CN103926158A - 一种软骨蠕变力学性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软骨蠕变力学性能测试装置，该装置整体采用对称双层支架结构，包括中心轴、可移动试样台、第一支架和第二支架。中心轴的运动由带法兰的直线轴承控制，速度由设置在第一支架上的液压缓冲器控制，砝码托盘固定在液压缓冲器之上，中心轴的顶端装有LVDT位移传感器，压头设置在中心轴的最底端，紧靠压头之上设置有压力传感器；由试样槽和试样槽支架组成的可移动试样台固定在第二支架的底部支座上。该装置结构简单、成本低、测试方便，在整个测试过程中通过计算机检测来自压力传感器和位移传感器的信号，能够测量在模拟体液环境下试样在恒定载荷下位移-时间的变化，以及试样在恒定加载速度下压力-位移的变化。

Description

一种软骨蠕变力学性能测试装置

技术领域

本发明属于一种力学性能测试装置，尤其是一种软骨蠕变力学性能测试装置。

背景技术

关节软骨是组成滑膜关节的承重组织，用于传递和分散施加在关节上的压缩载荷，并提供一个非常低摩擦系数的承重表面。由于软骨是骨关节炎中最先受损的，因此精确了解其力学性能非常必要。此外，对软骨力学性能的了解也为设计符合生物力学原理的仿生软骨修复材料提供依据，具有重要的研究价值，对推动软骨生物力学的发展具有重要意义。

关节软骨被认为是一种两相材料，受到载荷时，其固体相发生瞬间变形，进入蠕变期，液体相从软骨基质流入到滑液中，赋予关节软骨特殊的力学性质。目前，多采用电子万能材料试验机对其力学性能进行测量，包括拉伸、压缩、蠕变、撕裂性能等，但不能精确的检测受载过程中固液两相的变化。英国利兹大学生物与医学工程研究所研制出了一种压凹实验装置，旨在快速准确的测量压痕深度和软骨厚度。但该装置的设计较为复杂，试样的装载和拆卸不够方便，而且不能测量模拟体液环境下的软骨蠕变行为。而目前国内还没有成型的设备用于软骨蠕变性能测量，因此研制出专门用于软骨蠕变力学性能研究的力学性能实验装置十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低、测试方便的装置，能够准确的测量模拟体液环境下在恒定压力下试样的变形情况，以及试样在恒定加载速度下压力-位移的变化，以更全面的评价软骨修复材料的力学性能，更好的模拟体内使用情况。

实现本发明的技术解决方案为：一种软骨蠕变力学性能测试装置，该装置包括中心轴、可移动试样台、第一支架和第二支架，所述第一支架与第二支架连接；所述中心轴包括LVDT位移传感器、砝码托盘、液压缓冲器、带法兰的直线轴承、压力传感器和压头，所述中心轴的运动由带法兰的直线轴承控制，速度由设置在第一支架上的液压缓冲器控制，砝码托盘固定在液压缓冲器之上，中心轴的顶端装有LVDT位移传感器，并贯穿于第一支架的上部支座上设置的通孔，压头设置在中心轴的最底端，紧靠压头之上设置有压力传感器；可移动试样台固定在第二支架的底部支座上，所述中心轴通过带法兰的直线轴承与第二支架的中部支座连接。

所述第一支架由上部支座和两个导轨组成，所述两个导轨的一端与上部支座的两端固定，另一端与第二支架的中部支座固定。

所述第二支架由中部支座、底部支座和第一导轨、第二导轨组成，所述第一导轨、第二导轨的一端与中部支座的两端连接，另一端与底部支座的两端固定。

所述第一导轨、第二导轨的一端设置螺纹，中部支座的两端设置通孔，第一导轨、第二导轨的螺纹与中部支座通孔连接后通过螺栓固定。

所述第一导轨、第二导轨的螺纹处设置平垫圈。

所述带法兰的直线轴承通过插销与中部支座固定连接。

所述压头为半圆形，直径为φ3mm、φ6mm、φ9mm，材质为不锈钢。

所述可移动试样台为可拆卸结构，包括试样槽和试样槽支架，所述试样槽支架与试样槽通过螺纹连接。

所述试样槽包括试样外槽、试样内槽和试样夹具三部分；所述试样外槽为一端封闭的筒状结构，在其筒内封闭端上设置一凹槽，凹槽内设置与试样外槽同样结构的试样内槽，试样内槽侧面设置通孔，试样内槽内部设置圆锥台形状的试样夹具，所述的试样夹具直径大的圆面与试样内槽相接触，直径小的圆面中心设有圆柱形的内槽，并在其顶部的圆环上对称开槽。

在所述试样内槽的封闭端上设置一通孔。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1、该装置结构简单、成本低、使用方便，能快速的完成试样的夹紧与更换；2、该装置能在模拟体液环境下测量试样的力学性能；3、该装置能精确测量多种材料在恒定载荷（精度达到0.01N）下变形（测量精度达到0.01mm）随时间的变化情况；4、该装置还能测量试样在恒定加载速度下压力随位移的变化。

本发明的具体结构由以下的实施例及其附图给出。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中试样槽的结构示意图。

图3是本发明试样夹具的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种软骨蠕变力学性能测试装置，由中心轴、第一支架、第二支架和可移动试样台组成。第一支架由上部支座9和两个导轨组成，导轨的一端与上部支座9的两端固定，导轨的另一端与第二支架的中部支座10固定。第二支架由中部支座10、底部支座11、第一导轨12和第二导轨13组成，第一导轨12和第二导轨13的一端均设置螺纹，中部支座10的两端设置通孔，第一导轨12和第二导轨13的螺纹与中部支座10的通孔连接后通过螺栓固定，且在第一导轨12和第二导轨13的螺纹处设置平垫圈，用于调节中部支座10的高度，第一导轨12和第二导轨13的另一端与底部支座11的两端固定。中心轴由LVDT位移传感器1、砝码托盘2、液压缓冲器3、带法兰的直线轴承4、压力传感器5和压头6构成，中心轴的运动由带法兰的直线轴承4控制，速度由设置在第一支架上的液压缓冲器3控制，砝码托盘2固定在液压缓冲器3之上，中心轴的顶端装有LVDT位移传感器1，并贯穿于第一支架的上部支座10上设置的通孔，以保证实验过程中LVDT位移传感器1的垂直度。压头6设置在中心轴的最底端，紧靠压头6之上设置有压力传感器5。可移动试样台由试样槽7和试样槽支架8组成，试样槽支架8通过螺纹与试样槽7连接，可控制试样槽7的高度，试样槽支架8固定在第二支架的底部支座11上，带法兰的直线轴承4通过插销与第二支架的中部支座10固定连接。

试样槽7可拆卸，包括试样外槽14、试样内槽15和试样夹具16三部分。试样外槽14主要用于装PBS缓冲液或其他模仿人体体液环境的溶液，试样外槽14为一端封闭的筒状结构，在其筒内封闭端即底面上设置一凹槽，凹槽内可放置与试样外槽14同样结构的不同尺寸的试样内槽15，试样内槽15侧面设置通孔，用于与试样外槽14进行溶液交换，试样夹具16为圆锥台结构（锥角成 ~15°），其直径大的圆面与试样内槽15内部的封闭端即底面的尺寸吻合，以使得试样夹具16与试样内槽15良好接触，不易移动；在试样夹具16直径小的圆面上开有圆柱形的凹槽，并在试样夹具16顶部的圆环上以中心轴线对称开方形槽，如图3，便于溶液交换，方形槽的个数优选4个，将试样放入试样夹具16后，用圆环套在试样夹具16上下压加固。试样内槽15封闭端即底面上的中心设置一通孔，便于试样夹具16的取出。

在进行实验测试前先把试样装入试样夹具16内，用套环压紧，再放入试样内槽15，并固定在试样外槽14内部，在加注适量模拟体液；在砝码托盘2上加载所需的载荷；旋转可移动试样台或通过调整中部支座10高度使试样刚好接触压头6，压头6是半圆形的，直径有三种规格：φ3mm、φ6mm、φ9mm，制作材料为不锈钢；调整液压缓冲器3的下端旋钮，调到所需的下压速度；再将位移传感器1、压力传感器5的示数归零；拔出带法兰的直线轴承4上的插销，中心轴在加载和缓冲器的作用下以恒载或恒定压缩速度缓慢向下运动；同时，与位移传感器1和压力传感器5相连的计算机开始采集数据。

Claims (10)

1.一种软骨蠕变力学性能测试装置，其特征在于：该装置包括中心轴、可移动试样台、第一支架和第二支架，所述第一支架与第二支架连接；所述中心轴包括LVDT位移传感器[1]、砝码托盘[2]、液压缓冲器[3]、带法兰的直线轴承[4]、压力传感器[5]和压头[6]，所述中心轴的运动由带法兰的直线轴承[4]控制，速度由设置在第一支架上的液压缓冲器[3]控制，砝码托盘[2]固定在液压缓冲器[3]之上，中心轴的顶端装有LVDT位移传感器[1]，并贯穿于第一支架的上部支座[10]上设置的通孔，压头[6]设置在中心轴的最底端，紧靠压头[6]之上设置有压力传感器[5]；可移动试样台固定在第二支架的底部支座[11]上，所述中心轴通过带法兰的直线轴承[4]与第二支架的中部支座[10]连接。

2.根据权利要求1所述的软骨蠕变力学性能测试装置，其特征在于第一支架由上部支座[9]和两个导轨组成，所述两个导轨的一端与上部支座[9]的两端固定，另一端与第二支架的中部支座[10]固定。

3.根据权利要求1所述的软骨蠕变力学性能测试装置，其特征在于第二支架由中部支座[10]、底部支座[11]和第一导轨[12]、第二个导轨[13]组成，所述第一导轨[12]、第二个导轨[13]的一端与中部支座[10]的两端连接，另一端与底部支座[11]的两端固定。

4.根据权利要求1或3所述的软骨蠕变力学性能测试装置，其特征在于第一导轨[12]、第二个导轨[13]的一端设置螺纹，中部支座[10]的两端设置通孔，第一导轨[12]、第二个导轨[13]螺纹与中部支座[10]通孔连接后通过螺栓固定。

5.根据权利要求1或3所述的软骨蠕变力学性能测试装置，其特征在于在所述第一导轨[12]、第二个导轨[13]的螺纹处设置平垫圈。

6.根据权利要求1所述的软骨蠕变力学性能测试装置，其特征在于所述带法兰的直线轴承[4]通过插销与中部支座[10]固定连接。

7.根据权利要求1所述的软骨蠕变力学性能测试装置，其特征在于所述压头[6]为半圆形，直径为φ3mm、φ6mm或φ9mm，材质为不锈钢。

8.根据权利要求1所述的软骨蠕变力学性能测试装置，其特征在于所述可移动试样台[7]为可拆卸结构，包括试样槽[7]和试样槽支架[8]，所述试样槽支架[8]与试样槽[7]通过螺纹连接。

9.根据权利要求1或8所述的软骨蠕变力学性能测试装置，其特征在于所述试样槽[7]包括试样外槽[14]、试样内槽[15]和试样夹具[16]三部分，所述试样外槽[14]为一端封闭的筒状结构，在其筒内封闭端上设置一凹槽，凹槽内设置与试样外槽[14]同样结构的试样内槽[15]，所述试样内槽[15]侧面设置通孔，并在试样内槽[15]内部的封闭端上设置圆锥台形状的试样夹具[16]，所述试样夹具[16]直径大的圆面与试样内槽[15]的封闭端相接触，所述的试样夹具[16]直径小的圆面上设有圆柱形的内槽，并在所述试样夹具[16]的顶部圆环上对称开槽。

10.根据权利要求9所述的软骨蠕变力学性能测试装置，其特征在于在所述试样内槽[15] 的封闭端上设置一通孔。