人工髋关节模拟试验机机械传动部分的研制（上置式）【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 摘要 本课题是对人体髋关节模拟试验机机械传动部分的研制。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及相对角运动。该机械设计时考虑的主要因素是使其在实验室环境中能够正确模拟人体髋关节的实际运动工况，以使试件在试验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一致，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。根据以上要求设计出试验机的总装配图。该试验机要求的最大试验载荷为 1t，要求主轴转速为 60设作用在股骨头头部的载荷为 1t，则可以算出最大阻力。选则直径为 50股骨头，求出最大扭矩，由此确定电机的功率从而计算出最小轴径。根据最小轴径初选各个零件的尺寸。通过校核确认其安全以确保试验机正常运转。电机运转时通过联轴器带动主轴旋转，从而带动固定在主轴轴端的偏心轮转动，试件座安装在摆轴上和摆轴一起饶中心轴线转动。使得由关节球支架固定在试件座上的关节球头和髋臼试件之间产生摩擦，从而达到试验的目的。其中髋臼试件由骨水泥固定在髋臼座上，冲击载荷由液压缸提供作用于自定心轴上，通过髋臼支架最终作用在 关节球头上，加上关节球头随试件座绕中心线转动。这样实现模拟人体髋关节的实际运动，使其产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一致，以达到设计该试验机的初衷。 关键词 ： 关节试验机 ;模拟试验 ;人体髋关节 ;摩擦机理 买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ in of is to in is it in so of in be of to of t, is 0in s t, is 0mm to to by in on to by in by in by on on in it to be by 文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 目 录 1 绪论 . 1 械智能 . 1 械智能的应用 . 1 设计原理 . 1 拟人体关节的发展史 . 1 验机的现实意义 . 2 2 方案 . 3 关节结构及运动分析 . 3 体髋关节结构 . 3 关节运动特性分析 . 4 工髋关节结构 . 5 案的提出 . 6 案一： . 6 案二 . 7 案的选择： . 8 计方案 . 8 械传动部分的运动特性分析 . 10 损量的测定及磨损率的计算 . 12 损量的测定 . 12 床磨损率的计算 . 13 损因数的计算 . 13 控装置的工作原理 . 15 3 设计计算过程 . 16 选电机功率 . 16 传动轴的设计 . 16 择轴的材料 . 16 步确定轴的最小直径 . 16 的结构设计 . 16 上零件的周向定位 . 17 定轴上倒角 . 17 步确定轴的最小直径 . 18 压缸的结构尺寸设计 . 18 配图及主要零件图设计 . 19 买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 配图草图 . 19 件图草图 . 20 4 零件校核 . 21 轴上载荷 . 22 核轴的强度 . 22 受力简图 . 22 作用在轴上的支反力 . 22 核轴的强度 . 23 动轴上轴承的校核 . 24 轴的校核 . 25 轴上轴承的校核 . 26 结论 . 28 致 谢 . 29 参考文献 . 30 附 录（专业英语翻译） . 32 买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 1 绪论 械智能 械智能的应用 机械智能化是 21 世纪机电一体化 技术发展的一个重要发展方向。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制 造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。 设计原理 本设计是根据人类行走时髋关节的运动特点，结合人工关节结构特征研制一种能正确模拟髋关节运动的实验机械。该机械设计时考虑的主要因素是使其在实验室环境中能够正确模拟人体髋关节的实际运动工况，以使试件在实验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一致，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实验数据 拟人体关节的发展史 随着人类社会的发展 与进步，人的生命价值被广泛认同。由疾病、事故和战争等原因导致大量人体骨骼病变和损伤，使得许多人成为残疾而失去基本生活能力，给病人的家庭及社会都带来极大的影响和沉重的负担。为减轻病人的痛苦，提高他们的生活质量，医学界一直致力于解决人体骨骼的材料、成型、植入和再生性的问题。目前骨科学主要通过两种方法解决骨缺损的修复问题，一是通过人身自身的生物机能进行骨骼的再生或植入带有骨生长因子的小块异种骨诱惑导骨生长。这类方法效果较好，但时间长，见效慢，只适合于小块骨缺损的修复。另一种方法是用人造生物材料（金属、塑料、陶瓷） 制成替代骨植入人体，以解决大块缺损骨骼的修复。 1963年英国曼彻斯特人 先报道全髋关节置换手术治疗类风湿性髋关节骨性关节炎。他利用不锈钢制作 径的股骨头，以聚四氟乙烯（ 作髋臼，聚 甲基 丙稀酸甲酯（骨水泥）固定，形成 定了现代人工关节置换术的基础。自此以后，人工关节置换技术发展迅速，日益成为治疗关节伤痛，重建关节功能的重要手段。目前，全世界每年因各种疾病需要更换关节的人数高达 4000万 6000万人，仅全髋关节置换就达 80万例。其中买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 在关节炎晚期治疗、外伤致残和骨瘤切除手术中，人工关节置换术已成为一项常规外科手术。 随着人类社会步入高龄化阶段，各种与高龄有关的关节疾病，如大腿骨骨折、关节炎等病症，将会大量发生，因此对人工关节的需求也会日益增加。以日本为例， 1993 年人工关节的需求量为 件， 1997 年已迅速上升到 件，其整形外科用植入物市场的年增长率为 7%8%。我国人口众多，且部分地区生活条件相对较差，关节疾病的发病率高于经济发达国家，是世界上人工关节最大市场之一。据我国民政部门报告，目前仅 肢体不自由患者就达 1500 万人，其中残疾约 780 万人，全国骨缺损和骨损患者近 300 万人，且随着我国社会老龄化的到来，这一数字还有上升的趋势。因此，加强研制人工关节置换技术，提高置换关节的 使用寿命 ，是一项十分迫切的任务。 验机的 现实意义 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。近期的研究工作已证明人工 x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 。 买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 2 方案 自从第一例 低磨损人工髋关节运用于临床实际以来，人工关节置换技术迅速发展。医学实践表明，关节材料性能及其生物摩擦学特性对于关节使用质量及临床寿命起着决定性的作用。因此，人们在这方面开展了大量的研究工作。这为提高人工关节置换手术的成功率、延长置换关节的使用年限提供了强有力的理论支持和技术保障。从临床医学来看，人工关节作为一种植入器官，其制作材料一般应满足以下几点要求： 、生物相容性好。要求人工关节材 料和人体组织接触后，在材料组织界面发生一系列相互作用后最终被人体组织所接受，且材料对人体的正常生理功能无不良影响，无毒，无排异反应； 、生物力学相容性好。植入材料和所处部位的生物组织弹性形变特性要相匹配，在负载情况下，人工关节假体与其接触的组织所发生的形变要彼此协调； 、生物结合性能好。要求人工关节材料与周围骨组织结合良好，使用过程中不发生相对移动和下沉； 、材料要具有一定的可降解性，可以逐渐被人体再生骨组织所替代； 、优良的生物摩擦学性能。要求材料的摩擦系数低，耐磨损能力强，磨损颗粒生成率低，以 保证置换关节有较长的临床寿命； 、良好的耐腐蚀、耐疲劳性能。要求植入假体在体内所发生的组织反应不引起材料的劣化，反复承受交变应力不会引起材料的破损。人们最早曾使用牙托粉、聚丙烯、有机玻璃等材料制作人工关节，但这些材料强度低，易折断，生物相容性差，在临床使用中难以保证置换关节的使用质量。其后改用不锈钢（ 316L）。不锈钢虽然强度、硬度较高，能满足关节负重的要求，但其比重大，约为人体骨骼比重的 2 倍，且受体液作用时会出现腐蚀和断裂，近年来随着材料科学的发展、新型人工关节材料的出现已较少采用。目前在临床中主要 采用钛合金、生物陶瓷及各种复合材料来制作人工关节 。 关节结构及运动分析 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出人体髋关节的结构简图。 买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 图 2体髋关节 解剖学表明，髋关节可以围绕以股头为中心的无数轴运动（临床医学为研究方便，规定了水平、垂直、前后 3 个运动轴）。为了完成支持体重和负重条件下运动这两个基本功能同时又具备必要的稳定性，结构上呈杵臼关节。髋臼及其临近结构可划分为前柱、后柱两个部分：前柱（即髂耻柱）由髂嵴前上方斜向前内下方，经耻骨 支止于耻骨联合，分髂骨部、髋臼部、耻骨部三段。后柱（即髂坐柱）由坐骨大切迹经髋臼中心至坐骨结节，包括坐骨的垂直部分及坐骨上方的髂骨。后柱内侧面由坐骨体内侧的四边形区域构成，称四方区。髋臼前、后两柱呈 60相交，形成拱形结构，横跨于前后两柱之间，是髋臼的主要负重区，称臼顶，又称负重顶，约占髋臼的 2/5，由髂骨下部构成，厚而坚强。髋臼呈半球形深凹，直径约为 下肢股骨头相关节。髋臼边缘的关节盂唇可使髋臼加深加宽，并使臼口变小，使髋臼包容股骨头的一半以上。在髋臼表面上有一层约厚 2透明软骨， 呈半月形分布于髋臼的前、后、上壁。软骨的组成中固态物质占 20% 40%，其余为水。固态物质中胶原纤维约占 60%，蛋白多糖占 40%，软骨细胞占 2%。关节软骨的这种多相结构使得它在载荷之下呈现粘弹性响应，在外界力作用下发生蠕变和应力松驰，从而保护髋关节免受冲击。髋臼中央无关节软骨覆盖的臼窝由哈佛森腺充填，它可随关节内压力的培养而被挤出或吸入，从而维持关节内压力的平衡。髋关节周围包围着强大的韧带及丰厚的肌肉，使得该关节稳定性较强。正常情况下髋关节的最大活动度是在矢状面上，屈曲幅度可达 0 140，伸展 0 15；在冠状面上能外展 0 45，内收 0 30；在横截面上，当髋关节屈曲时，能够外旋 0 45，内旋 0 50 。 关节运动特性分析 由于人体下肢运动的多样性（走、跑、跳等），使得髋关节的运动呈现出很强的复杂买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 性。由上一节解剖学分析知，股骨头根据运动需要，可在髋臼中围绕其球心向任何方向转动。因此，仅就人体运动的不确定性而言，髋关节的运动轨迹是不可能用常规数学方法表达的。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。 的研究结果表明，人体正常行走时，髋关节在一个步态中的主要运动角度变化如图 2示。 （ 变化幅度为 046， （ （ 变化幅度同为 0 12。 和 的相位相差 /2。在足跟离地前 ，关节弯曲度达到最大；脚尖离地前 关节拉伸度达到最（ T 为步态周期，单位：秒）。根据图 2示运动曲线，利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示。可以看出，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。 图 2体步态运动波形图 图 2取点的滑动轨迹图 工髋关节结构 股骨上部大转子与髋骨相支承，承受了人体的大部分重量及人体活动时的大部分载荷。当股骨上部发生创伤时 ，在临床骨科医学上，常常采用植入人工髋关节来代替原先破损的髋关节，以达到支撑点的目的。图 2出了人工髋关节的实物照片。与天然髋关节相对应，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。临床上常用球头半径为 25268323842 。 买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 图 2工髋关节照片 人工关节在体内的固定方式分为两种：骨水泥固定和非骨水泥固定。骨水泥固定时利用甲基丙烯酸甲酯 (骨水泥 )将人工假体与自然骨粘结固化 后达到固定目的。非骨水泥固定技术是通过改进假体外形尺寸使之紧密嵌入髓腔或在假体外壳表面上制造出多孔结构，以使宿主骨能够长入金属外壳面从而达到生物学固定的目的。人工关节植入体内后，承担原人体髋关节的功能，其运动方式与人体自然髋关节基本一致。 案的提出 案一： 关节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。臼杯座中可安装不同规格（ 20 50髋臼试件，并通过组合轴承部件固定在支撑斜板上。装配有臼杯座的轴即可以围绕其轴线自由转动，也可利用固定销将其与支撑斜板联接为一体。 根据固定销的插入和拔出，关节模拟试验机可实现两种不同的运动形式： 向复合滑动模式 支撑斜板在电机驱动下作匀速旋转运动，防转杆受到试验机立柱的阻挡产生反方向阻力，通过轴承固定于支撑斜板上的臼杯座在合力作用下一边绕试验机主轴旋转，一边往复摆动。安装在 臼杯座中的髋臼试件与关节头试件间呈现交叉状、多方向复合滑动运动。 买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 图 2 - 5 人 工 试 验 机 草 图 1图 2验机草图 转方式 将防转杆拆下，装上螺栓支架，利用支架上的固定销将臼杯座与支撑斜板固定在一起，支撑斜板在电机驱动下旋转时，安装在臼杯座中的髋臼试件与关节头试件间作相互旋转运动。臼杯座上装有润滑剂罩筒，以容纳润滑液。 案二 关节球头由夹具固定与试验机主轴上，电机 1 带动凸轮转动，凸轮的形状根据人 髋关节运动轨迹计算设计，电机 2 带动小齿轮转动，从而实现大齿轮的回转运动。大齿轮上方为一由两个部分边重合的椭圆形轨道，这样可以比较直观的模拟现实中人髋关节的运动轨迹。试验机的最上端承受液压装置给予的冲击载 荷。见图 2示。 买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 人工髋关节承受液压载荷滚球轨道滚球大齿轮小齿轮电机1凸轮电机2图 2案 二 案的选择： 由于方案二需要两个电机，从节约资源的角度考虑不宜选择。且齿轮剪切应力较大，由于凸轮的转动使大齿轮不断的上下运动，而小齿轮则是静止的，因此轮齿之间的摩擦较大，这样试验机的寿命和安全 系数就不会高。方案一由一个电机带动，主动轴带动楔块转动，装有人工髋关节的试件座则由摆轴固定在楔块上，这样的设计比较合理，避免了较大的摩擦，而且避免了大的计算量。 因此方案一比较合理，选方案一。 计方案 人体关节模拟试验机是一台集机、电、液技术于一体的专用台架试验设各。该试验机设计时考虑的主要因素是使其在试验室环境中能够正确模拟人体髓关节的实际运动土况，以使试件在试验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件卜相一致，从而可以准确、可靠地测试人土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。该试验设各主要山机械传动部分、温控系统及液压加载系统组成。该试验机由四个相互独立的试验单元组成，每个试验单元的结构和土作原理都完全一致。为了真实模拟大然关节的运动土况，试验时转速小能过高，这样一来势必造成试验时间很长，在多试样重复试验时这一矛盾更为突出。木试验机在一个机架上同时装配了四个试验单元，增加了试验土位，买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 从而大大缩短了试验时间，同时也为作对比试验提供了便利。 关节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。臼杯座中可安装不同规格（ 20 50髋臼试件，并通过组合轴承部件固定在支撑斜板上。支撑斜板在电机驱动下作匀速旋转运动，防转杆受到试验机立柱的阻挡产生反方向阻力，通过轴承固定于支撑斜板上的臼杯座在合力作用下一边绕试验机主轴旋转，一边往复摆动。安装在臼杯座中的髋臼试件与关节头试件间呈现交叉状、多方向复合滑动运动 ； 图 2买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 械传动部分的运动特性分析 多向复合滑动方式：采用该方式试验时，偏心轮以恒角速度旋转，臼杯座支承轴在其带动下围绕主轴轴线作圆锥状回转，固定在支承轴上的防转杆受机座限制产生反向阻力，在该力作用下支承 轴除绕主轴轴线回转外还要自转，此时试验机的运动简图可以表示成图 2示形式（为分析方便，防转杆与机座的点接触形成的级运动副用两个运动副及一个运动副代替）： 图 2验机运动原理图 由机械原理知，若某空间运动链由 N 个构件组成，当固定其中之一为机架后，所剩活动构件数为 n=N 1，如果 在组成运动链时共加入 I 级副、 副、 副、 副及 级副，则空间运动链相对于机架的自由度为： F 0 时运动链不可能产生相对运动。对 F 0 的运动链，当原动件数小于机构自由度时，构件间的相对运动是无规则的；原动件数大于 F 时，机构不能运动；只有当原动件数等于 F 时，构件之间才能获得确定的相对运动。分析图 2知，该空间运动链的构件数 N 5，共包括 3 个 V 级副和 2 个 副，因此其自由度为： F 6（ 5 1） 5 3 4 2 1 关节 模拟试验机运转时，只有一个原动件，即偏心轮的旋转运动，因此可知，该空间机构能够获得确定的相对运动。 尽管从理论上讲，有确定相对运动的运动轨迹可以用数学方程来唯一表达，然而，由于髋关节运动时所固有的复杂性，人们在研究摩擦表面的运动特性时，往往采用模拟轨迹法或刻痕轨迹法，以达到简单、形象地描绘出运动轨迹的目的。 本试验机从结构原理上看，应属于 全髋关节模拟试验机。该类型试验机运行时主要依靠下试件相对于上试件作往复式圆弧状摆动以实现摩擦面间的交叉状复合滑动运 动。在运行过程中，下试件摩擦表面上的任一点均相对于水平、垂直二轴作周期性摆动。若以与其中一轴的夹角为 另一轴的夹角为 摩擦面买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 上任一点的运动波形可以表达成图 2示形式： 图 2验机的运动波形分析 以此运动波形为基础，在摩擦面上随机地挑选几个点计算其运动轨迹，模拟结果如图 2示。可以看出，随着所分析点在摩擦面上所处位置的不同，其运动轨迹相差很大。在球的端部出现一个标准圆周轨迹，该轨迹所对应的点恰为臼杯座支承轴轴线与关节副对摩表面的交点。因该点位于臼杯试件自转轴线上，在试验 过程中不会因臼杯试件的自转产生水平方向的相对位移，因此其运动轨迹为一个标准圆。从该点依次向外，点的轨迹逐渐变成非对称椭圆形，且随着与球顶点距离的增大，运动轨迹越来越不规则，当点到达试件边缘时，其运动轨迹变为“ 8”字型。 为验证该模拟结果的正确性，在髋臼试件的不同位置嵌入 17 个硬质针头，并将此试件与关 节头试件一同装入 试验机，加载后运行一个周期。在显微镜下观察关节头试件的表面划痕并用墨水描出轨迹。 如图 2示。比较图 2 2发现，两种模拟结果的对 应性非常好。 图 2节试验机运动轨迹模拟图 在自行研制的髋关节模拟试验机上，采用与 似的方法得关节摩擦面间的运动轨迹如图 2示。与图 2 2较后可看出，它们的运动 相同。 买文档就送您 01339828或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 图 2节试验机运动实测图 研究资料表明，为了准确、逼真地再现人体髋关节的运动特性，模拟试验机在结构设计上应满足以下两点要求： 1、偶副对摩面在实验过程中应呈交叉状、多方向性相对滑动运动； 2、对摩面上任一点的滑动轨迹 在运动过程中应持续改变。通过以上模拟结果可知，本试验机可以较好地实现这两种功能。因此，从理论上分析，尽管本试验机所提供的运动形式与天然髋关节相比不尽相同，但它能够较好地模拟关节运动的特殊性和复杂性，并使得在此基础上产生的摩擦形式、磨损机理与天然关节一致。 损量的测定及磨损率的计算 损量的测定 磨损量常用的测量方法有称重法、测长法、表面轮廓法以及光谱法、铁谱法等。在本试验中，考虑到试验机的具体结构以及本着方便、快捷的原则，采用称重法测量试样的磨损质量损失。在测试高分子材料的磨损量时，材料的 吸水特性对磨损量的测量影响尤其大。表 2件在一天之中由于吸湿引起的重量变化： 表 2不同时刻的重要变化 可以看出，一天之中由于温度、湿度的改变导