人工髋关节材料摩擦磨损性能的实验评价

论文摘要

随着人类社会步入高龄化阶段,骨与关节损伤成为人们生活中常见的疾病之一。目前广泛采用人工关节置换术来解决这一问题,但置换关节的使用寿命有限,而且人工关节材料在运动过程中会产生较大的摩擦磨损,置换关节因摩擦磨损产生的磨屑会引起置换关节的晚期松动,最终导致关节置换失败。因此,研究具有优异摩擦磨损性能的人工关节置换材料具有重要的现实意义,而研制出能够模拟人体关节真实运动的摩擦试验机成为研究的关键。本文应用原有的摩擦方向渐变型的销/盘式摩擦试验机进行了UHMWPE销/不锈钢盘配副和PVA-H销/不锈钢盘配副的摩擦磨损试验。获得了UHMWPE销和PVA-H销在不同润滑条件,不同试验时间下的摩擦和磨损的变化规律。推导了UHMWPE销变向摩擦下的磨损率公式。对同种试验条件下UHMWPE销与PVA-H销的摩擦系数的差异进行了对比分析。为了更加逼真地模拟人体髋关节的真实运动,本文自行研制了人工髋关节摩擦磨损试验机。运用ADAMS对试验机多向复合滑动时对偶摩擦试件间的相对运动进行了运动仿真分析;运用有限元软件ANSYS对试验机进行了振动模态分析。在人工髋关节试验机上进行了钢球与不同材料及结构的髋臼配副的摩擦试验,并对不同的髋臼球窝在同种试验条件下的摩擦试验结果进行了分析比较。其中,金属橡胶髋臼和浸渍PVA-H层的金属橡胶髋臼是为了模拟人工关节软骨的性能而设计。摩擦方向渐变型的销/盘式摩擦试验机中的摩擦副为平面接触,相对运动是平面上的变向平动,这与人工关节的实际工况相差较大,应用此试验机仅能对人工关节配副材料进行初步筛选。而球臼型人工髋关节摩擦磨损试验机的摩擦副是球/臼面接触形式,接触面上不同点的相对运动轨迹差别较大,这与真实人体髋关节的接触及运动形式很接近,因此所研制的球臼型试验机可对不同材料和结构的髋臼进行更为逼真的人工关节摩擦磨损性能试验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 人工关节材料的摩擦磨损性能研究现状
• 1.2.2 人工关节摩擦试验机的研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 应用销/盘式试验机的摩擦性能评价
• 2.1 实验系统
• 2.1.1 销/盘式摩擦试验机
• 2.1.2 数据采集系统
• 2.1.3 采集系统的线性标定
• 2.2 试件、试剂及试验条件
• 2.2.1 试件
• 2.2.2 试剂
• 2.2.3 试验条件
• 2.3 UHMWPE销/不锈钢盘配副的摩擦试验
• 2.3.1 UHMWPE销/不锈钢盘配副的摩擦特性
• 2.3.2 UHMWPE销/不锈钢盘配副的磨损性能
• 2.4 PVA-H销/不锈钢盘配副的摩擦试验
• 2.5 本章小结
• 第3章 人工髋关节摩擦磨损试验机的研制
• 3.1 人工髋关节试验机的运动分析
• 3.1.1 试验机多向复合滑动原理分析
• 3.1.2 人工髋关节试验机对偶摩擦试件接触点的速度分析
• 3.1.3 试验机运动仿真分析
• 3.2 人工髋关节摩擦磨损试验机的研制
• 3.3 人工髋关节摩擦磨损试验机的模态分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 应用人工髋关节试验机的摩擦性能评价
• 4.1 实验系统
• 4.2 试件及试验条件
• 4.2.1 试件
• 4.2.2 试验条件
• 4.3 摩擦试验结果分析
• 4.3.1 PTFE/不锈钢配副的摩擦试验
• 4.3.2 金属橡胶/不锈钢配副的摩擦试验
• 4.3.3 浸渍PVA-H层的金属橡胶/不锈钢配副的摩擦试验
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢