【文章內(nèi)容簡介】 方式進行摩擦磨損試驗，通過圓盤與加工成銷狀的試驗樣品之間所形成的相對運動來研究材料的摩擦性能和滑液的潤滑性能。它們專門提供所研究材料的固有特性的信息，其測試過程很快。但是該試驗機不能準確的反映測試生物材料的幾何特性，而其幾何特性影響接觸面的潤滑和接觸應力。因此它只能近似的再現(xiàn)假體材料在人體內(nèi)相同磨損機制，但是使用的是較簡化的模型而不是仿人體關節(jié)假體。因此，由于在試驗中忽略了材料形態(tài)方面的區(qū)別，該試驗機對移植關節(jié)的磨損率測試不夠準確。 [7]圖 11 一些常見的沒順測試試驗機（2）關節(jié)磨損試驗機該試驗機主要是依靠基座與斜面底座之間的相對運動來模擬髖關節(jié)在三個不同平面的擺動動作，是對真實假肢在模擬生理環(huán)境中的特性進行測試。如圖 12 所示，即所謂的髖關節(jié)模擬試驗機，髖關節(jié)模擬試驗機可以預測磨損經(jīng)過，通過測試人體磨損模式，研究假體材料的臨床性能。 [8]該試驗機基本上能夠模擬實際環(huán)境下人體髖關節(jié)的運動情況，能夠準確地測試人工髖關節(jié)的摩擦磨損性能，對人工髖關節(jié)的選材和人工髖關節(jié)置換術有著重要的意義。赫爾辛基技術大學研制的關節(jié)磨損試驗機 HUTBRM hipjoint simulator 試驗機如圖 12a)所示。 [9]在 HUTBRM 實驗機中，由于條件的限制，設計者省略了在橫截面上的運動，而合成運動對于磨損量、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鍵的因素。 [10]. . . .. . 學習好幫手中國礦業(yè)大學摩擦學與可靠性工程研究所設計并制造的人工髖關節(jié)模擬試驗機如圖 12 b)所示，該試驗機按結構和運動原理也屬于擺軸型試驗機。 a）HUTBRM 髖關節(jié)試驗機 b）人工髖關節(jié)模擬試驗及圖 12 關節(jié)磨損試驗機 本課題的目的及意義本試驗機屬于關節(jié)磨損試驗機，是對人工髖關節(jié)在模擬人體真實運動環(huán)境中的特性進行測試。設計該機械設計時考慮的主要因素是使其在實驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髖關節(jié)的實際運動工況，使安裝在臼杯座中的髖臼試件與關節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復合運動，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準確、可靠地測試人工關節(jié)材料的生物摩擦學特性參數(shù)，為臨床應用提供指導性試驗數(shù)據(jù)。. . . .. . 學習好幫手2 設計方案 髖關節(jié)結構及運動分析 人體髖關節(jié)結構髖關節(jié)位于人體中部，是人體中最重要的關節(jié)之一。圖 21 給出人體髖關節(jié)的結構簡圖。圖 21 人體髖關節(jié)股骨上部大轉子與髖骨相支承，承受了人體的大部分重量及人體活動時的大部分載荷。當股骨上部發(fā)生創(chuàng)傷時，在臨床骨科醫(yī)學上，常常采用植入人工髖關節(jié)來代替原先破損的髖關節(jié)，以達到支撐點的目的。圖 22 示出了人工髖關節(jié)的實物照片。與天然髖關節(jié)相對應，人工關節(jié)也分為股骨球頭和關節(jié)臼窩。為完成人體必需的運動及加工工藝的需要，人工關節(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。. . . .. . 學習好幫手圖 22 人工髖關節(jié)照片人工關節(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。骨水泥固定時利用甲基丙烯酸甲酯(骨水泥)將人工假體與自然骨粘結固化后達到固定目的。非骨水泥固定技術是通過改進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構，以使宿主骨能夠長入金屬外殼面從而達到生物學固定的目的。人工關節(jié)植入體內(nèi)后，承擔原人體髖關節(jié)的功能，其運動方式與人體自然髖關節(jié)基本一致。 髖關節(jié)運動特性分析由于人體下肢運動的多樣性（走、跑、跳等） ，使得髖關節(jié)的運動呈現(xiàn)出很強的復雜性。股骨頭根據(jù)運動需要，可在髖臼中圍繞其球心向任何方向轉動。因此，僅就人體運動的不確定性而言，髖關節(jié)的運動軌跡是不可能用常規(guī)數(shù)學方法表達的?？紤]到關節(jié)置換病人的特殊性，此處僅討論人體正常行走時股骨頭在髖臼中的運動軌跡。、 等的研究結果表明，人體正常行走時，髖關節(jié)在一個步態(tài)中的主要運動角度變化如圖 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，關節(jié)彎曲度達到最大；腳尖離地前 時關節(jié)拉伸度達到最（ T 為步態(tài)周期，單位：秒） 。、 等根據(jù)圖 23 所示運動曲線，利用計算機模擬技術對髖關節(jié)摩擦面上隨機選取點的運動軌跡進行了相應計算，其結果如圖 24 所示。可以看出，這些點的運動軌跡很不規(guī)則，大致上呈橢圓形，且軌跡形狀隨選取點在球體上位置的不同而有所變化。這一結果表明，天然髖關節(jié)間的相對運動為交叉狀、多方向性復合轉動摩擦。. . . .. . 學習好幫手圖 23 人體步態(tài)運動波形圖 圖 24 選取點的運動軌跡圖 方案的提出關節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗機主軸上。試驗時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，并通過花鍵軸帶動關節(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，可滿足試驗時不同載荷要求。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動。 支撐斜板在電機驅動下作勻速旋轉運動，防轉桿受到試驗機立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通過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機主軸旋轉，一邊往復擺動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復合運動。 . . . .. . 學習好幫手圖 25 試驗機草圖 設計方案人體關節(jié)模擬試驗機是一臺集機、電、液技術于一體的專用臺架試驗設各。該試驗機設計時考慮的主要因素是使其在試驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髓關節(jié)的實際運動情況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件相一致，從而可以準確、可靠地測試人工關節(jié)材料的生物摩擦學特性參數(shù)，為臨床應用提供指導性試驗數(shù)據(jù)。該試驗設備主要有機械傳動部分和液壓加載系統(tǒng)組成。關節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗機主軸上。試驗時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，并通過軸帶動關節(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，可滿足試驗時不同載荷要求。臼杯座中可安裝不同規(guī)格（φ20mm～φ50mm）的髖臼試件，并通過組合軸承部件固定在支撐斜板上。支撐斜板在電機驅動下作勻速旋轉運動，防轉桿受到試驗機立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通過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機主軸旋轉，. . . .. . 學習好幫手一邊往復擺動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復合運動。 機械傳動部分的運動特性分析多向復合方式：采用該方式試驗時，偏心輪以恒角速度 ω 旋轉，臼杯座支承軸在其帶動下圍繞主軸軸線作圓錐狀回轉，固定在支承軸上的防轉桿受機座限制產(chǎn)生反向阻力，在該力作用下支承軸除繞主軸軸線回轉外還要自轉，此時試驗機的運動簡圖可以表示成圖 26 所示形式（為分析方便，防轉桿與機座的點接觸形成的Ⅰ級運動副用兩個Ⅳ運動副及一個Ⅴ運動副代替）：圖 26 試驗機運動原理圖由機械原理知，若某空間運動鏈由 N 個構件組成，當固定其中之一為機架后，所?；顒訕嫾?shù)為 n=N－1，如果在組成運動鏈時共加入 P1 個 I 級副、P2 個Ⅱ級副、P3 個Ⅲ級副、P4 個Ⅳ級副及 P5 個Ⅴ級副，則空間運動鏈相對于機架的自由度為： 123456PPnF???F≤0 時運動鏈不可能產(chǎn)生相對運動。對 F＞0 的運動鏈，當原動件數(shù)小于機構. . . .. . 學習好幫手自由度時，構件間的相對運動是無規(guī)則的；原動件數(shù)大于 F 時，機構不能運動；只有當原動件數(shù)等于 F 時，構件之間才能獲得確定的相對運動。分析可知，該空間運動鏈的構件數(shù) N＝5，共包括 3 個 V 級副和 2 個 IV 級副，因此其自由度為：F＝6（5－1）－53－42＝1關節(jié)模擬試驗機運轉時，只有一個原動件，即偏心輪的旋轉運動，因此可知，該空間機構能夠獲得確定的相對運動。盡管從理論上講，有確定相對運動的運動軌跡可以用數(shù)學方程來唯一表達，然而，由于髖關節(jié)運動時所固有的復雜性，人們在研究摩擦表面的運動特性時，往往采用模擬軌跡法或刻痕軌跡法，以達到簡單、形象地描繪出運動軌跡的目的。本試驗機從結構原理上看，應屬于雙軸型全髖關節(jié)模擬試驗機。該類型試驗機運行時主要依靠下試件相對于上試件作往復式圓弧狀擺動以實現(xiàn)摩擦面間的交叉狀復合運動。在運行過程中，下試件摩擦表面上的任一點均相對于水平、垂直二軸作周期性轉動。若以與其中一軸的夾角為 FE，與另一軸的夾角為 AA，則摩擦面上任一點的運動波形可以表達成圖 27 所示形式：圖 27 試驗機的運動波形分析以此運動波形為基礎，在摩擦面上隨機地挑選幾個點計算其運動軌跡，模擬結果如圖 28 所示?？梢钥闯?，隨著所分析點在摩擦面上所處位置的不同，其運動軌跡相差很大。在球的端部出現(xiàn)一個標準圓周軌跡，該軌跡所對應的點恰為臼杯座支承軸軸線與關節(jié)副對摩表面的交點。因該點位于臼杯試件自轉軸線上，在試驗過程中不會因臼杯試件的自轉產(chǎn)生水平方向的相對位移，因此其運動軌跡為一個標準圓。從該點. . . .. . 學習好幫手依次向外，點的軌跡逐漸變成非對稱橢圓形，且隨著與球頂點距離的增大，運動軌跡越來越不規(guī)則，當點到達試件邊緣時，其運動軌跡變?yōu)椤?”字型。 等為驗證該模擬結果的正確性，在髖臼試件的不同位置嵌入 17 個硬質針頭，并將此試件與關節(jié)頭試件一同裝入雙軸型試驗機，加載后運行一個周期。在顯微鏡下觀察關節(jié)頭試件的表面劃痕并用墨水描出軌跡。如圖 210 所示