CN104359780A - 一种股骨头柄球头摩擦磨损实验装置 - Google Patents

Abstract

一种股骨头柄球头摩擦磨损实验装置，包括加载系统和股骨头转动系统，加载系统位于试验机的上部，所述加载系统的上导向轴上连接髋臼上试样；股骨头转动系统位于试验机的下部，股骨头转动系统的摆轴连接股骨头下试样；髋臼上试样的上端与所述上导向轴连接，膨大的下端开有球面凹槽；股骨头下试样的上端具有与所述球面凹槽配合的球面凸，下端与所述摆轴连接，摆轴的中心轴线与水平呈23度夹角。仿生摆动机构正确的模拟了人体股骨头和髋臼之间的交叉状复合运动的状态，且股骨头下试样和髋臼上试样更换方便，能根据不同的实验要求对不同的置换材料进行介质试验和干摩擦试验。

Description

一种股骨头柄球头摩擦磨损实验装置

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种股骨头柄球头摩擦磨损实验装置。

背景技术

随着社会发展、各种自然灾害和交通事故频发，使得骨科患者数量有逐年增长的趋势，其中以髋膝关节疾病为主。目前可以通过人工关节置换手术治疗此类关节疾病。在此后的人工关节的使用中，关节的摩擦磨损是决定手术成功与否的主要因素之一。研究表明，由于人体环境的差异，及关节置换材料在人体内经过长时间的摩擦磨损都会引起置换关节的松动，上述因素均会导致关节置换的失败。因此，关节置换材料的耐磨性评价方法在研究人工关节置换的技术上起着至关重要的作用。目前，对人工髋关节摩擦磨损以及润滑方面的研究集中采用临床体内移植观察和体外实验两种方法。由于体内移植观察的方法成本高、过程繁琐、风险较大，因此利用摩擦磨损实验装置进行体外实验为最理想的研究方法。

CN103257076号在先申请中公开了一种人工髋关节动态疲劳磨损试验机，该机包括位于试验机上部的股骨头试样转动部分、夹持试样的试样夹具及给试样施加载荷的试样加载部分，其中股骨头试样转动部分包括转动电机及转动电机带动下转动的下主轴，股骨头试样安装在下主轴上；试样加载部分包括加载电机、与加载电机连接的蜗轮蜗杆减速器和对髋臼试样加载的加载传动部件。结合本申请说明书附可见，位置靠上的股骨头试样5为一带有突出的圆球头的直立部件，对其施加载荷的为位置靠下的与该圆球头球面配合的髋臼试样6，该种结构和加力形式与人体的实际结构是不相符合的。因为在人体双足站立时，体重平均分配至双下肢，每髋承担除下肢重量之外的体重的1/2，一侧下肢负重时，髋关节承担除去一侧下肢重量的中体加上外展肌肌力。该在先申请中只是采用斜下方位置的髋臼试样达到加载测试的目的，没有考虑人体体重的负担问题，显然与实际不符。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够准确模拟人体工作特性和工作环境的髋关节摩擦磨损试验机，为不同假体材料在试验中产生的摩擦机理、磨损情况与实际情况一致，为临床提供可靠的指导性数据，采用的技术方案是：一种股骨头柄球头摩擦磨损实验装置，包括加载系统和股骨头转动系统，其特征在于：所述加载系统位于试验机的上部，所述加载系统的上导向轴11上连接髋臼上试样10；所述股骨头转动系统位于试验机的下部，所述股骨头转动系统的摆轴5连接股骨头下试样9；所述髋臼上试样10的上端与所述上导向轴连接，膨大的下端开有球面凹槽；所述股骨头下试样9的上端具有与所述球面凹槽配合的球面凸，下端与所述摆轴5连接，所述摆轴5的中心轴线与水平呈23度夹角。

本发明的技术方案还有：所述股骨头转动系统包括驱动电机1，与所述驱动电机1连接的下主轴2，在下主轴2上连接仿生摆动机构。

本发明的技术方案还有：所述仿生摆动机构包括连接在所述下主轴2上的支撑斜板3，在所述支撑斜板3的倾斜上表面上开有与所述凹槽，所述摆轴5的端部安装在所述凹槽内。

本发明的技术方案还有：所述仿生摆动机构还包括防转杆7，所述防转杆7的一端固定连接在所述摆轴5上，另一端为抵靠在档杆6上的自由端。

本发明的技术方案还有：所述加载系统包括加载电机22，与所述加载电机22连接的蜗轮蜗杆减速装置，及与所述蜗轮20连接的柔性加力部件，所述柔性加力部件的上导向轴11与所述髋臼上试样10连接。

本发明的技术方案还有：所述柔性加力部件包括与所述蜗轮20连接的传动丝杠19，与所述传动丝杠配合的传动螺母18，在传动丝杠的下端为传动螺杆14，所述传动螺杆14与传力螺母16螺纹配合，加力弹簧一端装在所述传力螺母18上、另一端装在传力螺母16上，所述传动螺杆14穿过组合支架23后朝向所述上导向轴11的一端还装有轴向力传感器13，在所述轴向力传感器13与所述上导向轴11之间还装有扭矩传感器12。

本发明的技术方案还有：所述柔性加力部件还包括分别连接在所述传力螺母16和组合支架23上的支撑弹簧15。

本发明的技术方案还有：所述摆轴5的上端还设有润滑液套杯8，所述润滑液套杯8上设有润滑液进口和润滑液出口。

本发明的有益效果在于：

1)本立式结构的实验装置上，股骨头转动系统位于该装置的中间处，便于操作和观察；

2)仿生摆动机构正确的模拟了人体股骨头和髋臼之间的交叉状复合运动的状态，且股骨头下试样和髋臼上试样更换方便，能根据不同的实验要求对不同的置换材料进行介质试验和干摩擦试验；

3)柔性加载系统加力柔和，与人体实际受力情况更加接近。

附图说明

图1是本发明实施例的试样加载系统结构示意图；

图2是本发明实施例的摩擦副结构示意图；

图3是本发明实施例一的股骨头转动系统示意图；

图4是本发明实施例二的股骨头转动系统示意图；

图5是本发明实施例二的实验装置主视图；

图6是本发明实施例二的实验装置左视图。

其中：1驱动电机，2是下主轴，3是支撑斜板，4是组合轴承，5是摆轴，6是档板，7是防转杆，8是润滑液杯，9是股骨头下试样，10是髋臼上试样，11是上导向轴，12是扭矩传感器，13是轴向力传感器，14是传动螺杆，15是支撑弹簧，16是传力螺母，17是加力弹簧，18是传动螺母，19是传动丝杠，20是蜗轮，21是蜗杆，22是加载电机，23是组合支架，24是箱体。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的具体实施方式进行说明。本发明公开了一种股骨头柄球头摩擦磨损实验装置，该装置包括位于试验机上部的加载系统、摩擦副和股骨头转动系统。

实施例一：

参见图1，试样加载系统包括加载电机22、与加载电机22连接的蜗轮20—蜗杆21减速装置以及对髋臼上试样10施加载荷的加载传动机构。其中加载传动机构通过弹簧式柔性施力进行加载，具体包括柔性加力部件和传感部件。

柔性加力部件包括与传动丝杠19配合的传动螺母18，和套装在传动螺母18上的加力弹簧17，加力弹簧17的一端装在传动螺母18的凹槽内，另一端则套装在传力螺母16上。传力螺母16开有与传动螺杆14配合的内孔且该传动螺杆装在组合支架23的孔中。

其中传力螺母16上还套装有支撑弹簧15，该支撑弹簧15的两端分别装在传力螺母16和组合支架23上壁的凹槽内。组合支架23上还装有上导向轴11，并且在上导向轴11的下端开有安装髋臼上试样10的尾部锥孔，在此尾部锥孔的中间还开有垂直于尾部锥孔的横向锥孔。

当给加载电机22一定的脉冲量时，加载电机22带动蜗轮20-蜗杆21减速装置转动，从而带动传动丝杠19转动，传动丝杠19与传动螺母18之间为梯形螺纹连接，故传动螺母18可向下移动，从而压缩加力弹簧17下移，加力弹簧17的压力克服支撑弹簧15的支撑力时，传力螺母16和传动螺杆14在压力的作用下带动轴向力传感器13一起下移，直到轴向力传感器13与上导向轴11上端面接触，加载力便通过上导向轴11施加到髋臼试样9。复位时，加载电机22反转，带动传动丝杠19反转，从而带动传动螺母18上移，当支撑弹簧15克服加力弹簧17压力和传力螺母16的重力时向上伸展，带动传力螺母16、传动螺杆14、轴向力传感器13上移，达到复位的目的，并且在完全复位后可更换髋臼上试样10和股骨头下试样9。

传感部件包括轴向力传感器13和扭矩传感器12，轴向力传感器13安装于传动螺杆14的下端，当轴向力传感器13运动到与上导向轴11上端面接触时，轴向力传感器13测得轴向压力大小并反馈到计算机控制系统进行控制。扭矩传感器12安装在组合支架23的侧壁上，当上导向轴11受到来自加力弹簧15的压力和摩擦力产生的扭矩的综合作用下，扭矩传感器12受压，从而测出此时的扭矩并反馈给计算机进行数据分析。

参见图2，摩擦副包括髋臼上试样10和股骨头下试样9，还可配备设有润滑液进出口的润滑液套杯8。

其中髋臼上试样10固定部件包括上导向轴11，髋臼上试样10上端开有横向锥孔，可直接安装在上导向轴11的尾部锥孔中，并且通过插入横向锥孔的销子将其固定。股骨头下试样9固定部件包括摆轴5，股骨头下试样9尾部加工成螺纹，与摆轴5上端开有的螺纹孔相配合。根据实验要求进行介质摩擦时，可在摆轴上端安装润滑液套杯8，加入润滑液的量以摩擦副中始终有液体为宜。且润滑液套杯8设有润滑液进出口，可随时更换润滑液。

参见图3，股骨头转动系统包括驱动电机1、在驱动电机1带动下转动的下主轴2和仿生摆转机构。其中下主轴2与转动电机1通过联轴器连接。仿生摆转机构包括支撑斜板3、组合轴承4、摆轴5、档杆6和防转杆7。其中支撑斜板3的坡度角为23o，下端面开有偏心凹槽，下主轴2上端与支撑斜板3通过键连接，并且在支撑斜板的侧端面还开有一用来安装组合轴承4和摆轴5的安装孔。摆轴5与支撑斜板3是通过组合轴承连接，增加了两者之间转动的自由度，从而在外力的作用下可实现摆轴5与支撑斜板3之间的相对运动。摆轴5上端开有与股骨头试样9配合的螺纹孔且在其侧面开有安装防转杆7的螺纹孔，防转杆7可拆卸安装。档杆6固定于箱体上。本实施例为不安装防转杆7的工作情况。当转动电机1转动时，将带动下主轴2旋转进而带动支撑斜板3进行偏心周向转动，支撑斜板3将带动固定在其上的组合轴承4和摆轴5绕实验装置主轴做圆锥状旋转，利用固定销将安装股骨头试样9的摆轴5与支撑斜板3固定在一起，此时安装在臼杯座中的髋臼上试样10与股骨头下试样9之间则作相互旋转运动。

实施例二：

本实施例为安装防转杆7时的工作情况，与实施例一的技术方案基本相同，特别之处在于：

参见图4、5、6，本实施例在摆轴5的侧面通过螺纹连接安装防转杆7。支撑斜板3在驱动电机1的带动下作匀速旋转运动时，防转杆7随摆轴5转动，当防转杆7的自由端抵靠于固定于箱体24上的档杆6上，防转杆7将受到试验机立柱的阻挡作用产生反向阻力，固定于摆轴5上的股骨头下试样9在合力的作用下一边绕实验装置主轴旋转，一边往复摆动。摆轴5与固定于其上的股骨头下试样9在垂直于转动平面的范围产生类似于人体髋关节的摆动屈曲。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种股骨头柄球头摩擦磨损实验装置，包括加载系统和股骨头转动系统，其特征在于：所述加载系统位于试验机的上部，所述加载系统的上导向轴(11)上连接髋臼上试样(10)；所述股骨头转动系统位于试验机的下部，所述股骨头转动系统的摆轴(5)连接股骨头下试样(9)；所述髋臼上试样(10)的上端与所述上导向轴连接，膨大的下端开有球面凹槽；所述股骨头下试样9的上端具有与所述球面凹槽配合的球面凸，下端与所述摆轴(5)连接，所述摆轴(5)的中心轴线与水平呈23度夹角。

2.按照权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述股骨头转动系统包括驱动电机(1)，与所述驱动电机(1)连接的下主轴(2)，在下主轴(2)上连接仿生摆动机构。

3.按照权利要求2所述的实验装置，其特征在于：所述仿生摆动机构包括连接在所述下主轴(2)上的支撑斜板(3)，在所述支撑斜板(3)的倾斜上表面上开有与所述凹槽，所述摆轴(5)的端部安装在所述凹槽内。

4.按照权利要求3所述的实验装置，其特征在于：所述仿生摆动机构还包括防转杆(7)，所述防转杆(7)的一端固定连接在所述摆轴(5)上，另一端为抵靠在档杆(6)上的自由端。

5.按照权利要求3所述的实验装置，其特征在于：所述加载系统包括加载电机(22)，与所述加载电机(22)连接的蜗轮蜗杆减速装置，及与所述蜗轮(20)连接的柔性加力部件，所述柔性加力部件的上导向轴(11)与所述髋臼上试样(10)连接。

6.按照权利要求5所述的实验装置，其特征在于：所述柔性加力部件包括与所述蜗轮(20)连接的传动丝杠(19)，与所述传动丝杠配合的传动螺母(18)，在传动丝杠的下端为传动螺杆(14)，所述传动螺杆(14)与传力螺母(16)螺纹配合，加力弹簧一端装在所述传力螺母(18)上、另一端装在传力螺母(16)上，所述传动螺杆(14)穿过组合支架(23)后朝向所述上导向轴(11)的一端还装有轴向力传感器(13)，在所述轴向力传感器(13)与所述上导向轴(11)之间还装有扭矩传感器12。

7.按照权利要求6所述的实验装置，其特征在于：所述柔性加力部件还包括分别连接在所述传力螺母(16)和组合支架(23)上的支撑弹簧(15)。

8.按照权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述摆轴(5)的上端还设有润滑液套杯(8)，所述润滑液套杯(8)上设有润滑液进口和润滑液出口。