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MTS Bionix 測(cè)試系統(tǒng)中的脊柱標(biāo)本

MTS 幫助生物力學(xué)研究人員在脊柱側(cè)彎手術(shù)前為外科醫(yī)生提供更好的信息。

客戶挑戰(zhàn)

每 1,000 名兒童中約有 4 名會(huì)出現(xiàn)需要醫(yī)療監(jiān)督的不自然脊柱彎曲。這四個(gè)中的一個(gè)最終將需要大的脊柱側(cè)彎矯正手術(shù)。這種手術(shù)涉及物理矯正脊柱彎曲并通過(guò)椎骨融合和/或金屬器械的永久插入來(lái)穩(wěn)定它。

塔拉特理工學(xué)院（ITT Dublin）是位于愛(ài)爾蘭南部都柏林的一所大學(xué)級(jí)機(jī)構(gòu)。生物工程技術(shù)中心 (BTC) 是工程學(xué)院內(nèi)一個(gè)成熟的研究中心，為少數(shù)攻讀生物力學(xué)工程高級(jí)學(xué)位的學(xué)生提供強(qiáng)化指導(dǎo)。一名學(xué)生是 Nor Amalina Binti Muhayudin。她于 2009 年 1 月開(kāi)始在 BTC 攻讀碩士學(xué)位，以尋求脊柱側(cè)彎診斷的新方法。

從歷史上看，診斷脊柱側(cè)彎涉及一種稱為科布角的二維 (2D) 測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)需要使用 2D 脊柱圖像來(lái)識(shí)別額平面中曲率頂點(diǎn)上方和下方最傾斜的椎骨，并沿著最頂部和最底部?jī)A斜的椎骨繪制線條。當(dāng)兩條線垂直于這些線繪制時(shí)，線相交處形成的角度就是科布角。

Cobb 角測(cè)量不能量化脊柱的椎體旋轉(zhuǎn)角度，但是，這是脊柱側(cè)彎診斷和治療的基本測(cè)量。Muhayudin 面臨的挑戰(zhàn)是為每位患者開(kāi)發(fā)詳細(xì)的脊柱生物原型。該原型可以在主要矯正手術(shù)之前提供完整的 3D (3D) 診斷，包括有關(guān)椎骨旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)。

“迄今為止，外科醫(yī)生進(jìn)入手術(shù)室時(shí)對(duì)患者脊柱彎曲程度的信息有限，這意味著他們不得不在手術(shù)期間花時(shí)間進(jìn)行這些評(píng)估，”穆哈尤丁說(shuō)。“我的研究旨在精確計(jì)算在進(jìn)入前需要多大的力才能拉直脊柱，從而減少手術(shù)時(shí)間。這些數(shù)據(jù)還可以帶來(lái)更好的長(zhǎng)期患者預(yù)后，因?yàn)樗梢詭椭覀兏玫仡A(yù)測(cè)在自然脊柱負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)下隨著時(shí)間的推移可能出現(xiàn)的復(fù)發(fā)。”

MTS解決方案

2009 年 3 月，BTC 購(gòu)買了帶有 MTS FlexTest? 控件和 MTS MultiPurpose TestWare? (MPT) 軟件的 MTS Bionix? 測(cè)試系統(tǒng)，升級(jí)了其與脊柱相關(guān)的機(jī)械測(cè)試能力。

由于出于道德原因不能使用尸體脊柱，Muhayudin 開(kāi)始了她的研究，開(kāi)發(fā)了一種逼真的人造脊柱，用于新的 Bionix 測(cè)試系統(tǒng)。她對(duì)兒科脊柱的胸中部區(qū)域進(jìn)行了 3D CAT 掃描，并使用 Select Laser Sintering (SLS) 機(jī)器制造了一個(gè)原型。原型被放大到兩倍大小以適應(yīng) Bionix 測(cè)試夾具。人造脊柱由原型的模具制成，由聚氨酯和硅膠材料制成。

Bionix 測(cè)試系統(tǒng)可用于模擬人造脊柱和其他標(biāo)本在六個(gè)自由度上的全方位運(yùn)動(dòng)，包括軸向位移、屈曲、伸展、橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)。稱重傳感器在施加力和力矩時(shí)捕獲測(cè)試數(shù)據(jù)。

BTC 創(chuàng)始人 Fiona McEvoy 博士說(shuō)：“借助新的 MTS 測(cè)試系統(tǒng)，Nor 現(xiàn)在可以對(duì)脊柱標(biāo)本施加預(yù)載荷，以精確確定在手術(shù)過(guò)程中將脊柱移回自然對(duì)齊所需的力。” “這個(gè)過(guò)程具有巨大的潛力，可以根據(jù)每個(gè)患者脊柱的獨(dú)特曲率，更多地了解脊柱融合手術(shù)期間需要什么。”

Muhayudin 的表征方法與傳統(tǒng)的脊柱測(cè)試相反。她沒(méi)有對(duì)人造脊柱施加力和力矩，而是使用位移作為控制模式。由此產(chǎn)生的作用在脊柱標(biāo)本上的力和力矩決定了每個(gè)脊柱側(cè)彎病例的位移程度，使外科醫(yī)生能夠量化需要多少力和扭矩才能最佳地矯正曲率。

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全球?qū)Ω炝熊嚭透哂行лd荷的需求持續(xù)上升。MTS 幫助鐵路測(cè)試工程師快速且經(jīng)濟(jì)高效地執(zhí)行準(zhǔn)確測(cè)試，以滿足這一不斷增長(zhǎng)的需求。

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為什么推動(dòng)鐵路部件創(chuàng)新需要更復(fù)雜的疲勞測(cè)試系統(tǒng)

在考慮構(gòu)成機(jī)車車輛系統(tǒng)及其周圍環(huán)境的所有組件和子組件時(shí)，沿著軌道頂部繪制一條假想線會(huì)很有幫助。這條線將系統(tǒng)分為兩個(gè)主要組。第一組位于線路上方，是“機(jī)車車輛”，由轉(zhuǎn)向架（或兩個(gè)側(cè)架和一個(gè)枕梁的組合）以及主、副懸架和軌道車代表。位于線下方的第二組是“道”，以鋼軌、扣件、軌枕、道碴等部件為代表。兩組之間的接口是帶有一組輪子的軸。

雖然該系統(tǒng)中的許多較簡(jiǎn)單的元素可以通過(guò)基本組件測(cè)試來(lái)處理，但評(píng)估機(jī)車車輛內(nèi)的組件或子組件需要考慮三個(gè)同樣重要的因素：疲勞、性能和舒適度。

雖然疲勞壽命可能不是乘客在乘坐過(guò)程中欣賞（甚至想到）的，但它仍然代表了機(jī)車車輛設(shè)計(jì)和服務(wù)中非常重要的部分。在上個(gè)世紀(jì)的過(guò)程中，鐵路行業(yè)逐漸了解并認(rèn)識(shí)到疲勞測(cè)試在鐵路部件設(shè)計(jì)和制造中的重要性。為了確保一致的疲勞壽命和乘客安全，已經(jīng)制定了許多認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

符合認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

鐵路部件和子系統(tǒng)的制造商必須對(duì)部件和子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，以滿足相應(yīng)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，例如用于枕梁的 M-202-97、用于側(cè)架的 M-203-05 和用于轉(zhuǎn)向架的 UIC 615。這些標(biāo)準(zhǔn)有助于定義用于確定新部件疲勞壽命和耐久性的測(cè)試，它們對(duì)于確保客運(yùn)、貨運(yùn)和輕軌線路的安全、長(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要。

轉(zhuǎn)向架、搖枕和側(cè)架認(rèn)證測(cè)試要求制造商對(duì)特定配置的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行安全和可靠性測(cè)試。施加靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷以評(píng)估性能、強(qiáng)度和耐力。測(cè)試結(jié)果包括屈服和最終失效載荷水平以及疲勞壽命數(shù)據(jù)。

正確測(cè)試墊枕需要三個(gè)載荷：巖石載荷、中心彈跳和邊緣彈跳（見(jiàn)圖 1）。這些載荷代表了承梁在其實(shí)際使用環(huán)境中所承受的力。對(duì)于側(cè)架，還需要三個(gè)載荷：垂直、橫向和中心扭轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖 2）。所有這些獨(dú)立的力矢量對(duì)于向試樣提供適當(dāng)?shù)妮d荷和應(yīng)力分布都很重要，并有助于確保足夠的疲勞壽命。

對(duì)于測(cè)試枕梁和側(cè)架，適當(dāng)額定的落地式負(fù)載框架是理想的，并且固定起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，轉(zhuǎn)向架框架疲勞測(cè)試更為復(fù)雜。轉(zhuǎn)向架認(rèn)證測(cè)試由國(guó)際和當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)定義，需要更多的通道和更復(fù)雜的夾具。測(cè)試的加載配置基于轉(zhuǎn)向架的配置。每個(gè)轉(zhuǎn)向架的軸數(shù)、每個(gè)軌道車的轉(zhuǎn)向架數(shù)量以及轉(zhuǎn)向架和軌道車的總重量是確定測(cè)試所需負(fù)載的一些參數(shù)。認(rèn)證測(cè)試需要多通道、高力加載系統(tǒng)，通常運(yùn)行數(shù)百萬(wàn)次循環(huán)。在一次測(cè)試中，收集和分析應(yīng)變和其他信號(hào)，以幫助設(shè)計(jì)人員了解服務(wù)環(huán)境的負(fù)載動(dòng)態(tài)，識(shí)別高應(yīng)力區(qū)域并相應(yīng)地改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過(guò)將應(yīng)變響應(yīng)與有限元分析 (FEA) 模型進(jìn)行比較，工程師可以驗(yàn)證模型，從而改進(jìn)未來(lái)的設(shè)計(jì)。

高級(jí)疲勞測(cè)試

認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格，涉及數(shù)百萬(wàn)個(gè)加載循環(huán)，但它們只關(guān)注驗(yàn)證足夠的疲勞壽命和安全系數(shù)所需的最小載荷集（垂直、橫向和翹曲）。這些負(fù)載明顯高于正常運(yùn)行期間的預(yù)期負(fù)載。加載歷史是有目的地保守的，以確保在所有可能的使用組合中故障率盡可能接近零。這種方法已被證明適用于普通貨運(yùn)轉(zhuǎn)向架，并已在全球范圍內(nèi)（以某種形式）采用。

然而，在現(xiàn)代客運(yùn)機(jī)車車輛中，轉(zhuǎn)向架、懸架和汽車接口比貨運(yùn)復(fù)雜得多。高速客車轉(zhuǎn)向架是復(fù)雜的焊接件。減振器、懸掛連桿和輔助部件（壓縮機(jī)、制動(dòng)鉗）等物品都會(huì)給轉(zhuǎn)向架帶來(lái)額外的負(fù)載。這些載荷通常由與認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)所描述的非常不同的載荷矢量和位置組成。這些負(fù)載的位置、幅度、矢量和相位對(duì)于有興趣盡可能逼真地復(fù)制實(shí)際轉(zhuǎn)向架操作環(huán)境的測(cè)試工程師來(lái)說(shuō)非常重要。

在這些情況下，復(fù)雜性很快就會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。雖然認(rèn)證測(cè)試通常使用少于 10 個(gè)通道（在大多數(shù)情況下，少于 6 個(gè)），但更高級(jí)的開(kāi)發(fā)測(cè)試可能需要超過(guò) 20 個(gè)（在某些情況下超過(guò) 30 個(gè)）控制通道。將附加負(fù)載與認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的負(fù)載相結(jié)合，在夾具方面提出了巨大的挑戰(zhàn)。

解決這種復(fù)雜性至關(guān)重要。在過(guò)去的 10 到 15 年中，最終用戶對(duì)具有更高可靠性、更好性能和更高舒適度的機(jī)車車輛的需求大幅增長(zhǎng)。為了滿足這些需求，制造商正在開(kāi)發(fā)在最初建立認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)時(shí)還沒(méi)有的材料和制造方法。鐵路系統(tǒng)中幾乎每個(gè)部件的設(shè)計(jì)和制造中使用的新材料——尤其是新的減重方法——產(chǎn)生了對(duì)傳統(tǒng)認(rèn)證測(cè)試范圍之外的新開(kāi)發(fā)測(cè)試程序的需求。