CN104406777A - 一种三维空间变角度加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维空间变角度加载装置，包括实验试件、采集系统、地面连接工装系统以及通过钢丝绳a连接的传感器系统、滑轮系统和加载系统；实验试件包括试件a、试件b和试件c，地面连接工装系统包括若干个相互平行的地槽，地槽上连接有地梁a和地梁b，滑轮系统包括滑轮a、滑轮b、滑轮c和滑轮d，加载系统包括连接在反力墙上的MTS作动器，传感器系统包括力传感器，采集系统为TDS602数据采集仪。一种三维空间变角度加载装置改变了以往空间加载角度准确性及加载装置适应性差的问题，本装置适用与空间任意角度加载，各部件可拆卸，地面组装方便简捷，试件端部设置有力传感器，数据准确，精度高。
Description
技术领域
本发明属于实验装置技术领域，涉及一种三维空间加载装置，具体涉及一种三维空间变角度加载装置。
背景技术
在传统输电、变电行业中，架空输电塔架或变电构架主要由塔架及挂线梁组成，早期的挂线梁采用角钢组合桁架较多，但由于钢材良好的导电性，由雷击和污闪引起的线路跳闸故障在每年的架空输电线路总的跳闸故障中占了60％以上，长期以来极大地困扰和影响了电网的安全、经济、稳定运行，对于我国南方沿海雷电活动强烈和大气污秽(盐污)严重的地区，则更为严重。近年来，由于FRP复合材料具有轻质高强、绝缘性能好、耐腐蚀等优点，可提高输电线路杆塔的防雷、防污等电气性能并降低运行维护成本，在塔架结构挂线梁中应用越来越多。
不论是采用角钢或FRP复合材料构成的挂线梁，挂线点位置由于导线张力、覆冰、设备及风荷载作用，长期处于三向受力状态，受当地环境气候变化影响，结构极端工况较多，受力复杂。为揭示挂线梁处结构的受力状态、变形及破坏模式，常需要进行试验验证，明确结构的实际力学表现。
一般做法是对三维空间受力的构件设计专用的加载装置，采用X、Y、Z三向同时加载或者按其合力方向加载，但这类装置基本都需要空间安装，空间加载角度准确性及加载装置适应性差，试验误差较大，现场组装麻烦，连接工装多为一次性的，具有很大局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种三维空间变角度加载装置，解决了现有加载装置空间加载角度准确性差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种三维空间变角度加载装置，包括实验试件、采集系统、地面连接工装系统以及通过钢丝绳a连接的传感器系统、滑轮系统和加载系统；
实验试件包括试件a、试件b和试件c，试件a、试件b和试件c的一端连接在反力墙上，试件a、试件b和试件c的另一端重叠组成试件加载点，试件a、试件b、试件c和试件加载点上均设置有应变片和位移计，应变片和位移计与采集系统连接；
地面连接工装系统包括若干个相互平行的地槽，地槽上连接有地梁a和地梁b，地梁a和地梁b上分别均匀设置有若干个圆孔a和圆孔b；
滑轮系统包括滑轮a、滑轮b、滑轮c和滑轮d，滑轮a通过连接板a与圆孔a连接，滑轮b和滑轮c分别通过连接板b和连接板c与圆孔b连接，滑轮b水平设置，滑轮c垂直于滑轮b设置，滑轮d通过连接板d与立柱的侧面垂直连接，立柱还与地梁b垂直连接；
加载系统包括连接在反力墙上的MTS作动器，MTS作动器的加载端连接有端板a，端板a上设置有耳板，耳板设置有圆孔c；
传感器系统包括力传感器，力传感器的两端分别连接有一对连接工装，一个连接工装与试件加载点连接，另一个连接工装连接钢丝绳a的一端，钢丝绳a依次绕过滑轮a、滑轮b、滑轮c和滑轮d，钢丝绳a的另一端通过与圆孔c连接。
本发明的特点还在于，
采集系统为TDS602数据采集仪。
滑轮d与MTS作动器加载端等高。
地梁a和地梁b均采用双腹板H型钢梁，地梁a和地梁b的上下翼缘中间分别设有长圆孔a和长圆孔b，地梁a和地梁b在长圆孔a和长圆孔b处均通过锚栓与地槽锚接。
连接工装包括依次连接的带丝螺杆、平板和端板b，带丝螺杆与力传感器连接，端板b上设置有圆孔c，试件加载点与一个连接工装的圆孔d通过钢丝绳b连接，另一个连接工装的圆孔c连接钢丝绳a的一端。
钢丝绳a和钢丝绳b的连接端均设置有U型夹具。
本发明的有益效果是：一种三维空间变角度加载装置通过地梁a和地梁b及滑轮a、滑轮b、滑轮c和滑轮d，把本来复杂的空间三维加载系统通过调整地面连接来实现，可移动地梁a和地梁b及滑轮a、滑轮b、滑轮c和滑轮d的位置实现空间任意角度静力加载，改变了以往空间加载角度准确性及加载装置适应性差的问题，本装置适用与空间任意角度加载，各部件可拆卸，地面组装方便简捷，试件端部设置有力传感器，数据准确，精度高。
附图说明
图1是本发明一种三维空间变角度加载装置的结构示意图；
图2是本发明一种三维空间变角度加载装置的左视图；
图3是本发明一种三维空间变角度加载装置中地梁a的俯视图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是本发明一种三维空间变角度加载装置中地梁b的俯视图；
图6是图5的B-B剖视图；
图7是本发明一种三维空间变角度加载装置中滑轮d与立柱的连接图；
图8是本发明一种三维空间变角度加载装置中滑轮b与地梁b的连接图；
图9是本发明一种三维空间变角度加载装置中MTS作动器与钢丝绳a的连接图；
图10是本发明一种三维空间变角度加载装置中连接工装的结构示意图。
图中，1.地梁a，2.地槽，3.地梁b，4.圆孔a，5.圆孔b，6.滑轮a，7.滑轮b，8.滑轮c，9.滑轮d，10.连接板a，11.连接板b，12.连接板c，13.连接板d，14.立柱，15.MTS作动器，16.反力墙，17.端板a，18.耳板，19.圆孔c，20.钢丝绳a，21.力传感器，22.长圆孔a，23.长圆孔b，24.锚栓，25.连接工装，26.试件加载点，27.试件a，28.试件b，29.试件c，30.带丝螺杆，31.平板，32.端板b，33.圆孔d，34.钢丝绳b，35.U型夹具，36.应变片，37.位移计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种三维空间变角度加载装置，如图1和图2所示，包括实验试件、采集系统、地面连接工装系统以及通过钢丝绳a20连接的传感器系统、滑轮系统和加载系统；
实验试件包括试件a27、试件b28和试件c29，试件a27、试件b28和试件c29的一端连接在反力墙16上，试件a27、试件b28和试件c29的另一端重叠组成试件加载点26，试件a27、试件b28、试件c29和试件加载点26上均设置有应变片36和位移计37，应变片36和位移计37与采集系统连接；
地面连接工装系统包括若干个相互平行的地槽2，地槽2上连接有地梁a1和地梁b3；
滑轮系统包括滑轮a6、滑轮b7、滑轮c8和滑轮d9，滑轮a6通过连接板a10与圆孔a4连接，滑轮b7和滑轮c8分别通过连接板b11和连接板c12与圆孔b5连接，滑轮b7水平设置，滑轮c8垂直于滑轮b7设置，滑轮d9通过连接板d13与立柱14的侧面垂直连接，立柱14与地梁b3垂直连接；
加载系统包括连接在反力墙16上的MTS作动器15，MTS作动器15的加载端连接有端板a17，端板a17上设置有耳板18，耳板18设置有圆孔c19；
传感器系统包括力传感器21，力传感器21的两端分别连接有一对连接工装25，一个连接工装25与试件加载点26连接，另一个连接工装25连接钢丝绳a20的一端，钢丝绳a20依次绕过滑轮a6、滑轮b7、滑轮c8和滑轮d9，钢丝绳a20的另一端通过与圆孔c19连接；
采集系统为TDS602数据采集仪；
滑轮d9与MTS作动器15加载端等高；
试件加载点26与一个连接工装25的圆孔d33通过钢丝绳b34连接，另一个连接工装25的圆孔c33连接钢丝绳a20的一端；
丝绳a20和钢丝绳b34的连接端均设置有U型夹具35；
如图3和图4所示，地梁a1采用双腹板H型钢梁，地梁a1的上下翼缘中间分别设有长圆孔a22，地梁a1在长圆孔a22处均通过锚栓24与地槽2锚接，地梁a1上均匀设置有若干个圆孔a4；
如图5和图6所示，地梁b3采用双腹板H型钢梁，地梁b3的上下翼缘中间分别设有长圆孔b23，地梁b3在长圆孔b23处均通过锚栓24与地槽2锚接，地梁b3上均匀设置有若干个圆孔b5；
如图7所示，滑轮d9通过连接板d13与立柱14的侧面垂直连接，立柱14还与地梁b3垂直连接；
如图8所示，滑轮b7通过连接板b11与圆孔b5连接，地梁b3上均匀设置有若干个圆孔b5；
如图9所示，MTS作动器15的加载端部连接有端板a17，端板a17上设置有耳板18，耳板18设置有圆孔c19；
如图10所示，连接工装25包括依次连接的带丝螺杆30、平板31和端板b32，带丝螺杆30与力传感器21连接，端板b32上设置有圆孔c33。
实验试件包括试件a27、试件b28和试件c29，试件a27、试件b28和试件c29的一端连接在反力墙16上，试件a27、试件b28和试件c29的另一端重叠组成试件加载点26；试件a27、试件b28和试件c29组成了一个组合横担，组合横担主要是输电线路上悬臂出去挂线用的，挂线点就是实际的荷载作用点或试件合力点。组合横担包括两条斜拉索与一个横杆，试件a27和试件c29表示两条斜拉索，试件b28表示一个横杆，试件加载点26是组合横担的挂线点或试件合力点。
滑轮a6的方向和试件合力方向一致，把空间斜向力转化为平面斜向力；
滑轮b7水平设置，起改变力线方向作用，把斜向力转变为沿Y向的力；
滑轮c8为过渡滑轮，
地梁a1沿斜向合力的投影线布置，地梁b3布置在MTS作动器15相对应的地槽2上。
滑轮d9与立柱14的侧面垂直，立柱14还与地梁b3垂直连接，滑轮d9与MTS作动器15加载端等高，以保证荷载水平传递，不产生附加弯矩或扭矩。其中滑轮a6、滑轮b7、滑轮c8主要起调整力线方向的作用，滑轮d9改变力的Z向高度。
钢丝绳a20通过滑轮a6、滑轮b7、滑轮c8和滑轮d9来改变力的传递路线，钢丝绳a20和钢丝绳b34的连接端均设置有U型夹具35，U型夹具35把丝绳a20和钢丝绳b34加紧，保证加载过程中不被拉脱。
本发明一种三维空间变角度加载装置的使用方法是：首先根据试件a27、试件b28和试件c29受力情况，既组合横担受力情况，计算合力的方向和大小。调整试件a27、试件b28和试件c29及MTS作动器15在反力墙16上的位置，其中，试件加载点26的位置与MTS作动器15的距离需大于1米；试件加载点26到滑轮a6的距离大于1.2米，以保证力传感器21及连接工装25的安装固定。
其次，在确定试件a27、试件b28和试件c29(组合横担)及MTS作动器15的具体位置后，按计算的合力方向和大小，调整地梁a1的位置，保证地梁a1斜向角度与合力角度一致，并用锚栓24把地梁a1固定在地槽2内；然后根据实际加载角度，确定滑轮a6在地梁a1上的位置，并将滑轮a6安装在地梁a1上；如图1所示，用钢丝绳a20和钢丝绳b34，将试件加载点26、力传感器21、滑轮a6、滑轮b7、滑轮c8、滑轮d9和MTS作动器15的加载端部连接，力传感器21用于测量试件加载点26的实际合力大小。
考虑到滑轮组在传力过程中，会有摩擦损失，所以力传感器21设置在靠近试件加载点26的位置，保证采集到的荷载为实际加载的斜向合力。
采集系统采集组合横担中拉索及横杆既试件a27、试件b28和试件c29(组合横担)的应变、位移、试件加载点26的实际荷载。在试件加载点26上布置应变片和位移计，用来采集加载过程中试件加载点26上的应变和位移；力传感器21，用来采集实际加载中试件加载点26的荷载。
滑轮系统根据加载试件的空间角度设计，由于试件a27、试件b28和试件c29(组合横担)的加载角度不一样，需要根据试件a27、试件b28和试件c29(组合横担)的实际空间角度由三角关系计算合力点即试件加载点26的位置和大小，最后根据试件加载点26的角度和位置，确定X、Y向的投影位置。确定合力时，首先根据X、Y向的分力，由力平衡原理计算XY平面的合力和角度，在确定与ZY和ZX面的合力角度。
在滑轮系统布置时，滑轮a6的布置角度与最终的合力角度一致，滑轮a6高度为地梁a1高度加上滑轮a6中心轴的高度，此高度亦为滑轮a6、滑轮b7、滑轮c8滑轮的高度；滑轮b7水平放置，位置在地梁a1和地梁b3中心线沿伸的交点上，滑轮b7高度与滑轮a6高度一致，主要起改变力线方向的作用；滑轮c8垂直于连接板c12放置，滑轮c8距离滑轮b7的水平距离不小于0.5米，滑轮c8高度与a6相同，属于过渡滑轮，保证力线改变方向后传力稳定；滑轮d9布置在立柱14上，与立柱侧面垂直连接，距离滑轮c8的水平距离不小于0.5米，滑轮d9的水平出线高度与MTS作动器15加载高度一致，主要起调整力线高度的作用，保证MTS作动器15加载拉力水平传递，不受扭。其中滑轮b7、滑轮c8和滑轮d9在地梁b3上的力线投影位置在一条直线。需保证滑轮a6、滑轮b7、滑轮c8和滑轮d9进、出力线一致，只传递荷载，改变力线方向，不承担弯矩和受扭。
一种三维空间变角度加载装置通过地梁a1和地梁b3及滑轮a6、滑轮b7、滑轮c8和滑轮d9，把本来复杂的空间三维加载系统通过调整地面连接来实现，可移动地梁a1和地梁b3及滑轮a6、滑轮b7、滑轮c8和滑轮d9的位置实现空间任意角度静力加载，改变了以往空间加载角度准确性及加载装置适应性差的问题，本装置适用与空间任意角度加载，各部件可拆卸，地面组装方便简捷，试件端部设置有力传感器，数据准确，精度高。
Claims (6)
1.一种三维空间变角度加载装置，其特征在于：包括实验试件、采集系统、地面连接工装系统以及通过钢丝绳a(20)连接的传感器系统、滑轮系统和加载系统；
所述实验试件包括试件a(27)、试件b(28)和试件c(29)，试件a(27)、试件b(28)和试件c(29)的一端连接在反力墙(16)上，试件a(27)、试件b(28)和试件c(29)的另一端重叠组成试件加载点(26)，试件a(27)、试件b(28)、试件c(29)和试件加载点(26)上均设置有应变片(36)和位移计(37)，应变片(36)和位移计(37)与采集系统连接；
所述地面连接工装系统包括若干个相互平行的地槽(2)，地槽(2)上连接有地梁a(1)和地梁b(3)，地梁a(1)和地梁b(3)上分别均匀设置有若干个圆孔a(4)和圆孔b(5)；
所述滑轮系统包括滑轮a(6)、滑轮b(7)、滑轮c(8)和滑轮d(9)，滑轮a(6)通过连接板a(10)与圆孔a(4)连接，滑轮b(7)和滑轮c(8)分别通过连接板b(11)和连接板c(12)与圆孔b(5)连接，滑轮b(7)水平设置，滑轮c(8)垂直于滑轮b(7)设置，滑轮d(9)通过连接板d(13)与立柱(14)的侧面垂直连接，立柱(14)还与地梁b(3)垂直连接；
所述加载系统包括连接在反力墙(16)上的MTS作动器(15)，MTS作动器(15)的加载端连接有端板a(17)，端板a(17)上设置有耳板(18)，耳板(18)设置有圆孔c(19)；
所述传感器系统包括力传感器(21)，力传感器(21)的两端分别连接有一对连接工装(25)，一个连接工装(25)与试件加载点(26)连接，另一个连接工装(25)连接钢丝绳a(20)的一端，钢丝绳a(20)依次绕过滑轮a(6)、滑轮b(7)、滑轮c(8)和滑轮d(9)，钢丝绳a(20)的另一端通过与圆孔c(19)连接。
2.根据权利要求1所述一种三维空间变角度加载装置，其特征在于：所述采集系统为TDS602数据采集仪。
3.根据权利要求1所述一种三维空间变角度加载装置，其特征在于：所述滑轮d(9)与MTS作动器(15)加载端等高。
4.根据权利要求1所述一种三维空间变角度加载装置，其特征在于：所述地梁a(1)和地梁b(3)均采用双腹板H型钢梁，地梁a(1)和地梁b(3)的上下翼缘中间分别设有长圆孔a(22)和长圆孔b(23)，地梁a(1)和地梁b(3)在长圆孔a(22)和长圆孔b(23)处均通过锚栓(24)与地槽(2)锚接。
5.根据权利要求1所述一种三维空间变角度加载装置，其特征在于：所述连接工装(25)包括依次连接的带丝螺杆(30)、平板(31)和端板b(32)，带丝螺杆(30)与力传感器(21)连接，端板b(32)上设置有圆孔c(33)，试件加载点(26)与一个连接工装(25)的圆孔d(33)通过钢丝绳b(34)连接，另一个连接工装(25)的圆孔c(33)连接钢丝绳a(20)的一端。
6.根据权利要求5所述一种三维空间变角度加载装置，其特征在于：所述钢丝绳a(20)和钢丝绳b(34)的连接端均设置有U型夹具(35)。
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