CN1834613A - 牙科材料模拟磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于人工牙科材料磨损试验的模拟试验机。牙科材料模拟磨损试验机，其特征在于：它包括旋转垂直运动机构、主轴(8)、内容器(18)、机体(21)、上试件连接杆、上试件夹(22)、下试件夹(23)，主轴(8)的上端与旋转垂直运动机构相连，旋转垂直运动机构固定在机体(21)上，主轴(8)的下端部设有2－20个上试件连接杆，每个上试件连接杆上设有上试件夹(22)，内容器(18)内设有与上试件夹个数相同的下试件夹(23)，上试件夹(22)位于下试件夹(23)的上方，上试件夹(22)和下试件夹(23)位于内容器(18)内；使用时，下试件(1)固定在下试件夹(23)上，上试件(2)固定在上试件夹(22)上。本发明结构简单、可同时进行多组材料实验。

Description

牙科材料模拟磨损试验机

技术领域

本发明涉及一种用于人工牙科材料磨损试验的模拟试验机。它模拟在人体口腔摩擦学系统的环境下，牙齿的咀嚼运动及其载荷、频率、幅度等特征，从而研究人工牙科材料的耐磨性及耐磨机理，并可以通过对比试验和变化试验参数，综合评定牙科材料的使用性能。

背景技术

牙科材料作为一种特殊的功能材料，在口腔中要经历各种各样的作用，譬如与各种材料的摩擦、咀嚼力的冲击、食物浆质以及唾液的侵蚀和腐蚀，磨损将不可避免地发生在牙科材料表面，除了它的机械力学性能、生物相容性、防腐耐蚀等性能外，其摩擦磨损特性正引起越来越多的重视。

对牙科材料摩擦磨损性能的评价通常采用临床观察(体内)和实验室模拟(体外)两类研究方法。由于临床追踪研究方法周期长、费用高、难以标准化，所以应用体外模拟磨损试验机来研究和评价牙科材料的耐磨性是一种有效手段。

很长一段时间以来，国外有关学者对专用的牙科材料模拟磨损试验机进行了探索性研究和实践，取得了一定进展^[1]~[4]，但仍存在不少缺陷，比如：运动形式单一、机构运动原理并不符合实际，实验结果与临床数据相差甚远；实验过程不可控制、实验效率较低；实验参数不可调整；模拟了牙齿在咀嚼过程中所有特征，以至于结构复杂、造价昂贵，因此很难大范围的使用。

在国内，目前还没有专用的牙科材料模拟磨损试验机，人工牙科材料的耐磨性试验主要依靠采用现有的工程用摩擦磨损试验机^[5]，包括环-块式、销-盘式、四球式等，由于这些试验机的运动形式，试件的受力状态、运动速度、对磨条件等方面均不同于人体口腔的实际工况，所得实验结果往往与临床结论没有很好的一致性。因此急需一种结构既简单，又能最大限度的模拟牙齿运动的磨损试验机，用于牙科材料的磨损性能评估。

                         参考文献

[1]Cornell J A，Jordan J S，Ellis S & Rose E E.A Method of comparing the wearresistance of various materials used for artificial teeth.J Am Dent Assoc，1957，Vol.54：608-614

[2].Harrison A & Lewis T T.The development of an abrasion testing machine for dentalmaterials.Biomed Mater Res，1975，Vol.9：341-353

[3].Leinfelder K F，Beaudreau R W & Mazer R B.An in vitro device for predictingclinical wear Quint Int，1989，Vol.20：755-761

[4].Willems G，Celis J P，Lambrechts P，Braem M，Roos J R & Vanherle G.In vitrovibrational wear under small displacements of dental materials opposed toannealed chromium-steel counterbodi es，1992，Vol.8：338-344

[5].郑靖，周仲荣，于海洋等.口腔环境因素对树脂牙摩擦学特性的影响.摩擦学学报.2003.23(6)：504~508。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、可同时进行多组材料实验的牙科材料模拟磨损试验机，它可以模拟咀嚼运动所产生的摩擦、磨损，以及食物、唾液口腔介质的腐蚀过程。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：牙科材料模拟磨损试验机，其特征在于：它包括旋转垂直运动机构、主轴8、内容器18、机体21、上试件连接杆、上试件夹22、下试件夹23，主轴8的上端与旋转垂直运动机构相连，旋转垂直运动机构固定在机体21上，主轴8的下端部设有2-20个上试件连接杆，每个上试件连接杆上设有上试件夹22，内容器18内设有与上试件夹个数相同的下试件夹23，上试件夹22位于下试件夹23的上方，上试件夹22和下试件夹23位于内容器18内；使用时，下试件1固定在下试件夹23上，上试件2固定在上试件夹22上。

所述的旋转垂直运动机构包括控制电机5、第一连接轴6、主动圆盘7、曲柄9、第二连接轴10、控制轴11、从动圆盘12、螺母13、皮带14、驱动电机15、套筒16和连接头17，控制电机5与机体21固定连接，控制电机5的输出轴上设有主动圆盘7，主动圆盘7由第一连接轴6与曲柄9的一端相连，曲柄9的另一端由第二连接轴10与从动圆盘12相连，控制轴11的下部设有外螺纹，控制轴11的下部穿过套筒16并旋在螺母13上，控制轴11的上端部与从动圆盘12固定连接，螺母13固定在套筒16内，螺母13的下端面固定有U形的连接头17，连接头17的下端面与主轴8的上端固定连接；驱动电机15与机体21固定连接，驱动电机15的输出轴上设有皮带轮，皮带轮由皮带14与套筒16相连。

所述的上试件连接杆主要由竖连杆3、横连杆4组成，横连杆4的一端与主轴8的下端部固定连接，横连杆4的另一端与竖连杆3的上端固定连接，竖连杆3的下端与上试件夹22固定连接。

所述的内容器18位于外容器19内，外容器19与机体21固定连接，内容器18与外容器19之间设有弹簧20。

本发明采用主轴8的上端与旋转垂直运动机构(可以有许多形式，图2是一个实例)相连，旋转垂直运动机构给主轴8提供旋转与垂直运动，主轴8带动上试件2作旋转与垂直运动；将上试件、下试件分别加工成带圆角的长方体和圆环状平面(具体实施时可以调整)，上试件2与下试件1分别代表上下牙齿，见图1；上试件2与下试件1相接触或相脱离(通过垂直运动)，上试件2在下试件1上旋转(通过运动)，它可以模拟咀嚼运动所产生的摩擦、磨损，包括上下牙齿切割、碾压食物的过程，上下牙齿的接触、冲击和对磨过程；从而既模拟了牙齿碾压食物的过程，又模拟了上下牙齿的研磨过程，上试件、下试件接触时保持一定进给量，同时在试件运动过程中，通过连接到主轴上的旋转垂直运动机构施加动态负荷来模拟牙齿的咀嚼力。本发明采用上试件夹22和下试件夹23位于内容器18内；内容器18内可盛装食物、唾液口腔介质(可采用唾液，人工唾液，水以及其它液体)，上试件2与下试件1位于食物、唾液口腔介质中，本发明可以模拟食物、唾液口腔介质的腐蚀过程。

本发明的有益效果是：通过对口腔生理运动及受力特征的模拟，进行牙科材料模拟磨损试验。与现有的其它磨损实验机相比，本试验机更接近于口腔实际工况、可实现多种对比实验、精度更高，同时具有结构简单，试验费用低、实验周期短等特点。它既可以用于牙科材料及摩擦副的筛选，也可用于口腔摩擦学机理的基础研究。

本发明与国外同类装置比较具有：结构简单、可同时进行多组材料实验，实验效率高，费用低等的优点；与国内同类“装置”比较具有：模拟载荷更接近牙齿的实际咀嚼状况，结构简单、可同时进行多组材料，实验精度高等的优点。

附图说明

图1是本发明的运动原理图

图2是本发明的结构示意图

图3是图2的A向视图

图中：1-下试件，2-上试件，3-竖连杆，4-横连杆，5-控制电机，6-第一连接轴，7-主动圆盘，8-主轴，9-曲柄，10-第二连接轴，11-控制轴，12-从动圆盘，13-螺母，14-皮带，15-驱动电机，16-套筒，17-连接头，18-内容器，19-外容器，20-弹簧，21-机体，22-上试件夹，23-下试件夹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3所示，牙科材料模拟磨损试验机，它包括旋转垂直运动机构、主轴8、内容器18、机体21、上试件连接杆、上试件夹22、下试件夹23，主轴8的上端与旋转垂直运动机构相连，旋转垂直运动机构固定在机体21上，主轴8的下端部设有2-20个上试件连接杆，每个上试件连接杆上设有上试件夹22，内容器18内设有与上试件夹个数相同的下试件夹23，上试件夹22位于下试件夹23的上方，上试件夹22和下试件夹23位于内容器18内；使用时，下试件1固定在下试件夹23上，上试件2固定在上试件夹22上。

所述的旋转垂直运动机构包括控制电机5、第一连接轴6、主动圆盘7、曲柄9、第二连接轴10、控制轴11、从动圆盘12、螺母13、皮带14、驱动电机15、套筒16和连接头17，控制电机5与机体21固定连接，控制电机5的输出轴上设有主动圆盘7，主动圆盘7由第一连接轴6与曲柄9的一端相连，曲柄9的另一端由第二连接轴10与从动圆盘12相连，控制轴11的下部设有外螺纹，控制轴11的下部穿过套筒16并旋在螺母13上，控制轴11的上端部与从动圆盘12固定连接，螺母13固定在套筒16内，螺母13的下端面固定有U形的连接头17，连接头17的下端面与主轴8的上端固定连接；驱动电机15与机体21固定连接，驱动电机15的输出轴上设有皮带轮，皮带轮由皮带14与套筒16相连。

所述的上试件连接杆主要由竖连杆3、横连杆4组成，横连杆4的一端与主轴8的下端部固定连接，横连杆4的另一端与竖连杆3的上端固定连接，竖连杆3的下端与上试件夹22固定连接。

所述的内容器18位于外容器19内，外容器19与机体21固定连接，内容器18与外容器19之间设有弹簧20。

图1是摩擦副(上试件2与下试件1)的运动和负荷的基本原理示意图。为模拟人体咀嚼时的牙齿运动，上试件代表下颌齿作进给咬合运动，为实现牙齿的碾磨，上试件同时做旋转运动，下试件代表上颌齿静止不动。动态或静态负荷通过试件或借助于模拟食物介质作用在摩擦副间的承载面上。

本发明在结构上设计有多组工位(2-20个上试件夹22，2-20个下试件夹23)，既可以进行多样本的一对一的磨损实验，也可以同时进行相同试验条件下的多样本的对比磨损试验。根据上下试件是否为一对一，可将磨损实验分为两大类：一类是上下试件的配对始终不变，每个工位上的摩擦副是一对一的，可用于考察不同材料间配对时的磨损特性；另一类是多样本的上试件依次与设定的下试件配对，不同样本试件面对的是相同的试验环境，此类试验可用于考察不同样本材料在相同对磨物材料条件下的磨损特性。在不同的实验方法下，试件绕主轴的运动和上下进给运动，都可以通过调整电机转速而变化。

图2中，驱动电机15通过皮带14带动套筒16旋转，螺母13固定在套筒16内，连接头17的下端面与主轴8的上端固定连接，实现主轴与驱动电机的同步旋转；同时，控制电机5带动主动圆盘7旋转，利用曲柄连杆的运动原理，实现从动圆盘12的往复旋转，以及控制轴11的往复旋转，再通过控制轴上的螺杆与螺母13旋合，从而将控制轴的往复旋转运动转换为连接头及主轴的往复直线运动。只要统一、精确控制系统中二部电机的转速，就能够保证旋转运动和直线运动之间的协调关系，即上试件在旋转过程中恰好能够“接触”到下试件；由于垂直运动的行程量和产生的力矩很小，驱动电机15由皮带14带动套筒16的旋转运动与垂直运动相互之间的影响不大。图2中加装了弹簧来实现试验中交变载荷的加载，也可采用机械、气动或伺服液压的加载方式，使负荷平稳和准确。

根据口腔的生理学特点，在实例中取人体咀嚼的平均频率1Hz作为试验机的循环频率，取正弦交变载荷作为试验机的动态负荷。试件的垂直进给量设定为0mm~20mm，正弦半波交变载荷设定在30N~300N之间。

Claims (4)

1.牙科材料模拟磨损试验机，其特征在于：它包括旋转垂直运动机构、主轴(8)、内容器(18)、机体(21)、上试件连接杆、上试件夹(22)、下试件夹(23)，主轴(8)的上端与旋转垂直运动机构相连，旋转垂直运动机构固定在机体(21)上，主轴(8)的下端部设有2-20个上试件连接杆，每个上试件连接杆上设有上试件夹(22)，内容器(18)内设有与上试件夹个数相同的下试件夹(23)，上试件夹(22)位于下试件夹(23)的上方，上试件夹(22)和下试件夹(23)位于内容器(18)内；使用时，下试件(1)固定在下试件夹(23)上，上试件(2)固定在上试件夹(22)上。

2.根据权利要求1所述的牙科材料模拟磨损试验机，其特征在于：所述的旋转垂直运动机构包括控制电机(5)、第一连接轴(6)、主动圆盘(7)、曲柄(9)、第二连接轴(10)、控制轴(11)、从动圆盘(12)、螺母(13)、皮带(14)、驱动电机(15)、套筒(16)和连接头(17)，控制电机(5)与机体(21)固定连接，控制电机(5)的输出轴上设有主动圆盘(7)，主动圆盘(7)由第一连接轴(6)与曲柄(9)的一端相连，曲柄(9)的另一端由第二连接轴(10)与从动圆盘(12)相连，控制轴(11)的下部设有外螺纹，控制轴(11)的下部穿过套筒(16)并旋在螺母(13)上，控制轴(11)的上端部与从动圆盘(12)固定连接，螺母(13)固定在套筒(16)内，螺母(13)的下端面固定有U形的连接头(17)，连接头(17)的下端面与主轴(8)的上端固定连接；驱动电机(15)与机体(21)固定连接，驱动电机(15)的输出轴上设有皮带轮，皮带轮由皮带(14)与套筒(16)相连。

3.根据权利要求1所述的牙科材料模拟磨损试验机，其特征在于：所述的上试件连接杆主要由竖连杆(3)、横连杆(4)组成，横连杆(4)的一端与主轴(8)的下端部固定连接，横连杆(4)的另一端与竖连杆(3)的上端固定连接，竖连杆3的下端与上试件夹22固定连接。

4.根据权利要求1所述的牙科材料模拟磨损试验机，其特征在于：所述的内容器(18)位于外容器(19)内，外容器(19)与机体(21)固定连接，内容器(18)与外容器(19)之间设有弹簧(20)。

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