CN105300672B - 交变载荷无级调节式脊柱内固定器件体外疲劳测试机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交变载荷无级调节式脊柱内固定器件体外疲劳测试机。包括机台框架、电机、运动模块、加载模块和夹具模块。所述运动模块通过电机及轴承座由螺钉固定于机台框架底板之上；所述加载模块通过其中的加载套筒由螺钉固定于机台框架的上平板上；所述夹具模块连接加载模块和运动模块；测试过程为：将试件通过夹具模块夹持，通过加载模块加载不同程度的载荷，通过电机驱动运动模块进行运动，从而测试试件的疲劳性能。本发明可测试在不同最大载荷下和不同负载比的脊柱内固定器件的疲劳特性。本发明测试过程简单，使用方便。

Description

交变载荷无级调节式脊柱内固定器件体外疲劳测试机

技术领域

本发明涉及矫形外科植入物的疲劳测试，具体地说，是一种交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，可用于测试脊柱内固定器件的疲劳特性。

背景技术

脊柱内固定器件是矫形外科中重要的支撑件，通过人工关节置换术用人工关节替代病变、损伤的椎间盘或者稳定、纠正脊柱和椎间盘，能够帮助患者恢复关节运动，提高其生命质量。

疲劳性能是脊柱内固定器件性能中一项重要参数指标，直接影响脊柱运动的可靠性与长期稳定性。国际标准化组织（ISO）及美国材料与测试协会（ASTM）均针对人工关节的疲劳性能制定了相关体外测试标准。欧美多国食品和药物管理局均将疲劳性能测试作为人工关节在临床使用之前的强制检测项目。

疲劳实验机作为脊柱内固定器件体外疲劳测试与实验的执行载体，是脊柱内固定器件结构设计优化与可靠性评价中的关键装置。目前，脊柱内固定器件疲劳性能评价主要借助通用型商业疲劳实验机。由于此类装置为通用型或万能型设备，所覆盖力学测试类型众多，需要大量的前期设备投入以及高昂的维护保养成本。此外，对于脊柱内固定器件等人工关节疲劳试验，其具有低频循环（≤5Hz）、高循环次数（≥500百万次）、交变载荷不确定（材料性能）、负载比可调节（≥10）等特点，因此在通用型测试装置上运行该类试验的成本高且维护复杂，并不利于在国内植入物企业及检测中心推广人工关节的体外性能测试技术，从而制约人工关节产品的创新研发。而随着国内各种脊椎内固定器械产品的增多，对于不同设计结构以及材料性能产品的测试研究需要一种能提供交变载荷大小可随意调节、设备投入费用低、维护成本低、适合于大规模、长周期的性能测试的测试设备。

发明内容

本发明的目的在于克服现有疲劳测试机成本高并且维护复杂、昂贵，提供一种交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，能够通过调节交变载荷的大小来测试各种不同结构以及材料的脊柱内固定器件疲劳性能，并能够通过调节交变载荷大小来绘制在不同的最大载荷状态下负载比不变的疲劳特性曲线。

为达到上述目的，本发明的构思如下：

该测试机能够通过旋转顶部手柄，改变弹簧的压缩量，进而调节在测试过程中对测试件的最小压力，并通过压力传感器显示出来。同时通过调节机器底部曲柄调节螺杆，达到对测试过程中恒定负载比大小的控制。在测试过程前，在假体上贴上应变片，在测试过程中和测试完，通过对应变片的测量来获得试验假体的疲劳特性。

本交变载荷无级调节式脊柱内固定器件体外疲劳试验机包括：机台框架、运动模块、加载模块、夹具模块。运动模块通过电机及轴承座由螺钉固定于框架模块的底板上，运动模块的中间活动平台通过直线轴承X与框架模块的双导向立柱连接，使中间活动平台能沿导向立柱上下滑动。试件模块中脊柱内固定器件通过夹具固定于中间活动平台上，试件模块上部通过夹具上端与加载模块中的加载下端盖接触。加载模块通过加载套筒由螺钉固定于框架的上平板上。

根据上述发明构思，本发明采取下述技术方案：

一种交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，包括机台框架、电机、运动模块、加载模块和夹具模块，运动模块通过电机及轴承座由螺钉固定于机台框架底板之上，加载模块通过加载套筒由螺钉固定于机台框架上平板上，夹具模块连接加载模块和运动模块。其测试过程为：将试件通过夹具模块夹持，通过加载模块加载不同程度的载荷，通过电机驱动运动模块进行运动，从而测试试件的疲劳性能。

根据上述测试交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，其特征在于：所述机台框架包括底座、导向立柱和加载固定板，两根导向立柱按照运动平台的长度垂直安装在底座上，加载固定板通过轴肩和圆螺母固定在两根导向立柱上端，同时轴承座固定架与电机固定架按照尺寸固定在底座上。

根据上述测试交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，其特征在于：所述运动模块包括运动平台、连杆和曲柄调节机构，所述连杆上端通过安装有两个滚针轴承与固定在运动平台下端的两个轴承座实现与运动平台的连接，下端与曲柄调节机构相连，电机通过联轴器连接在竖直承载轴上，从而通过竖直承载轴6与曲柄调节机构相连接；所述曲柄调节机构由曲柄调节螺杆、防松螺母、曲柄端盖、螺杆固定板、调节滑块和调节滑槽组成，所述曲柄调节螺杆通过螺纹与曲柄端盖连接，由防松螺母固紧，其端部通过螺杆固定板与调节滑块固定连接，调节滑块在调节滑槽中可以滑动，而调节滑槽与曲柄端盖通过螺钉固定连接；通过调节滑块在调节滑槽中滑动的位置来改变连杆与电机带动的曲柄调节机构旋转中心的距离，通过曲柄调节螺杆在曲柄端盖中的螺纹转动来控制调节滑块在调节滑槽中的位置，在调节好连杆与电机带动调节滑槽转动中心的距离后通过防松螺母进行固定，曲柄调节螺杆通过螺杆固定板连接调节滑块，曲柄端盖通过螺钉与调节滑槽固定；另外竖直承载轴是将承载力和运动机构的重力通过轴承分散到底座上，消除竖直方向对电机受力的影响；其运动过程为：通过电机转动带动竖直承载轴运动，通过曲柄调节机构驱使连杆做偏心摆动，带动活动平台上下往复运动，模拟人体运动。

根据上述测试交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，其特征在于：所述加载模块包括调节手柄、加载调节端盖、导向块、力传感器、加载弹簧固定杆、弹簧、加载弹簧固定杯、力传递杆、加载套筒、直线轴承Y、平面轴承、加载下端盖、轴承固定块，加载套筒顶端通过螺钉连接顶端加载调节端盖，调节手柄通过螺纹与加载调节端盖进行连接，并穿过加载调节端盖与导向块相接触，导向块通过螺纹与S型力传感器上端连接。加载套筒内部放置有一弹簧，弹簧上端被加载弹簧固定杆与下端加载弹簧固定杯所固定，加载弹簧固定杆通过螺纹与S型力传感器下端连接，弹簧下端的力传递杆固定在加载弹簧固定杯下端，并穿过直线轴承Y，在直线轴承Y的导向下可以上下运动，而直线轴承Y用螺钉固定在加载套筒下端。平面轴承在力传递杆下端和轴承固定块上端，通过加载下端盖所固定。其加载过程为：中间运动平台上下运动带动试件及力传递杆上下运动进而使弹簧压缩，产生加载力，通过旋转顶端手柄控制弹簧的压缩量，并以此来调节测试过程中的载荷，所施加载荷可通过压力传感器读出。

根据上述测试交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，其特征在于：夹具模块包括上夹具、夹具固定销、下夹具，上下夹具中，下端的夹具通过螺钉与运动平台相连接，上端夹具通过螺钉与上端加载模块的下端相连接。其加持过程为：一般试件通过上下夹具固定在运动平台上。

本发明的设计思想为：

通过电机带动连杆机构，实现活动平台的上下往复运动，以模拟人体的运动过程，并通过顶部弹簧加载以及底部调节机构，可测试出不同最大载荷下，不同负载比的脊柱内固定器件的疲劳特性。

本发明的积极效果是：

（1）通过往复运动模拟人体的运动情况。

（2）可测试在不同最大载荷下，不同负载比的脊柱内固定器件的疲劳特性。

（3）在研发过程中对不同设计结构以及材料性能产品进行优化对比。

（4）测试过程简单，机器使用方便，易于推广应用。

附图说明

图1为一种交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机整体结构图。

图2为一种交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机的机台框架结构图。

图3为一种交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机的运动模块结构图。

图4为一种交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机的运动模块中的曲柄调节机构结构图。

图5为一种交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机的加载模块结构图。

图6为一种交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机的夹具模块结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：

实施例一：

参考图1，本交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，包括机台框架3、电机9、运动模块2、加载模块1和夹具模块41，其特征在于：所述运动模块2通过电机9及轴承座7由螺钉固定于机台框架3底板之上；所述加载模块1通过其中的加载套筒33由螺钉固定于机台框架3的加载固定板4上；所述夹具模块41连接加载模块1和运动模块2；测试过程为：将试件通过夹具模块41夹持，通过加载模块1加载不同程度的载荷，通过电机9驱动运动模块2进行运动，从而测试试件的疲劳性能。

实施例二：

参见图1～图6，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述所述运动模块2为曲柄滑块机构，包括运动平台14、连杆17和曲柄调节机构18，所述连杆17上端通过安装有两个滚针轴承与固定在运动平台14下端的两个轴承座16实现与运动平台14的连接，下端与曲柄调节机构18相连，电机9通过联轴器8连接在竖直承载轴6上，从而通过竖直承载轴6与曲柄调节机构18相连接；所述曲柄调节机构18由曲柄调节螺杆19、防松螺母20、曲柄端盖21、螺杆固定板22、调节滑块23和调节滑槽24组成，所述曲柄调节螺杆19通过螺纹与曲柄端盖21连接，由防松螺母20固紧，其端部通过螺杆固定板22与调节滑块23固定连接，调节滑块23在调节滑槽24中可以滑动，而调节滑槽24与曲柄端盖21通过螺钉固定连接；通过调节滑块23在调节滑槽24中滑动的位置来改变连杆17与电机9带动的曲柄调节机构18旋转中心的距离，通过曲柄调节螺杆19在曲柄端盖21中的螺纹转动来控制调节滑块23在调节滑槽24中的位置，在调节好连杆17与电机9带动调节滑槽24转动中心的距离后通过防松螺母20进行固定，曲柄调节螺杆19通过螺杆固定板22连接调节滑块23，曲柄端盖21通过螺钉与调节滑槽24固定；另外竖直承载轴6是将承载力和运动机构的重力通过轴承分散到底座上，消除竖直方向对电机受力的影响；其运动过程为：通过电机9转动带动竖直承载轴6运动，通过曲柄调节机构18驱使连杆17做偏心摆动，带动活动平台14上下往复运动，模拟人体运动。所述加载模块1包括调节手柄25、加载调节端盖26、导向块27、S型力传感器28、加载弹簧固定杆29、弹簧30、加载弹簧固定杯31、力传递杆32、加载套筒33、直线轴承Y 34、平面轴承35、加载下端盖36和轴承固定块37，所述加载套筒33顶端通过螺钉连接顶端加载调节端盖26，调节手柄25通过螺纹与加载调节端盖26进行连接，并穿过加载调节端盖26与导向块27相接触，导向块27通过螺纹与S型力传感器28上端连接；加载套筒33内部放置有一弹簧30，弹簧30上端被加载弹簧固定杆29与下端加载弹簧固定杯31所固定，加载弹簧固定杆29通过螺纹与S型力传感器28下端连接，弹簧30下端的力传递杆32固定在加载弹簧固定杯31下端，并穿过直线轴承Y 34，在直线轴承Y 34的导向下可以上下运动，而直线轴承Y 34用螺钉固定在加载套筒33下端；平面轴承35在力传递杆32下端和轴承固定块37上端，通过加载下端盖36所固定；其加载过程为：中间运动平台上下运动带动试件及力传递杆32上下运动进而使弹簧30压缩，产生加载力，通过旋转顶端手柄控制弹簧的压缩量，并以此来调节测试过程中的载荷，所施加载荷可通过压力传感器读出。所述夹具模块41包括上夹具38、夹具固定销39、下夹具40，所述上夹具38与下夹具40中，下夹具40通过螺钉与运动平台相连接，上夹具38通过螺钉与上端加载模块1的下端相连接；其加持过程为：一般试件通过上下夹具固定在运动平台上。

实施例三：

本交变载荷无级调节式脊柱内固定器件体外疲劳测试机是：参见图1，包括机台框架3上装有运动模块2、加载模块1和夹具模块，运动模块2通过电机9及轴承座由螺钉固定于机台框架3底板之上，加载模块1通过加载套筒由螺钉固定于机台框架3上平板上，夹具模块连接加载模块1和运动模块2。其测试过程为：将试件通过夹具模块夹持，通过加载模块加载不同程度的载荷，通过电机驱动运动模块进行运动，从而测试试件的疲劳性能。

本实施例中，参见图1、图2，所述机台框架3底座上垂直布置两根导向力柱5，两根导向立柱按照运动平台尺寸用立柱固定套筒12固定在底座上。在两根导向立柱上端，通过轴肩和圆螺母固定加载固定板4。

本实施例中，参见图1、图3，所述运动模块2为曲柄滑块机构，包括，运动平台14、连杆17、曲柄调节机构18，连杆17上端通过轴承与运动平台14固定，下端通过偏心轴及轴承与曲柄调节机构18中的调节滑块23相连，电机9通过联轴器8与竖直承载轴6相连接，从而通过竖直承载轴6与曲柄调节机构18相连接。其运动过程为：通过电机转动带动曲柄运动，通过曲柄调节机构驱使连杆做偏心运动，带动活动平台上下往复运动，模拟人体运动。

本实施例中，参见图1、图4，所述曲柄调节机构18由曲柄调节螺杆19、防松螺母20、曲柄端盖21、螺杆固定板22、调节滑块23和调节滑槽24组成，其通过调节滑块23在调节滑槽24中滑动的位置来改变连杆17与电机9带动的曲柄调节机构18旋转中心的距离，通过曲柄调节螺杆19在曲柄端盖21中的螺纹转动来控制调节滑块23在调节滑槽24中的位置，在调节好连杆17与电机9带动调节滑槽24转动中心的距离后通过防松螺母20进行固定，曲柄调节螺杆19通过螺杆固定板22连接调节滑块23，曲柄端盖21通过螺钉与调节滑槽24固定。

本实施例中，参见图1、图5，所述加载模块1包括，调节手柄25、加载调节端盖26、导向块27、力传感器28、加载弹簧固定杆29、弹簧30、加载弹簧固定杯31、力传递杆32、加载套筒33、直线轴承Y 34、平面轴承35、加载下端盖36、轴承固定块37，加载套筒33顶端通过螺钉连接顶端加载调节端盖26，调节手柄25通过螺纹与加载调节端盖26进行连接，并穿过加载调节端盖26与导向块27相接触，导向块27通过螺纹与S型力传感器32上端连接。加载套筒33内部放置有一弹簧30，弹簧30上端被加载弹簧固定杆29与下端加载弹簧固定杯31所固定，加载弹簧固定杆29通过螺纹与S型力传感器32下端连接，弹簧30下端的力传递杆32固定在加载弹簧固定杯31下端，并穿过直线轴承Y 34，在直线轴承Y 34的导向下可以上下运动，而直线轴承Y 34用螺钉固定在加载套筒33下端。平面轴承35在力传递杆32下端和轴承固定块37上端，通过加载下端盖36所固定。其加载过程为：中间运动平台上下运动带动试件及力传递杆上下运动进而使弹簧压缩，产生加载力，通过旋转顶端手柄控制弹簧的压缩量，并以此来调节测试过程中的载荷，所施加载荷可通过压力传感器读出。

本实施例中，参见图1、图6，所述夹具模块41包括，上夹具38、夹具固定销39、下夹具40，上下夹具中，下端的夹具通过螺钉与运动平台相连接，上端夹具通过螺钉与上端加载模块的下端相连接。其加持过程为：一般试件通过上下夹具用螺母固定在运动平台上。

Claims (4)

1.一种交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，包括机台框架（3）、电机（9）、运动模块（2）、加载模块（1）和夹具模块（41），其特征在于：所述运动模块（2）通过电机（9）及轴承座（7）由螺钉固定于机台框架（3）底板之上；所述加载模块（1）通过其中的加载套筒（33）由螺钉固定于机台框架（3）的加载固定板（4）上；所述夹具模块（41）连接加载模块（1）和运动模块（2）；测试过程为：将试件通过夹具模块（41）夹持，通过加载模块（1）加载不同程度的载荷，通过电机（9）驱动运动模块（2）进行运动，从而测试试件的疲劳性能；

所述运动模块（2）为曲柄滑块机构，包括运动平台（14）、连杆（17）和曲柄调节机构（18），所述连杆（17）上端通过安装有两个滚针轴承与固定在运动平台（14）下端的两个轴承座（16）实现与运动平台（14）的连接，下端与曲柄调节机构（18）相连，电机（9）通过联轴器(8)连接在竖直承载轴（6）上，从而通过竖直承载轴（6）与曲柄调节机构（18）相连接；所述曲柄调节机构（18）由曲柄调节螺杆（19）、防松螺母（20）、曲柄端盖（21）、螺杆固定板（22）、调节滑块（23）和调节滑槽（24）组成，所述曲柄调节螺杆（19）通过螺纹与曲柄端盖（21）连接，由防松螺母（20）固紧，其端部通过螺杆固定板（22）与调节滑块（23）固定连接，调节滑块（23）在调节滑槽（24）中可以滑动，而调节滑槽（24）与曲柄端盖（21）通过螺钉固定连接；通过调节滑块（23）在调节滑槽（24）中滑动的位置来改变连杆（17）与电机（9）带动的曲柄调节机构（18）旋转中心的距离，通过曲柄调节螺杆（19）在曲柄端盖（21）中的螺纹转动来控制调节滑块（23）在调节滑槽（24）中的位置，在调节好连杆（17）与电机（9）带动调节滑槽（24）转动中心的距离后通过防松螺母（20）进行固定，曲柄调节螺杆（19）通过螺杆固定板（22）连接调节滑块（23），曲柄端盖（21）通过螺钉与调节滑槽（24）固定；另外竖直承载轴（6）是将承载力和运动机构的重力通过轴承分散到底座上，消除竖直方向对电机受力的影响；其运动过程为：通过电机（9）转动带动竖直承载轴（6）运动，通过曲柄调节机构（18）驱使连杆（17）做偏心摆动，带动活动平台（14）上下往复运动，模拟人体运动。

2.根据权利要求1所述的交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，特征在于：所述加载模块（1）包括调节手柄（25）、加载调节端盖（26）、导向块（27）、S型力传感器（28）、加载弹簧固定杆（29）、弹簧（30）、加载弹簧固定杯（31）、力传递杆（32）、加载套筒（33）、直线轴承Y（34）、平面轴承（35）、加载下端盖（36）和轴承固定块（37），所述加载套筒（33）顶端通过螺钉连接顶端加载调节端盖（26），调节手柄（25）通过螺纹与加载调节端盖（26）进行连接，并穿过加载调节端盖（26）与导向块（27）相接触，导向块（27）通过螺纹与S型力传感器（28）上端连接；加载套筒（33）内部放置有一弹簧（30），弹簧（30）上端被加载弹簧固定杆（29）与下端加载弹簧固定杯（31）所固定，加载弹簧固定杆（29）通过螺纹与S型力传感器（28）下端连接，弹簧（30）下端的力传递杆（32）固定在加载弹簧固定杯（31）下端，并穿过直线轴承Y（34），在直线轴承Y（34）的导向下可以上下运动，而直线轴承Y（34）用螺钉固定在加载套筒（33）下端；平面轴承（35）在力传递杆（32）下端和轴承固定块（37）上端，通过加载下端盖（36）所固定；其加载过程为：中间运动平台上下运动带动试件及力传递杆（32）上下运动进而使弹簧（30）压缩，产生加载力，通过旋转顶端手柄控制弹簧的压缩量，并以此来调节测试过程中的载荷，所施加载荷可通过压力传感器读出。

3.根据权利要求1所述的交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，特征在于：所述夹具模块（41）包括上夹具（38）、夹具固定销（39）、下夹具（40），所述上夹具（38）与下夹具（40）中，下夹具（40）通过螺钉与运动平台相连接，上夹具（38）通过螺钉与上端加载模块（1）的下端相连接；其加持过程为：一般试件通过上下夹具固定在运动平台上。

4.根据权利要求1所述的交变载荷无级调节式脊柱内固定器件外疲劳测试机，特征在于：所述机台框架（3）包括底座、导向立柱（5）、加载固定板（4），两根导向立柱（5）按照运动平台的长度垂直安装在底座上，加载固定板（4）通过轴肩和圆螺母固定在两根导向立柱（5）上端，同时轴承座固定架与电机固定架按照尺寸固定在底座上。