CN102156081A - 一种冲击加载机构 - Google Patents

Abstract

一种冲击加载机构，由两套支架臂、两块支架臂夹板、一个安装桶、一个封盖、两套推力轴承、两套移动加载锥、一个螺纹套、一件花键轴、两件法兰型花键、两个加载臂、两个杆端关节球轴承、两根支撑柱、两件冲击加载杆和一个关节球轴承组成。此冲击加载机构能将花键轴载荷输入端的扭矩转化成移动加载锥的推力并作用在冲击加载杆上，而花键轴载荷输入端的推力或者拉力通过第一加载臂直接作用于冲击加载杆上；因为移动加载锥上的移动块能够移动或者静止，所以单根冲击加载杆上的两个加载点的距离能随时间变化或者保持不变，这样就实现了对冲击加载杆的同步多点移动动态的模拟冲击加载，在冲击加载杆根部能得到任意的动态或者静态剪力和弯矩。

Description

一种冲击加载机构

技术领域

本发明涉及一种冲击加载机构，可用于航空、航天、土木、机械等行业，适用于低中频范围内的冲击加载实验或者产品检查。

背景技术

目前对冲击载荷的模拟，一般为固定点加载，多采用机械式撞击。这样的加载方式一般很难予以控制以得到预期设计的结果，而且撞击往往具有很高频率，其在某些需要模拟低频冲击的地方难以产生好的效果。本发明涉及的一种冲击加载机构可以与多轴疲劳试验机结合，将通过疲劳试验机输出的扭矩转换成推力，能实现对冲击加载杆的低频多点移动同步加载，能够在冲击加载杆根部得到任意剪力和弯矩组合的冲击动态或静态效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种冲击加载机构，保证多点加载的同步性，同时使加载点能够移动，能够根据预期冲击结果情况控制输入载荷和加载点移动速度，实现低频冲击的有效模拟与控制。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种冲击加载机构，包括：第一加载臂1、两个杆端关节轴承2、两件冲击加载杆3、两套移动加载锥4、第二加载臂5、两块支架臂夹板6、两个支架臂7、一个安装桶8、一套螺纹套9、两套推力轴承10、一个封盖11、一根花键轴12、两件法兰型花键13、两个插销14、一个关节球轴承15和两根支撑柱16；所述的安装桶8包括导管8-1、外环8-2、板-桶连接管8-3、联接板8-4、挡圈8-5和管-桶连接管8-6；两根板-桶连接管8-3分别对称地与外环8-2和联接板8-4焊接，两根管-桶连接管8-6分别对称地与外环8-2和导管8-1焊接；所述的螺纹套9包括内管9-1、外螺纹9-2和安装盘9-3，外螺纹9-2是在内管9-1外壁上机加工车削而成，安装板9-3焊接在内管9-1一端上；所述移动加载锥4包括承重导轨4-1、滚珠4-2、移动块4-3、蜗杆4-4和伺服电机4-5，移动块4-3光滑嵌入承重导轨4-1上，蜗杆4-4穿过移动块4-3并与其螺纹传动，蜗杆4-4光滑架于承重导轨4-1两侧壁上并与伺服电机4-5的输出轴固定连接；第二加载臂5由承载梁5-1、内螺纹5-2和导杆5-3组成，内螺纹5-2是在承载梁5-1上车削加工而成，导杆5-3与承载梁5-1焊接；

整个冲击加载机构是对称结构且根据需要可以颠倒安装，Z方向与花键轴12、两法兰型花键13、外环8-2、两推力轴承10、封盖11、螺纹套8、关节球轴承15的轴线重合，Z方向也是整个结构的中心轴方向；以经过两导管8-1的轴线的面为X-Z平面，Y-Z平面垂直X-Z平面；两根支撑柱16、两联接板8-4、两板-桶连接管8-3、两支架臂7、两支架臂夹板6沿Y方向分别对称地安装于X-Z平面两侧；两导管8-1、两管-桶连接管8-5、两承载梁5-1、两导杆5-3、两移动加载锥4、两个杆端关节轴承2、两件冲击加载杆3和两插销14沿X方向分别对称地安装于Y-Z平面两侧；

支撑柱16固定于地面或者固定台上，支架臂7与支架臂夹板6夹持住支撑柱16，支架臂7与支架臂夹板6螺栓连接，两支架臂7分别与安装桶8的两个联接板8-4用螺栓连接，两套推力轴承10夹持住螺纹套9的安装盘9-3一齐置于安装桶8的挡圈8-5上，封盖11顶住推力轴承10通过螺栓与安装桶8的外环8-2连接，两个法兰型花键13分别插入螺纹套9的内管9-1内在法兰处用螺栓与内管9-1连接，花键轴12光滑穿过两个法兰型花键13，花键轴12一端作为载荷输入端，一端与关节球轴承15螺纹连接，关节球轴承15第一加载臂1螺纹连接；第一加载臂1的每端与一个杆端关节轴承2螺纹连接，两个杆端关节轴承2分别与一个冲击加载杆3用插销14连接，冲击加载杆3的弯曲变形不影响通过杆端关节轴承2作用于冲击加载杆3的力的方向；螺纹套9与第二加载臂5之间用螺纹传动，同时第二加载臂5的导杆5-3光滑地套于安装桶8的导管8-1内；第二加载臂5与移动加载锥4通过螺栓连接，伺服电机4-5驱动蜗杆4-4转动，驱动移动块4-3在承重导轨4-1上光滑移动，滚珠4-2随之能在冲击加载杆3表面上滚动；滚珠4-2与杆端关节轴承2分别位于冲击加载杆3的对称面上；

封盖11提供推力轴承10对螺纹套9的安装盘9-3的夹持力，保证了螺纹套9周向能自由转动；同时移动加载锥4施加于冲击加载杆3的推力的反作用力通过第二加载臂5的内螺纹5-2传递给螺纹套9，再通过推力轴承10和封盖11传递给安装桶8，最后传递给支架臂7，靠支架臂7和支架臂夹板6与两根支撑柱16摩擦力克服掉；

第二加载臂5的导杆5-3光滑套于安装桶8的导管8-1内，能保证第二加载臂5的直线运动平稳；同时，由螺纹套9转动过程中产生的反作用扭矩通过导管8-1传递至支架臂7与支架臂夹板6夹持的两根支撑柱16上予以克服，这样第二加载臂5只直线运动，不转动；

第二加载臂5与移动加载锥4螺栓连接，保证了第二加载臂5与移动加载锥4同步直线运动；同时，移动加载锥4的伺服电机4-5驱动蜗杆4-4精确转动以驱使移动块4-3在承重导轨4-1上精确滑动；滚珠4-2滚转运动，减小加载过程中对伺服电机的阻力；这样作用在冲击加载杆3上的力的作用点之间的距离就能随时间变化，冲击加载杆3上的尺标3-3能直观显示出作用点间的距离，通过动态调节伺服电机4-5的转速及输入的力与扭矩的大小，就能在冲击加载杆3的根部得到相应的冲击模拟载荷。

所述螺纹套9的外螺纹9-2与第二加载臂5的内螺纹5-2吻合，花键轴12的转动能驱使法兰型花键13和螺纹套9转动，通过螺纹传动驱使第二加载臂5直线运动。

本发明的原理：本发明由第一加载臂、杆端关节轴承、冲击加载杆、移动加载锥、第二加载臂、支架臂夹板、支架臂、安装桶、螺纹套、推力轴承、顶盖、花键轴、法兰型花键、插销、和关节球轴承组成。支架臂与支架臂夹板夹持住两根固定于地面的导杆，同时安装桶与支架臂螺栓连接，构成了对整个机构的支撑结构；两套推力轴承夹持住螺纹套的安装盘置于安装桶内，顶盖与安装桶螺栓连接，将推力轴承和螺纹套的安装盘封装在安装桶内；两个法兰型花键分别穿入螺纹套的两端并用螺栓与螺纹套连接，而后花键轴光滑穿过两法兰型花键；两个移动加载锥与第二加载臂螺栓连接，而后第二加载臂的导杆再光滑套于安装桶的导管内，并且调节好内螺纹与螺纹套外螺纹的结合状态，这样就构成了将周向转动转换成直线运动的主要结构；关节球轴承分别与第一加载臂和花键轴一端螺纹连接，两个杆端关节轴承在第一加载臂两端对称位置与第一加载臂螺纹连接，而后杆端关节轴承再与冲击加载杆插销连接，花键轴的推力或者拉力能通过第一加载臂作用在冲击加载杆上。

本发明具有以下优点：

(1)本发明冲击加载机构通过移动加载，即便在较高输入力和扭矩情况下也能在冲击加载杆根部实现剪力和弯矩全为零的情况，这样大大保证了输入力与扭矩的连续渐变性，减少跳跃加载的情况；同时，移动加载大大扩大了载荷输入机构的选择范围，使得本机构适用性更强。

(2)本发明采用在冲击加载杆上、下表面加载的方法，在较大输入力和扭矩下也能在冲击加载梁根部得到较小的剪力和弯矩，这一点特别适合将疲劳试验机这种输出较大的装置作为载荷输入机构的情况。

(3)本发明能通过材料和尺寸的合理选择使结构具有很大的刚度，加载过程中的弹性变形较小，其输出响应的滞后较少，并且结构紧凑，安装间隙小。

(4)本发明的冲击加载机构是对称结构设计，两个冲击加载杆根部的响应测试结果能彼此对照；同时保证了加载的对中性，不至于产生偏心弯矩而破坏机构从而对加载结果产生影响；再则，对称结构更能适用于已有的载荷输入机构(如多轴疲劳试验机)上，能够与已有设备很好地结合，经济性好。

(5)本发明的冲击加载机构能够根据载荷输入机构以及试验要求和场地等情况灵活地采用立式、卧式或者倒立安装，也可以按照需求改小尺寸。

附图说明

图1为本发明实施例的结构装配拆分图；

图2为本发明实施例的动态加载过程图；

图3为本发明实施例的主要传动部分的剖分图；

图4为本发明的移动加载锥部件的等轴视图；

图5为本发明的第二加载臂部件的等轴视图；

图6为本发明的冲击加载杆部件的等轴视图；

图7为本发明的螺纹套部件的等轴视图；

图8为本发明的安装桶部件的等轴视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括第一加载臂1、两个杆端关节轴承2、两件冲击加载杆3、两套移动加载锥4、第二加载臂5、两块支架臂夹板6、两个支架臂7、一个安装桶8、一套螺纹套9、两套推力轴承10、一个封盖11、一根花键轴12、两件法兰型花键13、两个插销14、一个关节球轴承15和两根支撑柱16。支架臂7与支架臂夹板6夹持住支撑柱16并通过螺栓将支架臂7与支架臂夹板6连接起来，支架臂7与安装桶8的联接板8-4用螺栓连接，这样形成了整个结构的支撑基础；如图3所示，两套推力轴承10夹持住螺纹套9的安装盘9-3一齐置于安装桶8的挡圈8-5上，封盖11压紧推力轴承10并用螺栓将封盖11与安装桶8的外环8-2连接起来；两个法兰型花键13分别反对称地穿入螺纹套9的内管9-1两端并分别用螺栓将法兰型花键13与内管9-1连接起来，花键轴12光滑穿过两个法兰型花键13；第二加载臂5的导杆5-3光滑地套于安装桶8的导管8-1内，同时螺纹套9的外螺纹9-2与第二加载臂5的内螺纹5-2吻合，这样构成了此结构的核心传动机构；如图1所示，花键轴12下端作为载荷输入端，上端与关节球轴承15螺纹连接，关节球轴承15与第一加载臂1螺纹连接；第一加载臂1的下表面的两端与杆端关节轴承2螺纹连接，杆端关节轴承2与冲击加载杆3的上表面的联接槽3-2用插销14连接；第一加载臂5上表面与移动加载锥4通过螺栓连接，如图4所示，伺服电机4-5驱动蜗杆4-4转动，蜗杆4-4转动驱动移动块4-3在承重导轨4-1上光滑移动，滚珠4-2随之能在冲击加载杆3的联接槽3-2所在面相对的表面上滚动，尺标3-3能直观显示滚珠4-2与冲击加载杆3的接触点到联接槽3-2的距离。

如图2所示，本发明的工作过程如下：加载的时候，花键轴12的载荷输入端与载荷输入机构，如疲劳试验机的输出轴连接，输入的轴向力F，即推、拉力，经过与第一加载臂1连接的杆端关节轴承2而作用于冲击加载杆3上；输入的周向力T，即扭矩，驱使法兰型花键13带动螺纹套9转动，螺纹套9的转动经螺纹传动使得第二加载臂5连同移动加载锥4沿导杆5-3的轴向方向直线运动，进而通过滚珠4-2对冲击加载杆3施加作用力；同时，伺服电机4-5能按照预先设定的程序精确驱动移动块4-3连同滚珠4-2进行直线运动。

关节球轴承15的作用是在连接花键轴12与第一加载臂1的同时，只传递直线运动，并保证花键轴12的周向转动不传递给第一加载臂1。

安装桶8的导管8-1对第二加载臂5的运动起很好的限位作用，保证了加载过程中第二加载臂5的运动平稳性。

图3为本发明实施例的主要传动部分的剖分图，如图3所示，通过安装桶8和封盖11使得推力轴承10将螺纹套9的安装盘9-3夹紧，这样能够将螺纹套9的沿花键轴12轴向方向的力传递给安装桶8；两个法兰型花键13反对称地插入螺纹套9的内管9-1并用螺栓将其与内管9-1连接，而后花键轴12光滑穿过两花键13，这样花键轴12的输入扭矩能驱使螺纹套轴向转动；第二加载臂5的导杆5-3光滑插入安装桶8的导管8-1内，同时内螺纹5-2能与螺纹套9的外螺纹9-2很好吻合，螺纹套9的轴向转动就能转化成第二加载臂5的直线运动。

如图4所示，移动加载锥4由承重导轨4-1、滚珠4-2、移动块4-3、蜗杆4-4和伺服电机4-5组成；承重导轨4-1是主要的承力部件，移动块4-3光滑嵌入承重导轨4-1上但能沿承重导轨4-1直线运动，滚珠4-2光滑嵌入移动块4-3内，蜗杆4-4在承重导轨4-1内穿过移动块4-3并与移动块4-3进行螺纹传动，蜗杆4-4与承重导轨4-1轴承连接，伺服电机4-5在承重导轨4-1外侧的一端与承重导轨4-1螺栓连接，同时伺服电机4-5输出轴与蜗杆4-4固连在一起；伺服电机4-5输出轴转动带动蜗杆4-4转动，驱动移动块4-3连同滚珠4-2直线运动。

如图5所示，第二加载臂5由承载梁5-1、内螺纹5-2和导杆5-3组成；内螺纹5-2是在承载梁5-1上车削加工而成，导杆5-3与承载梁5-1焊接；承载梁5-1、导杆5-3沿内螺纹5-2同一直径方向对称地分布在内螺纹5-2两侧。

如图6所示，冲击加载杆3由联接槽3-2、尺标3-3、钢杆3-1组成；联接槽3-2焊接在钢杆3-1一端，尺标3-3刻制在钢杆3-1的一个侧面上。

如图7所示，螺纹套9包括内管9-1、外螺纹9-2、安装盘9-3；外螺纹9-2是在内管9-1的外壁上机加工车削而成，安装板9-3与内管9-1的一端焊接。

如图8所示，安装桶8由导管8-1、外环8-2、板-桶连接管8-3、联接板8-4、挡圈8-5和管-桶连接管8-6组成，两根板-桶连接管8-3沿外环8-2一直径方向分别对称地与外环8-2和联接板8-4焊接，挡圈8-5是与安装桶8内低面持平后焊接在安装桶8上，两根管-桶连接管8-6在垂直于板-桶连接管8-3轴心线的方向分别对称地与外环8-2和导管8-1焊接。

Claims (4)

1.一种冲击加载机构，其特征在于包括：第一加载臂(1)、两个杆端关节轴承(2)、两件冲击加载杆(3)、两套移动加载锥(4)、第二加载臂(5)、两块支架臂夹板(6)、两个支架臂(7)、一个安装桶(8)、一套螺纹套(9)、两套推力轴承(10)、一个封盖(11)、一根花键轴(12)、两件法兰型花键(13)、两个插销(14)、一个关节球轴承(15)和两根支撑柱(16)；所述的安装桶(8)包括导管(8-1)、外环(8-2)、板-桶连接管(8-3)、联接板(8-4)、挡圈(8-5)和管-桶连接管(8-6)；两根板-桶连接管(8-3)分别对称地与外环(8-2)和联接板(8-4)焊接，两根管-桶连接管(8-5)的分别对称地与外环(8-2)和导管(8-1)焊接；所述的螺纹套(9)包括内管(9-1)、外螺纹(9-2)和安装盘(9-3)，外螺纹(9-2)是在内管(9-1)外壁上机加工车削而成，安装板(9-3)焊接在内管(9-1)一端上；所述移动加载锥(4)包括承重导轨(4-1)、滚珠(4-2)、移动块(4-3)、蜗杆(4-4)和伺服电机(4-5)，移动块(4-3)光滑嵌入承重导轨(4-1)上，蜗杆(4-4)穿过移动块(4-3)并与其螺纹传动，蜗杆(4-4)光滑架于承重导轨(4-1)两侧壁上并与伺服电机(4-5)的输出轴固定连接；第二加载臂(5)由承载梁(5-1)、内螺纹(5-2)和导杆(5-3)组成，内螺纹(5-2)是在承载梁(5-1)上车削加工而成，导杆(5-3)与承载梁(5-1)焊接；

整个冲击加载机构是对称结构且根据需要可以颠倒安装，Z方向与花键轴(12)、两法兰型花键(13)、外环(8-2)、两推力轴承(10)、封盖(11)、螺纹套(8)、关节球轴承(15)轴线重合，Z方向也是整个结构的中心轴方向；以经过两导管(8-1)轴线的面为X-Z平面，Y-Z平面垂直X-Z平面；两根支撑柱(16)、两联接板(8-4)、两板-桶连接管(8-3)、两支架臂(7)、两支架臂夹板(6)沿Y方向分别对称地安装于X-Z平面两侧；两导管(8-1)、两管-桶连接管(8-5)、两承载梁(5-1)、两导杆(5-3)、两移动加载锥(4)、两个杆端关节轴承(2)、两件冲击加载杆(3)和两插销(14)沿X方向分别对称地安装于Y-Z平面两侧；

支撑柱(16)固定于地面或者固定台上，支架臂(7)与支架臂夹板(6)夹持住支撑柱(16)，支架臂(7)与支架臂夹板(6)螺栓连接，两支架臂(7)分别与安装桶(8)的两个联接板(8-4)螺栓连接，两套推力轴承(10)夹持住螺纹套(9)的安装盘(9-3)一齐置于安装桶(8)的挡圈(8-5)上，封盖(11)顶住推力轴承(10)与安装桶(8)的外环(8-2)螺栓连接，两个法兰型花键(13)分别插入螺纹套(9)的内管(9-1)内并在法兰上与内管(9-1)螺栓连接，花键轴(12)光滑穿过两个法兰型花键(13)，花键轴(12)一端作为载荷输入端与关节球轴承(15)螺纹连接，关节球轴承(15)第一加载臂(1)螺纹连接；第一加载臂(1)的每端与一个杆端关节轴承(2)螺纹连接，两个杆端关节轴承(2)分别与一个冲击加载杆(3)的连接槽(3-2)用插销(14)连接；杆端关节轴承(2)能绕插销(14)转动，冲击加载杆(3)的弯曲变形不影响通过杆端关节轴承(2)作用于冲击加载杆(3)的力的方向；螺纹套(9)与第二加载臂(5)之间用螺纹传动，同时第二加载臂(5)的导杆(5-3)光滑地套于安装桶(8)的导管(8-1)内；第二加载臂(5)与移动加载锥(4)螺栓连接，在伺服电机(4-5)驱动蜗杆(4-4)转动，驱动移动块(4-3)在承重导轨(4-1)上光滑移动，滚珠(4-2)随之能在冲击加载杆(3)表面上滚动；滚珠(4-2)与杆端关节轴承(2)分别位于冲击加载杆(3)的对称面上。

2.根据权利要求1所述的冲击加载机构，其特征在于：所述螺纹套(9)的外螺纹(9-2)与第二加载臂(5)的内螺纹(5-2)吻合，通过花键轴(12)的转动能驱使法兰型花键(13)和螺纹套(9)转动，通过螺纹传动驱使第二加载臂(5)直线运动。

3.根据权利要求1所述的冲击加载机构，其特征在于：第二加载臂(5)的直线运动能使移动加载锥(4)同步运动；同时滚珠(4-2)能在伺服电机(4-5)驱动下在冲击加载杆(3)表面上滚动，这样作为冲击加载杆(3)的一个加载点的滚珠(4-2)能在相互垂直的两个方向上运动。

4.根据权利要求1所述的冲击加载机构，其特征在于：花键轴(12)在Z方向的直线运动仅使关节球轴承(15)及与之相连的第一加载臂(1)连同杆端关节轴承(2)同步运动；花键轴(12)绕Z方向的转动仅使法兰型花键(13)及其与之相连的结构一起同步转动，而在关节球轴承(15)作用下，转动不传递给第一加载臂(1)。

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