié)材料測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)。

致謝：

本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助；同時(shí)，責(zé)任作者華子愷博士特別感謝教育部博士點(diǎn)基金的部分資助、上海大學(xué)創(chuàng)新基金部分資助；對(duì)上海大學(xué)李榮先生在裝置加工制造過(guò)程中的幫助表示感謝。

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