電控腰間盤突出矯正墊片的設計＊

張良，孔偉國，許康，王澤宇，黃鵬程

電控腰間盤突出矯正墊片的設計＊

張良，孔偉國，許康，王澤宇，黃鵬程

（蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104）

為治療腰間盤突出，設計了一種電控腰間盤突出矯正墊片。設計電控腰間盤突出矯正墊片動作方案，選擇螺桿及墊片的材料，計算傳動裝置參數，對轉軸轉動結構、支架機構、螺母滑塊結構進行設計，并對電控腰間盤突出矯正墊片進行裝配，實現自動化功能。

電控；腰間盤突出矯正；動作方案；結構設計

據調查，中青年人椎間盤突出癥發病率相當高，特別是在第一骶椎與第五腰椎或第四腰椎與第五腰椎之間有95%發病率[1]。臨床上治療這種疾病的方法很多，主要有手術治療和非手術治療。非手術治療以其安全、簡單、無痛、有效等特點得到廣泛應用。非手術治療基本都是采用機械力來牽拉椎間隙，達到減輕腰間盤內壓的目的，從而減輕對神經的壓迫，消除神經的炎癥，緩解癥狀，臨床醫學上主要有牽引床保守治療方案[2-3]。牽引原理主要是通過機械的力度牽拉椎間隙，從而減輕或減緩椎間盤的壓迫感，使突出的組織對神經的壓迫減輕和緩解，目前臨床醫學上主要的牽引工具是牽引床，但其最大的弊端是占用空間大、操作復雜、不方便收納、成本高。只有醫院具有牽引床，患者只能去醫院進行矯正治療，浪費精力和時間，造成極大的不便[4]。因此，需要設計一種操作簡單、便于攜帶、可自動調節墊片高度以適用于不同患者生理彎曲度的電控腰間盤突出矯正墊片。

1 電控腰間盤突出矯正墊片動作方案設計

牽引床的設計涉及了計算機科學、力學、機械電子工程等多個學科，其結構原理都是采用機械的力度來牽拉椎間隙，從而減輕神經壓迫，達到治療的目的。牽引療法是應用力學中作用力與反作用力之間的關系，通過牽引裝置來達到治療目的一種治療方法。社會上存在各種各樣的牽引器、牽引床，其中最核心的部位是牽引裝置，牽引床與牽引器最大區別在于體積結構、操作方法，其結構原理以及核心的部件都大致相同。

在本設計中，牽引裝置搭載在一個基體上，與動力裝置、傳動裝置組成矯正墊片系統，結構簡單、操作簡單、體積小，同時可以實現自動調節墊片高度，以適用于不同患者的生理彎曲度的功能。因此，只要其彎曲度設置得當，就可以達到矯正治療的目的。目前，主要有以下幾種牽引方案：①自身體重牽引法，在斜位條件下由患者自己的重量來起到牽拉的作用；②重錘牽引法，由重錘或者采用沙袋附加重量充當牽引力來實現；③動力牽引法，利用電動裝置等施加外力來進行牽引治療。

在電控腰間盤突出矯正墊片的設計中，采用動力牽引法和調節墊片的方式來實現牽拉力的作用。根據矯正墊片的需要，初步設計運動及結構方案：矯正墊片主要包括基體、墊片、轉軸、螺桿、螺母塊、推板和電動機；基體呈長方體，基體上表面中部開有基體長度方向的矩形槽，基體端面兩側開有基體長度方向的兩條滑道，兩條滑道關于矩形槽對稱，滑道橫截面呈T形；滑道上配合可滑動的螺母滑塊；螺桿裝夾在矩形槽內，螺桿的軸線方向與矩形槽的長度方向一致；螺母塊通過螺紋與螺桿連接一起裝夾在矩形槽內；推板通過螺栓與螺母塊固定銜接，推板兩側與T形槽內的螺母滑塊連接；墊片一端連接在支架上的轉軸上，另一端連接在推板上的轉軸上；電動機通過聯軸器與靠近推板一端的螺桿相連，進而帶動推板作直線運動，從而調節墊片的高度。通過上述方式，本設計能夠電控調節墊片的高度，以適用于不同人群腰部的生理彎曲度。

2 零部件的選擇與計算

2.1 零件材料的選擇

腰間盤突出矯正墊片主要由螺桿、墊片、傳動裝置、旋轉裝置、基體、動力裝置及各個關節處的螺栓銜接等幾部分組成。傳動裝置中的螺桿是最核心的零件，其物理性能對矯正墊片的整體性能影響最大。矯正墊片所需要傳遞的動力不是很大，轉速較低，材料不需要熱處理。因此，45鋼即可以滿足設計要求。墊片需要實現一定的彎曲度，且要有一定的強度要求。一般傳統塑料板材不耐彎曲變形，PVC塑料板是最好的選擇。PVC塑料板不但具有傳統塑料板絕緣、質量小等優點，而且其硬度、可彎曲性也是其他塑料板無法比擬的，符合墊片的性能要求。同時良好的耐磨性、靜電消散性（ESD）、人體接觸合規性也更加符合患者日常使用。因此，采用PVC塑料板作為墊片的制作材料。

2.2 傳動裝置計算

在傳動裝置中，由于螺旋傳動是采用摩擦傳動，則螺紋工作面應滿足耐磨性條件。因此，設計時應從耐磨性考慮，假設螺桿上的軸向力均勻承受。螺桿采用45鋼，牙型角30°，梯形螺紋，線程為1。螺距取2 mm，=3。

則耐磨性計算公式為[5]：

式（1）中：a為軸向載荷；2為螺紋中徑；為螺紋接觸高度，=0.5；為螺母高度，=2。

因此：

查表得[]=50 N，[]=11～18 MPa。通過計算取值[]=15，=3，=1，所以2≥2.58 mm。由于螺桿尺寸較長，所以取2為8 mm。

絲杠傳動效率為：

=tan/tan（+v） （3）

導程角為：

=arctan（/π2） （4）

誘導摩擦角v為：

式（5）中：為牙型半角。

通過查表得摩擦系數=0.08～0.1[6]，取摩擦系數為0.1，計算誘導摩擦角v為5.91°，導程角為2.03°，絲杠傳動效率為0.254。

絲杠驅動力矩為：

計算得出絲杠驅動力矩為62.66 N·m。

校核剛度p為：

45鋼取2.1×105N/mm，取8×104N/mm2，因此計算得出校核剛度為5.16×10－4μm。