蘇宏暢，左慧婷，周 湛，溫潔明，覃 博，周韋星宇

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

在人類疾病史上，高血壓是常見(jiàn)的心血管疾病。就我國(guó)而言，我國(guó)成人患病率為18.8%，全國(guó)約有1.6億高血壓患者，而且近年來(lái)其發(fā)病率和總發(fā)病人數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)。建立適當(dāng)?shù)母哐獕簞?dòng)物模型是開(kāi)展疾病的發(fā)病機(jī)制、治療和預(yù)防等研究的重要工具，醫(yī)學(xué)上一般采用小白鼠和兔子作為高血壓動(dòng)物模型開(kāi)展與高血壓相關(guān)的研究。

但據(jù)資料查詢，目前市場(chǎng)上通過(guò)旋轉(zhuǎn)測(cè)量法測(cè)試高血壓動(dòng)物模型抗高血壓能力的機(jī)器運(yùn)動(dòng)形式過(guò)于單一，機(jī)器只能夠旋轉(zhuǎn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的功能，無(wú)法準(zhǔn)確地模擬出高血壓動(dòng)物模型所處的復(fù)雜的外界狀態(tài)，無(wú)法滿足對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的需求，影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性，且大部分的動(dòng)物旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)裝置都是一整個(gè)系統(tǒng)，其中包含測(cè)試平臺(tái)、信號(hào)收集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等一系列測(cè)試裝置，設(shè)計(jì)以及操作都相對(duì)復(fù)雜，且價(jià)格十分昂貴[1，2]。本項(xiàng)目裝置擬設(shè)計(jì)一種振動(dòng)與旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的對(duì)動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的機(jī)構(gòu)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和方法

本裝置通過(guò)安裝于傳動(dòng)軸上的錐齒輪與另一帶軸花鍵上的錐齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)換向，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)盤下方安裝有帶軸花鍵和帶軸花鍵套，所以轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還能上下周期性振動(dòng)，以達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行測(cè)試藥物效果。

1.2 振動(dòng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)物測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與制造

振動(dòng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)物測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括振動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)和支撐架。四個(gè)部分的功能分別是：支撐架，即機(jī)架，用于支撐整個(gè)裝置的運(yùn)行以及便于裝置上零件的拆卸和維修；振動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由電動(dòng)機(jī)、軸承座、凸輪（兩個(gè)）、傳動(dòng)軸構(gòu)成；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，主要由錐齒輪（兩個(gè)）、軸承座、帶軸花鍵、帶軸花鍵套和轉(zhuǎn)盤組成；緩沖機(jī)構(gòu)，換成機(jī)構(gòu)由安裝在支撐架上的四個(gè)彈簧組成，利用彈簧的彈性實(shí)現(xiàn)緩沖和復(fù)位的功能。

機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系為：所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、水平轉(zhuǎn)軸、第一凸輪、第二凸輪、深溝球軸承、軸承座、第一凸板、第二凸板以及凸板固定架構(gòu)成，第一凸輪和第二凸輪通過(guò)鍵連接分別安裝在水平轉(zhuǎn)軸上，水平轉(zhuǎn)軸一端與電動(dòng)機(jī)相連，另一端與深溝球軸承過(guò)盈配合連接，深溝球軸承與軸承座過(guò)盈配合連接，電動(dòng)機(jī)與軸承座均通過(guò)螺栓固定連接在支撐板上，第一凸板和第二凸板通過(guò)螺栓固定在凸板固定架上，使水平轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)第一凸輪、第二凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第一凸輪、第二凸輪與第一凸板、第二凸板周期性接觸，產(chǎn)生單自由度周期性振動(dòng)，使凸板固定架產(chǎn)生振動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由第一直齒錐齒輪、第二直齒錐齒輪、帶軸花鍵、軸承支撐架、軸承套、第二圓錐滾子軸承、帶軸花鍵套、第一軸承套、第一圓錐滾子軸承、支撐盤以及實(shí)驗(yàn)容器構(gòu)成。第一直齒錐齒輪安裝在水平轉(zhuǎn)軸上，第二圓錐滾子軸承上端與花鍵相連，并且套著一個(gè)軸承套，軸承支撐架固定在支撐板上。第二直齒錐齒輪安裝在帶軸花鍵的軸端，其與第一直齒錐齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)方向的改變，帶軸花鍵套與帶軸花鍵聯(lián)接。第一圓錐滾子軸承安裝在第一軸承套上，在帶軸花鍵套軸端通過(guò)螺栓固定連接支撐盤與實(shí)驗(yàn)容器。所述緩沖機(jī)構(gòu)由第一彈簧、第二彈簧以及帶螺紋支撐桿構(gòu)成。第一彈簧和第二彈簧安裝在帶螺紋支撐桿上，兩彈簧之間用凸板固定架隔開(kāi)。所述支撐架由凸板固定架、帶螺紋支撐桿、支撐板、軸承支撐架以及支撐角鋼構(gòu)成，支撐角鋼焊接在支撐板下方，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的支撐作用。支撐板上方焊接帶螺紋支撐桿，軸承支撐架安裝在支撐板上。

所述緩沖機(jī)構(gòu)由第一彈簧、第二彈簧以及帶螺紋支撐桿構(gòu)成，第一彈簧和第二彈簧安裝在帶螺紋支撐桿上，兩彈簧之間用凸板固定架隔開(kāi)。

所述支撐架由凸板固定架、帶螺紋支撐桿、支撐板、軸承支撐架以及支撐角鋼構(gòu)成，支撐角鋼焊接在支撐板下方，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的支撐作用，支撐板上方焊接帶螺紋支撐桿，軸承支撐架安裝在支撐板上。

所述凸輪安裝在帶軸花鍵對(duì)稱位置，所述凸板安裝在凸輪上方。如圖1、圖2所示。

圖1 振動(dòng)旋轉(zhuǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 工作原理

本裝置的動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)13輸出，帶動(dòng)安裝有直齒錐齒輪及凸輪的水平轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動(dòng)，水平轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動(dòng)一方面使水平轉(zhuǎn)軸14上的第一凸輪16和第二凸輪15與第一凸板10和第二凸板11產(chǎn)生單自由度周期性振動(dòng)，從而使凸板固定架5產(chǎn)生振動(dòng)。于是實(shí)驗(yàn)容器1便做周期性振動(dòng)，在振動(dòng)過(guò)程中4根帶螺紋支撐桿9上的彈簧起到緩沖減壓的作用，使實(shí)驗(yàn)容器1振動(dòng)平穩(wěn)；另一方面水平轉(zhuǎn)軸14上的直齒錐齒輪通過(guò)與帶軸花鍵21上直齒錐齒輪嚙合將動(dòng)力傳給豎直帶軸花鍵，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)方向的改變，并且通過(guò)帶軸花鍵21與帶軸花鍵套25的連接，將動(dòng)力傳給帶軸花鍵套25及其軸上零件，從而使實(shí)驗(yàn)容器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于在機(jī)構(gòu)振動(dòng)過(guò)程中花鍵與花鍵套始終連接在一起，所以實(shí)驗(yàn)容器1上下周期性振動(dòng)的同時(shí)也能旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了兩種不同類型運(yùn)動(dòng)的完美結(jié)合，更加方便研究人員對(duì)藥物效果測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)規(guī)定的時(shí)間達(dá)到后便可按下電機(jī)開(kāi)關(guān)結(jié)束測(cè)試獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 機(jī)構(gòu)分析

由于同時(shí)進(jìn)行振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在工作時(shí)受力非常復(fù)雜。因此,對(duì)整體平衡進(jìn)行分析，受力強(qiáng)度較大的部位進(jìn)行分析。受力較大的部位為底座和主軸部分。裝置的材料為45#鋼，裝置的四個(gè)支撐架在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到不僅受到整個(gè)裝置的重力和受到裝置上下振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的沖擊力，而電機(jī)的主軸會(huì)受到電機(jī)所給的轉(zhuǎn)矩和兩個(gè)凸輪運(yùn)動(dòng)的沖擊力和其本身的壓力。應(yīng)力結(jié)果圖解利用有限元分析解算分析可以看出，機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力值為201.23 MPa（圖3）。

圖3 裝置應(yīng)力分析圖

3 應(yīng)用情況和應(yīng)用實(shí)例

本裝置通過(guò)電機(jī)開(kāi)關(guān)就行啟動(dòng)，并且可以調(diào)整轉(zhuǎn)速，電機(jī)啟動(dòng)后，帶動(dòng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，由于傳動(dòng)軸上面安裝有一個(gè)錐齒輪、兩個(gè)對(duì)稱安裝的凸輪，所以在傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)后將帶動(dòng)凸輪和錐齒輪一起旋轉(zhuǎn)。凸輪旋轉(zhuǎn)將推動(dòng)凸輪上方支撐架運(yùn)動(dòng)，是轉(zhuǎn)盤上下周期振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)達(dá)到規(guī)定時(shí)間后按下開(kāi)關(guān)關(guān)閉機(jī)構(gòu)，對(duì)動(dòng)物的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。例如：將藥物研究實(shí)驗(yàn)設(shè)置為三組，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前分別測(cè)量到三只小白鼠的血壓，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)三只小白鼠分別注射研究藥物、生理鹽水、不注射任何藥物后放到振動(dòng)旋轉(zhuǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的載物盤上并用透明的蓋子將其蓋住防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)動(dòng)物被甩出來(lái)，緊接著按下電機(jī)開(kāi)關(guān)，然后調(diào)整所需的旋轉(zhuǎn)速度以及振動(dòng)的頻率設(shè)下工作時(shí)間開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。待機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行后，便可以將實(shí)驗(yàn)小鼠取出，然后測(cè)量其血壓情況并記錄。這就是藥物測(cè)量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)小鼠的血壓可得藥物的是否對(duì)小白鼠有效果，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)藥物對(duì)于抑制血壓的作用，實(shí)驗(yàn)要求重復(fù)進(jìn)行、多次實(shí)驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本裝置能夠方便、高效、快捷、可靠的對(duì)動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試方便研究人員測(cè)試藥物效果，提高藥物的研發(fā)速度。