振动旋转动物测试实验平台

2022-12-08苏宏畅左慧婷温洁明周韦星宇

装备制造技术 2022年9期

苏宏畅，左慧婷，周湛，温洁明，覃博，周韦星宇

（广西大学机械工程学院，南宁 530004）

0 引言

在人类疾病史上，高血压是常见的心血管疾病。就我国而言，我国成人患病率为18.8%，全国约有1.6亿高血压患者，而且近年来其发病率和总发病人数呈逐年上升趋势。建立适当的高血压动物模型是开展疾病的发病机制、治疗和预防等研究的重要工具，医学上一般采用小白鼠和兔子作为高血压动物模型开展与高血压相关的研究。

但据资料查询，目前市场上通过旋转测量法测试高血压动物模型抗高血压能力的机器运动形式过于单一，机器只能够旋转而无法实现振动的功能，无法准确地模拟出高血压动物模型所处的复杂的外界状态，无法满足对动物实验研究的需求，影响了实验结果的科学性，且大部分的动物旋转实验装置都是一整个系统，其中包含测试平台、信号收集、数据转换等一系列测试装置，设计以及操作都相对复杂，且价格十分昂贵[1，2]。本项目装置拟设计一种振动与旋转相结合的对动物进行实验的机构。

1 总体设计

1.1 机构设计思路和方法

本装置通过安装于传动轴上的锥齿轮与另一带轴花键上的锥齿轮啮合实现换向，从而带动转盘产生转动，由于转盘下方安装有带轴花键和带轴花键套，所以转盘在旋转的同时还能上下周期性振动，以达到对实验动物进行测试药物效果。

1.2 振动旋转动物测试实验平台设计与制造

振动旋转动物测试实验平台包括振动机构、旋转机构、缓冲机构和支撑架。四个部分的功能分别是：支撑架，即机架，用于支撑整个装置的运行以及便于装置上零件的拆卸和维修；振动机构，主要由电动机、轴承座、凸轮（两个）、传动轴构成；旋转机构，主要由锥齿轮（两个）、轴承座、带轴花键、带轴花键套和转盘组成；缓冲机构，换成机构由安装在支撑架上的四个弹簧组成，利用弹簧的弹性实现缓冲和复位的功能。

机构的具体结构和连接关系为：所述振动机构由电动机、水平转轴、第一凸轮、第二凸轮、深沟球轴承、轴承座、第一凸板、第二凸板以及凸板固定架构成，第一凸轮和第二凸轮通过键连接分别安装在水平转轴上，水平转轴一端与电动机相连，另一端与深沟球轴承过盈配合连接，深沟球轴承与轴承座过盈配合连接，电动机与轴承座均通过螺栓固定连接在支撑板上，第一凸板和第二凸板通过螺栓固定在凸板固定架上，使水平转轴带动第一凸轮、第二凸轮转动时，第一凸轮、第二凸轮与第一凸板、第二凸板周期性接触，产生单自由度周期性振动，使凸板固定架产生振动。

旋转机构由第一直齿锥齿轮、第二直齿锥齿轮、带轴花键、轴承支撑架、轴承套、第二圆锥滚子轴承、带轴花键套、第一轴承套、第一圆锥滚子轴承、支撑盘以及实验容器构成。第一直齿锥齿轮安装在水平转轴上，第二圆锥滚子轴承上端与花键相连，并且套着一个轴承套，轴承支撑架固定在支撑板上。第二直齿锥齿轮安装在带轴花键的轴端，其与第一直齿锥齿轮啮合实现传动方向的改变，带轴花键套与带轴花键联接。第一圆锥滚子轴承安装在第一轴承套上，在带轴花键套轴端通过螺栓固定连接支撑盘与实验容器。所述缓冲机构由第一弹簧、第二弹簧以及带螺纹支撑杆构成。第一弹簧和第二弹簧安装在带螺纹支撑杆上，两弹簧之间用凸板固定架隔开。所述支撑架由凸板固定架、带螺纹支撑杆、支撑板、轴承支撑架以及支撑角钢构成，支撑角钢焊接在支撑板下方，实现对整个机构的支撑作用。支撑板上方焊接带螺纹支撑杆，轴承支撑架安装在支撑板上。

所述缓冲机构由第一弹簧、第二弹簧以及带螺纹支撑杆构成，第一弹簧和第二弹簧安装在带螺纹支撑杆上，两弹簧之间用凸板固定架隔开。

所述支撑架由凸板固定架、带螺纹支撑杆、支撑板、轴承支撑架以及支撑角钢构成，支撑角钢焊接在支撑板下方，实现对整个机构的支撑作用，支撑板上方焊接带螺纹支撑杆，轴承支撑架安装在支撑板上。

所述凸轮安装在带轴花键对称位置，所述凸板安装在凸轮上方。如图1、图2所示。

图1 振动旋转测试实验平台结构示意图

图2 装置内部结构示意图

1.3 工作原理

本装置的动力由电动机13输出，带动安装有直齿锥齿轮及凸轮的水平转轴14转动，水平转轴14转动一方面使水平转轴14上的第一凸轮16和第二凸轮15与第一凸板10和第二凸板11产生单自由度周期性振动，从而使凸板固定架5产生振动。于是实验容器1便做周期性振动，在振动过程中4根带螺纹支撑杆9上的弹簧起到缓冲减压的作用，使实验容器1振动平稳；另一方面水平转轴14上的直齿锥齿轮通过与带轴花键21上直齿锥齿轮啮合将动力传给竖直带轴花键，实现传动方向的改变，并且通过带轴花键21与带轴花键套25的连接，将动力传给带轴花键套25及其轴上零件，从而使实验容器旋转运动，由于在机构振动过程中花键与花键套始终连接在一起，所以实验容器1上下周期性振动的同时也能旋转运动，实现了两种不同类型运动的完美结合，更加方便研究人员对药物效果测试。在实验规定的时间达到后便可按下电机开关结束测试获取实验数据。

2 机构分析

由于同时进行振动和旋转运动，在工作时受力非常复杂。因此,对整体平衡进行分析，受力强度较大的部位进行分析。受力较大的部位为底座和主轴部分。装置的材料为45#钢，装置的四个支撑架在运动时受到不仅受到整个装置的重力和受到装置上下振动时所产生的冲击力，而电机的主轴会受到电机所给的转矩和两个凸轮运动的冲击力和其本身的压力。应力结果图解利用有限元分析解算分析可以看出，机构的最大应力值为201.23 MPa（图3）。

图3 装置应力分析图

3 应用情况和应用实例

本装置通过电机开关就行启动，并且可以调整转速，电机启动后，带动传动轴旋转，由于传动轴上面安装有一个锥齿轮、两个对称安装的凸轮，所以在传动轴旋转后将带动凸轮和锥齿轮一起旋转。凸轮旋转将推动凸轮上方支撑架运动，是转盘上下周期振动。实验达到规定时间后按下开关关闭机构，对动物的数据进行收集。例如：将药物研究实验设置为三组，实验开始前分别测量到三只小白鼠的血压，然后对实验三只小白鼠分别注射研究药物、生理盐水、不注射任何药物后放到振动旋转测试实验平台的载物盘上并用透明的盖子将其盖住防止实验过程中实验动物被甩出来，紧接着按下电机开关，然后调整所需的旋转速度以及振动的频率设下工作时间开始实验。待机构停止运行后，便可以将实验小鼠取出，然后测量其血压情况并记录。这就是药物测量实验的数据，通过进行比较实验小鼠的血压可得药物的是否对小白鼠有效果，为了验证实验药物对于抑制血压的作用，实验要求重复进行、多次实验，以保证数据的准确性。