CN103364185B - 百兆牛级超大型动静态多功能试验机 - Google Patents

Abstract

一种百兆牛级超大型动静态多功能试验机，其主机构架为龙门式框架，由底座、动横梁、支撑腿、立柱以及工作台组成，横断面为近似三角形的支撑腿垂直竖立在底座的四个角处，并与之以焊接方式制作成一体式钢结构件，在支撑腿两个互相垂直的侧面上通过螺钉各固定一立柱，动横梁在横梁传动系统带动下沿着立柱方向做连续直线移动，且在任意位置处通过弹性夹组件和动横梁锁紧机构与立柱紧固成一体，工作台由多个油缸驱动以实现x、y、z、A、B、C等6自由度运动。该设备具有很好的刚性，适用于承受较大载荷和动态载荷的试验；动横梁可以自由连续移动，实现工作空间无极调节；采用“静压卸荷”方法，减小工作台移动的摩擦力，易于实现对摩擦力的控制。

Description

百兆牛级超大型动静态多功能试验机

技术领域

本发明涉及一种试验机，尤其是一种在仪器仪表领域，用于结构件动静态性能测试的试验机。

背景技术

在建筑、机械、交通运输、地震研究等许多行业和技术领域，往往需要对大型构件进行力学性能测试，所需设备的结构尺寸很大，其要求的施加载荷能力也很大。目前已有的这类技术装备在试验空间、载荷能力尤其动态加载方面还受到诸多限制，在试验操作使用方便性方面也存在不足，使得许多试验无法进行，进而严重影响相关科学技术研究和工程实施的进步与发展。因此，提出一种具有新的结构特点和操作方法，实现达百兆牛载荷能力，并且可靠性高，成本较低的试验机，具有显著意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种百兆牛级超大型动静态多功能试验机，以克服现有技术中设备尺寸大，刚性低、结构复杂，成本较高，载荷能力低的问题。

超大型动静态试验机主机构架为龙门式框架，由底座、动横梁、支撑腿、立柱以及工作台组成。横断面为近似三角形的支撑腿垂直竖立在底座的四个角处，并与之以焊接方式制作成一体式钢结构件；在支撑腿两个互相垂直的侧面上通过螺钉各固定一立柱，动横梁在横梁传动系统带动下沿着立柱方向做连续直线移动，且在任意位置处通过弹性夹组件和动横梁锁紧机构与立柱紧固成一体，工作台由多个油缸驱动以实现x、y、z、A、B、C六自由度运动。

所述立柱由截面为圆形的第一立柱构件与截面为长方形的第二立柱构件组合而成，第二立柱构件的一侧开设有T型槽。

所述第一立柱构件与第二立柱构件是一体结构。

所述第一立柱构件与第二立柱构件通过螺纹紧固在一起。

所述动横梁是钢结构整体组件，由通过螺栓紧固连接在一起的四个弹性夹持组件和一个动横梁主体组成，弹性夹持组件横断面开有槽孔，形成能够容纳立柱从中穿过的外夹瓣和内夹瓣，两组槽孔之间开有圆柱孔。

所述动横梁锁紧机构包括安装在动横梁弹性夹持组件上分别用于夹紧内夹瓣和外夹瓣的内锁紧油缸和外锁紧油缸，以及固定在相应的内锁紧油缸和外锁紧油缸无杆腔端部的内摆动液压缸和外摆动液压缸；内锁紧油缸的第一活塞杆和外锁紧油缸的第二活塞杆的伸出部分纵断面均为T形，且对应的第一杆头部和第二杆头部为削扁盘形，所述内锁紧油缸和外锁紧油缸均为单杆活塞缸，活塞杆内均开设有盲孔；所述内摆动液压缸和外摆动液压缸的输出轴和分别深入内锁紧油缸和外锁紧油缸的活塞杆盲孔内，且输出轴上分别开有第一长键槽和第二长键槽，键槽与固定在活塞缸活塞上的第一平键和第二平键滑动配合；内摆动液压缸和外摆动液压缸只允许转动90°。

利用螺纹传动进行动横梁上下移动的驱动。

所述工作台由14个作动器驱动，分别为布置在双侧的x方向驱动油缸，布置在单侧的y方向驱动油缸和布置在底面的的z方向驱动油缸。

所述z方向驱动油缸底部均通过一个球面副与一个缸底座相连，油缸底座的底平面上开有卸荷油槽，油槽内通以压力油。

本发明的有益效果是：整体龙门框架使得设备具有很好的刚性，适用于承受较大载荷和动态载荷的试验，载荷能力可达100MN以上；动横梁可以自由连续移动，实现了工作空间无极调节；采用“静压卸荷”技术方法，极大减小工作台移动的摩擦力，并且易于实现对摩擦力的控制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本发明的超大型动静态试验机机械结构示意图；

图2为本发明的超大型动静态试验机底座和立柱构成的机器机架示意图；

图3为本发明的超大型动静态试验机支撑腿的断面示意图；

图4为本发明的超大型动静态试验机动横梁装配图；

图5为本发明的超大型动静态试验机动横梁爆炸视图；

图6为本发明的超大型动静态试验机弹性夹持构件横断面示意图；

图7为本发明的超大型动静态试验机弹性夹持构件与立柱配合示意图；

图8为本发明的超大型动静态试验机锁紧油缸活塞杆和摆动油缸输出轴配合示意图；

图9为本发明的超大型动静态试验机弹性夹持构件与立柱夹紧示意图；

图10为本发明的超大型动静态试验机多组动横梁锁紧装置示意图；

图11为本发明的超大型动静态试验机动横梁锁紧装置和长孔排列示意图；

图12为本发明的超大型动静态试验机工作台示意图；

图13为本发明的超大型动静态试验机静压卸荷原理示意图；

图14为本发明的超大型动静态试验机传动机构示意图。

附图标记：1－横梁传动系统、2－支腿、3－动横梁、4－丝杠、5－试件、6－工作台、7-底座、8－x向位移传感器、9－x向驱动油缸、10－x向力传感器、11－z向驱动油缸、12-卸荷油槽、13-y向位移传感器、14-y向驱动油缸、15-z向位移传感器、16-y向力传感器、17-动横梁锁紧机构、18-立柱、181-第一立柱构件、182-第二立柱构件、19-第一定位键、20-第二定位键、21-螺栓、23-T形槽、24-底座上平面、25-动横梁主体、251-凹陷结构、26-弹性夹持组件、261-阶梯突起、271-内锁紧油缸、272-外锁紧油缸、27A-第一活塞杆、27B-第二活塞杆、27C-第一杆头部、27D-第二杆头部、27E-弧面、28-外夹瓣、29-内夹瓣、301-内摆动液压缸、302-外摆动液压缸、30A-内摆动液压缸输出轴、30B-外摆动液压缸输出轴、311-第一长键槽、312-第二长键槽、321-第一长键、322-第二长键、33-长槽、34-长条孔、35-圆柱孔、36-球面副、361-驱动油缸底部、362-油缸底座。

具体实施方式

参考图1，超大型动静态试验机主机构架为龙门式框架，由底座7、动横梁3、支撑腿2、立柱18以及工作台6组成。其中，横断面为近似三角形的支撑腿2垂直竖立在底座7的四个角处，并与之以焊接方式制作成一体式钢结构件，在支撑腿2两个互相垂直的侧面上通过螺钉各固定一立柱18，动横梁3在驱动机构1带动下沿着立柱方向做连续直线移动，且在任意位置处通过横梁锁紧机构17将其和与立柱18紧固成一体，工作台6由x向驱动油缸9、y向驱动油缸14以及z向驱动油缸11驱动以实现x、y、z、A、B、C等6自由度运动。

参考图2和图11，立柱18由截面为圆形的第一立柱构件181与截面为长方形的第二立柱构件182组合而成，第二立柱构件182的一侧开设有T型槽23。在一种实施例中，第一立柱构件181与第二立柱构件182是一体结构。在另一种实施例中，所述第一立柱构件181与第二立柱构件182通过螺纹紧固在一起。

参考图3，第一立柱构件181和第二立柱构件182之间通过螺栓21紧固在一起，两者之间设置有第二定位键20进行定位及传递轴向载荷；同时第二立柱构件182与支撑腿2之间设置有第一定位键19进行定位并传递轴向载荷。

参考图4、图5和图6，动横梁3是钢结构整体组件，由通过螺栓紧固连接在一起的四个弹性夹持组件26和一个动横梁主体25组成。弹性夹持组件26横断面开有槽孔，形成能够容纳立柱18从中穿过的外夹瓣28和内夹瓣29，且内外夹瓣与立柱为间隙配合，两组槽孔之间开有圆柱孔35，用于安装和固定驱动动横梁移动的丝杠螺母机构的螺母。弹性夹持组件261中部具有阶梯突起261，相应地，动横梁主体25具有一凹陷结构251，使得两者能方便可靠地紧固连接。

参考图7到图10，动横梁锁紧机构17包括安装在动横梁弹性夹持组件26上分别用于夹紧内夹瓣29和外夹瓣28的内锁紧油缸271和外锁紧油缸272，以及固定在相应的内锁紧油缸和外锁紧油缸无杆腔端部的内摆动液压缸301和外摆动液压缸302。其中，内锁紧油缸和外锁紧油缸具有相同的结构。内锁紧油缸271的第一活塞杆27A和外锁紧油缸272的第二活塞杆27B的伸出部分纵断面均为T形，且对应的第一杆头部27C和第二杆头部27D为削扁盘形。内锁紧油缸271和外锁紧油缸272均为单杆活塞缸，活塞杆内均开设有盲孔；内摆动液压缸301和外摆动液压缸302的输出轴30A和30B分别深入内锁紧油缸和外锁紧油缸的活塞杆盲孔内，且输出轴上分别开有第一长键槽311和第二长键槽312，以便与固定在活塞缸活塞上的第一平键321和第二平键322滑动配合。为了确保活塞杆端部的工作方向和位置正确，内摆动液压缸和外摆动液压缸只允许转动90°。

参考图9，内锁紧油缸271的活塞杆27A伸出穿过第二立柱构件182的长条孔34以及弹性夹持组件的腰形孔262。然后内摆动液压缸301动作，其输出轴沿图示箭头方向转动90°，同时第一活塞杆27A随之发生转动。当转动到位之后，内锁紧油缸271有杆腔通入压力油，第一杆头部27C的止口与腰形孔262外缘表面接触并压紧，从而使得内夹瓣29与立柱18紧密接触，并产生足够大的夹紧力，确保夹紧可靠。

同理，外锁紧油缸272的活塞杆27B，穿过弹性夹持组件的腰形孔262，进入第二立柱构件182的T形槽23，需要夹紧时，外摆动液压缸302动作，输出轴30B转动90°，同时带动第二活塞杆27B随之发生转动。其中，具有削扁盘形的第二杆头部27D与T型槽配合，使得第二活塞杆27B沿轴线方向不脱离T型槽23。当转动到位之后，外锁紧油缸272有杆腔通入压力油，第二杆头部27D的止口与T形槽23底面接触并压紧，使得外夹瓣28与立柱18紧密接触，并产生足够大的夹紧力，确保夹紧可靠。为了确保活塞杆端部的正确工作方向和位置，内摆动液压缸301和外摆动液压缸302均只允许转动90°。

松开夹紧时，内摆动液压缸301和外摆动液压缸302动作，将第一活塞杆27A和第二活塞杆27B反向转动90°角，随后，内夹紧油缸271和外夹紧油缸272的无杆腔均通入压力油，则第一活塞杆27A退出腰形孔262和长条孔34，第二活塞杆27B退出T形槽23，立柱18与弹性夹持组件26的夹紧被完全松开，动横梁3可以自由上下移动。

参考图8和图9，内摆动液压缸301的输出轴30A与内夹紧油缸271的第一活塞杆27A通过第一平键321滑动配合，并且输出轴30A可伸入第一活塞杆27A内部的盲孔运动，第一杆头部27C具有削扁圆盘形状，且其与T型槽侧面接触的部分为弧面27E，以防止转动时出现卡死。同样地，外摆动液压缸302和外夹紧油缸272也具有相同的结构和功能。

参考图10，动横梁锁紧机构共包括7组，每组包括连接在一起的内夹紧油缸和内摆动液压缸，以及外夹紧油缸和外摆动液压缸，它们均沿着竖直轴线方向安装在弹性夹持组件上，其中弹性夹持组件上设置有分隔不同组夹紧机构的长槽33。

参考图11，第二立柱组件182开设有多个腰形孔262，以使得动横梁3移动到一定位置处时，每组夹紧机构中锁紧油缸的第一活塞杆27A、第二活塞杆27B可以穿过内夹瓣28、外夹瓣29、长条孔34以及腰形孔262，并可以实施夹紧。开设腰形孔规则：h≤D-（S-d）/2，H≥D+（S-d）/2，S>W>d。其中d为活塞缸T型端部的轴断面短边尺寸，s为长边尺寸。D为油缸外径。H和h分别为开孔长度和未开部分的长度

参考图12和图14，工作台6具有6个自由度，其由14个作动器驱动，可以实现x、y、A、B、C五个自由度双向有载运动和z向正向带载运动。工作台6的侧面布置6个双作用液压缸，用于驱动实现试验平台的x、y和C向的双向运动，分别是4个双侧并排布置的x向运动驱动油缸9，2个单侧并排布置的y向驱动油缸14。工作台的底面布置有8个z向驱动油缸11，用于实现试验平台的z向压负荷作用下的运动以及A、B两个方向的倾转运动。

参考图13，在工作台6的底面布置有8个液压油缸，每个液压缸的底部均通过一个球面副36与一个油缸底座362相连。油缸底座362的底平面上开有卸荷油槽12，油槽内通以压力油。该压力油用于试验台在水平面内运动时减小摩擦。卸荷槽通以压力油对工作台产生z向作用力，其大小应该符合的规则是：一直略微小于对应的油缸产生的作用力。此处将这种通过卸荷减小摩擦的方法定义为“静压卸荷”微摩擦支承方法。

Z向驱动油缸11为柱塞式液压缸，其安装于工作台6上，用于驱动工作台Z方向移动并随工作台一起运动。该驱动油缸底部361经球面副36与底座上平面24滑动接触，可在平面内自由运动。油缸的底端设计成特别的静压卸荷结构，即油缸的钢筒底部为一大球面，相应地，油缸底座362具有与之配合的另一大球面，并在其底部平面（与大平面24接触）上开有卸荷槽12。液压油进入封闭的卸荷油腔12，在油缸底端与底座平面接触部分形成压力油膜，使得作用力P的大部分由该油膜承受，其值为P′。只有一小部分载荷由仍然与底座上平面保持固体接触的部分承受，其值为N。设通入液压油缸的压力油和通入卸荷槽的油压分别为p₁和p₂,二者的作用面积分别为A₁、A₂，通过采取相应的控制措施使得P=p₁A₁≈p₂A₂成立。

其中，当p₂A₂<p₁A₁时，可保证油缸底座362不会浮起，但其与底座7之间的摩擦接近于液体摩擦。

当量摩擦系数：

f=F/P≈v+u*N/(p₂A₂)

式中：v——液体摩擦系数，小于0.001；

u——刚对钢干摩擦系数，可取0.15。

通过控制油缸内的压力p₁，可以实现对施加载荷P大小的控制；只要选取合适的柱塞和卸荷腔的面积和液体压力，则可以使摩擦力很小。例如，当u=0.15，v=0.001，N/(p₂A₂)=0.01时，f=0.25%。

参考图14，当所有夹紧机构全部工作，油缸的有杆腔通以压力油，实施夹紧。保持油压不变，从而实现锁紧。当松开锁紧时，动横梁3可以在横梁传动系统1带动下，沿着竖直方向连续移动。动横梁驱动的传动系统是一套丝杠螺母机构，丝杠4采用滚动丝杠，其中在动横梁的水平面内布置4套丝杠螺母机构，并且螺母（未示出）固定在动横梁3上，依靠传动件带动四根丝杠同步转动，进而带动动横梁移动。驱动原动机采用可调速异步电机，在机器的顶部设置电动马达机构，并通过链传动机构带动四根丝杠转动。四套丝杠螺母副传动机构分别布置在动横梁的4个角处。其中的螺母与动横梁弹性夹持组件26上两组槽孔之间的圆柱孔261固定。电动马达和传动机构均具有自锁功能。与之配合的丝杠定位端设在机器的顶部，由球面滚子轴承（未示出）定位。丝杠的低端利用一深沟球轴承（未示出）支承。深沟球轴承固定在立柱18上。

工作时，电动马达驱动的横梁传动系统1驱动丝杠4转动，从而带动动横梁3沿着与支腿2紧固在一起的立柱18作轴向移动，这种移动是连续可调的。动横梁可以在任意位置停止运动，并由于传动机构的自锁而保持位置不变。此时可以通过动横梁锁紧机构17将动横梁3与立柱18以及支腿2紧固在一起，使得动横梁3、支腿2、底座7形成一个整体龙门框架。而安装在在龙门框架中间、底座7之上的工作台6在其周围的液压油缸驱动下可以实现空间6自由度运动。这些油缸包括x向驱动油缸9、y向驱动油缸14、z向驱动油缸11。每个方向的油缸位移分别由x向位移传感器8、y向位移传感器15以及z向位移传感器13检测，x、y向油缸作用力则由x向力传感器10和y向力传感器16检测，z向作用力通过检测油缸内的液体压力间接得到。

由于工作台6具有6个自由度，其可将复杂的运动传递给固定在工作台6和动横梁3之间的试件5上，而且工作台6可以实现在水平面内的大范围运动。这样就可实现对试件施加需要的复杂载荷，从而为检测其相关性能创造条件。

本发明采用弹性夹持、液压锁紧方式，将动横梁牢固夹紧并保持在立柱上，使得机器的整体构架为无连接间隙的整体龙门框架，可以在任意方向上通过优化结构设计使得机器具有良好的刚性，并且有利于降低加工制造成本。由于刚性好，因此除了可用于静态载荷试验以外，还适用于承担动态大载荷试验。由于动横梁可以自由连续移动，实现了工作空间无极调节，因而能很方便的适应试件的不同安装尺寸需要，增强机器操作使用的方便性。采用“静压卸荷”技术方法，极大减小工作台移动的摩擦力，同时简化机器结构，易于实现对摩擦力的。本发明特别适用于承受较大载荷和动态载荷的试验，载荷能力可达100MN以上，工作频率允许1Hz以上，幅值大于500mm。

Claims (9)

1.一种百兆牛级超大型动静态多功能试验机，其主机构架为龙门式框架，由底座（7）、动横梁（3）、支撑腿（2）、立柱（18）以及工作台（6）组成，其特征在于，横断面为近似三角形的支撑腿（2）垂直竖立在底座（7）的四个角处，并与之以焊接方式制作成一体式钢结构件，在支撑腿（2）两个互相垂直的侧面上通过螺钉各固定一立柱（18），动横梁（3）在横梁传动系统（1）带动下沿着立柱方向做连续直线移动，且在任意位置处通过弹性夹组件（26）和动横梁锁紧机构（17）与立柱（18）紧固成一体，工作台（6）由多个油缸驱动以实现x、y、z、A、B、C六自由度运动。

2.根据权利要求1所述的百兆牛级超大型动静态多功能试验机，其特征在于，所述立柱由截面为圆形的第一立柱构件（181）与截面为长方形的第二立柱构件（182）组合而成，第二立柱构件（182）的一侧开设有T型槽（23）。

3.根据权利要求2所述的百兆牛级超大型动静态多功能试验机，其特征在于，所述第一立柱构件（181）与第二立柱构件（182）是一体结构。

4.根据权利要求2所述的百兆牛级超大型动静态多功能试验机，其特征在于，所述第一立柱构件（181）与第二立柱构件（182）通过螺纹紧固在一起。

5.根据权利要求1所述的百兆牛级超大型动静态多功能试验机，其特征在于，所述动横梁（3）是钢结构整体组件，由通过螺栓紧固连接在一起的四个弹性夹持组件（26）和一个动横梁主体（25）组成，弹性夹持组件（26）横断面开有槽孔，形成能够容纳立柱（18）从中穿过的外夹瓣（28）和内夹瓣（29），两组槽孔之间开有圆柱孔（35）。

6.根据权利要求1所述的百兆牛级超大型动静态多功能试验机，其特征在于，所述动横梁锁紧机构（17）包括安装在动横梁弹性夹持组件（26）上分别用于夹紧内夹瓣（29）和外夹瓣（28）的内锁紧油缸（271）和外锁紧油缸（272），以及固定在相应的内锁紧油缸和外锁紧油缸无杆腔端部的内摆动液压缸（301）和外摆动液压缸（302）；内锁紧油缸（271）的第一活塞杆（27A）和外锁紧油缸（272）的第二活塞杆（27B）的伸出部分纵断面均为T形，且对应的第一杆头部（261）和第二杆头部（262）为削扁盘形，所述内锁紧油缸（271）和外锁紧油缸（272）均为单杆活塞缸，活塞杆内均开设有盲孔；所述内摆动液压缸（301）和外摆动液压缸（302）的输出轴（30A）和（30B）分别深入内锁紧油缸和外锁紧油缸的活塞杆盲孔内，且输出轴上分别开有第一长键槽（311）和第二长键槽（312），键槽与固定在活塞缸活塞上的第一平键（321）和第二平键（322）滑动配合；内摆动液压缸（301）和外摆动液压缸（302）只允许转动90°。

7.根据权利要求1所述的百兆牛级超大型动静态多功能试验机，其特征在于，利用螺纹传动进行动横梁（3）上下移动的驱动。

8.根据权利要求1所述的百兆牛级超大型动静态多功能试验机，其特征在于，所述工作台（6）由14个作动器驱动，分别为布置在双侧的x方向驱动油缸（9），布置在单侧的y方向驱动油缸（14）和布置在底面的的z方向驱动油缸（11）。

9.根据权利要求8所述的百兆牛级超大型动静态多功能试验机，其特征在于，z方向驱动油缸底部（361）均通过一个球面副（36）与一个缸底座（362）相连，油缸底座（362）的底平面上开有卸荷油槽（12），油槽内通以压力油。