试验机液压系统及力学试验台的研制【含CAD图纸优秀毕业课程设计论文】

购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 图书分类号： 密 级： 毕业设计 (论文 ) 生物材料动态力学实验机的研制 F 生姓名 学院名称 专业名称 指导教师 20*年 5 月 27 日 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 摘要 本课题完成了人工髋关节模拟试验机液压系统及力学试验台的研制。该试验设备主要由机械传动部分、温控系统及液压加载系统组成。试验机液压系统的特性是根据模拟人工髋关 节受力特点，可实现交流负载。该液压加载系统主要用于实现关节头试件的前进、后退及载荷的施加。实验台的工作原理是将股骨头和髋臼部件试样按照其正常位置安装于试验台上，通过试验装置使两者之间产生规定的随时间变化的负载。该液压系统及试验台设计时考虑的主要因素是如何实现交流加载特征（交流液压站），使其提供的载荷能在试验室环境中正确模拟人体髋关节的实际受力工况，以使试验机产生的运动形式与人工关节实际使用条件相一致，从而可以准确、可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数，为临床应用提供指导性试验数据。 关键词 人体 髋关节；模拟实验；液压加载系统 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) he a of of of of on of of is to is to in to C it in in so of of of of of to of to a 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 目 录 摘要 . I . 绪论 . 1 言 . 1 工髋关节模拟试验机的分析与研究 . 1 工髋关节假体材料的性能要求 . 1 课题研究内容拟解决的主要问题 . 2 2 髋关节结构及运动分析 . 3 体髋关节结构 . 3 关节运动分析 . 3 工髋关节结构 . 6 验机的工作原理 . 6 3 液压系统设计 . 8 压加载系统的设计流程 . 8 压加载系统的工作原理 . 8 压加载系统的回路设计 . 8 压系统的参数计算 . 9 压缸主要参数的确定 . 9 压泵的性能参数计算 . 11 压元件的选择 . 12 制阀的选择 . 12 助元件的选择 . 14 4 液压缸主要零部件设计 . 15 筒 . 15 筒结构 . 15 筒材料 . 15 筒计算 . 16 塞 . 18 塞结构 . 18 塞与活塞杆 的连接形式 . 18 塞的密封 . 18 塞材料 . 20 塞尺寸及加工公差 . 20 塞杆 . 20 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 活塞杆结构 . 20 塞杆的材料和技术要求 . 21 塞杆的计算 . 21 5 液压站的设计 . 23 压泵站 . 23 压 泵站的类型选择 . 23 压油箱及其附件 . 23 箱的用途与分类 . 23 箱的构造与设计要点 . 23 箱的容量及计算 . 24 准油箱的规格及外形尺寸 . 25 路板的设计 . 26 式集成的结构特征 . 26 路板的设计要点 . 26 路板设计说明 . 26 结论 . 30 致谢 . 31 参考文献 . 32 充值后就可以下载此设计说明书。全套资料包含有相应的 明书（附带：外文翻译）和 纸（共计 9 张图 纸）。 需要全套资料的朋友请 加 1： 1459919609 或 2： 1969043202， 需要其他设计题目直接联系！ 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 1 1 绪论 言 人工关节是模拟人体关节制成的植入性假体，以代替病变或损伤的关节并恢复其功能。人工关节的研制、开发是一门跨领域的交叉学科，涉及到材料学、力学、生物学、成型技术和医疗等多门学科的知识，需要多方面的科研人员不断探索。其中，对人工关节生物摩擦学特性的研究由于直接关系到置换关节的使用质量和临床寿命而备受人瞩目。人体关节属于身体活动的连接机构，接触界面间必然发生相对滑动，因此会 产生摩擦、磨损和润滑等摩擦学问题。摩擦副结构设计、材料选择、摩擦磨损特性评价以及摩擦过程、磨损机理的研究都需要进行摩擦学试验。由于摩擦磨损测试涉及整个摩擦学系统，试验时外部因素（接触方式、运动类型、载荷、速度、温度、时间、介质及环境气氛等）和内部因素（材料性质、表面状态、润滑剂性能等）改变时都会导致测试结果发生变化。近期的研究工作已证明人工关节磨损时产生的磨损颗粒与置换关节的无菌性松动有直接关系。因此，积极开展人工关节生物摩擦学特性方面的研究，掌握置换关节材料在生物机体环境内的摩擦磨损行为规律，在人工关节的 开发中引入摩擦学设计（包括基于生物力学的关节配副载荷最小化研究、假体固定的微动摩擦学行为研究和关节材料磨损颗粒生成机理及有效识别等），对于提高人工关节的使用质量，延长其临床寿命和减轻患者痛苦具有重要的现实意义。 工髋关节模拟试验机的分析与研究 人工关节的磨损，尤其是人工髋关节的磨损，是一个重要的临床问题。人工关节的磨损不仅能造成关节假体本身的破坏而引起机械性失效，还会产生大量磨损颗粒引导假体周围骨溶解。 1965年以来，研究者相继开发关节模拟实验装置，曾采用销盘磨损实验、环盘磨损实验、四球磨损实验 及块环磨损实验等，但实验设备由于结构限制无法进行全尺寸关节副摩擦实验，而且在试件偶副接触方式提供的运动形式以及载荷性质上，都与关节的实际工况相距甚远。因此，要求新的模拟试验机在实验室环境中能够更真实地模拟人体髋关节的运动情况及运动环境，为不同髋关节材料的临床应用提供较为准确可靠的试验数据。 困扰关节模拟试验机发展的一个重要因素是试验机工位太少。大多数试验机在一次试验过程中只能容纳一个关节摩擦副，在这种试验设备上完成 2 106 3 106转（相当于关节假体在病人体内 2 3年的运动量）的试验工作需要 2 3个月的 时间。针对这一问题，研究者提出了多工位试验机的概念。到目前为止，有各种多工位试验机乃至 100工位的试验机在研究中使用。多工位试验机可同时进行多副人工关节偶件对比试验，因此试验周期短，对试验数据的对比分析可靠度高。 工髋关节假体材料的性能要求 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 2 人体髋关节是受力复杂的负重关节 , 同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及反复疲劳、磨损的综合作用 , 每年要承受 100 300万次循环的体重负荷 , 并且由于其长期植入体内 , 要经受体液的腐蚀作用。鉴于特殊的使用环境 , 对髋关节假体材料的性能提出了很高的要求。临床 医学认为 , 人工髋关节作为植入器官应具备以下几项性能 : (1)生物相容性。生物组织相容性要求髋关节假体材料不能对周围组织产生毒副作用 , 组织对植入材料无排斥反应 ; 生物力学相容性要求髋关节假体材料的弹性模量、强度和韧性与人的皮质骨相匹配 , 在负载情况下 , 髋关节假体与所接触的组织所发生的形变要彼此协调 , 并且植入期间假体材料与周围的骨组织结合良好 , 不发生松动和下沉 ; (2)生物摩擦学性能。要求髋关节假体材料的摩损率低 ,磨损颗粒数量少且对人体组织无不良影响 ; (3)抗腐蚀、耐疲劳性能。要求髋关节假体材料在人 体环境中经受化学腐蚀和电化学腐蚀而不失效 , 在人体循环疲劳作用下不损伤 ; (4)制备工艺和服役寿命。要求髋关节假体材料易于合成和制造 , 便于批量生产和质量检测 , 设计服役寿命应达到 10 20年。 各种人工髋关节材料都在不断的发展和完善之中 , 但都存在各自的不足之处。要进一步改善材料的功能适应性 , 延长其服役寿命 , 提高我国人工髋关节置换术的水平 , 还有诸多研究工作需要完成。 (1)髋关节假体材料的表面改性是未来研究的热点 , 需要不断探索新的表面改性方法 ,在材料表面合理设计梯度功能涂层以及智能化涂层是极具潜力的 发展方向 ; (2) 对人体髋关节生物摩擦行为和润滑机理进行研究 , 正确掌握髋关节的运动方式和磨损规律 , 并有针对性的开展仿生设计 ; (3) 完善髋关节假体材料性能评价 体系。 课题研究内容拟解决的主要问题 本设计是 根据人类行走时下肢关节的运动特点，结合医学中对人体关节、骨骼力学性能试验的要求，研制一套 人工髋关节模拟试验机液压系统及力学试验台 。液压系统设计时考虑的主要因素是如何实现交流加载特征（交流液压站），使其提供的载荷能在试验室环境中正确模拟人体下肢关节的实际受力工况，以使试验机产生的加载形式与人 体关节实际使用条件相一致。力学试验台可以在试验室环境中准确、可靠地测试生物材料的各项特性参数，为临床应用提供指导性试验数据。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 3 2 髋关节结构及运动分析 体髋关节结构 人体髋关节结构髋关节位于人体中部，是人体中最重要的关节之一，图 2 图 2体髋关节结构示意图 髋关节由股骨头与髋臼相对构成，属于杵臼关节。髋臼内仅月状面被覆关节软骨，髋臼窝内充满脂肪，可随关节内压的增减而被挤出或吸入，以维持关节内压的平衡。在髋臼的边缘有关节盂缘附着。加深了关节窝的深度。在髋臼 切迹上横架有髋臼横韧带，并与切迹围成一孔，有神经、血管等通过。关节囊厚而坚韧，上端附于髋臼的周缘和髋臼横韧带，下端前面附于转子间线，后面附于转子间嵴的内侧（距转子间嵴约 1 厘米处），因此，股骨颈的后面有一部分处于关节囊外，而颈的前面则完全包在囊内。所以股骨颈骨折时，根据其骨折部位而有囊内、囊外或混合性骨折之分。髋关节周围有韧带加强，主要是前面的髂股韧带，长而坚韧，上方附于髂前下棘的下方，呈人字形，向下附于股骨的转子间线。髂股韧带可限制大腿过度后伸，对维持直立姿势具有重要意义。此外，关节囊下部有耻骨囊韧带增强， 可限制大腿过度外展及旋外。关节囊后部有坐骨囊韧带增强，有限制大腿旋内的作用。关节囊的纤维层呈环形增厚，环绕股骨颈的中部，称为轮匝带，能约束股骨头向外脱出，此韧带的纤维多与耻骨囊韧带及坐骨囊韧带相编织，而不直接附在骨面上。股骨头韧带为关节腔内的扁纤维束，主要起于髋臼横韧带，止于股骨头凹。韧带有滑膜被覆， 内有血管通过。一般认为，此韧带对髋关节的运动并无限制作用。 关节运动分析 髋关节为多轴性关节，能作屈伸、收展、旋转及环转运动。但由于股骨头深嵌在髋臼中，髋臼又有关节盂缘加深，包绕股骨头近 2/3，所以 关节头与关节窝二者的面积差甚小，徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 4 故运动范围较小。加之关节囊厚，限制关节运动幅度的韧带坚韧有力，因此，该关节的稳固性大 ， 而灵活性则甚差。这种结构特征是人类直立步行，重力通过髋关节传递等机能的反映。当髋关节屈曲、内收、内旋时，股骨头大部分脱离髋臼抵向关节囊的后下部，此时若外力从前方作用于膝关节，再沿股骨传到股骨头，易于发生髋关节后脱位。 考虑到关节置换病人的特殊性，此处仅讨论人体正常行走时股骨头在髋臼中的运动轨迹。据此，首先分析得出人体行走时，髋关节所做的几种运动： 图 2收 /外展、内外旋运动 图 2伸展运动 说明： 1 负载轴； 2 屈曲 /伸展运动角度； 3 内收 /外展运动角度； 4 内 /外旋运动角度； 5 髋臼部分的极轴； L 髋臼部分极轴与负载力线的夹角； N 髋臼基底平面与负载力线的夹角，一 般为 57o 63o； ； P 当内收 /外展运动处于中间位置时，股骨柄与负载力线间的夹角； 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 5 1) 内收 /外展运动 (: 如图 2示的髋臼部分与股骨部件间的相对角运动。 2) 屈曲 /伸展运动（ : 如图 2示的髋臼部分与股骨部件间的相对角运动。 3） 内 /外旋运动（ : 如图 2示的髋臼部分与股骨部件间的相对角运动。 4) 极轴（ : 指通过髋臼部分内球面中心并垂直于髋臼凸缘平面的轴；如果髋臼没有凸缘，则是指通过款就部件内球面中心并垂直于髋臼基；底平面的轴。 结合实际参照资料，根据 体正常行走时，髋关节在一个步态中的主要运动角度变化如图 2 变化幅度为 0 46； 变化幅度同为0 12； 位相差 /2； 在足跟离地前 节弯曲度达到最大；脚尖离地前 节拉伸度达到最大（ 位：秒）。一个运动周期内股骨部件各角运动变化角度如下表 2 表 2个运动周期内股骨部件各角运动变化 一个运动周期内股骨部件各角运动变化 所占一个运动周期时间的比例（ %） 1% 0 21 50 62 100 屈曲角（ +）或伸展角（ -）（ o） 3o 25 25 内收角（ +）或外展角（ -）（ o） 3o 3 7 内旋角（ +）或外展角（ -）（ o） 3o 2 据图 2用计算机模拟技术对髋关节摩擦面上随机选取点的运动轨迹进行了相应计算，其结果如图 2以看出，这些点的运动轨迹很不规则，大致上呈椭圆形，且轨迹形状随选取点在球体上位置的不同而有所变化。这一结果表明，天然髋关节间的相对运动为交叉状、多方向性复合滑动摩擦。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 6 图 2体步态运动步行图 图 2取点的滑动轨迹 图 工髋关节结构 人工髋关节假体仿照人体髋关节的结构，将假体柄部插入股骨髓腔内，利用头部与关节臼或假体金属杯形成旋转，实现股骨的曲伸和运动。 图 2天然髋关节相对应，人工关节也分为股骨球头和关节臼窝。为完成人体必需的运动及加工工艺的需要，人工关节联接部分做成凸球凹球形式。 产品根据临床需要，头部直径分为 3852隔 2 图 2工髋关节 实物照片 验机的工作原理 人工髋关节模拟试验机的工作原理是将股骨头和髋臼部件试样按照其正常位置安装于实验台上，通过试验装置使两者之间产生规定的随时间变化的负载及相对角运动，股骨头试件由夹具夹持固定于试验机主轴上，试验时载荷的施加由加载油缸完成。向加载油缸的上腔输入压力油，活塞杆将向下移动，并通过花键轴带动关节头试件压向臼杯试件。利用液压系统调节液压油的压强，可满足试验时不同载荷要求。图 2 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 7 图 2工髋关节模拟试验机实物照片 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 8 3 液压系统设计 压加载系统的设计流程 分析人体髋关节受力状况，模拟关节头试件的前进、后退及载荷的施加，通过对一系列参数和指标的分析，提出运用液压系统来实现关节头的前进、后退的思想，其设计流 程图如图 3 图 3压系统设计流程图 压加载系统的工作原理 试验机的液压加载系统主要用于实现关节头试件的前进、后退及载荷的施加，其工作原理图如图 3压系统工作时，活塞杆的前进、后退主要由三位四通电磁换向阀控制。 活塞杆前进时 ,三位四通电磁换向阀处于左位，此时进油路线为：油泵三位四通电磁换向阀油缸上腔；回油路线为：油缸下腔三位四通电磁换向阀油箱； 活塞杆后退时，三位四通电磁换向阀处于右位，此时进油路线为：油泵三位四通 电磁换向阀油缸下腔；回油路线为：油缸上腔三位四通电磁换向阀油箱； 三位四通电磁换向阀处于中位时，油泵卸载，油缸不动。 压加载系统的回路设计 试验时，开启电机并将三位四通电磁换向阀置于左位，活塞杆向下移动并带动上试件（关节头）压向下试件（关节窝）。当两试样接触时，调节电磁比例溢流阀并观察压力表使油压满足试验条件要求。试验结束后，首先将三位四通电磁换向阀置于中位。由于该阀中位机能为 时液压泵出油口油液直接回油箱卸载。蓄能器为了保持压力稳定，会向保压系统供油、补偿系统泄漏。然后将三位四通电磁 换向阀置于右位，开启电机，油泵输出压力油推动活塞上移并带动上试件后退。 分析人体髋关节受力、运动状况 模拟关节头的前进、后退时载荷的施加 确定关节头步进顺序，设计液压系统原理图 根据液压系统原理图，合理选择液压元件 复检并改善此液压系统 提出用液压系统实现控制 检查 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 9 1 - 油 箱 2 - 过 滤 器 3 - 单 作 用 叶 片 泵 4 - 电 动 机5 - 单 向 阀 6 - 溢 流 阀 7 - 三 位 四 通 电 磁 换 向 阀 8 - 压 力 表 开 关9 压 力 表 1 0 - 加 载 油 缸 1 1 - 电 磁 比 例 溢 流 阀 1 2 - 蓄 能 器图 3压系统原理图 压系统的参数计算 压缸主要参数的确定 (1) 液压缸工作压力的确定 已知最大实验载荷 P=1t， 最大压强 按照初定值取缸的工作压力为 6 (2) 液压缸内径尺寸的确定 以无活塞杆侧作为液压缸的进油腔，则 146 100 0041031 式 （ 式中： D 缸筒 内径 ， p 液压缸工作压力， 1F 实验载荷， N； 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 10 按 2348 1993将所计算的 0 。 (3) 活塞杆直径的确定 由上知 D = 50 1 式 （ 式中： d 活塞杆直 径 ， 速比，根据压力， 按 表 3 表 3压缸安全系数 公称压力 10 20 2 22 由所定工作压力 取 0 按 2348 1993将所计算的 d 圆整到相近的标准直径，得 5 。 (4) 活塞的理论推力和拉力 0 00 04 21 式（ 5 00)d(4 222 式（ (5) 活塞的最大允许行程 活塞行程 S，在初步确定时，主要是按实际工作需要的长度来考虑，但这一工作行程并不一定是液压缸的稳定性所允许的行程。为了计算行程，应首先计算出活塞杆的最大允许计算长度为活塞杆一般为细长杆。 当 10 15） d 时，由欧拉公式推导出 ： 式（ 式中： I 活塞杆横截面惯性距， 圆截面 4 40 . 0 4 964d 活塞杆直径， n 液压缸末端条 件 系数 ； 活塞杆弯曲失稳临界压缩力， N； F 活塞杆的纵向压缩力， N； 安全系数，通常6； 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 11 E 材料的弹性摸数，钢材的 25 /101.2 ； 将数据代入并简化后 1 0 6 9 m =125不会出现确定的行程与设计的活塞杆直径相矛盾，达不到稳定的要求 ，因此 无须对活塞杆进行修正。 (6) 缸筒 长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的 20 30倍。 即： L （ 20 30） D 式（ 1000 1500 式中： L 液压缸缸体长度 ， 实际液压缸的长度为 225满足要求。 由此确定： 液压缸的公称压力 P= 液压缸的内径 D=50 活塞杆直径 d=25 活塞杆行程 S=125 压泵的性能参数计 算 （ 1）确定液压泵的最大工作压力1p 式中 1p 执行元件的最高工作压力； p 执行元件进油路上的压力损失，初定 p = 执行元件的工作情况可知 错误 !未找到引用源。 ， 假使液压泵的最高工作压力为额定压力，则 p 2）确定液压泵的最大流量qKq 式（ 式中 同时动作的个执行元件所需流量之和的最大值； K 泄露系数，一般取 K =这里取 K =定系统最大流量为理论流量 qm a x L，则 L /m .1。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 12 （ 3）选择液压泵的规格型号 由于 叶片泵结构简单，性能稳定，排量范 围大，压力流量脉动小，噪声低，寿命长等一系列优点，被广泛用于机床设备和其他中低压液压系统中。因此本液压系统中选择 单级叶片泵 。 其叶片泵的型号和参数指标如表 3 表 3片泵的型号 型号 流量 额定压力 转速 传动功率 重量 0L/450r /（ 4）选择电动机的规格型号 液压泵的电动机功率 P 式（ 式中： P 电动机功率， p 液压泵最大工作压力， 液压泵的输出流量， ； p 液压泵总效率，估取 电动机的型号和参数指标如表 3 表 3动机的型号 型号 额定功率 满载转速 同步转速 极数 .2 420r /500r / 压元件的选择 制阀的选择 1、 三位四通电磁换向阀 型号： 34径： 6定流量： 25 L / 力： 接方式：板式连接 重量： 4、溢流阀 型号： 径： 10定流量： 63 L / 州工程学院毕业设计 (论文 ) 13 调压范围： 接方式：板式连接 重量： 、电磁比例溢流阀 型号： 径： 10定流量： 63 L / 压范围： 接方式：板式连接 重量： 3.2 、压力表开关 型号： 2E 通径： 8定流量： 10 L / 力： 350接方式：板式连接 5、截止阀 型号： 径： 10 力： 20 接方式： 螺纹 连接 6、单向阀 型号： 径： 3力： 25 定流量： 30 L / 接方式： 管式联接 各液压元件规格参数如表 3 表 3选液压元件规格参数 元件名称 型号 通径 压力 额定流量 连接方式 重量 三位四通换向阀 345L/式连接 4流阀 03L/式连接 磁比例溢流阀 03L/式连接 力表开关 2E 8500L/式连接 截止阀 00螺纹连接 单向阀 50L/式联接 州工程学院毕业设计 (论文 ) 14 助元件的选择 1、 吸油 过滤器 型号： 5 180L 通径： 15定流量： 25 L / 滤精度： 180 力损失： 、蓄能器 型号： 径： 40力： 10接方式： 螺纹联接 3、空气过滤器 型号： 气过滤口径 ： 25油流量 ： 9L/气流量 ： 65L/气过滤精度： 过滤精度： 125m 4、管接头 型号： 966径： 15接方式： 螺纹联接 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 15 4 液压缸主要零部件设计 筒 筒结构 缸筒结构通常根据缸筒与端盖的连接型式选