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，高血壓是常見的心血管疾病。就我國而言，我國成人患病率為18.8%，全國約有1.6億高血壓患者，而且近年來其發(fā)病率和總發(fā)病人數(shù)呈逐年上升趨勢。建立適當(dāng)?shù)母哐獕簞游锬Ｐ褪情_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物模型開展與高血壓相關(guān)的研究。

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

本裝置通過安裝于傳動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，從而帶動轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，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，以達(dá)到對實(shí)驗(yàn)動物進(jìn)行測試藥物效果。

1.2 振動旋轉(zhuǎn)動物測試實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與制造

振動旋轉(zhuǎn)動物測試實(shí)驗(yàn)平臺包括振動機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)和支撐架。四個部分的功能分別是：支撐架，即機(jī)架，用于支撐整個裝置的運(yùn)行以及便于裝置上零件的拆卸和維修；振動機(jī)構(gòu)，主要由電動機(jī)、軸承座、凸輪（兩個）、傳動軸構(gòu)成；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，主要由錐齒輪（兩個）、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：所述振動機(jī)構(gòu)由電動機(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鍵連接分別安裝在水平轉(zhuǎn)軸上，水平轉(zhuǎn)軸一端與電動機(jī)相連，另一端與深溝球軸承過盈配合連接，深溝球軸承與軸承座過盈配合連接，電動機(jī)與軸承座均通過螺栓固定連接在支撐板上，第一凸板和第二凸板通過螺栓固定在凸板固定架上，使水平轉(zhuǎn)軸帶動第一凸輪、第二凸輪轉(zhuǎn)動時(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，使凸板固定架產(chǎn)生振動。

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。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)對整個機(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。

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)對整個機(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 振動旋轉(zhuǎn)測試實(shí)驗(yàn)平臺結(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

本裝置的動力由電動機(jī)13輸出，帶動安裝有直齒錐齒輪及凸輪的水平轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動，水平轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動一方面使水平轉(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，從而使凸板固定架5產(chǎn)生振動。于是實(shí)驗(yàn)容器1便做周期性振動，在振動過程中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振動平穩(wěn)；另一方面水平轉(zhuǎn)軸14上的直齒錐齒輪通過與帶軸花鍵21上直齒錐齒輪嚙合將動力傳給豎直帶軸花鍵，實(shí)現(xiàn)傳動方向的改變，并且通過帶軸花鍵21與帶軸花鍵套25的連接，將動力傳給帶軸花鍵套25及其軸上零件，從而使實(shí)驗(yàn)容器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于在機(jī)構(gòu)振動過程中花鍵與花鍵套始終連接在一起，所以實(shí)驗(yàn)容器1上下周期性振動的同時(shí)也能旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了兩種不同類型運(yùn)動的完美結(jié)合，更加方便研究人員對藥物效果測試。在實(shí)驗(yàn)規(guī)定的時(shí)間達(dá)到后便可按下電機(jī)開關(guān)結(jié)束測試獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 機(jī)構(gòu)分析

由于同時(shí)進(jìn)行振動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在工作時(shí)受力非常復(fù)雜。因此,對整體平衡進(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，裝置的四個支撐架在運(yùn)動時(shí)受到不僅受到整個裝置的重力和受到裝置上下振動時(shí)所產(chǎn)生的沖擊力，而電機(jī)的主軸會受到電機(jī)所給的轉(zhuǎn)矩和兩個凸輪運(yùn)動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

本裝置通過電機(jī)開關(guān)就行啟動，并且可以調(diào)整轉(zhuǎn)速，電機(jī)啟動后，帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)，由于傳動軸上面安裝有一個錐齒輪、兩個對稱安裝的凸輪，所以在傳動軸旋轉(zhuǎn)后將帶動凸輪和錐齒輪一起旋轉(zhuǎn)。凸輪旋轉(zhuǎn)將推動凸輪上方支撐架運(yùn)動，是轉(zhuǎn)盤上下周期振動。實(shí)驗(yàn)達(dá)到規(guī)定時(shí)間后按下開關(guān)關(guān)閉機(jī)構(gòu)，對動物的數(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)開始前分別測量到三只小白鼠的血壓，然后對實(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旋轉(zhuǎn)測試實(shí)驗(yàn)平臺的載物盤上并用透明的蓋子將其蓋住防止實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)動物被甩出來，緊接著按下電機(jī)開關(guān)，然后調(diào)整所需的旋轉(zhuǎn)速度以及振動的頻率設(shè)下工作時(shí)間開始實(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，然后測量其血壓情況并記錄。這就是藥物測量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，通過進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)小鼠的血壓可得藥物的是否對小白鼠有效果，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)藥物對于抑制血壓的作用，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

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