电控腰间盘突出矫正垫片的设计＊

张良，孔伟国，许康，王泽宇，黄鹏程

电控腰间盘突出矫正垫片的设计＊

张良，孔伟国，许康，王泽宇，黄鹏程

（苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104）

为治疗腰间盘突出，设计了一种电控腰间盘突出矫正垫片。设计电控腰间盘突出矫正垫片动作方案，选择螺杆及垫片的材料，计算传动装置参数，对转轴转动结构、支架机构、螺母滑块结构进行设计，并对电控腰间盘突出矫正垫片进行装配，实现自动化功能。

电控；腰间盘突出矫正；动作方案；结构设计

据调查，中青年人椎间盘突出症发病率相当高，特别是在第一骶椎与第五腰椎或第四腰椎与第五腰椎之间有95%发病率[1]。临床上治疗这种疾病的方法很多，主要有手术治疗和非手术治疗。非手术治疗以其安全、简单、无痛、有效等特点得到广泛应用。非手术治疗基本都是采用机械力来牵拉椎间隙，达到减轻腰间盘内压的目的，从而减轻对神经的压迫，消除神经的炎症，缓解症状，临床医学上主要有牵引床保守治疗方案[2-3]。牵引原理主要是通过机械的力度牵拉椎间隙，从而减轻或减缓椎间盘的压迫感，使突出的组织对神经的压迫减轻和缓解，目前临床医学上主要的牵引工具是牵引床，但其最大的弊端是占用空间大、操作复杂、不方便收纳、成本高。只有医院具有牵引床，患者只能去医院进行矫正治疗，浪费精力和时间，造成极大的不便[4]。因此，需要设计一种操作简单、便于携带、可自动调节垫片高度以适用于不同患者生理弯曲度的电控腰间盘突出矫正垫片。

1 电控腰间盘突出矫正垫片动作方案设计

牵引床的设计涉及了计算机科学、力学、机械电子工程等多个学科，其结构原理都是采用机械的力度来牵拉椎间隙，从而减轻神经压迫，达到治疗的目的。牵引疗法是应用力学中作用力与反作用力之间的关系，通过牵引装置来达到治疗目的一种治疗方法。社会上存在各种各样的牵引器、牵引床，其中最核心的部位是牵引装置，牵引床与牵引器最大区别在于体积结构、操作方法，其结构原理以及核心的部件都大致相同。

在本设计中，牵引装置搭载在一个基体上，与动力装置、传动装置组成矫正垫片系统，结构简单、操作简单、体积小，同时可以实现自动调节垫片高度，以适用于不同患者的生理弯曲度的功能。因此，只要其弯曲度设置得当，就可以达到矫正治疗的目的。目前，主要有以下几种牵引方案：①自身体重牵引法，在斜位条件下由患者自己的重量来起到牵拉的作用；②重锤牵引法，由重锤或者采用沙袋附加重量充当牵引力来实现；③动力牵引法，利用电动装置等施加外力来进行牵引治疗。

在电控腰间盘突出矫正垫片的设计中，采用动力牵引法和调节垫片的方式来实现牵拉力的作用。根据矫正垫片的需要，初步设计运动及结构方案：矫正垫片主要包括基体、垫片、转轴、螺杆、螺母块、推板和电动机；基体呈长方体，基体上表面中部开有基体长度方向的矩形槽，基体端面两侧开有基体长度方向的两条滑道，两条滑道关于矩形槽对称，滑道横截面呈T形；滑道上配合可滑动的螺母滑块；螺杆装夹在矩形槽内，螺杆的轴线方向与矩形槽的长度方向一致；螺母块通过螺纹与螺杆连接一起装夹在矩形槽内；推板通过螺栓与螺母块固定衔接，推板两侧与T形槽内的螺母滑块连接；垫片一端连接在支架上的转轴上，另一端连接在推板上的转轴上；电动机通过联轴器与靠近推板一端的螺杆相连，进而带动推板作直线运动，从而调节垫片的高度。通过上述方式，本设计能够电控调节垫片的高度，以适用于不同人群腰部的生理弯曲度。

2 零部件的选择与计算

2.1 零件材料的选择

腰间盘突出矫正垫片主要由螺杆、垫片、传动装置、旋转装置、基体、动力装置及各个关节处的螺栓衔接等几部分组成。传动装置中的螺杆是最核心的零件，其物理性能对矫正垫片的整体性能影响最大。矫正垫片所需要传递的动力不是很大，转速较低，材料不需要热处理。因此，45钢即可以满足设计要求。垫片需要实现一定的弯曲度，且要有一定的强度要求。一般传统塑料板材不耐弯曲变形，PVC塑料板是最好的选择。PVC塑料板不但具有传统塑料板绝缘、质量小等优点，而且其硬度、可弯曲性也是其他塑料板无法比拟的，符合垫片的性能要求。同时良好的耐磨性、静电消散性（ESD）、人体接触合规性也更加符合患者日常使用。因此，采用PVC塑料板作为垫片的制作材料。

2.2 传动装置计算

在传动装置中，由于螺旋传动是采用摩擦传动，则螺纹工作面应满足耐磨性条件。因此，设计时应从耐磨性考虑，假设螺杆上的轴向力均匀承受。螺杆采用45钢，牙型角30°，梯形螺纹，线程为1。螺距取2 mm，=3。

则耐磨性计算公式为[5]：

式（1）中：a为轴向载荷；2为螺纹中径；为螺纹接触高度，=0.5；为螺母高度，=2。

因此：

查表得[]=50 N，[]=11～18 MPa。通过计算取值[]=15，=3，=1，所以2≥2.58 mm。由于螺杆尺寸较长，所以取2为8 mm。

丝杠传动效率为：

=tan/tan（+v） （3）

导程角为：

=arctan（/π2） （4）

诱导摩擦角v为：

式（5）中：为牙型半角。

通过查表得摩擦系数=0.08～0.1[6]，取摩擦系数为0.1，计算诱导摩擦角v为5.91°，导程角为2.03°，丝杠传动效率为0.254。

丝杠驱动力矩为：

计算得出丝杠驱动力矩为62.66 N·m。

校核刚度p为：

45钢取2.1×105N/mm，取8×104N/mm2，因此计算得出校核刚度为5.16×10－4μm。