Dr hab. inŜ. Adam WIECZOREK, prof. Politechniki Częstochowskiej Politechnika Częstochowska, Wydział InŜynierii Mechanicznej i Informatyki, Częstochowa
Zintegrowany modułowy symulator
do badań tribologicznych
endoprotez stawu biodrowego
An integrated modular simulator for the tribologic
testing of hip joint endoprostheses
Streszczenie
W oparciu o wcześniejsze prace dotyczące konstrukcji symulatorów [1,2,3,4] zaprezentowano nowej generacji stanowisko do badań własności uŜytkowych endoprotez stawu biodrowego człowieka. Przedstawiony symulator umoŜliwia prowadzenie badań z bezstopniową regulacją obciąŜenia i dowolnym jego przebiegiem w czasie. W celu przyspieszenia badań zastosowano system trójmodułowy. KaŜdy moduł składa się z pary kinematycznej modelującej pracę stawu biodrowego. Moduły podłączone są do napędu równolegle. Dzięki temu moŜliwe jest określenie wartości rozrzutu parametrów zuŜycia juŜ we wstępnym etapie badań. W pracy podano opis symula-tora, schemat napędu elektrohydraulicznego oraz system sterowania.
Abstract
On the basis of the previous works concerning the construction of simulators [1,2,3,4], a new-generation stand for the testing of the service properties of human hip joint endoprostheses is presented. The presented simulator enables tests to be carried out with the infinitely variable adjustment of load and its arbitrary variation in time. To accelerate the tests, a three-module system was applied. Each module is composed of a kinematic pair that models the operation of the hip joint. The modules are connected to the drive in parallel. Owing to this, it is pos-sible to determine the values of wear parameter scatter already at the preliminary stage of testing. The paper provides a description of the simulator, a schematic diagram of the electro-hydraulic drive and the control sys-tem.
Słowa kluczowe: badania endoprotez, stanowisko badawcze, napęd i sterowanie elektrohydrauliczne Key words: endoprosthesis testing, testing stand, electro-hydraulic drive and control
1. WPROWADZENIE
Procesy zuŜycia pary trącej w warunkach tarcia ślizgowego charakteryzują się z reguły znacznymi rozrzutami wyników pomiarów wielkości zuŜycia takiego węzła. Spośród wielu czynników wpływających na powtarzalność eksperymentu dotyczącego intensywności zu-Ŝycia pary ślizgowej moŜna wymienić moŜli-wie małe rozrzuty:
– własności fizyko-mechanicznych elementów pary trącej,
– wielkości geometrycznych, w tym makro i mikrotopografii powierzchni elementów pary trącej,
– warunków obciąŜenia i smarowania elemen-tów pary trącej,
– pomiarów wielkości zuŜycia,
– warunków otoczenia (temperatura, wilgot-ność powietrza itp.).
Poprawność wniosków dotyczących prób procesów zuŜycia jest ściśle zaleŜna od przyję-tej metodyki badań, w tym planowania ekspe-rymentu i właściwego opracowania statystycz-nego wyników. W tego rodzaju badaniach na-leŜy liczyć się z duŜą liczbą ponowień ekspe-rymentu, co znacznie wydłuŜa w czasie cały proces badawczy.
W celu przyspieszenia badań własności uŜytkowych endoprotez stawu biodrowego
człowieka w oparciu o poprzednie opracowania własne z tego zakresu zagadnień przedstawiono nowej generacji symulator umoŜliwiający znaczne skrócenie czasu prowadzenia badań.
2. BUDOWA STANOWISKA
Zintegrowany modułowy symulator słuŜy do badań tarciowo zuŜyciowych pary trącej głowa – panewka endoprotezy stawu biodro-wego oraz do badań wytrzymałości zmęcze-niowych trzpienia i połączenia trzpień – kość
udowa. UmoŜliwia pomiar momentu tarcia, współczynnika tarcia, temperatury węzła tarcia oraz zliczanie liczby cykli. Budowa urządzenia umoŜliwia ponadto prowadzenie badań stosu-jąc jednocześnie trzy próby, dwie lub jedną. Kształt i wielkość obciąŜenia pary trącej od-powiada składowej pionowej reakcji podłoŜa podczas normalnego chodu człowieka. Warto-ści tych parametrów nastawiane są płynnie za pomocą systemu komputerowego w oparciu o specjalny program opracowany do tego celu. Na rysunku 1 przedstawiono schemat elektro-hydraulicznego napędu i sterowania, a na ry-sunku 2 jego widok ogólny.
Rys. 1. Schemat elektrohydraulicznego napędu i sterowania zintegrowanego modułowego symulatora do badań tribologicznych endoprotez stawu biodrowego człowieka
Fig. 1. Schematic diagram of the electro-hydraulic drive and control of the integrated modular simulator for the tribologic testing of human hip joint endoprostheses
Rys. 2. Widok od strony czołowej zintegrowanego modułowego symulatora do badań tribologicznych
endoprotez stawu biodrowego człowieka Fig. 2. Front view of the integrated modular simulator
for the tribologic testing of human hip joint endoprostheses
Stanowisko składa się z następujących pod-zespołów (rys. 1):
• zasilacza hydraulicznego ZH,
• elektrohydraulicznego sterowania wielkości i kształtu obciąŜenia Rp,
• elektrohydraulicznego sterowania siłowni-ków realizacji obciąŜenia ZSs,
• elektrohydraulicznego napędu i sterowania siłowników realizacji ruchów panewek ZSr,
• siłowego układu wykonawczego realizacji obciąŜenia ZWs,
• siłowego układu wykonawczego realizacji ruchów ZWr,
• sterowania komputerowego ZK, • mechanicznego mocowania panewki, • mechanicznego mocowania endoprotezy, • konstrukcji nośnej.
Zasilacz hydrauliczny ZH
Zasilacz hydrauliczny ZH jest klasycznym rozwiązaniem zasilania obwodów w układzie dwu pompowym. Pompa P1 o niewielkim
wy-datku słuŜy do zasilania układu realizacji naci-sku ZWs, a P2 o większym wydatku do
zasila-nia układu wykonawczego ZWr ruchu
pane-wek. Obie pompy zabezpieczone są odpowied-nimi zaworami przelewowymi Zp1 i Zp2, które
jednocześnie słuŜą do nastawiania ciśnień w swoich obwodach.
Podzespół elektrohydraulicznego stero-wania wielkości i kształtu obciąŜenia Rp
Podzespół Rp słuŜy do nastawy wielkości i kształtu obciąŜenia realizowanych w zespole siłowym ZWs. Jest to rozdzielacz
proporcjo-nalny dwupołoŜeniowy trzydrogowy współpra-cujący z zespołem komputerowym za pośred-nictwem sterownika.
Podzespół elektrohydraulicznego napędu i sterowania siłowników realizacji ruchów
panewek ZSr
Podzespół ZSr słuŜy do otwierania i
zamy-kania dróg przepływu oleju do siłowników S4,
S5, S6 układu wykonawczego ruchu panewek
ZWr. Składa się z trzech trzypołoŜeniowych
czterodrogowych rozdzielaczy R4, R5, R6
ste-rowanych elektrycznie z układu komputerowe-go. Sterowanie odbywa się za pomocą sygna-łów napięciowych dostarczanych na odpo-wiednie cewki elektromagnesów E7 – E12 ze
sterownika współpracującego z komputerem. Wzbudzenie poszczególnych cewek moŜna zaprogramować w zaleŜności od przyjętej licz-by prób dokonywanych w tym samym czasie prowadzenia badań.
Podzespół elektrohydraulicznego stero-wania siłowników realizacji obciąŜenia ZSs
Podzespół ZSs słuŜy do otwierania i
zamy-kania dróg przepływu oleju do siłowników S1,
S2, S3 układu wykonawczego realizacji kształtu
i wielkości siły nacisku. Składa się z trzech rozdzielaczy trzypołoŜeniowych czterodrogo-wych R1, R2, R3 sterowanych elektrycznie
z układu komputerowego. Wzbudzanie po-szczególnych cewek rozdzielaczy E1 – E6
licz-by prób realizowanych jednocześnie podczas badań.
Podzespół siłowego układu wykonawcze-go realizacji obciąŜenia ZWs
Podzespół ZWs słuŜy do wymuszania
sy-gnału siłowego o załoŜonym kształcie i wielko-ści. Sygnał siłowy (obciąŜenie) przekazywany jest za pośrednictwem głowy endoprotezy na panewkę stanowiącą element ruchowy pary trącej. Podzespół ZWs składa się z trzech
si-łowników dwustronnego działania S1, S2, S3,
których tłoczyska przekazują obciąŜenia na głowy endoprotez za pośrednictwem uchwytów modelujących kości udowe. Kierunki obciąŜeń badanych par trących są zgodne z kierunkiem reakcji podłoŜa w fazie kontaktu kończyny z nawierzchnią podczas chodu człowieka.
Podzespół siłowego układu wykonawcze-go realizacji ruchów ZWr
Podzespół ZWr słuŜy do napędu
cyklicz-nego ruchu kątowo zwrotcyklicz-nego panewek mode-lujących przemieszczenia ślizgowe względem siebie elementów pary trącej podczas chodu człowieka. Podzespół ZWr składa się z trzech
siłowników dwustronnego działania S4, S5, S6,
których tłoczyska napędzają panewki za po-średnictwem usytuowanego osiowo wałka ze-społu pomiarowego momentu tarcia pary ru-chowej. Ruch panewek odbywa się naprze-miennie kątowo, a ich obciąŜenie zgodnie z reakcją podłoŜa. Panewki w połoŜeniu wyj-ściowym usytuowane są poziomo a kątowe anatomiczne połoŜenia względem nich endo-protez ustalone są w uchwytach modelujących kości udowe człowieka. Układ taki umoŜliwia zatrzymanie wszystkich produktów zuŜycia powstałych podczas badań par trących, jak równieŜ prostą obsługę urządzenia w celu wy-miany panewek i endoprotez po ich zuŜyciu.
Podzespół mechanicznego mocowania panewki
Podzespół mechanicznego mocowania panewki słuŜy do ustalenia i mocowania tego implantu. Uchwyt wraz z panewką oraz ich połoŜenie względem szyjki i głowy badanej endoprotezy modelują biodro człowieka. Pa-newka wypełniona jest płynem fizjologicznym, w którym zanurzona jest głowa endoprotezy.
Czujnik temperatury zlokalizowany jest w uchwycie i panewce od strony największego nacisku obciąŜonej głowy, co umoŜliwia po-miar lokalny tego parametru.
Podzespół mechanicznego mocowania endoprotezy
Podzespół słuŜy do ustalania i mocowania trzpienia endoprotezy. Mocowanie odbywa się wewnątrz elementu wykonanego w postaci rury modelującej kość udową człowieka. Prze-ciwny jej koniec połączony jest przegubowo z tłoczyskiem siłownika realizacji ruchów ZWr.
Przegub ten modeluje kolano człowieka i po-zwala na samonastawność głowy endoprotezy do panewki. Kąt pochylenia elementu modelu-jącego kość udową jest zgodny z anatomicz-nym nachyleniem kości naturalnej, co oznacza, Ŝe oś główna obciąŜenia przechodzi jednocze-śnie przez przegub i głowę endoprotezy.
Podzespół konstrukcji nośnej
Konstrukcja nośna stanowiska zbudowana jest jako konstrukcja spawana z elementów o zamkniętych przekrojach. SłuŜy do powiąza-nia ze sobą w struktury funkcjonalne wszyst-kich podzespołów. Wyjątek stanowi tylko zasi-lacz hydrauliczny, który jest wykonany jako wolnostojący. Urządzenie jest wykorzystywane w Instytucie do badań w zakresie prac dyplo-mowych i doktorskich.
3. PODSUMOWANIE
Dzięki funkcjonalnej strukturze elektrohy-draulicznego napędu i sterowania przedstawio-nej na rys.1 symulator umoŜliwia płynna na-stawę wartości i kształtu składowej pionowej reakcji podłoŜa podczas normalnego chodu człowieka. UmoŜliwia ponadto prowadzenie eksperymentu jednocześnie na trzech próbach. Liczba ta stanowi minimum ponowień w ujęciu statystycznym w badaniach rozpoznawczych, w oparciu o które dla załoŜonych ich dokładno-ści określa się liczbę prób. Przedstawione urzą-dzenie tym samym umoŜliwia znaczne skróce-nie czasu prowadzenia badań z zachowaskróce-niem ich dokładności.
LITERATURA
[1] A. Wieczorek: Symulator ruchu kończyn dolnych człowieka. Mechanika w medycynie 3. Zbiór prac seminarium naukowego. Rzeszów 1996, s. 83 – 89. [2] A. Wieczorek, M. Gierzyńska-Dolna: Symulator do
badań trwałości endoprotez stawu kolanowego człowieka. Problemy niekonwencjonalnych ukła-dów łoŜyskowych 3. Zbiór prac konferencyjnych. Łódź 1997, s. 193 – 198.
[3] A. Wieczorek: Koncepcja zamodelowanego statycz-nego obciąŜenia stawu kolanowego człowieka z ukierunkowaniem na budowę stanowiska ba-dawczego. Mechanika w medycynie 4. Zbiór prac seminarium naukowego. Rzeszów 1998, s. 295 – 300.
[4] A. Wieczorek: Stanowisko do badań zmęczenio-wych połączeń kość udowa - endoproteza stawu biodrowego człowieka. Chirurgia narządów ruchu i ortopedia polska, Tom LXIII 1998, Suplement 3, Łódź 1998, s. 523– 529.
