CN105699224A

CN105699224A - 腰椎疲劳试验机

Info

Publication number: CN105699224A
Application number: CN201610219025.XA
Authority: CN
Inventors: 周赵凤; 赵凤东
Original assignee: Zhejiang University City College ZUCC
Current assignee: Zhejiang University City College ZUCC
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2036-04-08
Also published as: CN105699224B

Abstract

本发明公开了一种腰椎疲劳试验机，包括底座（1），底座（1）上方连接有立柱（2），立柱（2）上端部连接有动力机构（3），动力机构（3）外套设有罩壳（4），罩壳（4）表面设有控制显示屏（5），控制显示屏（5）连接有电路控制装置（6），电路控制装置（6）与动力机构（3）相连；所述底座（1）中部设有下调节螺杆（7），下调节螺杆（7）上方连接有下压板（8），下压板（8）上方设有下夹具（9）；所述动力机构（3）下方连接有上夹具（10）。本发明具有能够模拟人体腰椎实际受力工况、研究设备体积小、结构简单、研究的结果理想、研究成本低和能够有效控制载荷和精度的特点。

Description

腰椎疲劳试验机

技术领域

本发明涉及一种试验机，特别是一种腰椎疲劳试验机。

背景技术

腰疼和腰椎间盘突出是人类脊椎病中较为普遍的一种症状。椎间盘在生化方面的退变以及由于椎间盘过载都对椎间盘突出有所影响，虽然目前还没有办法来有效地治疗由于生化效应引起的腰椎间盘综合症，但研究人员可以根据患者在脊柱受压力加载时感到疼痛加剧的现象，从实验研究中得到改善腰椎间盘受力状态的办法，进而减轻病人的痛苦。因为椎间盘主要承受的是轴向压力载荷，所以，压缩试验就成了测定其力学性质最常见的方法。压缩试验主要是通过试验机进行，而现有的试验机中的动力机构无法根据人体腰椎的运动特点，实现试验机产生的加载形式与人体腰椎实际使用条件相一致。同时，由于人体脊椎体积较小，所需的载荷较小但其对精度要求较高，而现有的试验机由于主要应用于高压超压的轴向压缩领域，对低压的压缩领域的载荷的控制和精度的控制无法满足试验所需。而且，现有的实验室中的试验机往往体积很大，结构比较复杂，每做一次实验的成本也较高，而且其试验所得到的结论也不是很理想。因此，现有的技术存在着无法模拟人体腰椎实际受力工况、研究设备体积大、结构复杂、研究的结果不理想、载荷精度要求无法满足试验需求和研究成本高等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种腰椎疲劳试验机。它具有能够模拟人体腰椎实际受力工况、研究设备体积小、结构简单、研究的结果理想、研究成本低和能够有效控制载荷和精度的特点。

本发明的技术方案：腰椎疲劳试验机，包括底座，底座上方设有立柱，立柱上端部设有动力机构，动力机构外套设有罩壳，罩壳表面设有控制显示屏，控制显示屏连接有电路控制装置，电路控制装置与动力机构相连；所述底座中部设有下调节螺杆，下调节螺杆上方连接有下压板，下压板上方设有下夹具；所述动力机构下方连接有上夹具。

前述的腰椎疲劳试验机中，所述动力机构包括与立柱固定的支撑板，支撑板上方设有驱动装置，驱动装置连接有顶杆，顶杆下端连接有上压板，上压板的两侧连接有铰杆，且铰杆与顶杆呈三角结构，铰杆上端与支撑板下方相连；所述铰杆之间设有弹簧，且弹簧的上、下端分别与支撑板和上压板相连；所述顶杆上套设有固定件和压簧，且压簧位于固定件上方；所述顶杆穿过支撑板上设有的通孔与上压板相连。

前述的腰椎疲劳试验机中，所述驱动装置包括步进电机，步进电机的输出轴连接有偏心轮，偏心轮与顶杆相接触。

前述的腰椎疲劳试验机中，所述驱动装置包括液压缸和液压系统，液压缸伸出端与顶杆相接触；所述液压系统包括油箱，油箱连接有低压泵，低压泵连接有三位四通电磁换向阀，且与三位四通电磁换向阀的A端相连，三位四通电磁换向阀的B端经管道与油箱相连，三位四通电磁换向阀的T端连接有液压缸的有杆腔，三位四通电磁换向阀的P端连接有第一单向阀，第一单向阀与液压缸的无杆腔相连，液压缸的无杆腔连接有液控单向阀，液控单向阀连接有第二单向阀，第二单向阀连接有高压泵，高压泵与油箱相连；所述液控单向阀与三位四通电磁换向阀的T端相连，液控单向阀和第二单向阀之间还连接有电磁溢流阀，电磁溢流阀连接有电磁换向球阀，电磁换向球阀连接有节流阀，节流阀与液压缸的无杆腔相连；所述第一单向阀连接有压力传感器、第一角度传感器和第二角度传感器，所述压力传感器安装于液压缸伸出端底部，所述的第一角度传感器和第二角度传感器位于上压板；所述低压泵还连接有溢流阀，溢流阀和电磁溢流阀与油箱相连。

前述的腰椎疲劳试验机中，所述电路控制装置包括控制器，控制器连接有驱动器，驱动器与动力机构相连。

前述的腰椎疲劳试验机中，所述上夹具和下夹具包括半圆形结构的A环和B环，A环的两端经销钉连接有螺杆，B环两端穿过螺杆经蝴蝶螺母与A环夹紧。

与现有技术相比，本发明通过动力机构做往复运动，进行轴向加载，使其提供的载荷能在试验室环境中正确模拟人体腰椎的实际受力工况，以使试验机产生的加载形式与人体腰椎实际使用条件相一致；为了适应人体的脊椎体积较小的现状，本发明将试验机的体积缩小，使其能放在桌子上就能进行轴向压缩试验，缩小了研究设备体积，使其结构变得简单，也降低了研究成本；由于两压板之间行程较小，故采用调节螺杆手动调节下压板的高度，设计上大大降低了成本。动力机构采用步进电机配合偏心轮工作或者采用液压系统进行控制，通过控制步进电机的转速和次数或者对液压系统的控制系统的设置，从而可以提高动力机构的运动精度，同时也可以精确控制动力机构的输出力，使其输出载荷能够满足试验所需的要求。综上所述，本发明具有能够模拟人体腰椎实际受力工况、研究设备体积小、结构简单、研究的结果理想、研究成本低和能够有效控制载荷和精度的特点。

另外，本发明还具有以下有益效果：

（1）上、下夹具均采用两个半圆形的环，用销钉连上螺纹杆，并用蝴蝶螺母将两个环夹紧，试样上端与上压板底面相接触，试样下部两端受到夹具的夹紧力，通过模拟腰椎与其上下部位的连接方式，不仅可以有效防止试样脱落，而且可以提高试验数据的准确性。

（2）通过将顶杆设置成作轴向的往复运动，将铰杆与上压板铰接，使得上压板只在顶杆端发生轴向的位移，且上压板具有倾向于顶杆位置轴向向下的角度，使得试验机的加载方式与人体腰椎的实际受力状况相一致，进而提高了实验数据的准确性。

（3）液压系统采用高低压双泵组合供油，液压缸在进程和回程期间两泵可卸载，能量利用合理；采用小流量高压泵取代传统的主缸进油路设置液控单向阀加小型蓄能器的进程方式以及采用主油路增设旁通节流回路取代采用液控单向阀在主缸高压回路直接释压的方式，可以实现液压缸的快进、慢进、慢退以及快退，使得顶杆的往复运动定位精度高、动作平稳，可以有效控制液压缸的输出力，释压冲击噪声小，进而也提高设备的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是实施例1去除罩壳的结构示意图；

图4是实施例2去除罩壳的结构示意图；

图5是液压系统的油路图；

图6是本发明的电路控制图；

图7是夹具的结构示意图。

附图中的标记说明：1-底座，2-立柱，3-动力机构，4-罩壳，5-控制显示屏，6-电路控制装置，7-下调节螺杆，8-下压板，9-下夹具，10-上夹具，11-支撑板，12-驱动装置，13-顶杆，14-上压板，15-铰杆，16-弹簧，17-固定件，18-压簧，19-通孔，20-步进电机，21-偏心轮，22-液压缸，23-油箱，24-低压泵，25-三位四通电磁换向阀，26-第一单向阀，27-液控单向阀，28-第二单向阀，29-高压泵，30-电磁溢流阀，31-电磁换向球阀，32-节流阀，33-压力传感器，34-第一角度传感器，35-第二角度传感器，36-溢流阀，37-控制器，38-驱动器，39-A环，40-B环，41-螺杆，42-蝴蝶螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明限制的依据。

实施例1：腰椎疲劳试验机，构成如图1、图2、图3、图5和图7所示，包括底座1，底座1上方连接有立柱2，立柱2上端部连接有动力机构3，动力机构3外套设有罩壳4，罩壳4表面设有控制显示屏5，控制显示屏5连接有电路控制装置6，电路控制装置6与动力机构3相连；所述底座1中部设有下调节螺杆7，下调节螺杆7上方连接有下压板8，下压板8上方设有下夹具9；所述动力机构3下方连接有上夹具10。

所述动力机构3包括与立柱2固定的支撑板11，支撑板11上方设有驱动装置12，驱动装置12连接有顶杆13，顶杆13下端连接有上压板14，上压板14的两侧连接有铰杆15，且铰杆15与顶杆13呈三角结构，铰杆15上端与支撑板11下方相连；所述铰杆15之间设有弹簧16，且弹簧16的上、下端分别与支撑板11和上压板14相连；所述顶杆13上套设有固定件17和压簧18，且压簧18位于固定件17上方；所述顶杆13穿过支撑板11上设有的通孔19与上压板14相连。

底座1四个端部各设有一个通孔，支撑板11的四个端部各设有一个螺纹孔，所述立柱2为双头螺纹杆，立柱2下端穿过通孔经螺栓与底座固定，立柱2上端通过螺纹与支撑板相连。

所述驱动装置12包括步进电机20，步进电机20的输出轴连接有偏心轮21，偏心轮21与顶杆13相接触。

所述电路控制装置6包括控制器37，控制器37连接有驱动器38，驱动器38与动力机构3的驱动装置12相连。

所述顶杆13包括圆柱型结构的上缓冲垫，上缓冲垫下方连接有连杆，且上缓冲垫的直径大于连杆的直径，连杆下端连接有圆柱型结构的下缓冲垫，下缓冲垫与上压板相接触。

所述固定件14由两个直径为上大下小的中空圆柱组成，且固定件17上端固定于支撑板11，固定件17下端穿过通孔。

所述上夹具10和下夹具9包括半圆形结构的A环39和B环40，A环39的两端经销钉连接有螺杆41，B环40两端穿过螺杆41经蝴蝶螺母42与A环39夹紧。

给定电机一个转速，并同时设定试验加载的次数，按下启动按钮，当传感器接收到电机转过的圈数达到给定的加载次数后，电机停止工作。为实现机构的偏心加压，下压后上压板4与原水平位置所成角度不超过6°。将偏心距调整为11mm。

实施例2：腰椎疲劳试验机，构成如图1、图2、图4、图5、图6和图7所示，包括底座1，底座1上方连接有立柱2，立柱2上端部连接有动力机构3，动力机构3外套设有罩壳4，罩壳4表面设有控制显示屏5，控制显示屏5连接有电路控制装置6，电路控制装置6与动力机构3相连；所述底座1中部设有下调节螺杆7，下调节螺杆7上方连接有下压板8，下压板8上方设有下夹具9；所述动力机构3下方连接有上夹具10。

所述驱动装置12包括液压缸22和液压系统，液压缸22伸出端与顶杆13相接触；所述液压系统包括油箱23，油箱23连接有低压泵24，低压泵24连接有三位四通电磁换向阀25，且与三位四通电磁换向阀25的A端相连，三位四通电磁换向阀25的B端经管道与油箱23相连，三位四通电磁换向阀25的T端连接有液压缸22的有杆腔，三位四通电磁换向阀25的P端连接有第一单向阀26，第一单向阀26与液压缸22的无杆腔相连，液压缸22的无杆腔连接有液控单向阀27，液控单向阀27连接有第二单向阀28，第二单向阀28连接有高压泵29，高压泵29与油箱23相连；所述液控单向阀27与三位四通电磁换向阀25的T端相连，液控单向阀27和第二单向阀28之间还连接有电磁溢流阀30，电磁溢流阀30连接有电磁换向球阀31，电磁换向球阀31连接有节流阀32，节流阀32与液压缸22的无杆腔相连；所述第一单向阀26连接有压力传感器33、第一角度传感器34和第二角度传感器35，所述压力传感器33安装于液压缸22伸出端底部，所述的第一角度传感器34和第二角度传感器35位于上压板14；所述低压泵24还连接有溢流阀36，溢流阀36和电磁溢流阀30与油箱23相连。

当电磁铁1YA和3YA通电时，三位四通电磁换向阀25和电磁溢流阀30中的电磁换向阀分别切换至右位和上位，高压泵29经液控单向阀27、低压泵24经三位四通电磁换向阀25及第一单向阀26同时向液压缸22的无杆腔供油，液压缸22有杆腔经三位四通电磁换向阀25回油，活塞杆运动，当活塞杆与顶杆13相接触后，压力传感器33发出信号，电磁铁1YA断电使三位四通电磁换向阀25复至中位，低压泵24卸载，高压泵29继续向液压缸22供油，这时顶杆13向下运动，使得上压板14开始倾斜，当上压板14倾斜到设定的角度后，第一角度传感器34发出信号，高压泵29停止供油。高压泵29停止供油后，电磁铁4YA通电使电磁换向球阀31切换至上位，液压缸22无杆腔通过旁路节流回路（节流阀32和电磁换向阀31）释放压力（释压时间根据调节节流阀32的开度实现），当释压达一定值时，上压板14向上移动了一定角度，第二角度传感器35发出信号，电磁铁2YA通电使三位四通电磁换向阀25切换至左位，低压泵24的压力油经三位四通电磁换向阀25进入液压缸22的有杆腔，并反向导通液控单向阀27，液压缸22快速回程，同时电磁铁3YA断电使电磁溢流阀30中的电磁换向阀复位（下位），高压泵29通过电磁溢流阀30卸载，从而完成一个工作循环。

实施例1的工作原理：选取三段腰椎标本，将其两端用石膏封住，放置于试验台上，通过手动调节下调节螺杆7使下压板8上升，以便于试样上平面与上压板14接触，并通过上下夹具将标本夹紧，在控制器上调节电机的转数与加载次数，启动电机产生动力由偏心轮传给顶杆，然后通过顶杆的往复运动，实现上压板的加压。上压板的回程通过压缩弹簧的弹簧力实现，铰杆15与上压板14另一端和支撑板11均经过铰接相连，同时上压板14在铰杆端还设有弹簧16。当顶杆13对上压板14施加力后，上压板14往下运动，弹簧16被拉伸，弹簧16积蓄弹簧力，当顶杆13上升后，上压板14在弹簧16的弹簧力作用下复位。

实施例2的工作原理：选取三段腰椎标本，将其两端用石膏封住，放置于试验台上，通过手动调节下调节螺杆7使下压板8上升，以便于试样上平面与上压板14接触，并通过上下夹具将标本夹紧，在控制器上调节液压系统的输出频率和加载次数，启动液压系统产生动力，液压缸伸出端将动力传送给顶杆，然后通过顶杆的往复运动，实现上压板的加压。上压板的回程通过压缩弹簧的弹簧力实现，铰杆15与上压板14另一端和支撑板11均经过铰接相连，同时上压板14在铰杆端还设有弹簧16。当顶杆13对上压板14施加力后，上压板14往下运动，弹簧16被拉伸，弹簧16积蓄弹簧力，当顶杆13上升后，上压板14在弹簧16的弹簧力作用下复位。

同时，在顶杆13上套设压簧18，可以使得顶杆13可以在不受力的情况下复位，在顶杆13下降时起到缓冲作用，保证上压板14所受的力均匀。

本发明所用到的上、下夹具均为两个半圆形的环，高度为40mm，厚度5mm，其中一个用销钉连上螺纹杆，并用蝴蝶螺母将两个环夹紧，以此夹住试样。夹具通过螺钉与上下压板相连。

在罩壳上还设有功能开关，并与电路控制装置相连，从而进行控制试验机。驱动器采用HB308SN型号。

顶杆13位于上压板14一端的中部位置，铰杆15位于上压板14另一端的两侧位置，铰杆15与顶杆13在上压板14上表面呈三角形布置。

所述弹簧16下端通过固定板与上压板14相连，弹簧16上端与连接杆下端相连，连接杆上端与支撑板11下方相连。

Claims

1.腰椎疲劳试验机，其特征在于：包括底座（1），底座（1）上方设有立柱（2），立柱（2）上端设有动力机构（3），动力机构（3）外套设有罩壳（4），罩壳（4）表面设有控制显示屏（5），控制显示屏（5）连接有电路控制装置（6），电路控制装置（6）与动力机构（3）相连；所述底座（1）中部设有下调节螺杆（7），下调节螺杆（7）上方连接有下压板（8），下压板（8）上方设有下夹具（9）；所述动力机构（3）下方连接有上夹具（10）。

2.根据权利要求1所述的腰椎疲劳试验机，其特征在于：所述动力机构（3）包括与立柱（2）固定的支撑板（11），支撑板（11）上方设有驱动装置（12），驱动装置（12）连接有顶杆（13），顶杆（13）下端连接有上压板（14），上压板（14）的两侧连接有铰杆（15），且铰杆（15）与顶杆（13）呈三角结构，铰杆（15）上端与支撑板（11）下方相连；所述铰杆（15）之间设有弹簧（16），且弹簧（16）的上、下端分别与支撑板（11）和上压板（14）相连；所述顶杆（13）上套设有固定件（17）和压簧（18），且压簧（18）位于固定件（17）上方；所述顶杆（13）穿过支撑板（11）上设有的通孔（19）与上压板（14）相连。

3.根据权利要求2所述的腰椎疲劳试验机，其特征在于：所述驱动装置（12）包括步进电机（20），步进电机（20）的输出轴连接有偏心轮（21），偏心轮（21）与顶杆（13）相接触。

4.根据权利要求2所述的腰椎疲劳试验机，其特征在于：所述驱动装置（12）包括液压缸（22）和液压系统，液压缸（22）伸出端与顶杆（13）相接触；所述液压系统包括油箱（23），油箱（23）连接有低压泵（24），低压泵（24）连接有三位四通电磁换向阀（25），且与三位四通电磁换向阀（25）的A端相连，三位四通电磁换向阀（25）的B端经管道与油箱（23）相连，三位四通电磁换向阀（25）的T端连接有液压缸（22）的有杆腔，三位四通电磁换向阀（25）的P端连接有第一单向阀（26），第一单向阀（26）与液压缸（22）的无杆腔相连，液压缸（22）的无杆腔连接有液控单向阀（27），液控单向阀（27）连接有第二单向阀（28），第二单向阀（28）连接有高压泵（29），高压泵（29）与油箱（23）相连；所述液控单向阀（27）与三位四通电磁换向阀（25）的T端相连，液控单向阀（27）和第二单向阀（28）之间还连接有电磁溢流阀（30），电磁溢流阀（30）连接有电磁换向球阀（31），电磁换向球阀（31）连接有节流阀（32），节流阀（32）与液压缸（22）的无杆腔相连；所述第一单向阀（26）连接有压力传感器（33）、第一角度传感器（34）和第二角度传感器（35），所述压力传感器（33）安装于液压缸（22）伸出端底部，所述的第一角度传感器（34）和第二角度传感器（35）位于上压板（14）；所述低压泵（24）还连接有溢流阀（36），溢流阀（36）和电磁溢流阀（30）与油箱（23）相连。

5.根据权利要求1所述的腰椎疲劳试验机，其特征在于：所述上夹具（10）和下夹具（9）包括半圆形结构的A环（39）和B环（40），A环（39）的两端经销钉连接有螺杆（41），B环（40）两端穿过螺杆（41）经蝴蝶螺母（42）与A环（39）夹紧。

6.根据权利要求1所述的腰椎疲劳试验机，其特征在于：所述电路控制装置（6）包括控制器（37），控制器（37）连接有驱动器（38），驱动器（38）与动力机构（3）相连。