振動旋轉動物測試實驗平臺

蘇宏暢，左慧婷，周 湛，溫潔明，覃 博，周韋星宇

（廣西大學 機械工程學院，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)病人數呈逐年上升趨勢。建立適當的高血壓動物模型是開展疾病的發(fā)病機制、治療和預防等研究的重要工具，醫(yī)學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的研究。

但據資料查詢，目前市場上通過旋轉測量法測試高血壓動物模型抗高血壓能力的機器運動形式過于單一，機器只能夠旋轉而無法實現(xiàn)振動的功能，無法準確地模擬出高血壓動物模型所處的復雜的外界狀態(tài)，無法滿足對動物實驗研究的需求，影響了實驗結果的科學性，且大部分的動物旋轉實驗裝置都是一整個系統(tǒng)，其中包含測試平臺、信號收集、數據轉換等一系列測試裝置，設計以及操作都相對復雜，且價格十分昂貴[1，2]。本項目裝置擬設計一種振動與旋轉相結合的對動物進行實驗的機構。

1 總體設計

1.1 機構設計思路和方法

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現(xiàn)換向，從而帶動轉盤產生轉動，由于轉盤下方安裝有帶軸花鍵和帶軸花鍵套，所以轉盤在旋轉的同時還能上下周期性振動，以達到對實驗動物進行測試藥物效果。

1.2 振動旋轉動物測試實驗平臺設計與制造

振動旋轉動物測試實驗平臺包括振動機構、旋轉機構、緩沖機構和支撐架。四個部分的功能分別是：支撐架，即機架，用于支撐整個裝置的運行以及便于裝置上零件的拆卸和維修；振動機構，主要由電動機、軸承座、凸輪（兩個）、傳動軸構成；旋轉機構，主要由錐齒輪（兩個）、軸承座、帶軸花鍵、帶軸花鍵套和轉盤組成；緩沖機構，換成機構由安裝在支撐架上的四個彈簧組成，利用彈簧的彈性實現(xiàn)緩沖和復位的功能。

機構的具體結構和連接關系為：所述振動機構由電動機、水平轉軸、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成，第一凸輪和第二凸輪通過鍵連接分別安裝在水平轉軸上，水平轉軸一端與電動機相連，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，使水平轉軸帶動第一凸輪、第二凸輪轉動時，第一凸輪、第二凸輪與第一凸板、第二凸板周期性接觸，產生單自由度周期性振動，使凸板固定架產生振動。

旋轉機構由第一直齒錐齒輪、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、支撐盤以及實驗容器構成。第一直齒錐齒輪安裝在水平轉軸上，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驗容器。所述緩沖機構由第一彈簧、第二彈簧以及帶螺紋支撐桿構成。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成，支撐角鋼焊接在支撐板下方，實現(xiàn)對整個機構的支撐作用。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。

所述緩沖機構由第一彈簧、第二彈簧以及帶螺紋支撐桿構成，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成，支撐角鋼焊接在支撐板下方，實現(xiàn)對整個機構的支撐作用，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 振動旋轉測試實驗平臺結構示意圖

圖2 裝置內部結構示意圖

1.3 工作原理

本裝置的動力由電動機13輸出，帶動安裝有直齒錐齒輪及凸輪的水平轉軸14轉動，水平轉軸14轉動一方面使水平轉軸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產生單自由度周期性振動，從而使凸板固定架5產生振動。于是實驗容器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，使實驗容器1振動平穩(wěn)；另一方面水平轉軸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，從而使實驗容器旋轉運動，由于在機構振動過程中花鍵與花鍵套始終連接在一起，所以實驗容器1上下周期性振動的同時也能旋轉運動，實現(xiàn)了兩種不同類型運動的完美結合，更加方便研究人員對藥物效果測試。在實驗規(guī)定的時間達到后便可按下電機開關結束測試獲取實驗數據。

2 機構分析

由于同時進行振動和旋轉運動，在工作時受力非常復雜。因此,對整體平衡進行分析，受力強度較大的部位進行分析。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動時受到不僅受到整個裝置的重力和受到裝置上下振動時所產生的沖擊力，而電機的主軸會受到電機所給的轉矩和兩個凸輪運動的沖擊力和其本身的壓力。應力結果圖解利用有限元分析解算分析可以看出，機構的最大應力值為201.23 MPa（圖3）。

圖3 裝置應力分析圖

3 應用情況和應用實例

本裝置通過電機開關就行啟動，并且可以調整轉速，電機啟動后，帶動傳動軸旋轉，由于傳動軸上面安裝有一個錐齒輪、兩個對稱安裝的凸輪，所以在傳動軸旋轉后將帶動凸輪和錐齒輪一起旋轉。凸輪旋轉將推動凸輪上方支撐架運動，是轉盤上下周期振動。實驗達到規(guī)定時間后按下開關關閉機構，對動物的數據進行收集。例如：將藥物研究實驗設置為三組，實驗開始前分別測量到三只小白鼠的血壓，然后對實驗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測試實驗平臺的載物盤上并用透明的蓋子將其蓋住防止實驗過程中實驗動物被甩出來，緊接著按下電機開關，然后調整所需的旋轉速度以及振動的頻率設下工作時間開始實驗。待機構停止運行后，便可以將實驗小鼠取出，然后測量其血壓情況并記錄。這就是藥物測量實驗的數據，通過進行比較實驗小鼠的血壓可得藥物的是否對小白鼠有效果，為了驗證實驗藥物對于抑制血壓的作用，實驗要求重復進行、多次實驗，以保證數據的準確性。

4 結語

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