新型多功能摩擦試驗機的設計分析

蔣 藝 黃小妹 閆普選 王夢沂*

（桂林電子科技大學 材料科學與工程學院，廣西 桂林541004）

隨著人們生活水平的不斷提高，對于髖關(guān)節(jié)疾病的治療，置換人工髖關(guān)節(jié)是治療的方法之一，然而置換關(guān)節(jié)的假體在人體中的壽命長短和損傷是假體失效的重要原因之一，因此借助人工髖關(guān)節(jié)摩擦模擬試驗機來模擬置換關(guān)節(jié)假體在人體內(nèi)的實際工況、研究假體材料的強度壽命、摩擦磨損和蠕變等性能，是摩擦試驗機在該領(lǐng)域中的重要應用[1]。然而傳統(tǒng)人工髖關(guān)節(jié)摩擦模擬試驗機因其局限性在假體測試工況范圍上存有不足，因此亟需一種新型摩擦試驗機來完成優(yōu)化，所以本文提出了一種基于無級調(diào)速的多功能摩擦試驗機，這對醫(yī)療器械行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 新型多功能摩擦試驗機設計理念

1.1 傳統(tǒng)摩擦試驗機的局限性

髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機按模擬運動方式可分為三類，其包括銷盤型、擺軸型及多軸型。銷盤型是通過圓盤與銷狀試樣之間形成的相對滑動來研究材料摩擦潤滑性能；多軸型是將不同軸系形成的單個運動進行合成來模擬人工髖關(guān)節(jié)的運動形態(tài)；擺軸型是依靠基座與斜面底座之間的相對運動來模擬髖關(guān)節(jié)三個不同平面的擺動動作[2]。

目前市場應用較多的摩擦試驗機有三大類，第一種中國專利［授權(quán)公告號CN101975707B］涉及一種基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機，該結(jié)構(gòu)在零件上有了很大的改進，運用了傳統(tǒng)機械零件，而將價格高昂的進口電動缸去除，降低了試驗成本和機臺適應性；但其功能性單一，摩擦面控制穩(wěn)定性差。第二種中國專利［授權(quán)公告號CN101243998B］涉及一種多功能摩擦學實驗裝置的設計，雖增加了測試功能，但調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其生物摩擦學性能影響方面卻無提高。第三種美國專利［授權(quán)公告號US6199424B1］涉及一種適應橡膠及胎面的銷盤摩擦試驗機，雖然能夠調(diào)節(jié)滑動速率、接觸壓力、方向及接觸面來測試更為復雜工況，但其接觸和運動方式與人工髖關(guān)節(jié)的運動方式差別較大。而球頭自轉(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)不方便是當前傳統(tǒng)摩擦試驗機的局限所在，因此需要提出一種新型多功能摩擦試驗機設計方案，以此優(yōu)化這些不足。

1.2 新型多功能摩擦試驗機設計提出

針對現(xiàn)有摩擦試驗機技術(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），對其旋轉(zhuǎn)中心機構(gòu)（旋轉(zhuǎn)裝置）在設計原理上進行創(chuàng)新設計，提出了一種能夠無級調(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)角度的新型人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機。

新型人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機在分析傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機的旋轉(zhuǎn)中心機構(gòu)設計原理基礎上，將旋轉(zhuǎn)中心機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作用進行創(chuàng)新性機構(gòu)分離，從而實現(xiàn)對髖關(guān)節(jié)球頭自轉(zhuǎn)速度的無級調(diào)速；同時采用不同的機構(gòu)模塊和裝配實現(xiàn)球頭旋轉(zhuǎn)錐形角調(diào)節(jié)，從而適應不同年齡、地域及運動狀態(tài)等復雜工況的摩擦性研究，使得人工髖關(guān)節(jié)摩擦性能測試結(jié)果進一步接近真實工況。本次設計在解決上述問題的同時，還實現(xiàn)了無級調(diào)節(jié)球頭的自轉(zhuǎn)速度和錐面旋轉(zhuǎn)速度，方便調(diào)節(jié)錐面旋轉(zhuǎn)角度，如圖1所示為優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 傳統(tǒng)摩擦試驗機與本設計方案優(yōu)化的示意圖

2 新型多功能摩擦試驗機工藝方案

2.1 主要系統(tǒng)構(gòu)成

新型多功能摩擦試驗機主要由載荷機構(gòu)、扭矩測試、球頭、球碗臼杯和下方球頭旋轉(zhuǎn)裝置構(gòu)成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。圖2（1）是本發(fā)明實施例人工髖關(guān)節(jié)置摩擦試驗機三維圖；圖2（2）是本發(fā)明實施例人工髖關(guān)節(jié)置摩擦試驗機主視圖；圖2（3）是本發(fā)明實施例人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機中心機構(gòu)主視圖；圖2（4）是本發(fā)明實施例人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機中心機構(gòu)主視圖的局部放大如圖2（3）a；圖2（5）是本發(fā)明實施例人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機中心機構(gòu)主視圖的局部放大如圖2（3）b；圖2（6）是本發(fā)明實施例人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機中心機構(gòu)主視圖的局部放大如圖2（3）c。

2.2 電機選用

在本文設計的新型多功能摩擦試驗機中，電機是試驗機的核心元件，涉及到無級調(diào)試系統(tǒng)的運行體系。對于電動機選擇第一是匹配負載和位置的要求，其次要考慮經(jīng)濟因素、例如價格和維護成本[3]。本文選擇的電機必須滿足往復式活塞、端面和銷形墊圈的三個運行條件。對發(fā)動機啟動扭矩和低速性能要求不多。因此，電動機功率的選擇基于端面和銷釘墊圈之間的摩擦副的測試要求。在具體參數(shù)選擇上，以假體材料機械密封作為端面摩擦的試驗對象，其動靜環(huán)接觸面內(nèi)徑為42mm，接觸面寬度為6mm。

在上式中，F(xiàn)N為試驗正壓力（單位：N）；f 為端面摩擦系數(shù)；Rm為端面平均半徑（單位：mm）；nd為旋轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)速（單位：r/min）。

在對最大試驗載荷以及轉(zhuǎn)速計算上，通過上述公式以及內(nèi)徑與寬度則可以得到FN=500N；nd=3000r/min；本次設計選擇摩擦系數(shù)f=0.1；端面半徑為25mm，則可以計算出Q=0.392KW。按銷盤試驗設計的最大線速度νmax及可測摩擦力fmax進行電機的選取，最后根據(jù)Qmax=fmaxνmax=0.75KW。在本次設計中，還需要考慮同步傳動以及軸承間的傳動損失，設總效率為0.97，則為了滿足最大轉(zhuǎn)速3000r/min 就需要選擇YE2-80M2-2 三相異步電機，該電機額定功率為1.1KW，扭矩為0.32N·m，基本滿足本次設計需求。

2.3 傳動設計

根據(jù)最大轉(zhuǎn)速和同步電動機速度，在旋轉(zhuǎn)的主軸和電動機之間使用傳動比為1.1 的同步傳動裝置[4]。在同步皮帶傳動中，皮帶與皮帶輪之間沒有打滑，傳動比精確恒定。另外，大大小小的同步輪也可以用作手輪，這使得測試機在摩擦副測試過程中運行更加平穩(wěn)。基本傳動運行方式如下：

2.3.1 旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機14 帶動旋轉(zhuǎn)盤11 進行周向旋轉(zhuǎn)，使得旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7 上固定的球頭3 繞錐面旋轉(zhuǎn)，并通過旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機14 控制旋轉(zhuǎn)速度。

2.3.2 所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸電機15 帶動旋轉(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（直齒）圓柱齒輪13轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸7 轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)球頭3 的自轉(zhuǎn)，并通過旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸電機15 控制其自轉(zhuǎn)速度和方向。

2.3.3 上述兩種運動方式的協(xié)同工作，從而完成人工髖關(guān)節(jié)摩擦性能測試試驗。

2.4 其他部件設計

2.4.1 軸。軸的結(jié)構(gòu)主要取決于軸的承載性質(zhì)、大小、方向以及傳動布置方案、軸上零件的布置與固定方式、軸承的類型與尺寸，還有制造經(jīng)濟性等。

2.4.2 主軸架。在本次新型多功能試驗機中，主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝在主軸支撐板上，主軸穿過測試臺，為一對齒輪供電。因此，主軸和試驗臺的垂直度有很高的要求。在上層平臺上，對支撐板的表面進行處理以確保支撐板和測試臺的垂直度，然后將主軸支架安裝在支撐板的表面上，確保傳動軸與測試臺垂直。

3 多功能摩擦試驗機的創(chuàng)新性

在本次創(chuàng)新設計中，無級調(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)角度的新型人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機，是將其旋轉(zhuǎn)中心機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作用進行創(chuàng)新性機構(gòu)分離，從而實現(xiàn)對髖關(guān)節(jié)球頭自轉(zhuǎn)速度的無級調(diào)速；同時采用不同的機構(gòu)模塊和裝配實現(xiàn)球頭旋轉(zhuǎn)錐形角調(diào)節(jié)，進而適應不同年齡、地域及運動狀態(tài)等復雜工況的摩擦性研究，使得人工髖關(guān)節(jié)摩擦性能測試結(jié)果進一步接近真實工況，完成對無級調(diào)試的優(yōu)化。

4 結(jié)論

如今我國人口趨于老齡化，關(guān)節(jié)疾病隨著年齡的增大會慢慢的涌現(xiàn)，如髖關(guān)節(jié)炎等疾病，對于人工關(guān)節(jié)摩擦實驗機的需求也日益增加，并且對人工髖關(guān)節(jié)假體質(zhì)量要求也更加嚴格。因此本文在對設計理念進行闡述后，從系統(tǒng)組成構(gòu)造、電機的選用、傳動設計以及其它部件設計完成工藝流程方案分析，最后分析了無級調(diào)速、節(jié)省成本以及適用性強等優(yōu)點，以期對醫(yī)療企業(yè)行業(yè)有所幫助。