摘要 根据义齿摩擦磨损试验环境标准开发设计了温度和湿度可控制的往复式摩擦磨损试验机。该试验机采用曲柄导杆滑块机构实现往复运动,使用球—盘接触方式进行试件摩擦磨损,利用半导体应变片对摩擦过程中摩擦系数进行动态跟踪测试,通过调整砝码实现正压力的改变,通过改变偏心轮的偏心距实现往复行程变化。该试验机不但可对义齿材料进行摩擦磨损试验,还可对金属及其他非金属材料进行摩擦磨损试验。
0 引言
由于科学技术的飞速发展,使各学科之间的交叉渗透越来越容易实现,尤其是生物医学工程,如人造关节、人造心脏、人造牙齿等都是材料化学、机械制造、生物医学等工程结合的产物。这些高科技生产的产品性能质量好坏要经过科学测试比较才能应用。在测试工作中需要有相应的试验设备,这些试验设备要考虑到人体的实际生活状态,即要模拟人体的工作环境。应用于生物医学材料的摩擦磨损试验机就是在这种发展趋势下产生的试验设备。
生物摩擦磨损试验分为体内试验和体外试验。体内试验试验周期长,受试年龄、个人行为不同,试验结果无可比性,重复率低,控制难度大,不容易获得统一结论和标准数据。体外试验则是在模拟人体环境的摩擦磨损试验机上进行的试验,该试验可改变试验条件来测定其对摩擦磨损的影响,测试数据重现性和规律性较好,便于进行对比分析,这种试验可缩短试验周期,减少试验费用,可重复地对大量的试件进行实验,对实际应用能起到非常重要的指导作用。
义齿材料的磨损机理和使用寿命在牙齿的替代和修复中是非常受关注的问题,需要模拟人体环境对义齿材料进行摩擦磨损研究。目前国内外科学研究采用的义齿材料摩擦磨损试验机大多在材料接触方式和摩擦介质、温度控制等方面尽量模拟天然牙咀嚼的磨损环境。而且磨损量可在线测试、磨损斑痕可在线观测或监控。国外的制造成本高,国内的试验机对摩擦副接触方式、试验考虑因素(如温度、湿度、摩擦介质等)不是很全面。根据课题要求需要设计一台义齿材料摩擦磨损试验机,按照中华人民共和国医药行业标准YY/T0113—93《牙科复合树脂耐磨耗性能测试方法》规定,试验应在23±2℃,相对湿度为30%~80%环境中进行,根据标准规定试验机设计为往复式、球—面接触、速度、温度、湿度可控的小型摩擦磨损试验机。通过试验测试完全可以胜任义齿材料或类似其他材料的摩擦磨损试验
1 研究现状
国内用于专门牙科磨损的试验机很少,多数为工学磨损试验机改装,模拟效果简单。比较代表性的是姚月玲等[1]自制的牙刷磨耗试验机。该试验机可以进行义齿材料磨耗量的测试,试验中以唾液为介质,恒定载荷,恒定温度,利用电子天平称重,计算磨耗量。
国外学者虽然尽可能的努力模拟口腔环境下的咀嚼情况,但磨损试验机的机制尚未完全弄清,试验方法在不断地摸索,试验机还存在技术上和性能上的不足[2]。国外设计比较典型的ACTA磨损试验机能够在磨损试验过程中加入食物介质,较好的模拟了咀嚼食物对牙齿表面的三体磨损[3]。
我们参考多种摩擦磨损试验机的设计[4-8],开发了可进行球—盘接触式二体磨耗实验,温度和湿度可控制的往复式摩擦磨损试验机。该试验机采用曲柄导杆滑块机构实现往复运动,利用半导体应变片对摩擦过程中摩擦系数进行动态跟踪测试,通过调整砝码实现正压力的改变,通过改变偏心轮的偏心距实现往复行程变化。
2 工作原理
该试验机是由电动机驱动曲柄导杆滑块机构将旋转运动变为往复运动。通过该试验机,主要可获得试验中产生的摩擦力、摩擦系数和试件的磨损量,其工作原理如图1所示。
此试验机由速度可调的电动机驱动偏心轮,带动连杆,连杆与滑动框架连接,滑动框架在仪器固定支架上滑动,球形试样安装在试样夹筒中,试样夹筒的中间部分装有弹簧片,弹簧片上贴应变片,以便测试摩擦过程中的摩擦力,摩擦过程中的法向载荷由砝码与砝码盘保证。球形试样通过连接架(图2)与滑动框架相连,往复运动的实质是球形试样由曲柄导杆滑块机构带动做往复移动,平面试样固定不动,因此球形试样的连接架为L形状,下面设计了一导向槽(图2),这样保证球形试样滑动平稳。磨损量通过拆卸试样采用称重法获得。
3 运动学及动力学分析
该摩擦磨损试验机由曲柄导杆滑块机构带动试件夹具做往复运动。对曲柄导杆滑块机构进行运动学及动力学分析。
3.1 运动学分析
在AutoCAD 2005环境下,绘制曲柄导杆滑块组合机构的机构简图,如图3所示。取点A为原点,Y轴的正向与机架AB线一致,建立坐标系。
以1=0时为机构的运动初始位置,曲柄BC逆时针转动方向为正方向,设导杆AD为L2,连杆DE为L3,机架AB为L4,曲柄BC为L1,且L4>L1,滑块中心与机架底端垂直距离为h。故曲柄BC作整周回转运动时,导杆AD作往复摆动,连杆DE作平面运动,滑块E作往复直线运动。其中曲柄BC的旋转角位移1、导杆AC的摆动角位移2、连杆DE的角位移3、导杆AC的长度S2、滑块E的位移S3均是随时间而变化的量,其中1=ωt。各杆的长度为L1=(25~45)mm,可调,L2=180 mm,L3=240 mm,L4=80 mm,h=100 mm。
在AutoCAD 2005环境下,当L1=25 mm时,测量得机构的极位夹角θ=36°,导杆AC角位移的最小值为2=72°,故导杆AC角位移的最大值为φ2=72°+36°=108°,设滑块最大行程为S。此时测量得S=112.5 mm;当L1=45 mm时,测量得机构的极位夹角θ=68°,导杆AC角位移的最小值为2=56°,故导杆AC角位移的最大值为2=68°+56°=124°,此时测量得S=200 mm。故滑块的行程S可调范围为112.5~200 mm。
将曲柄导杆滑块机构的矢量按x、y坐标轴方向分解,列出机构速度方程
将式(1)、式(2)对时间求导,并记·1=ω,·2=ω2,S·2=v2得
将式(3)、式(4)对时间求导,并记,·3=ω3,S·3=v3,得
由式(6)、式(7)可以求得任意时刻下导杆AD以及滑块E的运动状态。
3.2 动力学分析
动静法是求解非自由质点和质点系统动力学问题的普遍方法,动静法以达朗贝尔原理为基础,假想在质点或质点系统上施加惯性力,然后应用静力学与静力学写平衡方程的方法,求解动力学问题。
选择滑块E作为研究对象,分析滑块E受拉杆DE拉力F随时间t的变化。滑块受力分析如图4所示。滑块受到支持力FN、重力mg、摩擦力f、惯性力Fi,拉杆拉力。
根据动静法原理,滑块的矢量平衡方程为
式中,F→i=-m a→。
选取直角坐标系Oxy(图3),将式(8)分别在x、y轴上投影,可得
设滑块摩擦因数为μ,则
由式(1)~式(4)联立解得
S3对t求二阶导数,可解得S··3(可利用Matlab编程计算,计算结果比较复杂,在此未列出),将其代入式(9),得出拉力F随时间的变化公式;由式(10)可以得到随时间的变化公式。从而可以分析出滑块E运动过程中任意时刻的受力状态。
4 摩擦力与摩擦因数
摩擦力通过试样夹筒中间的弹性元件上的应变片进行实时测量。往复摩擦过程中试样夹筒的中间部分装有弹簧片,由于有摩擦力的作用而弯曲变形,贴于其上的应变片同步受到弯曲作用,导致测量电桥的一个臂上应变片的电阻发生变化,从而电桥失衡而输出电信号,经过标定可获得电信号大小与摩擦力的对应关系。通过给横悬臂梁施加一系列标准砝码来标定摩擦力与应变片变形的对应关系。标定过程中所用应变片为半导体应变片,型号为AF-350,灵敏系数为(130±5)%,如所加法向载荷为20 N,计算摩擦因数如表1所示。
5 摩擦环境控制
中华人民共和国医药行业标准YY/T0113—93《牙科复合树脂耐磨耗性能测试方法》规定,试验应在23±2℃,相对湿度为30%~80%环境中进行。因此设计一恒温恒湿箱来控制温度和湿度,如图5所示。所设计恒温恒湿箱基本结构分为两大部分:空气处理箱和温湿度控制箱。将制冷、加热、除湿、加湿的设备安装在一个空气处理箱内,利用风机实现箱体内的空气循环处理,这样空气处理系统作为一个独立的部件单元,使恒温恒湿箱结构可以灵活布置,工艺简单。控制箱包括单片机、两路模拟量的数据采集电路、四路开关量电路、显示电路以及键盘控制电路。
恒温恒湿箱控制系统原理框图如图6所示。
恒温恒湿箱的控制系统以单片机MSP430F149为核心控制元件,温度传感器PT100以及湿度传感器HS1100将采集的温湿度信号由模拟电子开关CD4051BC分时传递给AD转换芯片IC7135CFN,然后信号输入到单片机MSP430 F149,输入的信号与键盘控制电路设定的数值进行比较处理后控制相应的执行机构对空气处理箱的温湿度进行调节。在此过程中对采集的温湿度进行实时显示。控制流程图如图7所示。
如图8所示,温度传感器PT100以及湿度传感器HS1100采集的信号经过电路处理后转换成标准的电压信号,这些信号通过模拟电子开关CD4051BC的IN/OUT管脚传递给AD转换芯片IC7135CFN,由单片机MSP430F149的具有中断功能的P1.0、P1.1、P1.2管脚控制CD4051BC的二进制控制输入端A、B、C,从而使CD4051BC分时的接收温湿度信号。温湿度信号经IC7135CFN转换处理为数字信号,输入到单片机MSP430F149的P2口,然后单片机对接收的信号进行比较处理,通过P3口控制执行元件进行温湿度调节。
键盘电路主要实现预订数值的设置以及采集的温湿度的显示与查询等功能,通过MSP430F149具有中断功能的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7管脚输入。LED显示由P4.0~P4.6口控制实时显示,P5.0小数显示,P5.1~P5.4控制选通状态。
6 结论
此往复式义齿摩擦磨损试验机采用球-盘摩擦副进行摩擦磨损,尽量模拟天然牙的咀嚼运动,通过接于电桥的电阻应变片测量摩擦力,原理简单易实现。创新点是增加了恒温恒湿箱,可模拟人口腔的生物环境,使摩擦磨损的测试结果更加有实际指导意义。
参考文献
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基金项目:河北省科技支撑计划项目(No.10215145)
本文作者：田 晓 耿 建 马 凯 马力辉 孔祥杰 丁振军
作者简介:田晓(1964- ),女,河北怀安人,副教授
