Page 227 - 《摩擦学学报》2021年第6期

1012 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

会像金属材料一样完全符合Archard公式，因此一些基 以看到，虽然考虑交变剪切的两个公式与定磨损因子
于Archard模型的改进模型如考虑UHMWPE材料蠕 的Archard公式相比，预测值的误差更大. 但任旭辉 [19]
变、交变剪切和接触应力等模型被开发出来并应用于 认为考虑交变剪切的预测公式理论上更为合理，数值
磨损预测计算 [77-78] . 而对于硬对硬髋关节的磨损预测， 的差异来自于模型本身的缺陷. Wang [82] 的研究也发
[79]
Gao等 将弹流润滑理论引入到金对金髋关节的磨损 现，UHMWPE材料在变方向运动时的磨损率会显著
预测模型上，据笔者了解，国内在人工髋关节磨损预 增高，即运动轨迹对聚乙烯的磨损影响很大. 所以任
测的研究较少且建模和计算方法均参考国外已发表 旭辉 进一步用交变剪切和应力耦合公式研究了不
[19]
[83]
的方法，本节汇总并对比了国内学者利用计算机仿真 同步态下的髋关节磨损率，他依据Morlock等 的步
方法对髋关节假体磨损性能的研究结果. 态比重计算了多步态综合作用下的磨损率，结果显示
[77]
3
从表3中可以看出，胡铮铭等 最先在国内使用 多生理活动的磨损率(15 mm /MC)高于只考虑行走时
3
[78]
计算机仿真的方法进行磨损预测，鲍雨梅等 在此基 的磨损率(14.3 mm /MC). 因此目前依据ISO标准进行
础上对磨损模型进行了优化并通过销盘试验对模型 的磨损测试方法(仅考虑步态)不能全面地评估假体在
进行了验证，他们的研究都是针对金对金髋关节的磨 患者体内的耐磨性能，更接近人体实际活动的加载曲
[19]
[81]
损预测，而任旭辉 在Kang 和Liu等 的预测模型 线应该被采用. 任旭辉 的研究结果也被其他国外研
[80]
[19]
基础上研究了适用于UHMWPE人工髋关节的磨损预 究者证实 [22, 84] . 另外上下楼梯运动和坐下站起运动的
测 方 法 ， 结 果 显 示 Archard公 式 得 到 的 磨 损 率 为 磨损率较高，这是较小交变剪切、较高接触应力和较
3 3 [19]
33.3 mm /MC，交变剪切公式得到的磨损率为11.4 mm / 大累计滑移距离综合影响下的结果 . 最后关于ISO标
MC，而交变剪切和应力公式预测得到的磨损率为 准没有前后和左右方向的力是否影响磨损预测的结
3
[19]
14.3 mm /MC，如果认为28 mm的UHMWPE臼衬的平 果，西安交通大学任旭辉 分别用HIP98 (Bergmann)数
3
[19]
均磨损率为54.8 mm /MC(体外磨损试验值 )，则三种 据和ISO标准推荐的数据计算了髋关节步态运动时假
3
公式的误差分别为39.2%，79.2%和73.9%. 通过对比可 体的磨损率，结果显示ISO标准步态的磨损率(14.3 mm /
表 3 磨损数值预测结果对比
Table 3 Comparison of computational wear prediction results

3
Result/(mm
Motion Model Equation Parameter Material Input Data source
/MC)
−9
3
K=5×10 mm /(N·m) (run-in
time) 28 mm head
Archard model V=KFS [41] 0.1 * Hu [77]
3
−9
K=1.5×10 mm /(N·m) CoCrMo-CoCrMo Load per Paul ,
(steady-state stage) Motion per
−5 [39- 40]
a=3.88×10 Johnston
28 mm head
2 −6 [78]
Archard model V=(a+bp+cv )S b=6.69×10 302.1 Bao
−4 CoCrMo-TC4+HA/ZrO 2
c=−2.526×10
Gait 28 mm head CoCrMo-
3
−6
Archard model V=KFS K=1.066×10 mm /(N·m) 33.3
UHMWPE
C=(32C O +0.3)×10 −9
Improved
C O <<0.04 28 mm head CoCrMo-
Archard model V=C(C O )AS ISO 14242-1 11.4
C=(1.9C O +1.6)×10 −9 UHMWPE
(cross shear)
0.04<<C O <<0.5
[19]
28 mm head CoCrMo- Ren
K(C O σ) = e (a+bln(C O +cσ AVE )) UHMWPE 14.3
Improved
Stair climbing Within：a=−13.1, b=0.19, 18.9
Chair down/up Archard model 16.1
V=K(C O σ)FS c=0.29. 28 mm head CoCrMo-
Gait (cross shear, HIP98 database [19, 36] 12.8
The meanings of symbols
Knee bending stress) UHMWPE 7.9
please refer to note [2].
Combined 15.0
Note [1]: * Supposed that 1 million cycles are equivalent to 1 year.
Note [2]: V-wear volume, K-wear factor, F-contact pressure, S-sliding distance, P-pressure, v-linear velocity, A-contact area, C-friction coefficient, C O -cross
shear rate, σ-contact stress.