蒋 艺 黄小妹 闫普选 王梦沂*

（桂林电子科技大学 材料科学与工程学院，广西 桂林541004）

随着人们生活水平的不断提高，对于髋关节疾病的治疗，置换人工髋关节是治疗的方法之一，然而置换关节的假体在人体中的寿命长短和损伤是假体失效的重要原因之一，因此借助人工髋关节摩擦模拟试验机来模拟置换关节假体在人体内的实际工况、研究假体材料的强度寿命、摩擦磨损和蠕变等性能，是摩擦试验机在该领域中的重要应用[1]。然而传统人工髋关节摩擦模拟试验机因其局限性在假体测试工况范围上存有不足，因此亟需一种新型摩擦试验机来完成优化，所以本文提出了一种基于无级调速的多功能摩擦试验机，这对医疗器械行业发展具有重要意义。

1 新型多功能摩擦试验机设计理念

1.1 传统摩擦试验机的局限性

髋关节摩擦试验机按模拟运动方式可分为三类，其包括销盘型、摆轴型及多轴型。销盘型是通过圆盘与销状试样之间形成的相对滑动来研究材料摩擦润滑性能；多轴型是将不同轴系形成的单个运动进行合成来模拟人工髋关节的运动形态；摆轴型是依靠基座与斜面底座之间的相对运动来模拟髋关节三个不同平面的摆动动作[2]。

目前市场应用较多的摩擦试验机有三大类，第一种中国专利［授权公告号CN101975707B］涉及一种基于钢丝绳传动的髋关节试验机，该结构在零件上有了很大的改进，运用了传统机械零件，而将价格高昂的进口电动缸去除，降低了试验成本和机台适应性；但其功能性单一，摩擦面控制稳定性差。第二种中国专利［授权公告号CN101243998B］涉及一种多功能摩擦学实验装置的设计，虽增加了测试功能，但调节髋关节结构参数对其生物摩擦学性能影响方面却无提高。第三种美国专利［授权公告号US6199424B1］涉及一种适应橡胶及胎面的销盘摩擦试验机，虽然能够调节滑动速率、接触压力、方向及接触面来测试更为复杂工况，但其接触和运动方式与人工髋关节的运动方式差别较大。而球头自转速度与锥面旋转速度有关联性及锥面旋转角调节不方便是当前传统摩擦试验机的局限所在，因此需要提出一种新型多功能摩擦试验机设计方案，以此优化这些不足。

1.2 新型多功能摩擦试验机设计提出

针对现有摩擦试验机技术的不足（球头自转速度与锥面旋转速度有关联性及锥面旋转角调节不便），对其旋转中心机构（旋转装置）在设计原理上进行创新设计，提出了一种能够无级调节球头的自转速度和锥面旋转速度，并方便调节锥面旋转角度的新型人工髋关节摩擦试验机。

新型人工髋关节摩擦试验机在分析传统髋关节摩擦试验机的旋转中心机构设计原理基础上，将旋转中心机构的旋转作用进行创新性机构分离，从而实现对髋关节球头自转速度的无级调速；同时采用不同的机构模块和装配实现球头旋转锥形角调节，从而适应不同年龄、地域及运动状态等复杂工况的摩擦性研究，使得人工髋关节摩擦性能测试结果进一步接近真实工况。本次设计在解决上述问题的同时，还实现了无级调节球头的自转速度和锥面旋转速度，方便调节锥面旋转角度，如图1所示为优化结构示意图。

图1 传统摩擦试验机与本设计方案优化的示意图

2 新型多功能摩擦试验机工艺方案

2.1 主要系统构成

新型多功能摩擦试验机主要由载荷机构、扭矩测试、球头、球碗臼杯和下方球头旋转装置构成，其系统构成如图2 所示。图2（1）是本发明实施例人工髋关节置摩擦试验机三维图；图2（2）是本发明实施例人工髋关节置摩擦试验机主视图；图2（3）是本发明实施例人工髋关节摩擦试验机中心机构主视图；图2（4）是本发明实施例人工髋关节摩擦试验机中心机构主视图的局部放大如图2（3）a；图2（5）是本发明实施例人工髋关节摩擦试验机中心机构主视图的局部放大如图2（3）b；图2（6）是本发明实施例人工髋关节摩擦试验机中心机构主视图的局部放大如图2（3）c。

2.2 电机选用

在本文设计的新型多功能摩擦试验机中，电机是试验机的核心元件，涉及到无级调试系统的运行体系。对于电动机选择第一是匹配负载和位置的要求，其次要考虑经济因素、例如价格和维护成本[3]。本文选择的电机必须满足往复式活塞、端面和销形垫圈的三个运行条件。对发动机启动扭矩和低速性能要求不多。因此，电动机功率的选择基于端面和销钉垫圈之间的摩擦副的测试要求。在具体参数选择上，以假体材料机械密封作为端面摩擦的试验对象，其动静环接触面内径为42mm，接触面宽度为6mm。

在上式中，FN为试验正压力（单位：N）；f 为端面摩擦系数；Rm为端面平均半径（单位：mm）；nd为旋转主轴转速（单位：r/min）。

在对最大试验载荷以及转速计算上，通过上述公式以及内径与宽度则可以得到FN=500N；nd=3000r/min；本次设计选择摩擦系数f=0.1；端面半径为25mm，则可以计算出Q=0.392KW。按销盘试验设计的最大线速度νmax及可测摩擦力fmax进行电机的选取，最后根据Qmax=fmaxνmax=0.75KW。在本次设计中，还需要考虑同步传动以及轴承间的传动损失，设总效率为0.97，则为了满足最大转速3000r/min 就需要选择YE2-80M2-2 三相异步电机，该电机额定功率为1.1KW，扭矩为0.32N·m，基本满足本次设计需求。

2.3 传动设计

根据最大转速和同步电动机速度，在旋转的主轴和电动机之间使用传动比为1.1 的同步传动装置[4]。在同步皮带传动中，皮带与皮带轮之间没有打滑，传动比精确恒定。另外，大大小小的同步轮也可以用作手轮，这使得测试机在摩擦副测试过程中运行更加平稳。基本传动运行方式如下：

2.3.1 旋转Ⅱ轴电机14 带动旋转盘11 进行周向旋转，使得旋转Ⅱ轴7 上固定的球头3 绕锥面旋转，并通过旋转Ⅱ轴电机14 控制旋转速度。

2.3.2 所述旋转Ⅰ轴电机15 带动旋转Ⅰ轴6 旋转，（直齿）锥形齿轮12 同步旋转，（直齿）锥形齿轮12 带动（直齿）圆柱齿轮13转动，从而驱动旋转Ⅱ轴7 转动而实现球头3 的自转，并通过旋转Ⅰ轴电机15 控制其自转速度和方向。

2.3.3 上述两种运动方式的协同工作，从而完成人工髋关节摩擦性能测试试验。

2.4 其他部件设计

2.4.1 轴。轴的结构主要取决于轴的承载性质、大小、方向以及传动布置方案、轴上零件的布置与固定方式、轴承的类型与尺寸，还有制造经济性等。

2.4.2 主轴架。在本次新型多功能试验机中，主轴旋转系统安装在主轴支撑板上，主轴穿过测试台，为一对齿轮供电。因此，主轴和试验台的垂直度有很高的要求。在上层平台上，对支撑板的表面进行处理以确保支撑板和测试台的垂直度，然后将主轴支架安装在支撑板的表面上，确保传动轴与测试台垂直。

3 多功能摩擦试验机的创新性

在本次创新设计中，无级调节球头的自转速度和锥面旋转速度，并方便调节锥面旋转角度的新型人工髋关节摩擦试验机，是将其旋转中心机构的旋转作用进行创新性机构分离，从而实现对髋关节球头自转速度的无级调速；同时采用不同的机构模块和装配实现球头旋转锥形角调节，进而适应不同年龄、地域及运动状态等复杂工况的摩擦性研究，使得人工髋关节摩擦性能测试结果进一步接近真实工况，完成对无级调试的优化。

4 结论

如今我国人口趋于老龄化，关节疾病随着年龄的增大会慢慢的涌现，如髋关节炎等疾病，对于人工关节摩擦实验机的需求也日益增加，并且对人工髋关节假体质量要求也更加严格。因此本文在对设计理念进行阐述后，从系统组成构造、电机的选用、传动设计以及其它部件设计完成工艺流程方案分析，最后分析了无级调速、节省成本以及适用性强等优点，以期对医疗企业行业有所帮助。