【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 方式進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，通過(guò)圓盤與加工成銷狀的試驗(yàn)樣品之間所形成的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)研究材料的摩擦性能和滑液的潤(rùn)滑性能。它們專門提供所研究材料的固有特性的信息，其測(cè)試過(guò)程很快。但是該試驗(yàn)機(jī)不能準(zhǔn)確的反映測(cè)試生物材料的幾何特性，而其幾何特性影響接觸面的潤(rùn)滑和接觸應(yīng)力。因此它只能近似的再現(xiàn)假體材料在人體內(nèi)相同磨損機(jī)制，但是使用的是較簡(jiǎn)化的模型而不是仿人體關(guān)節(jié)假體。因此，由于在試驗(yàn)中忽略了材料形態(tài)方面的區(qū)別，該試驗(yàn)機(jī)對(duì)移植關(guān)節(jié)的磨損率測(cè)試不夠準(zhǔn)確。 [7]圖 11 一些常見(jiàn)的沒(méi)順測(cè)試試驗(yàn)機(jī)（2）關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī)該試驗(yàn)機(jī)主要是依靠基座與斜面底座之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬髖關(guān)節(jié)在三個(gè)不同平面的擺動(dòng)動(dòng)作，是對(duì)真實(shí)假肢在模擬生理環(huán)境中的特性進(jìn)行測(cè)試。如圖 12 所示，即所謂的髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)，髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)可以預(yù)測(cè)磨損經(jīng)過(guò)，通過(guò)測(cè)試人體磨損模式，研究假體材料的臨床性能。 [8]該試驗(yàn)機(jī)基本上能夠模擬實(shí)際環(huán)境下人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，能夠準(zhǔn)確地測(cè)試人工髖關(guān)節(jié)的摩擦磨損性能，對(duì)人工髖關(guān)節(jié)的選材和人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)有著重要的意義。赫爾辛基技術(shù)大學(xué)研制的關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī) HUTBRM hipjoint simulator 試驗(yàn)機(jī)如圖 12a)所示。 [9]在 HUTBRM 實(shí)驗(yàn)機(jī)中，由于條件的限制，設(shè)計(jì)者省略了在橫截面上的運(yùn)動(dòng)，而合成運(yùn)動(dòng)對(duì)于磨損量、磨粒形狀的形成、模擬步態(tài)的形態(tài)和摩擦因子的大小是十分關(guān)鍵的因素。 [10]. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手中國(guó)礦業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)與可靠性工程研究所設(shè)計(jì)并制造的人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)如圖 12 b)所示，該試驗(yàn)機(jī)按結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理也屬于擺軸型試驗(yàn)機(jī)。 a）HUTBRM 髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī) b）人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)及圖 12 關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī) 本課題的目的及意義本試驗(yàn)機(jī)屬于關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī)，是對(duì)人工髖關(guān)節(jié)在模擬人體真實(shí)運(yùn)動(dòng)環(huán)境中的特性進(jìn)行測(cè)試。設(shè)計(jì)該機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素是使其在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況，使安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復(fù)合運(yùn)動(dòng)，以使試件在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實(shí)際使用條件下相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測(cè)試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手2 設(shè)計(jì)方案 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析 人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)髖關(guān)節(jié)位于人體中部，是人體中最重要的關(guān)節(jié)之一。圖 21 給出人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖 21 人體髖關(guān)節(jié)股骨上部大轉(zhuǎn)子與髖骨相支承，承受了人體的大部分重量及人體活動(dòng)時(shí)的大部分載荷。當(dāng)股骨上部發(fā)生創(chuàng)傷時(shí)，在臨床骨科醫(yī)學(xué)上，常常采用植入人工髖關(guān)節(jié)來(lái)代替原先破損的髖關(guān)節(jié)，以達(dá)到支撐點(diǎn)的目的。圖 22 示出了人工髖關(guān)節(jié)的實(shí)物照片。與天然髖關(guān)節(jié)相對(duì)應(yīng)，人工關(guān)節(jié)也分為股骨球頭和關(guān)節(jié)臼窩。為完成人體必需的運(yùn)動(dòng)及加工工藝的需要，人工關(guān)節(jié)聯(lián)接部分做成凸球－凹球形式。臨床上常用球頭半徑為 、25mm、26mm、28mm、32mm、38mm、42mm 等。. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手圖 22 人工髖關(guān)節(jié)照片人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)的固定方式分為兩種：骨水泥固定和非骨水泥固定。骨水泥固定時(shí)利用甲基丙烯酸甲酯(骨水泥)將人工假體與自然骨粘結(jié)固化后達(dá)到固定目的。非骨水泥固定技術(shù)是通過(guò)改進(jìn)假體外形尺寸使之緊密嵌入髓腔或在假體外殼表面上制造出多孔結(jié)構(gòu)，以使宿主骨能夠長(zhǎng)入金屬外殼面從而達(dá)到生物學(xué)固定的目的。人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)后，承擔(dān)原人體髖關(guān)節(jié)的功能，其運(yùn)動(dòng)方式與人體自然髖關(guān)節(jié)基本一致。 髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性分析由于人體下肢運(yùn)動(dòng)的多樣性（走、跑、跳等） ，使得髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的復(fù)雜性。股骨頭根據(jù)運(yùn)動(dòng)需要，可在髖臼中圍繞其球心向任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，僅就人體運(yùn)動(dòng)的不確定性而言，髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡是不可能用常規(guī)數(shù)學(xué)方法表達(dá)的?？紤]到關(guān)節(jié)置換病人的特殊性，此處僅討論人體正常行走時(shí)股骨頭在髖臼中的運(yùn)動(dòng)軌跡。、 等的研究結(jié)果表明，人體正常行走時(shí)，髖關(guān)節(jié)在一個(gè)步態(tài)中的主要運(yùn)動(dòng)角度變化如圖 22 所示。FE 角（Flexionextension）的變化幅度為 0～46176。，AA 角（Abductionadduction ）和 IER 角（Internalexternal rotation）的變化幅度同為 0～12176。FE 角和 AA 角的相位相差 π/2 。在足跟離地前 時(shí)，關(guān)節(jié)彎曲度達(dá)到最大；腳尖離地前 時(shí)關(guān)節(jié)拉伸度達(dá)到最（ T 為步態(tài)周期，單位：秒） 。、 等根據(jù)圖 23 所示運(yùn)動(dòng)曲線，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)髖關(guān)節(jié)摩擦面上隨機(jī)選取點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算，其結(jié)果如圖 24 所示?？梢钥闯觯@些點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡很不規(guī)則，大致上呈橢圓形，且軌跡形狀隨選取點(diǎn)在球體上位置的不同而有所變化。這一結(jié)果表明，天然髖關(guān)節(jié)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為交叉狀、多方向性復(fù)合轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦。. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手圖 23 人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)波形圖 圖 24 選取點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖 方案的提出關(guān)節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗(yàn)機(jī)主軸上。試驗(yàn)時(shí)載荷的施加由加載油缸完成。向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動(dòng)，并通過(guò)花鍵軸帶動(dòng)關(guān)節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓油的壓強(qiáng)，可滿足試驗(yàn)時(shí)不同載荷要求。臼杯座中可安裝不同規(guī)格（φ20mm～φ50mm）的髖臼試件，并通過(guò)組合軸承部件固定在支撐斜板上。裝配有臼杯座的軸即可以圍繞其軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 支撐斜板在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，防轉(zhuǎn)桿受到試驗(yàn)機(jī)立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通過(guò)軸承固定于支撐斜板上的臼杯座在合力作用下一邊繞試驗(yàn)機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，一邊往復(fù)擺動(dòng)。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復(fù)合運(yùn)動(dòng)。 . . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手圖 25 試驗(yàn)機(jī)草圖 設(shè)計(jì)方案人體關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)是一臺(tái)集機(jī)、電、液技術(shù)于一體的專用臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)各。該試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素是使其在試驗(yàn)室環(huán)境中能夠正確模擬人體髓關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，以使試件在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實(shí)際使用條件相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測(cè)試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)設(shè)備主要有機(jī)械傳動(dòng)部分和液壓加載系統(tǒng)組成。關(guān)節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗(yàn)機(jī)主軸上。試驗(yàn)時(shí)載荷的施加由加載油缸完成。向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動(dòng)，并通過(guò)軸帶動(dòng)關(guān)節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓油的壓強(qiáng)，可滿足試驗(yàn)時(shí)不同載荷要求。臼杯座中可安裝不同規(guī)格（φ20mm～φ50mm）的髖臼試件，并通過(guò)組合軸承部件固定在支撐斜板上。支撐斜板在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，防轉(zhuǎn)桿受到試驗(yàn)機(jī)立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通過(guò)軸承固定于支撐斜板上的臼杯座在合力作用下一邊繞試驗(yàn)機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手一邊往復(fù)擺動(dòng)。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復(fù)合運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械傳動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)特性分析多向復(fù)合方式：采用該方式試驗(yàn)時(shí)，偏心輪以恒角速度 ω 旋轉(zhuǎn)，臼杯座支承軸在其帶動(dòng)下圍繞主軸軸線作圓錐狀回轉(zhuǎn)，固定在支承軸上的防轉(zhuǎn)桿受機(jī)座限制產(chǎn)生反向阻力，在該力作用下支承軸除繞主軸軸線回轉(zhuǎn)外還要自轉(zhuǎn)，此時(shí)試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖可以表示成圖 26 所示形式（為分析方便，防轉(zhuǎn)桿與機(jī)座的點(diǎn)接觸形成的Ⅰ級(jí)運(yùn)動(dòng)副用兩個(gè)Ⅳ運(yùn)動(dòng)副及一個(gè)Ⅴ運(yùn)動(dòng)副代替）：圖 26 試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)原理圖由機(jī)械原理知，若某空間運(yùn)動(dòng)鏈由 N 個(gè)構(gòu)件組成，當(dāng)固定其中之一為機(jī)架后，所?；顒?dòng)構(gòu)件數(shù)為 n=N－1，如果在組成運(yùn)動(dòng)鏈時(shí)共加入 P1 個(gè) I 級(jí)副、P2 個(gè)Ⅱ級(jí)副、P3 個(gè)Ⅲ級(jí)副、P4 個(gè)Ⅳ級(jí)副及 P5 個(gè)Ⅴ級(jí)副，則空間運(yùn)動(dòng)鏈相對(duì)于機(jī)架的自由度為： 123456PPnF???F≤0 時(shí)運(yùn)動(dòng)鏈不可能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì) F＞0 的運(yùn)動(dòng)鏈，當(dāng)原動(dòng)件數(shù)小于機(jī)構(gòu). . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手自由度時(shí)，構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的；原動(dòng)件數(shù)大于 F 時(shí)，機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)；只有當(dāng)原動(dòng)件數(shù)等于 F 時(shí)，構(gòu)件之間才能獲得確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。分析可知，該空間運(yùn)動(dòng)鏈的構(gòu)件數(shù) N＝5，共包括 3 個(gè) V 級(jí)副和 2 個(gè) IV 級(jí)副，因此其自由度為：F＝6（5－1）－53－42＝1關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，只有一個(gè)原動(dòng)件，即偏心輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此可知，該空間機(jī)構(gòu)能夠獲得確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。盡管從理論上講，有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以用數(shù)學(xué)方程來(lái)唯一表達(dá)，然而，由于髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)所固有的復(fù)雜性，人們?cè)谘芯磕Σ帘砻娴倪\(yùn)動(dòng)特性時(shí)，往往采用模擬軌跡法或刻痕軌跡法，以達(dá)到簡(jiǎn)單、形象地描繪出運(yùn)動(dòng)軌跡的目的。本試驗(yàn)機(jī)從結(jié)構(gòu)原理上看，應(yīng)屬于雙軸型全髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)。該類型試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行時(shí)主要依靠下試件相對(duì)于上試件作往復(fù)式圓弧狀擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)摩擦面間的交叉狀復(fù)合運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)行過(guò)程中，下試件摩擦表面上的任一點(diǎn)均相對(duì)于水平、垂直二軸作周期性轉(zhuǎn)動(dòng)。若以與其中一軸的夾角為 FE，與另一軸的夾角為 AA，則摩擦面上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)波形可以表達(dá)成圖 27 所示形式：圖 27 試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)波形分析以此運(yùn)動(dòng)波形為基礎(chǔ)，在摩擦面上隨機(jī)地挑選幾個(gè)點(diǎn)計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬結(jié)果如圖 28 所示?？梢钥闯?，隨著所分析點(diǎn)在摩擦面上所處位置的不同，其運(yùn)動(dòng)軌跡相差很大。在球的端部出現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓周軌跡，該軌跡所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)恰為臼杯座支承軸軸線與關(guān)節(jié)副對(duì)摩表面的交點(diǎn)。因該點(diǎn)位于臼杯試件自轉(zhuǎn)軸線上，在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)因臼杯試件的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生水平方向的相對(duì)位移，因此其運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓。從該點(diǎn). . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手依次向外，點(diǎn)的軌跡逐漸變成非對(duì)稱橢圓形，且隨著與球頂點(diǎn)距離的增大，運(yùn)動(dòng)軌跡越來(lái)越不規(guī)則，當(dāng)點(diǎn)到達(dá)試件邊緣時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡變?yōu)椤?”字型。 等為驗(yàn)證該模擬結(jié)果的正確性，在髖臼試件的不同位置嵌入 17 個(gè)硬質(zhì)針頭，并將此試件與關(guān)節(jié)頭試件一同裝入雙軸型試驗(yàn)機(jī)，加載后運(yùn)行一個(gè)周期。在顯微鏡下觀察關(guān)節(jié)頭試件的表面劃痕并用墨水描出軌跡。如圖 210 所示