一种气缸自复位型髋关节试验机制造技术

一种气缸自复位型髋关节试验机，包括由顶板、底板和支柱构成的框架，框架内设有支撑架，支撑架内设有固定有传动轴，传动轴上依次设有下下凸轮、蜗轮、中凸轮、上凸轮，支撑架的上方设有弧面轴承座，弧面轴承座上设有与其弧面相吻合的球面基座，球面基座上设有溶液盆，溶液盆内设有嵌装在球面基座内的关节头球头座，溶液盆上设有与其盆缘相固定的动平台，动平台通过钢丝绳牵引装置和气压传动装置分别与三个凸轮相连；顶板上设有液压缸，液压缸的活塞杆穿过顶板，顶板上设有控制溶液盆内温度的温度控制器；底板上设有顶在传动轴上的球头顶销。结构紧凑，价格低廉，操作方便，能在试验室环境中正确模拟人体髋关节的实际运动工况。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种人工关节试验机，尤其是一种能够在试验室环境中正确模拟人体髋关节的实际运动工况，并能可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数的气缸自复位型髋关节试验机
技术介绍
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。人工关节在体内受力是相当恶劣的，如人工髋关节，每年要经受约3. 6xl06次可能数倍于人体体重的载荷冲击和磨损。同时由于正常人的骨骼在造骨细胞和噬骨细胞的复杂平衡中不断调整其外型，来自假体摩擦表面的碎屑在关节附近积聚，会造成身体中的噬骨细胞增加，打破噬骨细胞和成骨细胞之间的平衡，使假体松动，因此，磨损和磨损颗粒播散仍是影响人工髋关节耐久性的主要问题。人工关节试验机对人工关节材料进行摩擦磨损试验,通过实验数据分析人工关节材料的摩擦磨损性能，这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。目前髋关节模拟试验机按照所模拟运动方式的不同，大致可分为三类(I)摆轴型(Biaxial-Hip-Simulator) ; (2)销盘型(Pin-on-Disk) ; (3)多轴型(Multi-Hip-Simulator)。摆轴型主要是依靠基座与斜面底座之间的相对运动来模拟髋关节在三个不同平面的摆动动作。赫尔辛基技术大学研制的摆轴型HUT-BRM hip-jointsimulator试验机，由于条件的限制，设计者省略了在横截面上的运动。中国矿业大学摩擦学与可靠性工程研究所设计并制造的第一代人工髋关节模拟试验机按结构和运动原理也属于摆轴型试验机。销盘型摩擦磨损试验机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，通常采用三种接触方式，但这类试验机的接触方式与人体髋关节的运动方式差别较大。多轴型主要是通过将不同轴系所形成的单个运动进行合成来模拟人工髋关节的运动形态。英国Leeds大学和Durham大学的MK系制造了多轴型人工髋关节模拟试验机，但设计中省略了冠状面上的摆动，另外中国矿业大学葛世荣，刘金龙等人设计了一种以弹簧传动的多轴型人工髋关节模拟试验机，但由于弹簧本身的特性，存在传动不平稳，随着使用时间的增加，弹簧塑性变形增大，弹簧力减小，且弹簧力的大小不易测量。
技术实现思路
技术问题本技术的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、性能稳定、价格低廉的能够实现交叉状多向复合运动的气缸自复位型髋关节试验机。技术方案本技术的气缸自复位型髋关节试验机，包括由顶板、底板和连接在顶、底板之间的支柱构成的框架，框架内设有支撑架，支撑架内设有上下两端别固定在支撑架与底板上的传动轴，传动轴上依次设有下下凸轮、涡轮、中凸轮、上凸轮，传动轴的两端设有分别固定在底板和支撑架上的轴承座，支撑架的上方设有弧面轴承座，弧面轴承座上设有与其弧面相吻合的球面基座，球面基座上设有溶液盆，溶液盆内设有嵌装在球面基座内的关节头球头座，溶液盆上设有与其盆缘相固定的动平台，所述的动平台通过钢丝绳牵引装置和气压传动装置分别与三个凸轮相连；所述的顶板上设有与液压系统相连的液压缸，液压缸的活塞杆穿过顶板，其上设有导向滑块和扣在关节头上的关节白，导向滑块与关节臼之间设有柱式压力传感器；顶板上设有控制溶液盆内温度的温度控制器；底板上设有顶在传动轴上的球头顶销。所述的弧面轴承座由开有凹形槽的座套、与座套的凹形槽过渡配合的推力轴承座圈构成。所述的钢丝绳牵引装置包括固定在动平台角端的钢丝绳紧固器、钢丝绳、竖直固定在支撑架外壁上的定滑轮组，钢丝绳通过定滑轮组改变传动方向，其左端通过钢丝绳紧固器连接在动平台上，右端通过圆形接头连接在双活塞杆气缸的左伸出杆上。·所述的气压传动装置包括固定在支撑架顶部的单作用气缸、固定在支撑架侧壁的双活塞杆气缸，单作用气缸通过杆端关节轴承与动平台连接固定，双活塞杆气缸的左端进气口通过导气管与其对应的单作用气缸下端进气口相联，并通入压缩气体，双活塞杆气缸右端气压以及单作用气缸上端气压均为0，双活塞杆气缸的右伸出杆在气压的作用下始终压紧在三个凸轮的外轮廓上，单作用气缸在气压的作用下完成动平台的复位，并保证钢丝绳始终处于拉紧状态。所述的支撑架为Y型结构。所述的动平台为正三角形板式结构。 所述的溶液盆为底端封闭的阶梯结构。有益效果本技术基于气缸传动，集机、电、液于一体，适用于准确、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。设备主要由框架、自复位系统、液压加载系统以及温控部分组成。关节球头试件通过球头座固定于推力轴承的球面基座上；所述自复位系统，包括钢丝绳牵引装置和气压传动装置，由单、双活塞杆气缸、凸轮、定滑轮及钢丝绳组成，关节球头及推力轴承的球面基座与动平台连接固定，单活塞杆通过杆端轴承与动平台连接固定，同时，钢丝绳通过定滑轮组分别连接动平台的顶端与双活塞杆的左端，双活塞杆的左端进气口与单活塞杆下端进气口相联，在压缩气体的作用下，单活塞杆气缸完成动平台的复位，同时双活塞杆气缸的右端始终压在凸轮轮廓上，三条钢丝绳与三个单活塞杆气缸在凸轮及双活塞杆气缸的共同作用下，利用杠杆原理，即可带动动平台及关节球头完成交叉状的多向复合滑动及旋转运动；液压加载系统由固定于顶板的加载油缸通过导向部分及压力测量部分带动关节窝向关节球头施加载荷；试验机的上支持板上设有温控器。利用液压系统提供模拟人步行时髋关节所受的载荷，利用凸轮、定滑轮、气缸及钢丝绳等传统机械部件来替代价格昂贵的进口电动缸或传动不平稳的弹簧，并通过压力传感器对施加载荷加以检测和反馈，进一步修正所施加的载荷。球头座为快换零件，不同的关节球头，只需更换不同的球头座即可与试验机相连接。推力轴承的球面基座与关节球头同心，可使关节球头在做复合运动的过程中，其非垂直方向上的载荷为零。双活塞杆气缸的左端进气口通过导气管与其对应的单作用气缸下端进气口相联，并通入压缩气体，双活塞杆气缸右端气压以及单作用气缸上端气压均为O,双活塞杆气缸的右伸出杆在气压的作用下始终压紧在三个凸轮的外轮廓上，单作用气缸在气压的作用下完成动平台的复位，并保证钢丝绳始终处于拉紧状态；非工作状态下，还可通过调节气体的压力值和钢丝绳紧固器来对动平台进行调平；利用凸轮的外轮廓轨迹来模拟人的运动曲线，当须增大动平台的摆角时，只须增大凸轮的偏心距，如需模拟不同工况条件下的关节运动，只须更换不同外轮廓的凸轮即可；用于盛润滑液的溶液盆其底端封闭，可防止生物润滑液的泄漏。温控部分温控器、加热装置及温度传感器，可使溶液盆内的生物润滑剂的试验温度保持在37±1°C。利用凸轮、定滑轮、气缸及钢丝绳等传统机械部件来替代价格昂贵的进口电动缸，可有效降低试验成本及维护成本，增加试验机的适用性。另外相较于使用弹簧传动时，弹簧力不可控、不可测的特点，使用气缸传动可方便的测量出气缸的压力值，随时可进行补充和调整，且气缸固定在支撑架上，解决了弹簧传动时传动不平稳的问题。附图说明图I是本技术的结构示意图；·图2是本技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气缸自复位型髋关节试验机，包括由顶板（31）、底板（2）和连接在顶、底板之间的支柱（15）构成的框架，框架内设有支撑架（14），支撑架（14）内设有上下两端别固定在支撑架（14）与底板（2）上的传动轴（60），传动轴（60）上依次设有下凸轮（5）、蜗轮（17）、中凸轮（57）、上凸轮（56），传动轴（60）的两端设有分别固定在底板（2）和支撑架（14）上的轴承座（6），支撑架（14）的上方设有弧面轴承座，弧面轴承座上设有与其弧面相吻合的球面基座（53），球面基座（53）上设有溶液盆（26），溶液盆（26）内设有嵌装在球面基座（53）内的关节头球头座（52），溶液盆（26）上设有与其盆缘相固定的动平台（29），其特征在于：所述的动平台（29）通过钢丝绳牵引装置和气压传动装置分别与三个凸轮（5、57、56）相连；所述的顶板（31）上设有与液压系统相连的液压缸（37），液压缸（37）的活塞杆穿过顶板（31），其上设有导向滑块（40）和扣在关节头（46）上的关节臼（44），导向滑块（30）与关节臼（44）之间设有柱式压力传感器（43）；顶板（31）上设有控制溶液盆（26）内温度的温度控制器（42）；底板（2）上设有顶在传动轴（60）上的球头顶销（8）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金龙，陈煊，程刚，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：实用新型
国别省市：