CN103487334B - 三自由度动态压剪试验机 - Google Patents

Abstract

三自由度动态压剪试验机属于仪器仪表技术领域，目的在于解决现有技术存在的结构复杂、工作空间调整困难的问题。本发明包括龙门框架和工作台；龙门框架包括底座、立柱和动横梁，动横梁在液压油缸A的带动下沿立柱实现上下滑动，通过动横梁夹紧机构将动横梁与立柱紧固在一起；x向驱动油缸驱动工作台在底座上相对滑动，两个z向驱动油缸驱动工作台实现z方向的直线运动和绕y轴的回转运动，动横梁下方固定的上压板与所述工作台配合实现对试件的压紧、剪切和转角。本发明通过两个液压油缸A驱动动横梁连续移动，结构简单、操作方便，便于加工和安装；液压油缸B装有回程有弹簧，减少了油管布置，采用两个z向驱动油缸下置的方式，受力状态好。

Description

三自由度动态压剪试验机

技术领域

本发明属于仪器仪表技术领域，具体涉及一种三自由度动态压剪试验机。

背景技术

压剪试验机主要应用于橡胶支座的性能检测试验，现有的压剪试验机多为双剪型的静态试验机，即两个橡胶支座叠置放置，在两个支座的中间放置拉板，对支座施加轴向压作用力后，抽拉拉板使支座产生剪切应力，这种试验机只能做单向剪切试验，通常施加静态力；现有技术中可以进行动态试验的压剪试验机为双框架结构，即轴向力、剪切力分别由两个框架承担。为了简化结构，提高刚性，一般动横梁不作连续移动，工作空间调整较为困难，结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的结构复杂、工作空间调整困难的问题，提出一种多功能、高性能的三自由度动态压剪试验机。

为实现上述目的，本发明的三自由度动态压剪试验机包括龙门框架和工作台；所述龙门框架包括底座、立柱和动横梁，所述动横梁在液压油缸A的带动下沿立柱实现上下滑动，当动横梁移动至需要的位置后，通过动横梁夹紧机构将所述动横梁与立柱紧固在一起；

所述试验机还包括x向驱动油缸和两个z向驱动油缸，所述x向驱动油缸一端与所述工作台通过铰链连接，另一端通过铰链与底座固定连接，所述两个z向驱动油缸的一端与工作台台板下表面固定连接，另一端与底座上的大平面保持平面接触；

所述x向驱动油缸驱动所述工作台通过x向导轨在所述龙门框架的底座上实现相对滑动，所述两个z向驱动油缸驱动所述工作台实现z方向的直线运动和绕y轴的回转运动，所述动横梁下方固定连接有上压板，所述上压板与所述工作台配合实现对试件的压紧、剪切和转角。

所述动横梁两端分别设置有开口的通孔，所述通孔与非整圆柱体间隙配合，所述非整圆柱体通过开有T型槽的连接块与所述立柱固连在一起，所述非整圆柱体与底座固定连接。

所述夹紧机构为液压油缸B，所述液压油缸B的端盖上开有键槽，所述键槽与活塞杆上的平键配合，所述液压油缸B的活塞杆端部为丁字形结构，所述动横梁上设置的通孔的开口处对称设置有在外力作用下可以产生变形的夹瓣，所述两个夹瓣与所述开有T型槽的连接块留有间隙余量，所述开有T型槽的连接块的两侧在竖直方向对称开有T型槽，所述活塞杆端部的丁字形结构穿过夹瓣与所述T型槽配合，实现相对滑动，两端对称设置的一对液压油缸的活塞缸同时向相反方向运动，实现对非整圆柱体的夹紧和松开。

所述液压油缸B的结构是一种单活塞杆、单作用缸，所述液压油缸B的有杆腔通压力油，无杆腔设置有复位弹簧，当有杆腔通入压力油后，实施夹紧的同时，活塞压缩复位弹簧，当有杆腔回油时，复位弹簧推动活塞和活塞杆移动，使夹紧松开。

所述动横梁在液压油缸A的带动下沿立柱实现上下滑动具体为：所述动横梁的左右两侧分别设置有液压油缸A，所述液压油缸A为单杆活塞式液压油缸，所述单杆活塞式液压油缸的一端通过球铰与顶横梁连接，另一端通过球铰与动横梁连接。

所述x向导轨为两长方体构件A，所述x向导轨的一侧平面与x向平行，与底座垂直。

所述z向驱动油缸为柱塞式液压缸，所述柱塞式液压缸包括缸筒、柱塞、柱面凹和柱塞杆；所述柱塞为中空的柱塞筒，柱塞筒底部放置有一柱面凹，柱塞杆端部为一柱面凸，与柱塞筒底部的柱面凹形成柱面副；所述柱塞式液压缸的柱塞通过一个柱面铰链与工作台固定连接，所述柱塞式液压缸的缸筒的底部平面开有卸荷槽，所述缸筒的底部平面与所述底座的大平面接触，在底座的大平面内做x向滑动，卸荷槽与该大平面形成一个间隙密封油腔，所述密封油腔内通入压力油，产生卸荷力，卸荷力P1与柱塞输出作用力P同轴，且存在关系：P1∝P，P-P1>0，P1≈P。

所述非整圆柱体与底座固定连接具体为：锥形套内孔与非整圆柱体外圆过渡配合，插入底座的孔中，由螺母B确定非整圆柱体的轴向位置，并在立柱上部受向上的轴向最大载荷情况下，通过螺母A将锥形套向下推，使锥形套的外表面与底座上的孔的表面紧密接触，消除径向间隙。

所述试验机还包括x向位移传感器、z向位移传感器和测力传感器；所述测力传感器与x向驱动油缸的活塞杆同工作台连接一侧串联同轴安装，检测x向驱动油缸的输出轴向作用力；所述x向驱动油缸和z向驱动油缸分别设有x向位移传感器和z向位移传感器，所述x向位移传感器的运动方向与所述x向运动驱动油缸的轴线方向平行；所述z向位移传感器的运动方向与所述z向驱动油缸的轴线方向平行。

本发明的有益效果为：本发明的三自由度动态压剪试验机的动横梁与立柱和底座通过液压锁紧形成整体龙门框架，无间隙，提高了系统工作刚性，适合于动态试验；液压油缸A的一端通过球铰与顶横梁连接，另一端通过球铰与动横梁连接，在动横梁的左右两侧各安装一个液压油缸A，通过两个液压油缸A驱动动横梁连续移动，操作简单，便于加工和安装使机器结构更简单实用，实现工作空间连续可调；动横梁夹紧机构的液压油缸B装有回程有弹簧，端盖上开有键槽，与活塞杆上的键配合，防止活塞杆转动，操作简化的同时减少了油管布置，便于控制，键槽的开设，限制了活塞杆的转动；采用两个z向驱动油缸下置的方式，受力状态好，易于控制工作台绕y轴的转动，静压支承，采用间隙密封，结构更简单；采用单龙门框架，双油缸下置，受力状态好。

附图说明

图1为本发明的三自由度动态压剪试验机传动原理图；

图2为本发明的三自由度动态压剪试验机整体结构示意图；

图3为本发明的三自由度动态压剪试验机动横梁夹紧结构示意图；

图4为图3的局部放大图；

图5为图1的局部放大图；

图6为本发明的三自由度动态压剪试验机非整圆柱体与底座连接结构示意图；

图7为本发明的三自由度动态压剪试验机的静力计算模型示意图；

图8为本发明的三自由度动态压剪试验机的工作台绕y轴转动模型示意图；

图9为本发明的三自由度动态压剪试验机静压支承力计算模型图；

图10为本发明的三自由度动态压剪试验机的夹紧油缸B结构示意图；

图11为本发明的三自由度动态压剪试验机的z向驱动油缸结构示意图；

其中：1、立柱，2、液压油缸A，3、动横梁，4、上压板，5、试件，6、x向驱动油缸，7、底座，8、x向位移传感器，9、测力传感器，10、卸荷槽，11、z向驱动油缸，1101、缸筒，1102、柱塞，1103、柱面凹，1104、柱塞杆，12、z向位移传感器，13、柱面副，14、工作台，15、动横梁夹紧机构，16、x向导轨，17、非整圆柱体，18、开有T型槽的连接块，19、液压油缸B，20、夹瓣，21、大平面，22、复位弹簧，23、平键，24、长方体构件B，25、端盖，26、活塞杆，27、螺母A，28、锥形套，29、螺母B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1和附图2，本发明的三自由度动态压剪试验机包括龙门框架和工作台14；所述龙门框架包括底座7、立柱1和动横梁3，所述动横梁3在液压油缸A2的带动下沿立柱1实现上下滑动，当动横梁3移动至需要的位置后，通过动横梁夹紧机构15将所述动横梁3与立柱1紧固在一起；

所述试验机还包括x向驱动油缸6和两个z向驱动油缸11，所述x向驱动油缸6一端与所述工作台14通过铰链连接，另一端通过铰链与底座7固定连接，所述两个z向驱动油缸11的一端与工作台14台板下表面固定连接，另一端与底座7上的大平面21保持平面接触；

所述x向驱动油缸6驱动所述工作台14通过x向导轨16在所述龙门框架的底座7上实现相对滑动，所述两个z向驱动油缸11驱动所述工作台14实现z方向的直线运动和绕y轴的回转运动，所述动横梁3下方固定连接有上压板4，所述上压板4与所述工作台14配合实现对试件5的压紧、剪切和转角。

所述动横梁3两端分别设置有开口的通孔，所述通孔与非整圆柱体17间隙配合，所述非整圆柱体17通过开有T型槽的连接块18与所述立柱1固连在一起，所述非整圆柱体17与底座7固定连接。

参见附图3、附图4、附图5和附图10，所述动横梁夹紧机构15为液压油缸B19，固定于夹瓣20上的长方体构件B24上开设有阶梯圆孔，形成液压缸体，每个阶梯圆孔内安装一活塞和活塞杆26，所述液压油缸B19的端盖25上开有键槽，所述键槽与活塞杆26上的平键23配合，所述液压油缸B19的活塞杆26端部为丁字形结构，所述动横梁3上设置的通孔的开口处对称设置有在外力作用下可以产生变形的夹瓣20，所述两个夹瓣20与所述开有T型槽的连接块18留有一定的间隙余量，所述开有T型槽的连接块18的两侧在竖直方向对称开有T型槽，所述活塞杆26端部的丁字形结构穿过夹瓣20与所述T型槽配合，实现相对滑动，两端对称设置的一对液压油缸的活塞缸同时向相反方向运动，实现对非整圆柱体17的夹紧和松开。

所述液压油缸B19的结构是一种单活塞杆26、单作用缸，所述液压油缸B19的有杆腔通压力油，无杆腔设置有复位弹簧22，当有杆腔通入压力油后，实施夹紧的同时，活塞压缩复位弹簧22，当有杆腔回油时，复位弹簧22推动活塞和活塞杆26移动，使夹紧松开。

所述动横梁3在液压油缸A2的带动下沿立柱1实现上下滑动具体为：所述动横梁3的左右两侧分别设置有液压油缸A2，所述液压油缸A2为单杆活塞式液压油缸，所述单杆活塞式液压油缸的一端通过球铰与顶横梁连接，另一端通过球铰与动横梁3连接。

所述x向导轨16为两长方体构件A，所述x向导轨16的一侧平面与x向平行，与底座7垂直。

参见附图11，所述z向驱动油缸11为柱塞式液压缸，所述柱塞式液压缸包括缸筒1101、柱塞1102、柱面凹1103和柱塞杆1104；所述柱塞1102为中空的柱塞筒，柱塞筒底部放置有一柱面凹1103，柱塞杆1104端部为一柱面凸，所述柱面凸与柱塞筒底部的柱面凹1103形成柱面副13；该柱面副13有效限制了除绕y轴回转运动以外的所有回转运动，提高了工作台的稳定性。所述柱塞式液压缸的柱塞通过一个柱面铰链与工作台14固定连接，所述柱塞式液压缸的缸筒的底部平面开有卸荷槽10，所述缸筒的底部平面与所述底座7的大平面21接触，由此连同连接于工作台14上的各个零部件一起可以由x向驱动油缸6驱动，在底座7的大平面21内做x向滑动，卸荷槽10与该大平面21形成一个间隙密封油腔，所述密封油腔内通入压力油，产生卸荷力，卸荷力P1与柱塞输出作用力P同轴，且存在关系：P1∝P，P-P1>0，P1≈P。

参见附图6，所述非整圆柱体17与底座7固定连接具体为：锥形套28内孔与非整圆柱体17外圆过渡配合，插入底座7的孔中，由螺母B29确定非整圆柱体17的轴向位置，并在立柱1上部受向上的轴向最大载荷情况下，通过螺母A27将锥形套28向下推，使锥形套28的外表面与底座7上的孔的表面紧密接触，消除径向间隙。

所述试验机还包括x向位移传感器8、z向位移传感器12和测力传感器9；所述测力传感器9与x向驱动油缸6的活塞杆26同工作台14连接一侧串联同轴安装，检测x向驱动油缸6的输出轴向作用力；所述x向驱动油缸6和z向驱动油缸11分别设有x向位移传感器8和z向位移传感器12，所述x向位移传感器8的运动方向与所述x向运动驱动油缸的轴线方向平行；所述z向位移传感器12的运动方向与所述z向驱动油缸11的轴线方向平行。

参见附图7，对工作台14进行静力分析：

根据静力平衡原理，可得如下关系式：

P＝N₁+N₂-W

T＝F+F₁；

T·h+N₁·(L+e)-N₂·(L-e)-F₁·(H+h)-W·e＝0

式中：图中，P为试件5受到的作用力；N₁、N₂分别为左右侧z向油缸中心处的支反力；W为工作台14部件的重力；T为x向油缸推力；F为试件5顶部摩擦力；F₁为z向油缸底端摩擦力；e为受力偏心距；L为z向油缸中心距之半；h为x向油缸推力中心线与下压板的距离；H为x向油缸推力中心线与大平面21的距离。

设T=ke，则e=T/k（其中k为刚度系数），则有：

$\frac{T\·h+P(L+e)-F_1\·(H+h)\mathrm{WL}}{2L}=N_2;$

据此可以设计机器结构的几何尺寸，取N2<2/3P，计算两个油缸的中心距为：

$L>\frac{T\&CenterDot;h+\mathrm{Pe}-F_1\&CenterDot;(H+h)}{1/3P-W};$

参见附图8，绕Y轴转动计算，设转动角度为θ，则两个油缸的z向位移差值：

ΔS＝2L·tgθ；

参见附图9静压支承原理与卸荷槽10的开设与静压支承力计算，卸荷槽10内的流量与压力：

$Q=\frac{R_{h1}}{1+\frac{R_{h1}}{R_h}}p\&ap;R_{h1}\&CenterDot;p;$

式中：R_h为缝隙液阻，R_h1为外部并联节流元件的液阻，且满足R_h>>R_h1。

以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制。

Claims (8)

1.三自由度动态压剪试验机包括龙门框架和工作台(14)；其特征在于，所述龙门框架包括底座(7)、立柱(1)和动横梁(3)，所述动横梁(3)在液压油缸A(2)的带动下沿立柱(1)实现上下滑动，当动横梁(3)移动至需要的位置后，通过动横梁夹紧机构(15)将所述动横梁(3)与立柱(1)紧固在一起；

所述试验机还包括x向驱动油缸(6)和两个z向驱动油缸(11)，所述x向驱动油缸(6)一端与所述工作台(14)通过铰链连接，另一端通过铰链与底座(7)固定连接，所述两个z向驱动油缸(11)的一端与工作台(14)台板下表面固定连接，另一端与底座(7)上的大平面(21)保持平面接触；

所述x向驱动油缸(6)驱动所述工作台(14)通过x向导轨(16)在所述龙门框架的底座(7)上实现相对滑动，所述两个z向驱动油缸(11)驱动所述工作台(14)实现z方向的直线运动和绕y轴的回转运动，所述动横梁(3)下方固定连接有上压板(4)，所述上压板(4)与所述工作台(14)配合实现对试件(5)的压紧、剪切和转角；

所述动横梁(3)两端分别设置有开口的通孔，所述通孔与非整圆柱体(17)间隙配合，所述非整圆柱体(17)通过开有T型槽的连接块(18)与所述立柱(1)固连在一起，所述非整圆柱体(17)与底座(7)固定连接。

2.根据权利要求1所述的三自由度动态压剪试验机，其特征在于，所述非整圆柱体(17)与底座(7)固定连接具体为：锥形套(28)内孔与非整圆柱体(17)外圆过渡配合，插入底座(7)的孔中，由螺母B(29)确定非整圆柱体(17)的轴向位置，并在立柱(1)上部受向上的轴向最大载荷情况下，通过螺母A(27)将锥形套(28)向下推，使锥形套(28)的外表面与底座(7)上的孔的表面紧密接触，消除径向间隙。

3.根据权利要求1所述的三自由度动态压剪试验机，其特征在于，所述夹紧机构为液压油缸B(19)，所述液压油缸B(19)的端盖(25)上开有键槽，所述键槽与活塞杆(26)上的平键(23)配合，所述液压油缸B(19)的活塞杆(26)端部为丁字形结构，所述动横梁(3)上设置的通孔的开口处对称设置有在外力作用下可以产生变形的夹瓣(20)，所述两个夹瓣(20)与所述开有T型槽的连接块(18)留有间隙余量，所述开有T型槽的连接块(18)的两侧在竖直方向对称开有T型槽，所述活塞杆(26)端部的丁字形结构穿过夹瓣(20)与所述T型槽配合，实现相对滑动，两端对称设置的一对液压油缸的活塞缸同时向相反方向运动，实现对非整圆柱体(17)的夹紧和松开。

4.根据权利要求3所述的三自由度动态压剪试验机，其特征在于，所述液压油缸B(19)的结构是一种单活塞杆、单作用缸，所述液压油缸B(19)的有杆腔通压力油，无杆腔设置有复位弹簧(22)，当有杆腔通入压力油后，实施夹紧的同时，活塞压缩复位弹簧(22)，当有杆腔回油时，复位弹簧(22)推动活塞和活塞杆(26)移动，使夹紧松开。

5.根据权利要求1所述的三自由度动态压剪试验机，其特征在于，所述动横梁(3)在液压油缸A(2)的带动下沿立柱(1)实现上下滑动具体为：所述动横梁(3)的左右两侧分别设置有液压油缸A(2)，所述液压油缸A(2)为单杆活塞式液压油缸，所述单杆活塞式液压油缸的一端通过球铰与顶横梁连接，另一端通过球铰与动横梁(3)连接。

6.根据权利要求1所述的三自由度动态压剪试验机，其特征在于，所述x向导轨(16)为两长方体构件A，所述x向导轨(16)的一侧平面与x向平行，与底座(7)垂直。

7.根据权利要求1所述的三自由度动态压剪试验机，其特征在于，所述z向驱动油缸(11)为柱塞式液压缸，所述柱塞式液压缸包括缸筒(1101)、柱塞(1102)、柱面凹(1103)和柱塞杆(1104)；所述柱塞(1102)为中空的柱塞筒，柱塞筒底部放置有一柱面凹(1103)，柱塞杆(1104)端部为一柱面凸，所述柱面凸与柱塞筒底部的柱面凹(1103)形成柱面副(13)；所述柱塞式液压缸的柱塞通过一个柱面铰链与工作台(14)固定连接，所述柱塞式液压缸的缸筒的底部平面开有卸荷槽(10)，所述缸筒的底部平面与所述底座(7)的大平面(21)接触，在底座(7)的大平面(21)内做x向滑动，卸荷槽(10)与该大平面(21)形成一个间隙密封油腔，所述密封油腔内通入压力油，产生卸荷力，卸荷力P1与柱塞输出作用力P同轴，且存在关系：P1∝P，P-P1>0，P1≈P。

8.根据权利要求1所述的三自由度动态压剪试验机，其特征在于，所述试验机还包括x向位移传感器(8)、z向位移传感器(12)和测力传感器(9)；所述测力传感器(9)与x向驱动油缸(6)的活塞杆(26)同工作台(14)连接一侧串联同轴安装，检测x向驱动油缸(6)的输出轴向作用力；所述x向驱动油缸(6)和z向驱动油缸(11)分别设有x向位移传感器(8)和z向位移传感器(12)，所述x向位移传感器(8)的运动方向与所述x向运动驱动油缸的轴线方向平行；所述z向位移传感器(12)的运动方向与所述z向驱动油缸(11)的轴线方向平行。