《生物材料动态力学实验机的研制设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物材料动态力学实验机的研制设计（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、毕业设计(论文)生物材料动态力学实验机的研制DYNAMIC MECHANICAL STUDIESOF BIOLOGICAL MATERIALS MACHINE学生姓名学院名称专业名称指导教师20*年5月27日 徐州工程学院毕业设计(论文)摘要本课题完成了人工髋关节模拟试验机液压系统及力学试验台的研制。该试验设备主要由机械传动部分、温控系统及液压加载系统组成。试验机液压系统的特性是根据模拟人工髋关节受力特点，可实现交流负载。该液压加载系统主要用于实现关节头试件的前进、后退及载荷的施加。实验台的工作原理是将股骨头和髋臼部件试样按照其正常位置安装于试验台上，通过试验装置使两者之间产生规定的随时间变化
2、的负载。该液压系统及试验台设计时考虑的主要因素是如何实现交流加载特征（交流液压站），使其提供的载荷能在试验室环境中正确模拟人体髋关节的实际受力工况，以使试验机产生的运动形式与人工关节实际使用条件相一致，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。关键词 人体髋关节；模拟实验；液压加载系统AbstractThe subject completed a total hip simulator hydraulic system and mechanical test rig. The test equipment mainly consists of me
3、chanical transmission parts, temperature control system and hydraulic loading system components. The subject completed the simulation of artificial hip joint and the hydraulic system Tested. Tests of the characteristics of hydraulic system are based on simulated force characteristics of artificial h
4、ip joints can make the sharing of the load. The hydraulic loading system is mainly used to achieve the joint head specimens forward, reverse and the load imposed. Bench works is to sample the femoral head and ace tabular components installed in accordance with its normal position test stand, the exp
5、erimental device to generate required between the loads over time. Test the hydraulic system and the main consideration for the design of AC load factor is Ruche characteristics (AC Hydraulic), making it can load in the correct environment in the test chamber simulating human hip joint the actual lo
6、ading conditions, so that testing machine produced forms of exercise and the actual conditions of use of artificial joint line, which can accurately and reliably test of artificial joint materials, terminological properties of biological parameters, to provide guidance for the clinical application o
7、f test data. According to the above requirements and design a hydraulic system tests bed assembly drawing.Keywords artificial joints simulative test hydraulic system II徐州工程学院毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 引言11.2 人工髋关节模拟试验机的分析与研究11.3人工髋关节假体材料的性能要求11.4 本课题研究内容拟解决的主要问题22 髋关节结构及运动分析32.1人体髋关节结构32.2 髋关节
8、运动分析32.3 人工髋关节结构62.4 试验机的工作原理63 液压系统设计83.1 液压加载系统的设计流程83.2 液压加载系统的工作原理83.3 液压加载系统的回路设计83.4 液压系统的参数计算93.4.1液压缸主要参数的确定93.4.2 液压泵的性能参数计算113.5 液压元件的选择123.5.1 控制阀的选择123.5.2 辅助元件的选择144 液压缸主要零部件设计154.1缸筒154.1.1 缸筒结构154.1.2 缸筒材料154.1.3 缸筒计算164.2 活塞184.2.1 活塞结构184.2.2 活塞与活塞杆的连接形式184.2.3 活塞的密封184.2.4 活塞材料204.
9、2.5 活塞尺寸及加工公差204.3活塞杆204.3.1 活塞杆结构204.3.2 活塞杆的材料和技术要求214.3.3 活塞杆的计算215 液压站的设计235.1 液压泵站235.2液压泵站的类型选择235.3液压油箱及其附件235.3.1 油箱的用途与分类235.3.2 油箱的构造与设计要点235.3.3 油箱的容量及计算245.3.4 标准油箱的规格及外形尺寸255.4 油路板的设计265.4.1 板式集成的结构特征265.4.2 油路板的设计要点265.4.3 油路板设计说明26结论30致谢31参考文献32321 绪论1.1 引言人工关节是模拟人体关节制成的植入性假体，以代替病变或损伤
10、的关节并恢复其功能。人工关节的研制、开发是一门跨领域的交叉学科，涉及到材料学、力学、生物学、成型技术和医疗等多门学科的知识，需要多方面的科研人员不断探索。其中，对人工关节生物摩擦学特性的研究由于直接关系到置换关节的使用质量和临床寿命而备受人瞩目。人体关节属于身体活动的连接机构，接触界面间必然发生相对滑动，因此会产生摩擦、磨损和润滑等摩擦学问题。摩擦副结构设计、材料选择、摩擦磨损特性评价以及摩擦过程、磨损机理的研究都需要进行摩擦学试验。由于摩擦磨损测试涉及整个摩擦学系统，试验时外部因素（接触方式、运动类型、载荷、速度、温度、时间、介质及环境气氛等）和内部因素（材料性质、表面状态、润滑剂性能等）改
11、变时都会导致测试结果发生变化。近期的研究工作已证明人工关节磨损时产生的磨损颗粒与置换关节的无菌性松动有直接关系。因此，积极开展人工关节生物摩擦学特性方面的研究，掌握置换关节材料在生物机体环境内的摩擦磨损行为规律，在人工关节的开发中引入摩擦学设计（包括基于生物力学的关节配副载荷最小化研究、假体固定的微动摩擦学行为研究和关节材料磨损颗粒生成机理及有效识别等），对于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具有重要的现实意义。1.2 人工髋关节模拟试验机的分析与研究人工关节的磨损，尤其是人工髋关节的磨损，是一个重要的临床问题。人工关节的磨损不仅能造成关节假体本身的破坏而引起机械性失效，还会
12、产生大量磨损颗粒引导假体周围骨溶解。1965年以来，研究者相继开发关节模拟实验装置，曾采用销盘磨损实验、环盘磨损实验、四球磨损实验及块环磨损实验等，但实验设备由于结构限制无法进行全尺寸关节副摩擦实验，而且在试件偶副接触方式提供的运动形式以及载荷性质上，都与关节的实际工况相距甚远。因此，要求新的模拟试验机在实验室环境中能够更真实地模拟人体髋关节的运动情况及运动环境，为不同髋关节材料的临床应用提供较为准确可靠的试验数据。困扰关节模拟试验机发展的一个重要因素是试验机工位太少。大多数试验机在一次试验过程中只能容纳一个关节摩擦副，在这种试验设备上完成21063106转（相当于关节假体在病人体内23年的运
13、动量）的试验工作需要23个月的时间。针对这一问题，研究者提出了多工位试验机的概念。到目前为止，有各种多工位试验机乃至100工位的试验机在研究中使用。多工位试验机可同时进行多副人工关节偶件对比试验，因此试验周期短，对试验数据的对比分析可靠度高。1.3人工髋关节假体材料的性能要求人体髋关节是受力复杂的负重关节, 同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及反复疲劳、磨损的综合作用, 每年要承受100300万次循环的体重负荷, 并且由于其长期植入体内, 要经受体液的腐蚀作用。鉴于特殊的使用环境, 对髋关节假体材料的性能提出了很高的要求。临床医学认为, 人工髋关节作为植入器官应具备以下几项性能:(1)生物
14、相容性。生物组织相容性要求髋关节假体材料不能对周围组织产生毒副作用, 组织对植入材料无排斥反应; 生物力学相容性要求髋关节假体材料的弹性模量、强度和韧性与人的皮质骨相匹配, 在负载情况下, 髋关节假体与所接触的组织所发生的形变要彼此协调, 并且植入期间假体材料与周围的骨组织结合良好, 不发生松动和下沉;(2)生物摩擦学性能。要求髋关节假体材料的摩损率低,磨损颗粒数量少且对人体组织无不良影响;(3)抗腐蚀、耐疲劳性能。要求髋关节假体材料在人体环境中经受化学腐蚀和电化学腐蚀而不失效, 在人体循环疲劳作用下不损伤;(4)制备工艺和服役寿命。要求髋关节假体材料易于合成和制造, 便于批量生产和质量检测,
15、 设计服役寿命应达到1020年。各种人工髋关节材料都在不断的发展和完善之中, 但都存在各自的不足之处。要进一步改善材料的功能适应性, 延长其服役寿命, 提高我国人工髋关节置换术的水平, 还有诸多研究工作需要完成。(1)髋关节假体材料的表面改性是未来研究的热点, 需要不断探索新的表面改性方法,在材料表面合理设计梯度功能涂层以及智能化涂层是极具潜力的发展方向; (2) 对人体髋关节生物摩擦行为和润滑机理进行研究, 正确掌握髋关节的运动方式和磨损规律, 并有针对性的开展仿生设计; (3) 完善髋关节假体材料性能评价体系。1.4 本课题研究内容拟解决的主要问题本设计是根据人类行走时下肢关节的运动特点，结合医学中对人体关节、骨骼力学性能试验的要求，研制一套人工髋关节模拟试验机液压系统及力学试验台。液压系统设计时考虑的主要因素是如何实现交流加载特征（交流液压站），使其提供的载荷能在试验室环境中正确模拟人体下肢关节的实际受力工况，
