人工髋关节模拟试验机机械传动部分研制（下置式）【25张图/12800字】【优秀机械毕业设计论文】

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关键词：: 人工髋关节模拟摹拟试验实验机械传动部分部份研制下置式优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份,36页,12800字左右.
英文翻译一份.
任务书一份.
开题报告一份.

图纸共25张:
A0-装配图.dwg
A0-8个A3零件图.dwg
A0-16个A4零件图.dwg

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。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备。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60rpm。假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50mm的股骨头，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

Abstract
A hip simulator had been designed and manufactured in this study. Simulation test is a set of mechanical, electrical, fluid technology in one of the special bench test equipment.The principle of the simulator is fit the stock bone and the part test specimen to its normal position in the test platform, causing the variation load changing with the time and the relative angular motion between them through the test equipment. The primary factor which this machine design considered is whether it can simulate the human body coxa correctly in the laboratory environment, so that the friction mechanism, the attrition form of the test sample which produces in the testing with the actual exploitation conditions under consistent, thus may be accurate, reliably test the biological friction of the artificial joint material, provides the guidance tentative data for the clinical practice. Designs the testing machine according to the above request the assembly drawing. The biggest experimental load of this testing machine requests is 1t, the main axle rotational speed is requests 60rpm. The supposition function in the thighbone leader's department load is 1t, then may figure out the biggest resistance. Elects then the diameter is the 50mm stock bone, extracts the maximum torque, from this determines the electrical machinery the power thus to calculate the smallest axle diameter. According to smallest axle diameter primary election each components size. Through the examination confirmed its security by guarantees the testing machine normal work. The electrical machinery revolves when revolves through the shaft coupling impetus main axle, thus leads fixes in the main axle axial-tab terminal eccentric rotation, the test sample place installs on the pendulum shaft and the pendulum shaft forgives the central axis rotation together. Causes to fix by the joint ball support in the test sample place the joint ball and between the acetabulum test sample has the friction, thus achieves experimental the goal. Acetabulum test sample fixes by the bone cement in the acetabulum place, the impact load provides the function by the hydraulic cylinder on the self-centering axis, finally affects through the acetabulum support on joint ball, in addition joint ball circles the middle line rotation along with the test sample place. Like this realizes the simulation human body coxa proper motion, causes the friction mechanism, the attrition form which it produces with the actual exploitation conditions under to be consistent, by achieved designs this testing machine the original intention.

Keywords: hip simulator simulative test hip jiont wear mechanism

目录
1 绪论 1
1.1 引言 1
2方案 3
2.1 人工髋关节模拟实验机的研究现状 3
2.2 髋关节结构及运动分析 5
2.2.1人体髋关节结构 5
2.2.2髋关节运动特性分析 6
2.2.3人工髋关节结构 6
2.3 设计方案 7
2.4 机械传动部分的运动特性分析 8
2.5磨损量的测定及磨损率的计算 11
2.5.1磨损量的测定 11
2.5.2临床磨损率的计算 12
2.5.3磨损因数的计算 13
3设计计算过程 14
3.1 理论计算 14
3.1.1选取电机功率 14
3.1.2主传动轴的设计 14
3.1.3初选摆轴的大小 15
3.1.4液压缸的结构尺寸设计 17
3.2 装配图及主要零件图设计 18
3.2.1装配图草图 18
3.2.2零件图草图 18
4零件校核 20
4.1主传动轴的校核 20
4.2主动轴上轴承的校核 22
4.3摆轴的校核 22
4.4摆轴上轴承的校核 24
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录专业英语翻译 29

任务书

1.毕业设计的背景：
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。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
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。

2.毕业设计(论文)的内容和要求：
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试验机械。该机械设计时考虑的主要原因是使其
在实验室环境中能够正确模拟人体髋关节的实际与运动工况，以使试件在
实验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际条件下一致，从而可以准确、
可靠的测人工关节材料的生物摩擦学参数，为临床应用提供指导性数据。
基本要求
1设计试验机的装配图及主要的零部件图（约合Ao图纸4张）
2编排指定的试验机主要零件的制造工艺一份
3设计说明书一份
4翻译约4000单词量的相关英语文献

3.主要参考文献：
[1]黄传辉.人工髋关节的磨损行为及磨粒形态研究.中国优秀博硕士学位论文.
[2] 邱宣怀等，机械设计[M]，高等教育出版社
[3] 朱龙根等，简明机械设计零件设计手册[M]，机械工业出版社
[4] 谢铁邦等，互换性与技术测量[M]，华中科技大学出版社
[5]陈长春. 髋关节置换用股骨假体材料的研究与应用[J]. 材料导报, 1998, 12(6):1
[6]葛世荣, 熊党生, 王纪湘. 人工关节的摩擦学问题及其研究现状[J]. 生物摩擦学与
人工关节学术研讨会论文集. 上海, 2000 年 9 月:27-30.
[7]郭治天, 熊党生, 葛世荣. 表面粗糙度对超高分子量聚乙烯的生物摩擦学特性的影
响[J]. 生物摩擦学与人工关节学术研讨会论文集. 上海, 2000 年 9 月:31-34.

内容简介：: 徐州工程学院毕业设计（论文）任务书机电工程学院学院机械设计制造及其自动化专业设计（论文）题目人工髋关节模拟试验机机械传动部分研制（下置式）学生姓名张杜杰班级 04 机本 4 起止日期导教师黄传辉教研室主任李志发任务书日期 2008 年 02 月 25 日景：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。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。论文 )的内容和要求：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试验机械。该机械设计时考虑的主要原因是使其在实验室环境中能够正确模拟人体髋关节的实际与运动工况，以使试件在实验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际条件下一致，从而可以准确、可靠的测人工关节材料的生物摩擦学参数，为临床应用提供指导性数据。基本要求 1 设计试验机的装配图及主要的零部件图（约合纸 4 张） 2 编排指定的试验机主要零件的制造工艺一份 3 设计说明书一份 4 翻译约 4000 单词量的相关英语文献 1黄传辉中国优秀博硕士学位论文 . 2 邱宣怀等，机械设计 M，高等教育出版社 3 朱龙根等，简明机械设计零件设计手册 M，机械工业出版社 4 谢铁邦等，互换性与技术测量 M，华中科技大学出版社 5陈长春 . 髋关节置换用股骨假体材料的研究与应用 J. 材料导报 , 1998, 12(6):1 6葛世荣 , 熊党生 , 王纪湘 . 人工关节的摩擦学问题及其研究现状 J. 生物摩擦学与人工关节学术研讨会论文集 . 上海 , 2000 年 9 月 :277郭治天 , 熊党生 , 葛世荣 . 表面粗糙度对超高分子量聚乙烯的生物摩擦学特性的影响 J. 生物摩擦学与人工关节学术研讨会论文集 . 上海 , 2000 年 9 月 :31论文 )进度计划 (以周为单位 )：起止日期工作内容备注第一周第二周第三周第四周第五周第六周第七周第八周第九周第十周第十一周第十二周第十三周第十四周第十五周第十六周结合课题进行相关实习查询相关文献，收集资料查询相关文献，收集资料，翻译相关英语文献结合分析文献资料 ,提出并论证试验机结构方案试验机机构运动分析确定试验机总体结构 ,计算主要零部件尺寸绘制试验机草图试验机总装配图设计试验机总装配图设计根据试验机总装配图，拆画，设计零件图根据试验机总装配图，拆画，设计零件图根据试验机总装配图，拆画，设计零件图编排指定的试验机主要零件的制造工艺在综合分析零件设计过程的基础上 ,完善试验机总体结构整理图纸资料，撰写毕业论文整理图纸资料。撰写毕业论文教研室审查意见：室主任年月日学院审查意见：教学院长年月日徐州工程学院毕业设计（论文）开题报告课题名称：人工髋关节模拟试验机机械传动部分研制（下置式）学生姓名：张杜杰学号： 20040601413 指导教师：黄传辉职称：副教授所在学院：机电工程学院专业名称：机械设计制造及其自动化徐州工程学院 2008 年 3 月 4 日说明 1根据徐州工程学院毕业设计 (论文 )管理规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告，由指导教师签署意见、教研室审查，学院教学院长批准后实施。 2 开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。 3毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。 4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。 5. 课题类型填：工程设计类；理论研究类；应用（实验）研究类；软件设计类；其它。 6、课题来源填：教师科研；社会生产实践；教学；其它课题名称人工髋关节模拟试验机机械传动部分研制（下置式）课题来源教师科研项目课题类型工程设计类选题的背景及意义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。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。研究内容拟解决的主要问题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。研究方法技术路线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。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。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工作原理都完全一致。为了真实模拟天然关节的运动工况，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。本试验机在一个机架上同时装配了四个试验单元，增加了试验工位，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研究的总体安排和进度计划研制出一种股骨头在上位，髋臼在下位且能正确模拟人工髋关节运动特征的试验机，设计出全部图纸，具体包括： a: 试验机的装配图及全部零件图（约合纸 4 张）； b: 编排指定的试验机主要零件的制造工艺一份： c: 设计说明书一份； d: 翻译约 4000 单词量的相关文献。 1：结合课题进行相关实习 2：查询相关文献，收集资料 3：查询相关文献，收集资料，翻译相关英语文献 4：结合分析文献资料，提出并论证试验机结构方案 5：试验机机构运动分析 6：确定试验机总体结构，计算主要零部件尺寸 7：绘制试验机草图 8：试验机总装配图设计 9：试验机总装配图设计 10：根据试验机总装配图，拆画，设计零件图 11：根据试验机总装配图，拆画，设计零件图 12：根据试验机总装配图，拆画，设计零件图 13：编排指定的试验机主要零件的制造工艺 14：在综合分析零件设计过程的基础上 ,完善试验机总体结构 15：整理图纸资料，撰写毕业论文 16：整理图纸资料。撰写毕业论文主要参考文献 1葛世荣 , 熊党生 , 王纪湘 . 人工关节的摩擦学问题及其研究现状 J. 生物摩擦学与人工关节学术研讨会论文集 . 上海 , 2000 年 9 月 :272黄传辉中国优秀博硕士学位论文 . 3张亚平 , 高家成 , 王勇 . 人工关节材料的研究与进展 J. 世界科技研究与发展 ,22(1):474 邱宣怀等，机械设计 M高等教育出版社 5 朱龙根等，简明机械设计零件设计手册 M，机械工业出版社 6 谢铁邦等，互换性与技术测量 M，谢铁邦主编，华中科技大学出版社 7. 1994, 8(2):181. 8郭治天 , 熊党生 , 葛世荣 . 表面粗糙度对超高分子量聚乙烯的生物摩擦学特性的影响 J. 生物摩擦学与人工关节学术研讨会论文集 . 上海 , 2000 年 9 月 :319陈长春 . 髋关节置换用股骨假体材料的研究与应用 J. 材料导报 , 1998, 12(6):1 10of in . v 266, n 2, , 1995, p 24511. . of 1995:68312on . 1993, 75A:753133of in . 23 996,1272(5): 400指导教师意见指导教师签名：年月日教研室意见学院意见教研室主任签名：年月日教学院长签名：年月日徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 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。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备。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 ;摩擦机理徐州工程学院毕业设计 (论文 ) in is a of in of 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 州工程学院毕业设计 (论文 ) 1 目录 1 绪论 . 错误 !未定义书签。言 . 错误 !未定义书签。 2 方案 . 错误 !未定义书签。工髋关节模拟实验机的研究现状 . 错误 !未定义书签。关节结构及运动分析 . 错误 !未定义书签。体髋关节结构 . 错误 !未定义书签。关节运动特性分析 . 错误 !未定义书签。工髋关节结构 . 错误 !未定义书签。计方案 . 错误 !未定义书签。械传动部分的运动特性分析 . 错误 !未定义书签。损量的测定及磨损率的计算 . 错误 !未定义书签。损量的测定 . 错误 !未定义书签。床磨损率的计算 . 错误 !未定义书签。损因数的计算 . 错误 !未定义书签。 3 设计计算过程 . 错误 !未定义书签。论计算 . 错误 !未定义书签。取电机功率 . 错误 !未定义书签。传动轴的设计 . 错误 !未定义书签。选摆轴的大小 . 错误 !未定义书签。压缸的结构尺寸设计 . 错误 !未定义书签。配图及主要零件图设计 . 错误 !未定义书签。配图草图 . 错误 !未定义书签。件图草图 . 错误 !未定义书签。 4 零件校核 . 错误 !未定义书签。传动轴的校核 . 错误 !未定义书签。动轴上轴承的校核 . 错误 !未定义书签。轴的校核 . 错误 !未定义书签。轴上轴承的校核 . 错误 !未定义书签。结论 . 错误 !未定义书签。致谢 . 错误 !未定义书签。参考文献 . 错误 !未定义书签。附录专业英语翻译 . 错误 !未定义书签。徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 1 附录专业英语翻译 ne of in or is be to To do in it is to do we be to to in at of a of on as he to be as in if is to a it be a If it is to be to it be of to is a be he is of of to is if of or if is in in be in of of is it is by of (1) of or is in an is (2) is in so a of is (3) is in is at or be so is (4) to be is to is to do to It is we be of is to 州工程学院毕业设计 (论文 ) 2 to be in of No To of is to to of of or It is to of a to of is by in at A at is to be is to be of a is 0 mm is a of of is of of at be as in of a it to is an in is it is a of of a it to be as a is to be to or is of is in a is to a or in to be is as a of of is an to is be on an 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 3 of is of on as as so of a in of on a a of as is of as in or It is a be is it is in to an or is to a of a in at of is as an of a or is .5 mm of On be mm to on is of it is to up to a a is to a on be or so is be A of is to as by on a to a no of or is so 0 m/be up 50 m/a 100 mm 00 so a of mm so at mm be mm 州工程学院毕业设计 (论文 ) 4 00 on a a 20 a 0 mm/ is is of in is be by As is is be or is as in is to by a “A a at to It is in so is in a in so in at of 00 of is be a to is it is is it is to is to is is to by to is 00 is to is up is if of or is as a by a is a in on 100 so it is to to of is is a to so 州工程学院毕业设计 (论文 ) 5 of a on is a a to as be is is of of a is of to it at a of as he or to be an a to do of it in so a be a a of or a is is at to do a be by by in by in of or is a of of is If is be of or of of is to be of on In we of to be t he s or of of a on a s 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 6 a of A be in a of in is of an be to is an in we to an of we of a to to on of we or of of We In it is we is a of is of a of a in we to if or Is it it Is it to to Is it a be or to if in to or to to is a a to or is to or to to is a be on t of to be in of A in of is If in is on be of of in a In be or to is a to be a 州工程学院毕业设计 (论文 ) 7 by to In in to at is of to or of It is a of of in of of in of of or is a in to a a in of of As of is to a a by do if a a be It be a be a is to a of if be a is no of a be is to A to an be be or be of be is a a at It be if a be of of be to a of it is to in of by In a 图书分类号：密级：毕业设计人工髋关节模拟试验机机械传动部分研制（下置式）生姓名张杜杰学院名称机电工程学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师黄传辉 2008 年 06 月 02 日徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：年月日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 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。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备。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 ;摩擦机理徐州工程学院毕业设计 (论文 ) in is a of in of 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 州工程学院毕业设计 (论文 ) I 目录 1 绪论 . 1 言 . 1 2 方案 . 3 工髋关节模拟实验机的研究现状 . 3 关节结构及运动分析 . 5 体髋关节结构 . 5 关节运动特性分析 . 6 工髋关节结构 . 6 计方案 . 7 械传动部分的运动特性分析 . 8 损量的测定及磨损率的计算 . 11 损量的测定 . 11 床磨损率的计算 . 12 损因数的计算 . 13 3 设计计算过程 . 14 论计算 . 14 取电机功率 . 14 传动轴的设计 . 14 选摆轴的大小 . 15 压缸的结构尺寸设计 . 17 配图及主要零件图设计 . 18 配图草图 . 18 件图草图 . 18 4 零件校核 . 20 传动轴的校核 . 20 动轴上轴承的校核 . 22 轴的校核 . 22 轴上轴承的校核 . 24 结论 . 25 致谢 . 26 参考文献 . 27 附录专业英语翻译 . 29 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 州工程学院毕业设计 (论文 ) 1 1 绪论言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。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徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 2 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。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。徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 3 2 方案工髋关节模拟实验机的研究现状根据研究内容合理选择试验设备和试验方法，在所要求的精度上，真实、可靠、灵敏地反映出工作参数和材料的摩擦磨损特性，是人工关节摩擦学研究中的重要组成部分。早期人们由于条件的限制，大多采用销盘式或往复滑动式试验机来评价关节材料的摩擦学性能，并试图将得到的试验结果应用于临床。但这些摩擦磨损试俭设备由于结构限制，无法进行全尺寸关节副摩擦试验，而且无论是在试件偶副接触方式上，还是在所提供的运动形式以及载荷性质上都与人工关节的实际工况相距甚远。因此，其试验数据的真实性和临床应用的可靠性不能不受到质疑。为逼真地再现人工关节在机体内的运动特性，准确揭示其摩擦、磨损规律，人们在关节模拟试验机的研制方面给予了极大关注。从 20世纪 80年代开始，国外研究人员陆续设计、制造了一批专门用于考察关节材料摩擦学性能的试验设备。目前国内尚未见到有关髋关节模拟试验机研制方面的报道。研究人员主要利用销盘式、环块式等常规摩擦试验机评价关节材料的摩擦学性能。也有研究人员为更好地模拟关节副接触状态，将销试件 (一般由陶瓷、大然骨等制作 )端部加工成半球形与盘试件对摩。然而，不管怎样，标准试验机提供的运动形式大都是一维单向滑动摩擦，这与人工关节多向复合滑动摩擦的实际工况有较大区别，因而在标准试验机上得出的试验数据的临床应用性小能小受到质疑。欧洲关节模拟实验机的设计特点见图 2 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 4 表 2徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 5 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。图 2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，形成一拱形结构，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%，徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 6 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，这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 030；在横截面上，当髋关节屈曲时，能够外旋 04 5，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 运动曲线图 2动轨迹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徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 7 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。图 2人工髋关节的实物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。计方案本次设计的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备。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。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。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工作原理都完全一致。为了真实模拟天然关节的运动工况，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。本试验机在一个机架上同时装配了四个试验单元，增加了试验工位，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。支撑斜徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 8 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。实验装配草图如图 2 2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）：徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 9 1：机座； 2：回转轴； 3：防转杆； 4， 5：滑动、摆动副；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、级副、副、副及副，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上任一点的运动波形可以表达成图 2示形式：徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 10 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，它们的运动徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 11 图 2 图 2制关节试验机运动轨迹实测图轨迹基本属于同一种类型。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可以看出，一天之中由于温度、湿度的改变导致试件重量发生了很大变化，从早晨的中午的到傍晚的天之中试件重量的最大改变量达到此大的重量变化对于磨损量的测量极为不利。可以想象，在关节模拟试验机徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 12 上试验时，由于润滑介质的存在这种影响还将大大加剧。试验过程中试件由磨损造成的质量损失较小，这种由材料吸湿性导致的重量改变完全有可能影响试验数据的测量，甚至将真实试验数据覆盖。为保证磨损量的测试精度，把材料吸水性引起的测量误差减至最小，在试验中采取了“参考试件法”。取一与被测试件材料、形状完全相同的样品作为参考试件，称重后置于与试验偶副相同的试验环境中（相同温度、相同润滑液浸泡）。试验后取下被测试件和参考试件一同置于超声波清洗器中用蒸馏水清洗 3 80烘箱中烘干 40后在干燥器中冷却至室温，采用感量为电子天平测量试件重量变化。设参考试件试验前重量为验后为由试验环境导致的材料单位重量的改变量为：式（被测试件与参考试件材料、形状相同，因此可认为二者受试验环境影响造成的单位重量改变量一致，如被测试件试验前重量为其由试验环境导致的重量改变量为：式（在最终计算被测试件的磨损量时，减去 2 即可消除试验环境改变对试件重量的影响。采用这种处理方式后，可确保试件称量时环境因素的一致性，把由材料吸水性等造成的误差控制在最小范围内。床磨损率的计算临床磨损率（示了股骨头每年对人工髋臼所造成磨损程度的大小，对于衡量人工关节副的长期疗效具有重要意义。临床磨损率一般通过 X 射线法或临床解剖测得。人通过长期临床观察表明临床磨损率同髋臼磨损量之间呈线性关系，因此可通过下式将关节模拟试验机上所得磨损结果转化为临床磨损率：式（式中： P：临床磨损率（ mm/ W：人工髋臼 1 年的磨损量（：髋臼材料的密度（ g/ r：关节头假体的球头半径（ C：髋臼材料的蠕变率（ %）。资料表明，一般情况下在试验室中进行试验时，关节试验机运行 106当于关节假体在体内环境中运行一年。据此可将试验结果换算为临床磨损率。徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 13 损因数的计算磨损因数（示了材料在单位载荷（ N）、单位滑动距离（ m）时的磨损质量损失，在比较不同材料的耐磨性时有重要应用。一般情况下在试验室中进行试验时，磨损因数可由下式计算：式（ 2,4）式中： k：磨损因数（ W：试验材料的磨损量（：试验材料的密度（ g/ L：试验载荷（ N）； X：相对滑动距离（ m）。用销盘式、环块式等标准试验机进行试验时，可利用 2直接计算磨损因数。但关节模拟试验机由于其固有的特殊接触方式（凸球面凹球面）和运动类型（多方向性复合滑动摩擦），计算时要相对困难一些，必须对 2进行适当的变换。由 2可得：式（将（ 2入（ 2：式（式中， N 为一年中人工髋臼所受冲击载荷的循环次数；示一次载荷循环过程中载荷与滑动距离乘积的积分，其物理意义在于表明外部条件对置换关节磨损的影响程度。的大小与病人体重、关节假体所受载荷的循环特征、关节间的有效滑动距离及假体球头半径有关。对人工关节的研究表明：式（式中： B 为病人的体重（ N）， d 为关节头假体的球头直径（ m）。将式 2入式 2得关节模拟试验时的磨损因数为：式（徐州工

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