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1、本科毕业设计（论文）人工髋关节摩擦磨损试验机机体部分设计 学 院 机 械 工 程 学 院 专 业机械设计制造及其自动化年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 2013年 06 月 05 日目 录摘要1ABSTRACT21 绪论31.1 研究背景31.2 人工髋关节摩擦磨损试验机的研究现状41.3 本课题的目的及意义62 设计方案72.1髋关节结构及运动分析72.2 方案的提出92.3 设计方案102.4 机械传动部分的运动特性分析113 设计计算过程153.1初选电机功率153.2主传动轴的设计153.3 初选摆轴的大小173.4液压缸的结构尺寸设计183.5 装配图及主要零件图设计184 零件
2、校核234.1求轴上载荷234.2校核轴的强度234.3主动轴上轴承的校核254.4摆轴的校核264.5摆轴上轴承的校核28结论30致 谢31参考文献32人工髋关节摩擦磨损试验机机体部分设计摘要本课题是对人体髋关节模拟试验机机械传动部分的研制。其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相对运动。该试验机设计时考虑的主要因素是使其在实验室环境中能够正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。根据人体运动时
3、，股骨头的承重可达体重的10或10余倍，确定试验机需要的最大试验载荷。如果主轴转速为60rpm，作用在股骨头头部的载荷为1t，则可以算出最大阻力。选择直径为50mm的股骨头，求出最大扭矩，由此可确定电机的功率从而计算出最小轴径。根据最小轴径初选各个零件的尺寸。通过校核确认其安全以确保试验机正常运转。电机运转时通过联轴器带动主轴旋转，从而带动固定在主轴轴端的偏心轮转动，试件座安装在摆轴上和摆轴一起饶中心轴线转动。使得由关节球支架固定在试件座上的关节球头和髋臼试件之间产生摩擦，从而达到试验的目的。其中髋臼试件由骨水泥固定在髋臼座上，冲击载荷由液压缸提供作用于自定心轴上，通过髋臼支架最终作用在关节球
4、头上，加上关节球头随试件座绕中心线转动。这样实现模拟人体髋关节的实际运动，使其产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一致，以达到设计该试验机的目的。关键词：关节试验机 ;模拟试验 ;人体髋关节 ;摩擦机理AbstractThis topic is on human hip joint simulation testing machine mechanical transmission part of the development. Its working principle is to sample femoral head and acetabulum component instal
5、led in accordance with its normal position on the test bench, the test device through a relative movement between the two. The test machine main factors to consider when designing it in a lab environment is able to correctly simulate the actual movement of the hip human condition so that the specime
6、n during the test the friction mechanism of wear in the form and the actual conditions of use phasor consistent, which can accurately and reliably test artificial joint materials tribological properties of biological parameters to provide guidance for the clinical application of test data. According
7、 to human movement, the femoral head bearing up to the weight of 10 or more than 10 times the tester needs to determine the maximum test load. If the spindle speed of 60rpm, the loads acting on the femoral head is 1t, you can calculate the maximum resistance. Select the femoral head diameter of 50mm
8、, the maximum torque is obtained, whereby the electrical power can be determined in order to calculate the minimum shaft. Primary shaft according to the minimum size of each part. Confirmed by their safety check to ensure the normal operation of testing machine. When the motor is running through the
9、 coupling driven spindle, thus boosting the fixed eccentric shaft of the spindle rotation specimen holder mounted on the pendulum and pendulum shaft axis along the central axis of rotation Rao. Ball joints so that the bracket base of the specimen head and acetabulum ball joints friction between the
10、test piece, so as to achieve the purpose of testing. In which the specimen by the acetabular cement fixation of acetabular seat, shock load provided by a hydraulic cylinder acting on the self-centering shaft bracket through the final act on the acetabular articular ball head, coupled with the specim
11、en ball joint seat around the centerline of rotation. Such simulate the human body to achieve the actual movement of the hip joint, to produce the friction mechanism, wear phasor form consistent with the actual conditions of use in order to achieve the purpose of the design of the test machine.Keywo
12、rds: joint test machine; simulation test; human hip joint; friction mechanism1 绪论1.1 研究背景随着人类社会步入高龄化阶段，各种与高龄有关的关节疾病，如大腿骨骨折、关节炎等病症，将会大量发生，因此对人工关节的需求也会日益增加。目前，全球已有约 3000 万人植入了人工关节，每年的置换量约为 200 万例，仅在美国，每年大约有 50 万人进行关节置换手术。针对全球的这一情况，联合国世界卫生组织将21 世纪第一个十年定为“骨和关节十年”。关节疾病同样是中国人群中的高发病率病种。据统计，在2010年，我国进行人工关节置
13、换的患者约有 220 万例。1目前要求人工髋关节在人体内工作 30 年或更长时间，2于是新的问题出现了。如同Mallory所言：“所有的人工髋关节最终都会失败，这是一个患者寿命与假体寿命的赛跑。”3因此，研制生物力学相容性的人工关节置换技术，提高置换关节的机械性能，延长使用寿命，具有现实而深远的意义。目前关节的修复方法主要有两种，一是通过人体自身的生物机能进行骨骼的再生或植入带有生物化的小块异种骨诱导骨生长。这类方法效果好，但时间长，见效慢，且只适合于小块缺损骨的修复。另一种方法是用人造生物材料（金属、高分子材料、陶瓷等）进行植入置换，替代病变部位关节，该方法已得到广泛应用，并且非常成熟，已成
14、为一项常规外科手术。1963 年英国曼彻斯特人John Charnley 首先报道全髋关节置换手术治疗类风湿性髋关节骨性关节炎。他利用不锈钢制作 22.25mm直径的股骨头，以聚四氟乙烯（PTFE）制作髋臼，用聚甲基丙烯酸（骨水泥）固定，形成Charnley型低摩擦全髋关节假体，奠定了现代人工关节置换术的基础。4自此以后，人工关节置换技术发展迅速，日益成为治疗关节伤痛、重建关节功能的重要手段。据不完全统计，全世界每年因各种疾病需要更换关节的人数高达 4000 万6000 万人，5仅全髋关节置换就达 80 万例。自从第一例低磨损人工髋关节运用于临床实际以来，人工关节置换技术迅速发展。医学实践表明
15、，关节材料性能及其生物摩擦学特性对于关节使用质量及临床寿命起着决定性的作用。因此，人们在这方面开展了大量的研究工作。这为提高人工关节置换手术的成功率、延长置换关节的使用年限提供了强有力的理论支持和技术保障。从临床医学来看，人工关节作为一种植入器官，其制作材料一般应满足以下几点要求：、生物相容性好。要求人工关节材料和人体组织接触后，在材料组织界面发生一系列相互作用后最终被人体组织所接受，且材料对人体的正常生理功能无不良影响，无毒，无排异反应；、生物力学相容性好。植入材料和所处部位的生物组织弹性形变特性要相匹配，在负载情况下，人工关节假体与其接触的组织所发生的形变要彼此协调；、生物结合性能好。要求人工关节材料与周围骨组织结合良好，使用过程中不发生相对移动和下沉；、材料要具有一定的可降解性，可以逐渐被人体再生骨组织所替代；、优良的生物摩擦学性能。要求材料的摩擦系数低，耐磨损能力强，磨损颗粒生成率低，以保证置换关节有较长的临床寿命；、良好的耐腐蚀、耐疲劳性能。要求植入假体在体内所发生的组织反应不引起材料的劣化，反复承受交变应力不会引起材料的破损。迄
