Page 87 - 《摩擦学学报》2021年第1期

84 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

表 5 正交试验表中各试验组最大应力数值
Table 5 Maximum stress of each experimental group in orthogonal test table

No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Maximum Equivalant stress 6.48 MPa 6.51 MPa 8.50 MPa 9.55 MPa 6.22 MPa 8.36 MPa 2.79 MPa 10.85 MPa 4.82 MPa

表 6 不同因素对最大应力影响的均值响应表 1.14，润滑状态由薄膜润滑提高到混合润滑，数值减少
Table 6 Mean value response table for the influence of 到0.1 μm时，λ值达到了5.12. 因此，髓核粗糙度对润滑
different factors on the maximum stress
状态有重要影响，在后续产品优化中，应尽可能提高

Level Factor 1 Factor 2 Factor 3 Factor 4
髓核光滑程度，以充分提升润滑性能.
Level 1 7.163 6.273 8.563 5.840
Level 2 8.043 7.860 6.960 5.887 3 结论
Level 3 6.153 7.227 5.837 9.633
Delta 1.890 1.587 2.727 3.793
通过有限元法对比固定型和滑动型两款设计的
Order 3 4 2 1
应力变形特征，以及采用正交试验法进行关节面摩擦
佳组合应为16.00 mm、10.0 μm和1.2 mm，在此组合下 学优化设计，即利用球窝结构关节面关键参数(球头
半径、球窝间隙和球缺高度)优化最大应力和λ值(代表
假体最大应力数值最小，只有2.79 MPa.
润滑状态)，得出以下结论：
2.4 基于润滑性能的关节面摩擦学优化设计
a. 球窝结构人工颈椎间盘应力集中发生在相对
表7给出了按照表2正交试验分组的λ值(代表润滑
运动关节面(髓核与终板接触面)以及不同组件连接处
状态)计算结果，其中No.7的λ值最大(0.573)，代表润滑
(如过盈配合连接)，且应力最大值呈现环形分布特征
性能最优，此时属于薄膜润滑状态，对应半径为16.00 mm，
间隙为10.0 μm. No.3的λ值最小(0.035)，代表润滑性能 (与髓核形状有关).
最差. 利用Minitab软件分析得到的均值响应数据列于 b. 滑动型假体相对固定型优势在于运动模式更
表8中，关节面参数对润滑状态影响权重排序为球窝 丰富，应力传递更均匀，但劣势在于髓核运动更复杂，
间隙>球头半径，且间隙越小、半径越大润滑状态越 会导致最大应力数值更大(髓核从1.36 MPa到2.43 MPa).
佳. 与表5最大应力结果对比，发现二者最差组号不 c. 固定型的髓核最大变形量约为滑动型的22.5%，
同，但最佳组号却一致，即No.7的最大应力数值最小、 远小于滑动型，但在变形分布方面，二者却极为相似，

润滑状态最佳. 最大变形量均集中在假体前端和后端，且呈现左右对
称、前后对称特征.
表 7 正交试验表中各试验组润滑状态情况 d. 关节面参数对球窝结构假体应力和润滑状态
Table 7 Lubrication status of each experimental group in
有重要影响：对最大应力影响权重排序是球缺高度
orthogonal test table
>球头半径>球窝间隙，且高度和半径越大、间隙越小
No 1 2 3 4 5 6 7 8 9
λ value 0.205 0.059 0.035 0.363 0.106 0.062 0.573 0.166 0.098 越好；对润滑状态影响权重排序是球窝间隙>球头半
径，且间隙越小、半径越大润滑状态越佳.

表 8 不同因素对润滑状态λ值影响的均值响应表 e. 球头半径、球窝间隙和球缺高度三参数最佳组
Table 8 Mean value response table for the influence of
合为16.00 mm、10.0 μm和1.2 mm，在此组合下假体最
different factors on λ value of lubrication state
大应力数值最小(2.79 MPa)，且润滑状态最佳(λ值为
Level Factor 1 Factor 2 Factor 3
Level 1 0.099 67 0.380 33 0.144 33 0.573，属于薄膜润滑).
Level 2 0.177 00 0.110 33 0.173 33
参 考 文 献
Level 3 0.279 00 0.065 00 0.238 00
Delta 0.179 33 0.315 33 0.093 67
[ 1 ] Wang ligong, Chang shuangchao. Study on the incidence rate of
Order 2 1 3
cervical ppondylosis among young and middle-aged people in

Guangzhou[J]. Chinese Journal of Convalescent Medicine, 2010,
上述结果是在其他参数固定情况下得到，根据润
19(5): 473–474 (in Chinese) [王立公, 常双超. 广州市中青年不同
滑状态计算模型，在上述最佳关节面设计参数组合下
人群颈椎病发病率的调查研究[J]. 中国疗养医学, 2010, 19(5):
(半径16.00 mm、间隙10.0 μm)，若将髓核表面粗糙度 473–474]. doi: 10.3969/j.issn.1005-619X.2010.05.070.
数值由1.0 μm减少到0.5 μm，可使λ值由0.573增加到 [ 2 ] Peng C W, Yue W M, Basit A, et al. Intermediate results of the