專利名稱：一種雙參數(shù)控制的機(jī)械式實(shí)驗(yàn)加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實(shí)驗(yàn)加載裝置，尤其涉及一種雙參數(shù)控制的機(jī)械式實(shí)驗(yàn)加載裝置。
背景技術(shù)：
在航空航天、土木建筑、海洋與船舶、機(jī)械等諸多工程領(lǐng)域中，廣泛存在著各種動(dòng)力系統(tǒng)。在進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究時(shí)常需要對這些系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)研究。加載裝置提供外界激勵(lì)源，是確保動(dòng)力系統(tǒng)能夠按照不同要求“動(dòng)”起來的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。隨著工業(yè)技術(shù)進(jìn)步和科學(xué)研究的持續(xù)深入，動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的難度越來越大、參數(shù)范圍要求越來越寬。這就對加載裝置提出了愈發(fā)嚴(yán)格的要求。
對于加載裝置主要有下列幾方面要求I)可用行程范圍大；2)可用頻率范圍寬；3)能夠進(jìn)行載荷或位移雙參量控制；4)滿足足夠的精度要求；5)簡便易用、造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用低廉。目前比較常用的實(shí)驗(yàn)加載裝置包括電磁脈沖加載裝置、電液伺服加載系統(tǒng)等。電磁脈沖加載裝置行程較小，適用頻率段僅限于中高頻；而電液伺服加載系統(tǒng)需要配備液壓油源，不僅對油缸、作動(dòng)器、控制器均有較高要求，而且體積大、造價(jià)高昂。同時(shí)無論是電磁脈沖系統(tǒng)還是電液伺服加載系統(tǒng)其實(shí)驗(yàn)運(yùn)行費(fèi)用都較為昂貴。在實(shí)驗(yàn)中有時(shí)對前述幾方面(可用行程、可用頻率、載荷或位移控制、簡便易用、費(fèi)用低廉)同時(shí)都有較高要求，而現(xiàn)有的加載裝置通常難以同時(shí)在上述幾個(gè)方面均滿足需要。由此可見，目前還缺乏同時(shí)滿足參數(shù)適用范圍寬、使用簡便、成本低廉等要求的實(shí)驗(yàn)加載裝置，這就迫切需要發(fā)明一種新的加載裝置來解決這一問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前缺少能同時(shí)滿足參數(shù)適用范圍寬、使用方便、成本低廉等要求實(shí)驗(yàn)加載裝置的問題，提出一種行程大、適用頻率范圍廣、可以自由切換載荷控制和位移控制、使用簡便、造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用低廉的加載裝置，使其能夠?yàn)楹娇蘸教?、土木建筑、海洋與船舶、機(jī)械等諸多工程領(lǐng)域相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的外載荷。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種雙參數(shù)控制的機(jī)械式實(shí)驗(yàn)加載裝置，包括鋼絲繩、定滑輪、定滑輪承力固定支架、電機(jī)、載荷控制加載部件、位移控制加載部件和皮帶輪組，其中，所述載荷控制加載部件包括調(diào)節(jié)拉伸彈簧和力傳感器，所述位移控制加載部件包括位移傳感器和位移傳感器支架；所述鋼絲繩穿過定滑輪與所述皮帶輪組相連，所述定滑輪固定在定滑輪承力固定支架上，所述皮帶輪組與電機(jī)相連；當(dāng)采用載荷控制加載方式時(shí)，力傳感器固定在被加載物體上，調(diào)節(jié)拉伸彈簧一端與所述力傳感器相連，另一端與鋼絲繩一端相連；
當(dāng)采用位移控制加載方式時(shí)，鋼絲繩直接與被加載物體相連，位移傳感器一端與被加載物體相連，另一端固定在位移傳感器支架上，所述位移傳感器支架固定在定滑輪承力固定支架上。優(yōu)選地，上述裝置還具有以下特點(diǎn)所述皮帶輪組包括第一皮帶輪、第二皮帶輪和皮帶輪支架，所述第一皮帶輪的直徑大于第二皮帶輪的直徑。優(yōu)選地，上述裝置還具有以下特點(diǎn)所述鋼絲繩的一端與第一皮帶輪連接，所述第一皮帶輪固定在皮帶輪支架上，所述第二皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，所述第一皮帶輪與第二皮帶輪通過三角帶相連；或者，所述鋼絲繩的一端與第二皮帶輪連接，所述第二皮帶輪固定在皮帶輪支架上，所 述第一皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，所述第一皮帶輪與第二皮帶輪通過三角帶相連；或者，所述鋼絲繩的一端與第二皮帶輪連接，所述第二皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連。優(yōu)選地，上述裝置還具有以下特點(diǎn)當(dāng)使用電機(jī)工作頻率大于需要外載荷頻率時(shí)，所述鋼絲繩的一端與第一皮帶輪連接，所述第一皮帶輪固定在皮帶輪支架上，所述第二皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，所述第一皮帶輪與第二皮帶輪通過三角帶相連；當(dāng)使用電機(jī)工作頻率小于需要外載荷頻率時(shí)，所述鋼絲繩的一端與第二皮帶輪連接，所述第二皮帶輪固定在皮帶輪支架上，所述第一皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，所述第一皮帶輪與第二皮帶輪通過三角帶相連；當(dāng)電機(jī)工作頻率滿足外載荷頻率需要時(shí)，所述鋼絲繩的一端與第二皮帶輪連接，所述第二皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連。優(yōu)選地，上述裝置還具有以下特點(diǎn)所述第一皮帶輪沿徑向開有一個(gè)長滑槽，長滑槽中設(shè)置有滑塊；當(dāng)所述鋼絲繩的一端與第一皮帶輪連接時(shí)，所述鋼絲繩一端上的連接卡頭固定在所述長滑槽中的滑塊上。優(yōu)選地，上述裝置還具有以下特點(diǎn)所述第二皮帶輪沿著徑向焊有兩根長度超過其半徑的轉(zhuǎn)動(dòng)臂，轉(zhuǎn)動(dòng)臂上沿著長邊開有一個(gè)長滑槽，長滑槽中設(shè)置有滑塊；當(dāng)所述鋼絲繩的一端與第二皮帶輪連接時(shí)，所述鋼絲繩一端上的連接卡頭固定在所述長滑槽中的滑塊上。優(yōu)選地，上述裝置還具有以下特點(diǎn)所述定滑輪通過所述定滑輪承力固定支架上所開的豎直長孔進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)該實(shí)驗(yàn)裝置通過對連接在鋼絲繩和被加載物體中間的調(diào)節(jié)拉伸彈簧的不同處理，實(shí)現(xiàn)了載荷加載和位移加載到載荷加載這兩種加載方式的自由切換。(2)在進(jìn)行載荷加載時(shí)，所提供外載荷幅值大小的改變可以通過更換不同剛度的調(diào)節(jié)拉伸彈簧，改變鋼絲繩繩長以及調(diào)節(jié)皮帶輪或轉(zhuǎn)動(dòng)臂滑槽中滑塊的位置來實(shí)現(xiàn)；也可以通過改變皮帶輪支架與定滑輪支架之間的水平間距或垂向高度差進(jìn)而改變鋼絲繩長度而達(dá)到調(diào)整載荷大小的目的。
(3)該實(shí)驗(yàn)裝置還可以實(shí)現(xiàn)大小可調(diào)的位移加載。當(dāng)鋼絲繩與被加載測物體二者之間直接相連時(shí)(不安裝調(diào)節(jié)拉伸彈簧)，通過皮帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)即可完成簡諧信號的位移加載，通過調(diào)節(jié)第一皮帶輪上長滑槽中滑塊(或第二皮帶上沿徑向所焊轉(zhuǎn)動(dòng)臂上長滑槽中滑塊)與軸心的距離、或改變鋼絲繩的繩長，即可改變位移加載的幅值大小。(4)該實(shí)驗(yàn)裝置可以提供從低頻到高頻的簡諧外載荷。通過電機(jī)直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，或改變第一皮帶輪和第二皮帶輪的傳動(dòng)比來進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)；利用頻率調(diào)節(jié)進(jìn)而可以產(chǎn)生滿足各種實(shí)驗(yàn)頻率需要的簡諧外載荷信號。如果電機(jī)本身轉(zhuǎn)速就可滿足頻率要求，則不需采用皮帶輪組調(diào)速的方案，可采用僅使用第二皮帶輪的方案。實(shí)驗(yàn)所需電機(jī)并無特殊要求，只要轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍較大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，精度較高即可。(5)該實(shí)驗(yàn)裝置體型小、易于拆裝、便于根據(jù)不同研究需要靈活改裝。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由鋼絲繩、彈簧、滑輪、電機(jī)、皮帶輪、支撐支架、夾具和底座、連接卡頭、力傳感器和位移傳感器等部件組成，造價(jià)便宜、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低廉。同時(shí)配有位移傳感器以及力傳感器，可以同步測出加載裝置所提供的位移或力的大小，便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取。 (6)對運(yùn)行環(huán)境和輔助條件要求低，不需要其他控制器和大型輔助裝置，使用方便，可以根據(jù)需要隨意移動(dòng)、變換工作場地。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的采用載荷控制加載方式時(shí)，加載裝置側(cè)視圖(使用皮帶輪傳送)；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的采用載荷控制加載方式時(shí)，加載裝置側(cè)視圖(不使用皮帶輪傳送，直接連接)；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的采用位移控制加載方式時(shí)，加載裝置側(cè)視圖(使用皮帶輪傳送)；圖4是本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)加載裝置原理圖；其中，1 一被加載物體；2—力傳感器；3—調(diào)節(jié)拉伸彈簧；4一鋼絲繩；5—定滑輪；6—滑塊；7—第一皮帶輪；8—第二皮帶輪；9一皮帶輪支架；10—電機(jī)(含底座)；11一定滑輪承力固定支架；12—轉(zhuǎn)動(dòng)臂；13—位移傳感器，14一位移傳感器支架；15—連接卡頭。
具體實(shí)施例方式下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。本發(fā)明提出一種同時(shí)滿足行程大、適用頻率范圍廣、可以自由切換載荷控制和位移控制模式、精度高的加載裝置。而且該裝置使用方便、造價(jià)和運(yùn)行成本低廉。如圖I 圖3所示，該實(shí)驗(yàn)加載裝置包括鋼絲繩4、定滑輪5、定滑輪承力固定支架
11、電機(jī)10、載荷控制加載部件、位移控制加載部件和皮帶輪組。將上述組件進(jìn)行靈活組合，就形成一種可進(jìn)行多功能載荷加載的實(shí)驗(yàn)加載裝置。其中，所述載荷控制加載部件包括調(diào)節(jié)拉伸彈簧3和力傳感器2，所述位移控制加載部件包括位移傳感器13和位移傳感器支架14 ;所述鋼絲繩4穿過定滑輪5與所述皮帶輪組相連，所述定滑輪5固定在定滑輪承力固定支架11上，所述皮帶輪組與電機(jī)10相連；
當(dāng)采用載荷控制加載方式時(shí)(圖I、圖2)，力傳感器2固定在被加載物體I上，調(diào)節(jié)拉伸彈簧3 —端與所述力傳感器2相連，另一端與鋼絲繩4 一端相連；當(dāng)采用位移控制加載方式時(shí)(圖3)，鋼絲繩4直接與被加載物體I相連，位移傳感器13 —端與被加載物體I相連,另一端固定在位移傳感器支架14上,所述位移傳感器支架14固定在定滑輪承力固定支架11上。皮帶輪組包括第一皮帶輪7、第二皮帶輪8和皮帶輪支架9，所述第一皮帶輪7的直徑大于第二皮帶輪8的直徑。如圖I所示，第一皮帶輪7沿徑向開有一個(gè)長滑槽，長滑槽中設(shè)置有滑塊6。如圖2所示，第二皮帶輪沿著徑向焊有兩根長度超過其半徑的轉(zhuǎn)動(dòng)臂12，轉(zhuǎn)動(dòng)臂
12上沿著長邊開有一個(gè)長滑槽，長滑槽中設(shè)置有滑塊?？梢圆捎萌缦陆M合方式方式一，使用電機(jī)工作頻率大于需要外載荷頻率時(shí)鋼絲繩4的一端與第一皮帶輪7連接，所述第一皮帶輪7固定在皮帶輪支架9上，所述第二皮帶輪8與電機(jī)10的轉(zhuǎn)軸相連，所述第一皮帶輪7與第二皮帶輪8通過三角帶相連，如圖I所示。方式二，使用電機(jī)工作頻率小于需要外載荷頻率時(shí)鋼絲繩4的一端與第二皮帶輪8連接，所述第二皮帶輪8固定在皮帶輪支架9上，所述第一皮帶輪7與電機(jī)10的轉(zhuǎn)軸相連，所述第一皮帶輪7與第二皮帶輪8通過三角帶相連。方式三，電機(jī)工作頻率滿足外載荷頻率需要時(shí)鋼絲繩4的一端與第二皮帶輪8連接，所述第二皮帶輪8與電機(jī)10的轉(zhuǎn)軸直接相連，如圖2所示。調(diào)節(jié)拉伸彈簧3可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行更換；定滑輪5可以通過定滑輪承力固定支架11上所開的豎直長孔進(jìn)行高度調(diào)節(jié)；第一皮帶輪7和第二皮帶輪8上固定鋼絲繩連接卡頭15的滑塊6都可以根據(jù)需要加載的外載幅值大小移動(dòng)到指定位置。實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)10只要滿足轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、精度較高即可，并無其他特定要求。如圖I所示的載荷控制加載方式，整個(gè)裝置的連接方式如下調(diào)節(jié)拉伸彈簧3—端與固定在被加載物體I上的力傳感器2相連(力傳感器2固定在被加載物體I上)，另一端與鋼絲繩4 一端相連，鋼絲繩4的另一端穿過定滑輪5固定于第一皮帶輪7上可調(diào)滑塊6的中心，可調(diào)滑塊6初始時(shí)可以在第一皮帶輪7上沿徑向所開的滑槽上自由滑動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)需要的位置后將滑塊6固定在滑槽上；第一皮帶輪7固定于皮帶輪支架9之上，通過三角帶與第二皮帶輪8相連；第二皮帶輪直接安裝在電機(jī)10的轉(zhuǎn)軸上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以滿足實(shí)驗(yàn)需要的頻率要求而不需要通過皮帶輪組變速時(shí)，按圖2連接整個(gè)裝置以完成載荷控制加載。調(diào)節(jié)拉伸彈簧3 —端與固定在被加載物體I上的力傳感器2相連(力傳感器2固定在被加載物體I上)，另一端與與鋼絲繩4 一端相連，鋼絲繩4的另一端穿過定滑輪5固定于第二皮帶輪8的轉(zhuǎn)動(dòng)臂12上且固定位置可調(diào)節(jié)，第二皮帶輪8直接安裝在電機(jī)10的轉(zhuǎn)軸上。對于位移控制方式，如圖3所示，實(shí)驗(yàn)裝置不使用調(diào)節(jié)拉伸彈簧3，鋼絲繩4直接與被加載物體I相連，其他連接方式與載荷加載相同。下面結(jié)合圖4來說明該實(shí)驗(yàn)加載裝置的運(yùn)行原理實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖如圖4所示，其中所需加載物體的剛度為K1
調(diào)節(jié)拉伸彈簧的剛度為K2所需加載物體的質(zhì)量為M裝置啟動(dòng)前鋼絲繩從定滑輪到滑塊的距離為％裝置啟動(dòng)后某一瞬時(shí)從定滑輪到滑塊的距離為a裝置啟動(dòng)前從定滑輪到拉伸彈簧一端的鋼絲繩長度為Idci
繃緊時(shí)拉伸彈簧的變化量為dQ繃緊時(shí)物體剛度彈簧的變化量為θ(ι裝置啟動(dòng)前鋼絲繩與水平面夾角為％皮帶輪的半徑為r皮帶輪瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為Θ在a、a。及二者端點(diǎn)連接線所構(gòu)成三角形中a所對應(yīng)的內(nèi)角為α電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)物體的水平位移為X瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)拉伸彈簧靠近定滑輪端產(chǎn)生的位移為y電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后物體位移的交變量為z皮帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為ω各位置長度變化如下表I所示表I
權(quán)利要求
1.一種雙參數(shù)控制的機(jī)械式實(shí)驗(yàn)加載裝置，其特征在于，包括鋼絲繩、定滑輪、定滑輪承力固定支架、電機(jī)、載荷控制加載部件、位移控制加載部件和皮帶輪組，其中，所述載荷控制加載部件包括調(diào)節(jié)拉伸彈簧和力傳感器，所述位移控制加載部件包括位移傳感器和位移傳感器支架；所述鋼絲繩穿過定滑輪與所述皮帶輪組相連，所述定滑輪固定在定滑輪承力固定支架上，所述皮帶輪組與電機(jī)相連； 當(dāng)采用載荷控制加載方式時(shí)，力傳感器固定在被加載物體上，調(diào)節(jié)拉伸彈簧一端與所述力傳感器相連，另一端與鋼絲繩一端相連； 當(dāng)采用位移控制加載方式時(shí)，鋼絲繩直接與被加載物體相連，位移傳感器一端與被加載物體相連，另一端固定在位移傳感器支架上，所述位移傳感器支架固定在定滑輪承力固定支架上。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于， 所述皮帶輪組包括第一皮帶輪、第二皮帶輪和皮帶輪支架，所述第一皮帶輪的直徑大于第二皮帶輪的直徑。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于， 所述鋼絲繩的一端與第一皮帶輪連接，所述第一皮帶輪固定在皮帶輪支架上，所述第二皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，所述第一皮帶輪與第二皮帶輪通過三角帶相連；或者， 所述鋼絲繩的一端與第二皮帶輪連接，所述第二皮帶輪固定在皮帶輪支架上，所述第一皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，所述第一皮帶輪與第二皮帶輪通過三角帶相連；或者， 所述鋼絲繩的一端與第二皮帶輪連接，所述第二皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于， 當(dāng)使用電機(jī)工作頻率大于需要外載荷頻率時(shí)，所述鋼絲繩的一端與第一皮帶輪連接，所述第一皮帶輪固定在皮帶輪支架上，所述第二皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，所述第一皮帶輪與第二皮帶輪通過三角帶相連； 當(dāng)使用電機(jī)工作頻率小于需要外載荷頻率時(shí)，所述鋼絲繩的一端與第二皮帶輪連接，所述第二皮帶輪固定在皮帶輪支架上，所述第一皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，所述第一皮帶輪與第二皮帶輪通過三角帶相連； 當(dāng)電機(jī)工作頻率滿足外載荷頻率需要時(shí)，所述鋼絲繩的一端與第二皮帶輪連接，所述第二皮帶輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連。
5.如權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于， 所述第一皮帶輪沿徑向開有一個(gè)長滑槽，長滑槽中設(shè)置有滑塊； 當(dāng)所述鋼絲繩的一端與第一皮帶輪連接時(shí)，所述鋼絲繩一端上的連接卡頭固定在所述長滑槽中的滑塊上。
6.如權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于， 所述第二皮帶輪沿著徑向焊有兩根長度超過其半徑的轉(zhuǎn)動(dòng)臂，轉(zhuǎn)動(dòng)臂上沿著長邊開有一個(gè)長滑槽，長滑槽中設(shè)置有滑塊； 當(dāng)所述鋼絲繩的一端與第二皮帶輪連接時(shí)，所述鋼絲繩一端上的連接卡頭固定在所述長滑槽中的滑塊上。
7.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于， 所述定滑輪通過所述定滑輪承力固定支架上所開的豎直長孔進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種雙參數(shù)控制的機(jī)械式實(shí)驗(yàn)加載裝置，包括鋼絲繩、定滑輪、定滑輪承力固定支架、電機(jī)、載荷控制加載部件、位移控制加載部件和皮帶輪組，載荷控制加載部件包括調(diào)節(jié)拉伸彈簧和力傳感器，位移控制加載部件包括位移傳感器和位移傳感器支架；鋼絲繩穿過定滑輪與皮帶輪組相連，定滑輪固定在定滑輪承力固定支架上，皮帶輪組與電機(jī)相連；可采用載荷控制加載方式和位移控制加載方式。本實(shí)驗(yàn)加載裝置滿足行程大、適用頻率范圍廣、可以自由切換載荷控制和位移控制、精度高等要求，使用方便，費(fèi)用低廉，易于拆裝和移動(dòng)，便于根據(jù)不同研究需要靈活調(diào)節(jié)?？蛇m用于航空航天、土木建筑、海洋與船舶、機(jī)械等諸多工程領(lǐng)域中的相關(guān)靜、動(dòng)力或疲勞實(shí)驗(yàn)。
文檔編號G01M99/00GK102944438SQ20121044793
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者曾曉輝, 余楊, 張良, 申仲翰 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所