CN107727523A - 一种多功能人工髋关节磨损试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能人工髋关节磨损试验机，包括机架组件、液压加载机构、动力旋转机构、髋关节模拟试验机构和销盘模拟试验机构，所述液压加载机构安装在机架组件的上方，动力旋转机构安装在机架组件的下方，髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构安装在液压加载机构和动力旋转机构之间，液压加载机构为髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构的上半部分提供稳定的载荷，动力旋转机构带动髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构的下半部分稳定转动；本发明利用通用件和特殊件的组合，通过更换特殊件可以实现在同一个试验设备上实现人工髋关节摩擦磨损测试和销盘磨损试验，为教学及科研仪器的设计提供了一种新的思路。
Description
技术领域
本发明涉及试验设备技术领域，更具体的说，尤其涉及一种多功能人工髋关节磨损试验机。
背景技术
随着社会的发展，生产力水平的提高，人的生命价值被广泛地认同，在“生命高于一切”的思想指导下，医疗行业将成为继汽车、房地产、IT、互联网之后的第五个爆发式发展行业。而在疾病、战争和事故中发生的人体骨骼病变和损伤，是导致许多重大疾病甚至残疾的原因之一。在人体的所有骨骼中，髋关节是连接躯干与下肢的重要关节，也是全身负荷体重最多、受力最重的关节。髋关节在日常功能活动中承受巨大应力作用的同时，也在人类直立行走中起着特殊的力传导作用。因此，髋关节作为人体最大的负重关节，很容易受到损伤，导致诸如股骨头坏死、风湿性关节炎、退化性关节炎、僵直性脊椎炎等，严重影响正常生活。为了更好地帮助这部分人，缓解他们的痛苦，重获正常、健康的生活与身体，很多人都在研究解决人体骨骼的材料、成型、植入和再生性的问题。目前行业内有两种解决方法，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(高分子材料、金属、陶瓷等)制成替代骨植入人体，以解决大块缺损骨骼的修复。在此基础上，髋关节置换术应运而生。
人工髋关节置换是指用生物相容性和机械性能良好的金属材料制成的一种类似人体骨关节的假体，利用手术方法将人工关节置换被疾病或损伤所破坏的关节面，其目的是切除病灶，清除疼痛，恢复关节的活动与原有的功能，这是治疗各种髋关节疾病最重要也是最有效的手术之一。美国现有总人口中的0.83％接受过人工髋关节置换术，我国的人工髋关节置换术经历了数十年的发展，特别是近20年成规模、规范化的发展，取得了巨大的进步。2014年，我国的人工关节置换术总量已达近40万例，其中近60％为人工髋关节置换，而且随着规范化手术技术的推广与普及、患者对手术接受度的提高以及医疗保障制度的完善，髋关节置换的手术量仍将以较快的速度不断增长。
因此，研究人工髋关节的材料与磨损成了一个重要的课题。因为人体关节属于身体活动的连接机构，接触面间必然会发生相对滑动，产生摩擦、磨损，这种磨损不仅会破坏关节假体本身结构，引起机械性失效，还会产生大量磨损颗粒，诱导假体周围骨骼溶解，导致骨质恶化、髋臼松动甚至脱落。因此，我们需要对人工关节的强度、蠕变和磨损进行系统研究，这也是人工髋关节模拟试验机的由来，它需要在试验室环境中准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。
实验室常用的磨损试验机主要分为两类，一种是摩擦测试试验机，这是人工关节摩擦学常规试验设备，以滑动接触方式进行摩擦磨损试验，通过圆盘与加工成销状的试验样品之间所形成的相对运动来研究材料的摩擦性能和滑液的润滑性能。它们专门提供所研究材料的固有特性的信息，其测试过程很快。但是该试验机不能准确的反映测试生物材料的几何特性，而其几何特性影响接触面的润滑和接触应力。因此它只能近似的再现假体材料在人体内相同磨损机制，但是使用的是较简化的模型而不是仿人体关节假体。因此，由于在试验中忽略了材料形态方面的区别，该试验机对移植关节的磨损率测试不够准确。
另外一种是关节磨损试验机，例如人工髋关节磨损试验机，人工髋关节模拟试验机可以在试验室环境中准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。
但是，无论是哪一种磨损试验机，现有的磨损试验机都是独立存在的，即摩擦测试试验机提供摩擦测试试验的功能，关节磨损试验机提供关节磨损试验的功能，尚没有一种能够将两种试验机结合起来的装置，即所有的磨损试验机都是独立设计独立完成试验的，这对实验室来说往往是一笔极大的负担；若是有一种通用的机型，可以依靠简单的更换组件即可实现关节磨损试验机和摩擦测试试验机的切换，在同一台机器上实现关节磨损试验和关节摩擦试验，不仅能够减少科研经费的支出，而且可以为教学及科研仪器的设计提供了一种新思路。
同时，现有的人工髋关节磨损试验机都是采用关节窝在上关节球在下的连接方式，虽然这种方式更贴合实际情况，但对试验的结果影响并不是很大，尤其是在加载是需要气缸提供且加载的力可控的情况下，关节窝在上和关节球在下的影响对摩擦试验的结果影响并不是很明显，然而在髋关节模拟试验的实际过程中，需要在关节球和关节窝之间加入胎牛血清作为润滑液，血清至少需要淹没摩擦面，若是关节窝倒置在关节球的上方，其必然会导致作为润滑剂的胎牛血清在注入的过程中很难淹没整个摩擦面，一方面导致了润滑液的浪费，另一方面也会导致润滑液涂抹的不均匀，对髋关节模拟试验的结果产生影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的人工髋关节模拟试验机功能单一，润滑液容易浪费以及运动方式单一的问题，提出了一种多功能人工髋关节磨损试验机，能够在传统的通用型髋关节磨损试验机的基础上进行改造优化并集成了新功能，使之不仅能更好的在模拟人工髋关节运动状态下完成人工髋关节摩擦磨损测试，还能通过模块的变化进行销盘磨损试验。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种多功能人工髋关节磨损试验机，包括机架组件、液压加载机构、动力旋转机构、髋关节模拟试验机构和销盘模拟试验机构，所述液压加载机构安装在机架组件的上方，动力旋转机构安装在机架组件的下方，髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构安装在液压加载机构和动力旋转机构之间，液压加载机构为髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构的上半部分提供稳定的载荷，动力旋转机构带动髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构的下半部分稳定转动；
所述液压加载机构包括液压缸体、液压缸上盖、液压缸下盖、活塞、活塞杆、连接面板、滑块套筒和筒状滑块，所述液压缸体竖直设置，液压缸上盖固定在液压缸体的上端，液压缸下盖固定在液压缸体的下端，所述连接面板固定在液压缸下盖上，滑块套筒固定在连接面板的底部，活塞位于所述液压缸体内，活塞杆的一端连接活塞，另一端穿过液压缸下盖连接在筒状滑块上，筒状滑块套装在所述滑块套筒内部；所述筒状滑块的底部还连接有伸长支座，髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构的上半部分安装在所述伸长支座上；
所述动力旋转机构包括旋转驱动电机、主传动轴、电机连接套和第一联轴器，旋转驱动电机通过电机连接套固定在机架组件上，旋转驱动电机通过第一联轴器连接主传动轴；
所述髋关节模拟试验机构包括关节头试件、试件座、髋臼试件、偏心轮、摆轴、试件连接螺柱、可拆式固定销、防转杆和圆锥滚子轴承，髋关节模拟试验机构安装时关节头试件通过试件连接螺柱固定连接在液压加载机构的伸长支座的底部，关节头试件固定在试件连接螺柱的底部；所述试件座上端设置有圆柱槽，髋臼试件安装在试件座上的圆柱槽底面上，所述圆柱槽内盛有润滑液；试件座通过摆轴安装在偏心轮上，所述偏心轮固定安装在动力旋转机构的主传动轴上；所述试件座上设置有供可拆式固定销插入和拔出的连接孔，可拆式固定销的插入试件座时试件座和可拆式固定销连接为一个整体，所述防转杆固定在机架组件上且防转杆安装在可拆式固定销转动时的运动路径上；可拆式固定销未插入试件座时受旋转驱动电机带动的主传动轴转动时通过偏心轮带动试件座沿主传动轴的轴心线转动，可拆式固定销插入试件座时受旋转驱动电机带动的主传动轴转动时通过偏心轮带动试件座和可拆式固定销构成的整体转动，可拆式固定销被防转杆挡住无法绕主传动轴的轴心线转动，试件座改绕摆轴的轴心线转动且可拆式固定销在防转杆与可拆式固定销中心线所在的平面内做弧形摆动；
所述销盘模拟试验机构包括盘座、试件盘、夹具、试件销和夹块，销盘模拟试验机构安装时盘座固定在动力旋转机构的主传动轴上，夹具固定在液压加载机构的伸长支座的底部，夹具通过夹件将试件销装夹在夹具上，试件盘安装在所述盘座上。
进一步的，所述机架组件包括由铝型材构成的立方形框架和中部安装板，所述中部安装板均水平设置，中部安装板通过螺栓固定在立方形框架的中下部。
进一步的，所述机架组件上还设置有水平驱动组件，所述水平驱动组件包括丝杆驱动电机、梯形丝杆、螺纹滑块、水平滑轨、导轨滑块、轴承、丝杆安装座、第二联轴器和安装在立方形框架顶部的两块支撑板，两块支撑板安装在同一水平面上，两块支撑板上各设置有一个丝杆安装座，所述丝杆驱动电机通过第二联轴器连接梯形丝杆，梯形丝杆的两端分别通过轴承安装在两个丝杆安装座上；所述螺纹滑块套装在梯形丝杆上且螺纹滑块与连接面板固定连接，导轨滑块安装在所述连接面板底部，连接面板通过导轨滑块安装在两条平行于梯形丝杆且安装在两块支撑板上的水平滑轨且在丝杆驱动电机带动下沿水平滑轨直线运动。
进一步的，所述动力旋转机构还包括防尘板、轴承套和轴套，防尘板设置在中部安装板的上端，电机连接套设置在中部安装板的下端，中部安装板上设置有圆孔，轴承套穿过中部安装板上的圆孔，轴承套上端通过多个细牙六角头螺栓固定在防尘板和电机连接套之间，轴承套的下端套装在电机连接套内部；所述主传动轴与轴承套之间还设置有另外一对相互之间反向设置的圆锥滚子轴承，所述轴套套装在圆锥滚子轴承和第一联轴器之间的主传动轴上。
进一步的，所述液压缸上盖和活塞杆之间还安装有轴用Yx型密封圈和防尘圈，液压缸上盖和活塞杆之间通过轴用Yx型密封圈密封并通过防尘圈来防尘，所述液压缸上盖和液压缸筒之间通过O型圈密封。
进一步的，所述可拆式固定销的头部呈锥形，可拆式固定销的尾部后端呈U型槽状，可拆式固定销在安装时防转杆刚好被夹在可拆式固定销的尾部的U型槽内。
进一步的，所述试件连接螺柱的上端套装有螺纹套，试件连接螺柱通过螺纹套安装在伸长支座上与螺纹套相配合的螺纹槽内，试件连接螺柱的下端直接通过螺纹固定在关节头试件上；所述髋臼试件通过3～6个内六角圆柱头螺钉内嵌式固定在试件座的圆柱槽底面上，摆轴的上端与试件座通过平键连接，摆轴的下端通过一对相互之间反向设置的圆锥滚子轴承固定在偏心轮上；所述偏心轮与主传动轴通过平键连接，偏心轮和主传动轴开槽锥端紧定螺钉固定在一起。
进一步的，所述偏心轮的倾斜角度为23度，所述偏心轮上用于固定圆锥滚子轴承的槽孔内还设置有防止圆锥滚子轴承轴向窜动的圆螺母和圆螺母用止动垫圈。
进一步的，所述盘座的底部设有与主传动轴上端相配合的安装槽，且主传动轴的上端和盘座底部的安装槽内设置有相互配合的平键槽，主传动轴的上端和安装槽通过平键配合安装，安装槽的侧面还设置有贯穿整个盘座底部安装槽的紧定螺栓孔，通过设置在紧定螺栓孔内的开槽锥端紧定螺钉将盘座和主传动轴固定在一起。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明将机架组件、液压加载机构和动力旋转机构组成的整体作为通用件，将髋关节模拟试验机构和销盘模拟试验机构作为特殊件，利用通用件和特殊件的组合，通过更换特殊件可以实现在同一个试验设备上实现人工髋关节摩擦磨损测试和销盘磨损试验，本发明的研制除了对研究人工关节的摩擦磨损，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有重要意义之外，还为摩擦磨损试验机的多功能集成研究方向作出了贡献，为教学及科研仪器的设计提供了一种新的思路。
(2)本发明的髋关节模拟试验机构将关节头试件设置在上，髋臼试件设置在下，髋臼试件设置在试件座内并随着试件座的转动而转动，试件座内盛有润滑液，可以有效的对髋臼试件与关节头试件的接触面实现完全淹没，不仅使润滑效果更好，而且节约了胎牛血清的使用，降低了试验过程中的润滑剂消耗。
(3)本发明的机架组件采用铝型材构成的立方形框架，铝型材经过切割后利用螺栓互相安装，组装快速，减少机加工的需求，同时铝型材的成本较低，构造率高，分量轻，强度高，经久耐用，耐腐蚀，提高了整个机架组件的使用寿命。
(4)本发明利用液压缸来提供载荷，通过液压加载可满足试验时不同在和的需求，同时利用液压缸来提供载荷的过程很稳定，承载能力强，容易实现无极调节，并且也方便进行过载保护，同时采用液压缸也简化了整体的机械结构，减少了零部件的数目，便于在整个试验的过程中实现自动化。
(5)本发明的液压缸内的活塞杆直接连接筒状滑块且筒状滑块设置在滑块套筒内部，可以保证筒状滑块沿滑块套筒内部上下运动，保证了液压缸在加载时始终保持向正下方加载的状态，同时滑块套筒也能够保证在底部的关节头组件在受力时活塞杆不会发生偏转，提高了试验的稳定性和准确性。
(6)本发明的液压缸下盖和活塞杆之间通过Yx型密封圈和防尘圈连接，液压缸下盖和液压缸体之间通过O型圈密封，不仅能有效防止液压缸内的液体渗透，而且可以防止灰尘从下端进入液压缸中对液压缸的寿命产生影响。
(7)本发明通过设置水平驱动组件一方面在进行销盘磨损试验时对试件销进行进给水平方向的进给，另一方面在进行人工髋关节模拟试验时也可以对关节头试件的位置进行调整，方便其与主传动轴的轴心在一条直线上，从而可以实现关节头试件水平方向的微调。
(8)本发明的水平驱动组件采用梯形丝杆的方式，不仅成本低，而且承载能力和耐冲击能力强，同时可以在任何位置自锁，更适合于进行关节磨损试验。
(9)本发明通过在主传动轴与轴承套之间设置一对相互之间反向设置的圆锥滚子轴承来保证主传动轴在转动的过程中不会上下窜动，提高主传动轴转动时的稳定；通过在偏心轮上设置一对相互之间反向设置的圆锥滚子轴承来保证摆轴在转动的过程中不会出现上下窜动，同时利用圆螺母和圆螺母用止动垫圈防止圆锥滚子轴承轴向窜动，提高本装置的稳定性，间接地提高了试验数据的准确性。
附图说明
图1是本发明一种多功能人工髋关节磨损试验机的三维结构示意图。
图2是本发明进行人工髋关节摩擦磨损测试时的剖视结构示意图。
图3是本发明进行销盘磨损试验时的剖视结构示意图。
图4是本发明髋关节模拟试验机构的结构示意图。
图5是本发明销盘模拟试验机构的结构示意图。
图6是本发明水平驱动组件和液压加载机构的连接示意图。
图中，1-液压缸体、2-液压缸上盖、3-液压缸下盖、4-活塞、5-活塞杆、6-连接面板、7-滑块套筒、8-筒状滑块、9-伸长支座、10-旋转驱动电机、11-主传动轴、12-第一联轴器、13-电机连接套、14-关节头试件、15-试件座、16-髋臼试件、17-偏心轮、18-摆轴、19-试件连接螺柱、20-可拆式固定销、21-防转杆、22-圆锥滚子轴承、23-润滑液、24-盘座、25-试件盘、26-夹块、27-夹具、28-试件销、29-立方体框架、30-中部安装板、31-丝杆驱动电机、32-梯形丝杆、33-螺纹滑块、34-水平滑轨、35-丝杆安装座、36-支撑板、37-第二联轴器、38-导轨滑块、39-防尘板、40-轴承套、41-轴套、42-Yx型密封圈、43-防尘圈、44-O型圈、45-圆螺母、46-圆螺母用止动垫圈、47-开槽锥端紧定螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～6所示，一种多功能人工髋关节磨损试验机，包括机架组件、液压加载机构、动力旋转机构、髋关节模拟试验机构和销盘模拟试验机构，所述液压加载机构安装在机架组件的上方，动力旋转机构安装在机架组件的下方，髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构安装在液压加载机构和动力旋转机构之间，液压加载机构为髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构的上半部分提供稳定的载荷，动力旋转机构带动髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构的下半部分稳定转动。
所述机架组件包括由铝型材构成的立方形框架29和中部安装板30，所述中部安装板30均水平设置，中部安装板30通过螺栓固定在立方形框架29的中下部。所述机架组件上还设置有水平驱动组件，所述水平驱动组件包括丝杆驱动电机31、梯形丝杆32、螺纹滑块33、水平滑轨34、导轨滑块38、轴承、丝杆安装座35、第二联轴器37和安装在立方形框架29顶部的两块支撑板36，两块支撑板36安装在同一水平面上，两块支撑板36上各设置有一个丝杆安装座35，所述丝杆驱动电机31通过第二联轴器37连接梯形丝杆32，梯形丝杆32的两端分别通过轴承安装在两个丝杆安装座35上；所述螺纹滑块33套装在梯形丝杆32上且螺纹滑块33与连接面板6固定连接，导轨滑块38安装在所述连接面板6底部，连接面板6通过导轨滑块38安装在两条平行于梯形丝杆32且安装在两块支撑板36上的水平滑轨34且在丝杆驱动电机31带动下沿水平滑轨34直线运动。
所述液压加载机构包括液压缸体1、液压缸上盖2、液压缸下盖3、活塞4、活塞杆5、连接面板6、滑块套筒7和筒状滑块8，所述液压缸体1竖直设置，液压缸上盖2固定在液压缸体1的上端，液压缸下盖3固定在液压缸体1的下端，所述连接面板6固定在液压缸下盖3上，滑块套筒7固定在连接面板6的底部，活塞4位于所述液压缸体1内，活塞杆5的一端连接活塞4，另一端穿过液压缸下盖3连接在筒状滑块8上，筒状滑块8套装在所述滑块套筒7内部；所述筒状滑块8的底部还连接有伸长支座9，髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构的上半部分安装在所述伸长支座9上。所述液压缸上盖2和活塞杆5之间还安装有轴用Yx型密封圈42和防尘圈43，液压缸上盖2和活塞杆5之间通过轴用Yx型密封圈42密封并通过防尘圈43来防尘，所述液压缸上盖2和液压缸筒之间通过O型圈44密封。
所述动力旋转机构包括旋转驱动电机10、主传动轴11、电机连接套13和第一联轴器12，旋转驱动电机10为步进电机，旋转驱动电机10通过电机连接套13固定在机架组件上，旋转驱动电机10通过第一联轴器12连接主传动轴11。所述动力旋转机构还包括防尘板39、轴承套40和轴套41，防尘板39设置在中部安装板30的上端，电机连接套13设置在中部安装板30的下端，中部安装板30上设置有圆孔，轴承套40穿过中部安装板30上的圆孔，轴承套40上端通过多个细牙六角头螺栓固定在防尘板39和电机连接套13之间，轴承套40的下端套装在电机连接套13内部；所述主传动轴11与轴承套40之间还设置有另外一对相互之间反向设置的圆锥滚子轴承22，所述轴套41套装在圆锥滚子轴承22和联轴器12之间的主传动轴11上。动力旋转机构将第一联轴器12设置在电机连接套13内部，一方面可以提高旋转驱动电机10转动的稳定性，另一方面也可以将第一联轴器12与外界隔离，防止第一联轴器受到外界的污染导致寿命降低。
所述髋关节模拟试验机构包括关节头试件14、试件座15、髋臼试件16、偏心轮17、摆轴18、试件连接螺柱19、可拆式固定销20、防转杆21和圆锥滚子轴承22，髋关节模拟试验机构安装时关节头试件14通过试件连接螺柱19固定连接在液压加载机构的伸长支座9的底部，关节头试件14固定在试件连接螺柱19的底部；所述试件座15上端设置有圆柱槽，髋臼试件16安装在试件座15上的圆柱槽底面上，所述圆柱槽内盛有润滑液23；试件座15通过摆轴18安装在偏心轮17上，所述偏心轮17固定安装在动力旋转机构的主传动轴11上；所述试件座15上设置有供可拆式固定销20插入和拔出的连接孔，可拆式固定销20的插入试件座15时试件座15和可拆式固定销20连接为一个整体，所述防转杆21固定在机架组件上且防转杆21安装在可拆式固定销20转动时的运动路径上；可拆式固定销20未插入试件座15时受旋转驱动电机10带动的主传动轴11转动时通过偏心轮17带动试件座15沿主传动轴11的轴心线转动，可拆式固定销20插入试件座15时受旋转驱动电机10带动的主传动轴11转动时通过偏心轮17带动试件座15和可拆式固定销20构成的整体转动，可拆式固定销20被防转杆21挡住无法绕主传动轴11的轴心线转动，试件座15改绕摆轴18的轴心线转动且可拆式固定销20在防转杆21与可拆式固定销20中心线所在的平面内做弧形摆动。
所述可拆式固定销20的头部呈锥形，可拆式固定销20的尾部后端呈U型槽状，可拆式固定销20在安装时防转杆21刚好被夹在可拆式固定销20的尾部的U型槽内。
所述试件连接螺柱19的上端套装有螺纹套，试件连接螺柱19通过螺纹套安装在伸长支座9上与螺纹套相配合的螺纹槽内，试件连接螺柱19的下端直接通过螺纹固定在关节头试件14上；所述髋臼试件16通过3～6个内六角圆柱头螺钉内嵌式固定在试件座15的圆柱槽底面上，摆轴18的上端与试件座15通过平键连接，摆轴18的下端通过一对相互之间反向设置的圆锥滚子轴承22固定在偏心轮17上；所述偏心轮17与主传动轴11通过平键连接，偏心轮17和主传动轴11开槽锥端紧定螺钉47固定在一起。
所述偏心轮17的倾斜角度为23度，所述偏心轮17上用于固定圆锥滚子轴承22的槽孔内还设置有防止圆锥滚子轴承22轴向窜动的圆螺母45和圆螺母用止动垫圈46。
在进行人工髋关节摩擦磨损测试时，根据可拆卸固定销20是否安装的情况关节头试件14和髋臼试件16的相对运动方式不同；当可拆卸固定销20并未安装在试件座15上时，防转杆21不会起到任何作用，此时驱动电机10带动的主传动轴11转动，主传动轴11通过偏心轮17带动偏心轮17、试件座15、髋臼试件16和摆轴18组成的整体绕主传动轴11的轴心线旋转，试件座15与摆轴18之间不会发生相对转动，此时关节头试件14和髋臼试件16之间作相互旋转运动；当可拆卸固定销20安装在试件座15上时，防转杆21设置在可拆卸固定销20尾部的U型槽内；驱动电机10带动的主传动轴11转动，主传动轴11带动偏心轮17绕主传动轴11的轴心线旋转，摆轴18和试件座15虽然也受到偏心轮17带来的力的作用，但是由于可拆卸固定销20和试件座15是固定连接，而可拆卸固定销20由于防转杆21的限制无法进行原先的摆动，由于可拆卸固定销20和防转杆21除了水平方向摆动的自由度被限制住，可拆卸固定销20相对于防转杆21水平进给和上下进给的自由度并未被限制住，而可拆卸固定销20和试件座15组成的整体又是通过摆轴18安装在偏心轮17上，故在可拆卸固定销20受到的来自防转杆21的反作用力和偏心轮17带来的旋转力的共同作用下，可拆卸固定销20会在可拆卸固定销20的轴心线和防转杆21的轴心线共同所在的平面上做交叉摆动，交叉摆动过程中可拆卸固定销20连接试件座15的一端其水平高度始终保持不变，而试件座15和摆轴18则在上述两个力的作用下出现相互旋转，由此安装在试件座12中的髋臼试件16和关节头试件14呈交叉状、多方向复合滑动运动。
所述销盘模拟试验机构包括盘座24、试件盘25、夹具27、试件销28和夹块26，销盘模拟试验机构安装时盘座24固定在动力旋转机构的主传动轴11上，夹具27固定在液压加载机构的伸长支座9的底部，夹具27通过夹件将试件销28装夹在夹具27上，试件盘25安装在所述盘座24上。所述盘座24的底部设有与主传动轴11上端相配合的安装槽，且主传动轴11的上端和盘座24底部的安装槽内设置有相互配合的平键槽，主传动轴11的上端和安装槽通过平键配合安装，安装槽的侧面还设置有贯穿整个盘座24底部安装槽的紧定螺栓孔，通过设置在紧定螺栓孔内的开槽锥端紧定螺钉47将盘座24和主传动轴11固定在一起。在进行销盘磨损试验时，液压加载机构在上方带动试件销28向下运动并控制向下的加载，动力旋转机构带动试件盘25转动，试件销28与试件盘25接触后进行磨损试验，整个过程中由液压加载机构控制载荷，由动力旋转机构控制试件盘25的转速，并在适当的实际通过水平驱动组件对试件销28进行水平进给。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
Claims (9)
1.一种多功能人工髋关节磨损试验机，其特征在于：包括机架组件、液压加载机构、动力旋转机构、髋关节模拟试验机构和销盘模拟试验机构，所述液压加载机构安装在机架组件的上方，动力旋转机构安装在机架组件的下方，髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构安装在液压加载机构和动力旋转机构之间，液压加载机构为髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构的上半部分提供稳定的载荷，动力旋转机构带动髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构的下半部分稳定转动；
所述液压加载机构包括液压缸体(1)、液压缸上盖(2)、液压缸下盖(3)、活塞(4)、活塞杆(5)、连接面板(6)、滑块套筒(7)和筒状滑块(8)，所述液压缸体(1)竖直设置，液压缸上盖(2)固定在液压缸体(1)的上端，液压缸下盖(3)固定在液压缸体(1)的下端，所述连接面板(6)固定在液压缸下盖(3)上，滑块套筒(7)固定在连接面板(6)的底部，活塞(4)位于所述液压缸体(1)内，活塞杆(5)的一端连接活塞(4)，另一端穿过液压缸下盖(3)连接在筒状滑块(8)上，筒状滑块(8)套装在所述滑块套筒(7)内部；所述筒状滑块(8)的底部还连接有伸长支座(9)，髋关节模拟试验机构或销盘模拟试验机构的上半部分安装在所述伸长支座(9)上；
所述动力旋转机构包括旋转驱动电机(10)、主传动轴(11)、电机连接套(13)和第一联轴器(12)，旋转驱动电机(10)通过电机连接套(13)固定在机架组件上，旋转驱动电机(10)通过第一联轴器(12)连接主传动轴(11)；
所述髋关节模拟试验机构包括关节头试件(14)、试件座(15)、髋臼试件(16)、偏心轮(17)、摆轴(18)、试件连接螺柱(19)、可拆式固定销(20)、防转杆(21)和圆锥滚子轴承(22)，髋关节模拟试验机构安装时关节头试件(14)通过试件连接螺柱(19)固定连接在液压加载机构的伸长支座(9)的底部，关节头试件(14)固定在试件连接螺柱(19)的底部；所述试件座(15)上端设置有圆柱槽，髋臼试件(16)安装在试件座(15)上的圆柱槽底面上，所述圆柱槽内盛有润滑液(23)；试件座(15)通过摆轴(18)安装在偏心轮(17)上，所述偏心轮(17)固定安装在动力旋转机构的主传动轴(11)上；所述试件座(15)上设置有供可拆式固定销(20)插入和拔出的连接孔，可拆式固定销(20)的插入试件座(15)时试件座(15)和可拆式固定销(20)连接为一个整体，所述防转杆(21)固定在机架组件上且防转杆(21)安装在可拆式固定销(20)转动时的运动路径上；可拆式固定销(20)未插入试件座(15)时受旋转驱动电机(10)带动的主传动轴(11)转动时通过偏心轮(17)带动试件座(15)沿主传动轴(11)的轴心线转动，可拆式固定销(20)插入试件座(15)时受旋转驱动电机(10)带动的主传动轴(11)转动时通过偏心轮(17)带动试件座(15)和可拆式固定销(20)构成的整体转动，可拆式固定销(20)被防转杆(21)挡住无法绕主传动轴(11)的轴心线转动，试件座(15)改绕摆轴(18)的轴心线转动且可拆式固定销(20)在防转杆(21)与可拆式固定销(20)中心线所在的平面内做弧形摆动；
所述销盘模拟试验机构包括盘座(24)、试件盘(25)、夹具(27)、试件销(28)和夹块(26)，销盘模拟试验机构安装时盘座(24)固定在动力旋转机构的主传动轴(11)上，夹具(27)固定在液压加载机构的伸长支座(9)的底部，夹具(27)通过夹件将试件销(28)装夹在夹具(27)上，试件盘(25)安装在所述盘座(24)上。
2.根据权利要求1所述的一种多功能人工髋关节磨损试验机，其特征在于：所述机架组件包括由铝型材构成的立方形框架(29)和中部安装板(30)，所述中部安装板(30)均水平设置，中部安装板(30)通过螺栓固定在立方形框架(29)的中下部。
3.根据权利要求2所述的一种多功能人工髋关节磨损试验机，其特征在于：所述机架组件上还设置有水平驱动组件，所述水平驱动组件包括丝杆驱动电机(31)、梯形丝杆(32)、螺纹滑块(33)、水平滑轨(34)、导轨滑块(38)、轴承、丝杆安装座(35)、第二联轴器(37)和安装在立方形框架(29)顶部的两块支撑板(36)，两块支撑板(36)安装在同一水平面上，两块支撑板(36)上各设置有一个丝杆安装座(35)，所述丝杆驱动电机(31)通过第二联轴器(37)连接梯形丝杆(32)，梯形丝杆(32)的两端分别通过轴承安装在两个丝杆安装座(35)上；所述螺纹滑块(33)套装在梯形丝杆(32)上且螺纹滑块(33)与连接面板(6)固定连接，导轨滑块(38)安装在所述连接面板(6)底部，连接面板(6)通过导轨滑块(38)安装在两条平行于梯形丝杆(32)且安装在两块支撑板(36)上的水平滑轨(34)且在丝杆驱动电机(31)带动下沿水平滑轨(34)直线运动。
4.根据权利要求3所述的一种多功能人工髋关节磨损试验机，其特征在于：所述动力旋转机构还包括防尘板(39)、轴承套(40)和轴套(41)，防尘板(39)设置在中部安装板(30)的上端，电机连接套(13)设置在中部安装板(30)的下端，中部安装板(30)上设置有圆孔，轴承套(40)穿过中部安装板(30)上的圆孔，轴承套(40)上端通过多个细牙六角头螺栓固定在防尘板(39)和电机连接套(13)之间，轴承套(40)的下端套装在电机连接套(13)内部；所述主传动轴(11)与轴承套(40)之间还设置有另外一对相互之间反向设置的圆锥滚子轴承(22)，所述轴套(41)套装在圆锥滚子轴承(22)和联轴器(12)之间的主传动轴(11)上。
5.根据权利要求4所述的一种多功能人工髋关节磨损试验机，其特征在于：所述液压缸上盖(2)和活塞杆(5)之间还安装有轴用Yx型密封圈(42)和防尘圈(43)，液压缸上盖(2)和活塞杆(5)之间通过轴用Yx型密封圈(42)密封并通过防尘圈(43)来防尘，所述液压缸上盖(2)和液压缸筒之间通过O型圈(44)密封。
6.根据权利要求5所述的一种多功能人工髋关节磨损试验机，其特征在于：所述可拆式固定销(20)的头部呈锥形，可拆式固定销(20)的尾部后端呈U型槽状，可拆式固定销(20)在安装时防转杆(21)刚好被夹在可拆式固定销(20)的尾部的U型槽内。
7.根据权利要求6所述的一种多功能人工髋关节磨损试验机，其特征在于：所述试件连接螺柱(19)的上端套装有螺纹套，试件连接螺柱(19)通过螺纹套安装在伸长支座(9)上与螺纹套相配合的螺纹槽内，试件连接螺柱(19)的下端直接通过螺纹固定在关节头试件(14)上；所述髋臼试件(16)通过3～6个内六角圆柱头螺钉内嵌式固定在试件座(15)的圆柱槽底面上，摆轴(18)的上端与试件座(15)通过平键连接，摆轴(18)的下端通过一对相互之间反向设置的圆锥滚子轴承(22)固定在偏心轮(17)上；所述偏心轮(17)与主传动轴(11)通过平键连接，偏心轮(17)和主传动轴(11)开槽锥端紧定螺钉(47)固定在一起。
8.根据权利要求7所述的一种多功能人工髋关节磨损试验机，其特征在于：所述偏心轮(17)的倾斜角度为23度，所述偏心轮(17)上用于固定圆锥滚子轴承(22)的槽孔内还设置有防止圆锥滚子轴承(22)轴向窜动的圆螺母(45)和圆螺母用止动垫圈(46)。
9.根据权利要求8所述的一种多功能人工髋关节磨损试验机，其特征在于：所述盘座(24)的底部设有与主传动轴(11)上端相配合的安装槽，且主传动轴(11)的上端和盘座(24)底部的安装槽内设置有相互配合的平键槽，主传动轴(11)的上端和安装槽通过平键配合安装，安装槽的侧面还设置有贯穿整个盘座(24)底部安装槽的紧定螺栓孔，通过设置在紧定螺栓孔内的开槽锥端紧定螺钉(47)将盘座(24)和主传动轴(11)固定在一起。
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