張良，孔偉國(guó)，許康，王澤宇，黃鵬程

電控腰間盤突出矯正墊片的設(shè)計(jì)＊

張良，孔偉國(guó)，許康，王澤宇，黃鵬程

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

為治療腰間盤突出，設(shè)計(jì)了一種電控腰間盤突出矯正墊片。設(shè)計(jì)電控腰間盤突出矯正墊片動(dòng)作方案，選擇螺桿及墊片的材料，計(jì)算傳動(dòng)裝置參數(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、支架機(jī)構(gòu)、螺母滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)電控腰間盤突出矯正墊片進(jìn)行裝配，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能。

電控；腰間盤突出矯正；動(dòng)作方案；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

據(jù)調(diào)查，中青年人椎間盤突出癥發(fā)病率相當(dāng)高，特別是在第一骶椎與第五腰椎或第四腰椎與第五腰椎之間有95%發(fā)病率[1]。臨床上治療這種疾病的方法很多，主要有手術(shù)治療和非手術(shù)治療。非手術(shù)治療以其安全、簡(jiǎn)單、無(wú)痛、有效等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。非手術(shù)治療基本都是采用機(jī)械力來(lái)牽拉椎間隙，達(dá)到減輕腰間盤內(nèi)壓的目的，從而減輕對(duì)神經(jīng)的壓迫，消除神經(jīng)的炎癥，緩解癥狀，臨床醫(yī)學(xué)上主要有牽引床保守治療方案[2-3]。牽引原理主要是通過(guò)機(jī)械的力度牽拉椎間隙，從而減輕或減緩椎間盤的壓迫感，使突出的組織對(duì)神經(jīng)的壓迫減輕和緩解，目前臨床醫(yī)學(xué)上主要的牽引工具是牽引床，但其最大的弊端是占用空間大、操作復(fù)雜、不方便收納、成本高。只有醫(yī)院具有牽引床，患者只能去醫(yī)院進(jìn)行矯正治療，浪費(fèi)精力和時(shí)間，造成極大的不便[4]。因此，需要設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單、便于攜帶、可自動(dòng)調(diào)節(jié)墊片高度以適用于不同患者生理彎曲度的電控腰間盤突出矯正墊片。

1 電控腰間盤突出矯正墊片動(dòng)作方案設(shè)計(jì)

牽引床的設(shè)計(jì)涉及了計(jì)算機(jī)科學(xué)、力學(xué)、機(jī)械電子工程等多個(gè)學(xué)科，其結(jié)構(gòu)原理都是采用機(jī)械的力度來(lái)牽拉椎間隙，從而減輕神經(jīng)壓迫，達(dá)到治療的目的。牽引療法是應(yīng)用力學(xué)中作用力與反作用力之間的關(guān)系，通過(guò)牽引裝置來(lái)達(dá)到治療目的一種治療方法。社會(huì)上存在各種各樣的牽引器、牽引床，其中最核心的部位是牽引裝置，牽引床與牽引器最大區(qū)別在于體積結(jié)構(gòu)、操作方法，其結(jié)構(gòu)原理以及核心的部件都大致相同。

在本設(shè)計(jì)中，牽引裝置搭載在一個(gè)基體上，與動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置組成矯正墊片系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、體積小，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)墊片高度，以適用于不同患者的生理彎曲度的功能。因此，只要其彎曲度設(shè)置得當(dāng)，就可以達(dá)到矯正治療的目的。目前，主要有以下幾種牽引方案：①自身體重牽引法，在斜位條件下由患者自己的重量來(lái)起到牽拉的作用；②重錘牽引法，由重錘或者采用沙袋附加重量充當(dāng)牽引力來(lái)實(shí)現(xiàn)；③動(dòng)力牽引法，利用電動(dòng)裝置等施加外力來(lái)進(jìn)行牽引治療。

在電控腰間盤突出矯正墊片的設(shè)計(jì)中，采用動(dòng)力牽引法和調(diào)節(jié)墊片的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)牽拉力的作用。根據(jù)矯正墊片的需要，初步設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)方案：矯正墊片主要包括基體、墊片、轉(zhuǎn)軸、螺桿、螺母塊、推板和電動(dòng)機(jī)；基體呈長(zhǎng)方體，基體上表面中部開有基體長(zhǎng)度方向的矩形槽，基體端面兩側(cè)開有基體長(zhǎng)度方向的兩條滑道，兩條滑道關(guān)于矩形槽對(duì)稱，滑道橫截面呈T形；滑道上配合可滑動(dòng)的螺母滑塊；螺桿裝夾在矩形槽內(nèi)，螺桿的軸線方向與矩形槽的長(zhǎng)度方向一致；螺母塊通過(guò)螺紋與螺桿連接一起裝夾在矩形槽內(nèi)；推板通過(guò)螺栓與螺母塊固定銜接，推板兩側(cè)與T形槽內(nèi)的螺母滑塊連接；墊片一端連接在支架上的轉(zhuǎn)軸上，另一端連接在推板上的轉(zhuǎn)軸上；電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與靠近推板一端的螺桿相連，進(jìn)而帶動(dòng)推板作直線運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)墊片的高度。通過(guò)上述方式，本設(shè)計(jì)能夠電控調(diào)節(jié)墊片的高度，以適用于不同人群腰部的生理彎曲度。

2 零部件的選擇與計(jì)算

2.1 零件材料的選擇

腰間盤突出矯正墊片主要由螺桿、墊片、傳動(dòng)裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、基體、動(dòng)力裝置及各個(gè)關(guān)節(jié)處的螺栓銜接等幾部分組成。傳動(dòng)裝置中的螺桿是最核心的零件，其物理性能對(duì)矯正墊片的整體性能影響最大。矯正墊片所需要傳遞的動(dòng)力不是很大，轉(zhuǎn)速較低，材料不需要熱處理。因此，45鋼即可以滿足設(shè)計(jì)要求。墊片需要實(shí)現(xiàn)一定的彎曲度，且要有一定的強(qiáng)度要求。一般傳統(tǒng)塑料板材不耐彎曲變形，PVC塑料板是最好的選擇。PVC塑料板不但具有傳統(tǒng)塑料板絕緣、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，而且其硬度、可彎曲性也是其他塑料板無(wú)法比擬的，符合墊片的性能要求。同時(shí)良好的耐磨性、靜電消散性（ESD）、人體接觸合規(guī)性也更加符合患者日常使用。因此，采用PVC塑料板作為墊片的制作材料。

2.2 傳動(dòng)裝置計(jì)算

在傳動(dòng)裝置中，由于螺旋傳動(dòng)是采用摩擦傳動(dòng)，則螺紋工作面應(yīng)滿足耐磨性條件。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從耐磨性考慮，假設(shè)螺桿上的軸向力均勻承受。螺桿采用45鋼，牙型角30°，梯形螺紋，線程為1。螺距取2 mm，=3。

則耐磨性計(jì)算公式為[5]：

式（1）中：a為軸向載荷；2為螺紋中徑；為螺紋接觸高度，=0.5；為螺母高度，=2。

因此：

查表得[]=50 N，[]=11～18 MPa。通過(guò)計(jì)算取值[]=15，=3，=1，所以2≥2.58 mm。由于螺桿尺寸較長(zhǎng)，所以取2為8 mm。

絲杠傳動(dòng)效率為：

=tan/tan（+v） （3）

導(dǎo)程角為：

=arctan（/π2） （4）

誘導(dǎo)摩擦角v為：

式（5）中：為牙型半角。

通過(guò)查表得摩擦系數(shù)=0.08～0.1[6]，取摩擦系數(shù)為0.1，計(jì)算誘導(dǎo)摩擦角v為5.91°，導(dǎo)程角為2.03°，絲杠傳動(dòng)效率為0.254。

絲杠驅(qū)動(dòng)力矩為：

計(jì)算得出絲杠驅(qū)動(dòng)力矩為62.66 N·m。

校核剛度p為：

45鋼取2.1×105N/mm，取8×104N/mm2，因此計(jì)算得出校核剛度為5.16×10－4μm。