髋关节假体摩擦磨损试验机的制作方法

本发明属于医疗机械设备技术领域，具体涉及一种髋关节假体摩擦磨损试验机。

背景技术：

作为一种股骨替代技术，髋关节置换术是当今临床治疗严重的骨关节炎、关节结核及股骨头坏死的最主要手段，其中人工髋关节假体材料在体内服役寿命一直是人们最为关心的问题。有研究表明，髋关节假体在体内每年承受约100~300万次循环的体重负荷，服役寿命一般被要求达到10~20年，关节头与髋臼间的摩擦磨损是其主要的失效形式。鉴于体内试验的复杂性，通过体外试验研究髋关节假体材料的耐磨特性，进而评估其体内服役寿命一直是科学界的研究热点。因此，研究具有自主知识产权的人工髋关节摩擦磨损试验技术，并将之应用于人工髋关节特性参数的评估上，不但可以提高髋关节假体的使用寿命，而且还能产生巨大的经济效益。

在科学研究和医学应用中，对于每一个新的人工髋关节材料都应在摩擦磨损试验机中进行特定参数下的摩擦学试验。据申请人了解，目前国内有关于髋关节假体摩擦磨损试验机研制方面的报道很少，且现有的髋关节假体摩擦磨损试验机均为开放式，受室内温度变化和髋关节假体摩擦副之间产生的摩擦热的影响，试验过程中的环境温度会时刻发生变化，而环境温度却是影响髋关节假体摩擦磨损特性的一项重要参数（影响其摩擦磨损特性的参数有：材料、载荷、温度、运动形式等），因此现有试验设备在环境温度不断变化的条件下所得到的髋关节假体试件存在试验误差。并且，若想进行同一环境温度、不同运动形式或不同载荷条件下的髋关节假体摩擦磨损试验，就目前的设备来看也是很难实现的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，髋关节假体在温度变化的条件下获取的摩擦试验数据存在误差。

为了解决上述问题，提供一种髋关节假体摩擦磨损试验机，实现髋关节假体在恒温环境下进行不同运动形式或不同载荷条件下的髋关节假体摩擦磨损试验，获取更精确地试验数据。

本发明解决以上技术问题的技术方案：

髋关节假体摩擦磨损试验机，包括底座（1）、以及安装于底座（1）上的试验箱体（3），试验箱体（3）内通过箱体隔板（22）分隔为上腔体和下腔体，下腔体内安装伺服电动缸（4），伺服电动缸（4）的输出轴穿过箱体隔板（22）的通孔与设置于上腔体内的压力传感器（5）的底端固连，压力传感器（5）的顶端固连下试件安装座（20），下试件安装座（20）的顶端螺旋连接关节头试件（18）；试验箱体（3）的后侧固定安装伺服电机（14），伺服电机（14）的输出轴固连曲柄摇杆机构的偏心盘（12）的中心孔，曲柄摇杆机构的摇杆（11）与扭矩传感器（10）的顶端固连，扭矩传感器（10）的底端与上腔体内的上试件安装座（15）的顶端相连，上试件安装座（15）的底端固定安装髋臼试件（16）；上试件安装座（15）周向上的的环形槽内通过第一抱箍（17）固连密封罩（19）的上端，密封罩（19）的下端通过第二抱箍（21）固连下试件安装座（20）周向上的环形槽内；上腔体的侧面安装半导体制冷片（6）、加热电阻（7）和热电偶传感器（8）。

作为本发明的进一步改进，进一步的，曲柄摇杆机构包括摇杆（11）、偏心盘（12）、和连杆（13），偏心盘（12）的中心孔固连伺服电机（14）的输出轴，偏心盘（12）上沿径向均匀分布有若干个直径相同的通孔，连杆（13）的一端根据扭矩需求与其中一个通孔铰接，其另一端铰接摇杆（11）的一端，摇杆的另一端固连扭矩传感器（10）的顶端。

作为本发明的进一步改进，进一步的，底座（1）上安装控制器（2），控制器（2）用于控制伺服电机（14）的转速，并通过半导体制冷片（6）和加热电阻（7）调节试验箱体（3）内的温度。

作为本发明的进一步改进，进一步的，伺服电动缸（4）驱动关节头试件（18）向上运动使其与髋臼试件（16）紧密接触并施加载荷，压力传感器5测试伺服电动缸（4）所施加的载荷值。

作为本发明的进一步改进，进一步的，试验箱体（3）外侧设有门板（23），门板（23）可沿试验箱体上设置的卡槽往复运动，门板（23）上设有透明观察孔，门板（23）为隔热陶板。

作为本发明的进一步改进，进一步的，试验箱体（3）、箱体隔板（22）均采用隔热陶板。

作为本发明的进一步改进，进一步的，试验箱体（3）的顶端设有轴承端盖（9），轴承端盖（9）内安装推力轴承，推力轴承与扭矩传感器（10）相连

作为本发明的进一步改进，进一步的，密封罩（19）为中空波纹状，材料采用柔性可伸缩防渗漏、耐腐蚀材料，材料为软质pvc。

总之，本发明采用隔热密闭式试验箱，箱体中设有加热电阻和半导体制冷片，通过热电偶传感器采集温度信号，通过控制器设定温度参数，即可以对试验箱体内的环境温度进行升温或降温，最终实现过热、过冷、常温等不同环境温度下的髋关节假体摩擦磨损试验，试验结果更加准确和客观。此外，本发明通过伺服电动缸实现了关节头试件的直线进给和载荷施加，较之现有的气压传动，结构更为简单且控制精度更高；通过偏心盘、连杆、摇杆构成了曲柄摇杆机构，实现了髋臼试件的扭转运动，并通过连杆与偏心盘轮上不同通孔的铰接可以得到髋臼试件不同的扭转范围，具有结构简单、控制容易、成本低的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明上试件结构示意图。

图3是本发明下试件结构示意图。

图4是本发明密封罩结构示意图。

其中，1.底座，2.控制器，3.试验箱体，4.伺服电动缸，5.压力传感器，6.半导体制冷片，7.加热电阻，8.热电偶传感器，9.轴承端盖，10.扭矩传感器，11.摇杆，12.偏心盘，13.连杆，14.伺服电机，15.上试件安装座，16.髋臼试件，17.第一抱箍，18.关节头试件，19.密封罩，20.下试件安装座，21.第二抱箍，22.箱体隔板，23.门板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

参阅图1-图4，本实施例提供的髋关节假体摩擦磨损试验机，包括底座1、以及安装于底座1上的试验箱体3，试验箱体3内通过箱体隔板22分隔为上腔体和下腔体，下腔体内安装伺服电动缸4，伺服电动缸4的输出轴穿过箱体隔板22的通孔与设置于上腔体内的压力传感器5的底端固连，压力传感器5的顶端固连下试件安装座20，下试件安装座20的顶端螺旋连接关节头试件18；试验箱体3的后侧固定安装伺服电机14，伺服电机14的输出轴固连曲柄摇杆机构的偏心盘12的中心孔，曲柄摇杆机构的摇杆11与扭矩传感器10的顶端固连，扭矩传感器10的底端与上腔体内的上试件安装座15的顶端相连，上试件安装座15的底端固定安装髋臼试件16；上试件安装座15周向上的的环形槽内通过第一抱箍17固连密封罩19的上端，密封罩19的下端通过第二抱箍21固连下试件安装座20周向上的环形槽内；上腔体的侧面安装半导体制冷片6、加热电阻7和热电偶传感器8。

以下将对上述装置中的各机构的组成及运行方式等进行详细说明：

曲柄摇杆机构包括偏心盘12、摇杆11和连杆13，偏心盘12的中心孔固连伺服电机14的输出轴，偏心盘12上沿径向均匀分布有若干个直径相同的通孔，连杆13的一端根据扭矩需求与其中一个通孔铰接，其另一端铰接摇杆11的一端，摇杆的另一端固连扭矩传感器10的顶端，通过偏心盘、连杆、摇杆构成了曲柄摇杆机构，实现了髋臼试件的扭转运动，并通过连杆与偏心盘轮上不同通孔的铰接可以得到髋臼试件不同的扭转范围。

底座1上安装控制器2，控制器2用于控制伺服电机14的转速，并通过半导体制冷片6和加热电阻7调节试验箱体3内的温度环境。

伺服电动缸4驱动关节头试件18向上运动使其与髋臼试件16紧密接触并施加载荷，压力传感器5测试伺服电动缸4所施加的载荷值。

试验箱体3外侧设有门板23，门板23可沿试验箱体上设置的卡槽往复运动，门板23上设有透明观察孔。

门板23、试验箱体3、箱体隔板22均采用隔热陶板。

试验箱体3的顶端设有轴承端盖9，轴承端盖9内安装推力轴承，推力轴承与扭矩传感器10相连

密封罩19为中空波纹状，材料采用柔性可伸缩防渗漏、耐腐蚀材料，具体材料为软质pvc。

试验过程中，将关节头试件18安装在下试件安装座20上，将髋臼试件16安装在上试件安装座15上；将密封罩19下端通过第二抱箍21固定安装在下试件安装座20的环形槽内，拉伸密封罩19至一定高度，通过橡胶软管向其内注入关节液，关节液的高度应没过关节头试件18的顶端，再通过1号抱箍17将密封罩19上端固定在上试件安装座15的环形槽内；通过控制器2设定试验箱体3内的环境温度；通过伺服电动缸4驱动关节头试件18向上运动直至与髋臼试件16紧密接触并施加载荷，用户通过控制器2设定载荷施加值；关闭门板23，并通过伺服电机14驱动偏心盘12旋转并带动髋臼试件16扭转；试验进行规定时间后，通过控制器2使伺服电机14、伺服电动缸4停止工作，打开门板23将密封罩19上端由上试件安装座15上取下，并通过橡胶软管抽取其内关节液，继而将密封罩19下端由下试件安装座20上取下，通过控制器2使伺服电动缸4回缩至初始状态，此时可将髋臼试件16和关键头试件18由各自安装座上取下，并进行下一步的摩擦磨损特性研究分析。

该装置实现髋关节假体在设定环境温度下的摩擦学试验，使试验结果更加准确和客观。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。