CN104655491A - 一种三向力学试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三向力学试验平台，它包括由上承力板、中承力板和下承力板组成的三层式结构，下承力板沿X方向的两侧固定设置有X向导轨，中承力板与下承力板之间设置有X向滚子排，中承力板与X向导轨之间设置有X侧向滚子排；中承力板沿Y方向的两侧固定设置有Y向导轨，上承力板与中承力板之间设置有Y向滚子排，上承力板与Y向导轨之间设置有Y侧向滚子排；中承力板X向一侧固定连接有X加载头，上承力板Y向一侧连接有Y加载头，Y加载头与上承力板之间设置有解耦机构。本发明的运动范围大、承载能力强、试验精度高、可实现三向独立加载，通过本发明可对试验对象进行单向、双向或三向力学试验。

Description

一种三向力学试验平台

技术领域

本发明属于试验测试装置技术领域，尤其涉及一种三向力学试验平台。

背景技术

传统的力学试验平台多为单向和双向，在进行单向试验时，通常将试验对象一端置于平台上，另一端与加载机构连接，通过加载不同的载荷，可获得试验对象静态或动态力学特性。在双向力学试验中，试验对象在两个方向上连接有加载机构，一般通过简单的铰或滚柱来降低各向运动的影响，此种方式虽可在一定程度上保证试验方法的正确性，但试验精度低且受结构限制可实现的运动范围较小。

对于三向力学试验，由于很难保证三向加载的独立性，传统力学试验平台即使经过简单的设备改造也无法满足试验要求。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种运动范围大、承载能力强、试验精度高、可实现三向独立加载的三向力学试验平台，通过本发明可对试验对象进行单向、双向或三向力学试验。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种三向力学试验平台，它包括由上承力板、中承力板和下承力板组成的三层式结构，所述下承力板沿X方向的两侧固定设置有X向导轨，所述中承力板位于所述X向导轨之间，所述中承力板与下承力板之间设置有X向滚子排，所述中承力板与X向导轨之间设置有X侧向滚子排；所述中承力板沿Y方向的两侧固定设置有Y向导轨，所述上承力板位于所述Y向导轨之间，所述上承力板与中承力板之间设置有Y向滚子排，所述上承力板与Y向导轨之间设置有Y侧向滚子排；所述中承力板X向一侧固定连接有X加载头，所述上承力板Y向一侧连接有Y加载头，Y加载头与上承力板之间设置有解耦机构。

所述上承力板的上方设置有支架，所述支架上与上承力板对应的位置处开设有与上承力板相垂直的导向孔，所述导向孔内穿过设置有Z加载头，所述Z加载头的轴与所述导向孔之间设置有滑键。

所述解耦机构包括解耦机构框体、解耦滑块、解耦滚子排、销轴和Y加载导向机构；所述解耦机构框体上开设有沿X向的解耦导轨槽，所述解耦滑块位于所述解耦导轨槽内，所述解耦滑块两侧与所述解耦导轨槽内壁之间设置有所述解耦滚子排，所述解耦滚子排由解耦滚子列和解耦滚子保持架组成，所述解耦滚子保持架上开设有与解耦滚子列相配合的呈栅格结构排列的解耦滚子定位孔，所述解耦滚子列的每个滚子均设置在所述解耦滚子定位孔中，所述解耦滚子定位孔中的滚子两侧分别与解耦滑块和解耦导轨槽内壁滚动连接；所述Y加载头与解耦滑块通过销轴连接；所述Y加载导向机构的顶部设置有与Y加载头相配合Y加载导轨，Y加载头与Y加载导向机构通过所述Y加载导轨滑动连接。

所述解耦滑块包括可分离的第一滑块和第二滑块，所述第一滑块上设置有定位凸台，所述第二滑块上开设有与所述定位凸台相配合的定位槽；所述第一滑块的外侧与所述解耦滚子排滚动连接，第一滑块的内侧与第二滑块的内侧通过所述定位凸台和定位槽配合连接，所述第二滑块的外侧与所述解耦滚子排滚动连接；所述定位凸台与所述定位槽的间隙中设置有分别向第一滑块和第二滑块扩张的碟簧。

所述X向滚子排由X向滚子列和X向滚子保持架组成，所述X向滚子保持架上开设有与X向滚子列相配合的呈栅格结构排列的X向滚子定位孔，所述X向滚子列的每个滚子均设置在所述X向滚子定位孔中，所述X向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述中承力板和所述下承力板滚动连接；

所述X侧向滚子排由X侧向滚子列和X侧向滚子保持架组成，所述X侧向滚子保持架上开设有与X侧向滚子列相配合的呈栅格结构排列的X侧向滚子定位孔，所述X侧向滚子列的每个滚子均设置在所述X侧向滚子定位孔中，所述X侧向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述中承力板和所述X向导轨滚动连接；

所述Y向滚子排由Y向滚子列和Y向滚子保持架组成，所述Y向滚子保持架上开设有与Y向滚子列相配合的呈栅格结构排列的Y向滚子定位孔，所述Y向滚子列的每个滚子均设置在所述Y向滚子定位孔中，所述Y向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述中承力板和所述上承力板滚动连接；

所述Y侧向滚子排由Y侧向滚子列和Y侧向滚子保持架组成，所述Y侧向滚子保持架上开设有与Y侧向滚子列相配合的呈栅格结构排列的Y侧向滚子定位孔，所述Y侧向滚子列的每个滚子均设置在所述Y侧向滚子定位孔中，所述Y侧向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述上承力板和所述Y向导轨滚动连接。

所述X加载头处设置有X向加载缸，X向加载缸的施力端与所述X加载头连接；所述Y加载头处设置有Y向加载缸，Y向加载缸的施力端与所述Y加载头连接；所述Z加载头处设置有Z向加载缸，Z向加载缸的施力端与所述Z加载头连接。

所述X向加载缸、Y向加载缸和Z向加载缸上连接有数据采集处理系统。

本发明的有益效果：采用上述技术方案，上承力板、中承力板、下承力板、X向导轨、Y向导轨、解耦机构、X向滚子排、X侧向滚子排、Y向滚子排、Y侧向滚子排等构成试验平台机械部分，试验平台机械部分连接有X向加载缸、Y向加载缸、Z向加载缸及数据采集处理系统，由于各机构的限制，试验平台仅具有沿X向、Y向、Z向共三个移动自由度，X加载头处设置有X向加载缸，Y加载头处设置有Y向加载缸， Z加载头处设置有Z向加载缸，X向加载缸、Y向加载缸和Z向加载缸均可独立进行加载和数据采集，试验对象固定于试验平台的上承力板上，借助于本发明可进行单向、双向或三向的拉压试验。

支架上与上承力板对应的位置处开设有与上承力板相垂直的导向孔，所述导向孔内穿过设置有Z加载头，所述Z加载头的轴与所述导向孔之间设置有滑键，该结构设计对Z加载头约束了除Z向移动外的其他5个自由度，保证了Z向加载方向的准确性和稳定性。

下承力板的沿X方向的两侧固定设置有X向导轨，所述中承力板位于所述X向导轨之间，所述中承力板与下承力板之间设置有X向滚子排，所述中承力板与X向导轨之间设置有X侧向滚子排，所述中承力板沿Y方向的两侧固定设置有Y向导轨，所述上承力板位于所述Y向导轨之间，所述上承力板与中承力板之间设置有Y向滚子排，所述上承力板与Y向导轨之间设置有Y侧向滚子排，X向运动和Y向运动通过各自的导轨和侧向滚子排来保证加载方向的准确性和稳定性， X向和Y向的运动分为两层，中承力板进行X向运动，上承力板进行Y向运动。在上承力板和中承力板之间设置的Y向滚子排，可保证在Z向加载后Y向的正常运动，并将Z向载荷向下传递。在中承力板和下承力板之间设置的X向滚子排，可保证在Z向加载后X向的正常运动，并将Z向载荷向下传递至下承力板，最终传递至地面。

Y加载头与上承力板之间设置有解耦机构，X向和Y向的运动通过解耦机构可实现各向的独立运动，该机构由1个与X轴同向的移动副（解耦导轨槽）、1个与Y轴同向的移动副（Y加载导向机构）及1个转动副（销轴）组成，解耦机构可实现在不改变原有各运动方向和运动精度的前提下，保证X向和Y向的独立运动。

X向滚子排、X侧向滚子排、Y向滚子排、Y侧向滚子排和解耦滚子排的结构设计，使各滚子排与其两侧的结构均以滚动摩擦的形式实现滚动运动。

解耦滑块包括可分离的第一滑块和第二滑块，所述第一滑块上设置有定位凸台，所述第二滑块上开设有与所述定位凸台相配合的定位槽，所述第一滑块的外侧与所述解耦滚子排滚动连接，第一滑块的内侧与第二滑块的内侧通过所述定位凸台和定位槽配合连接，所述第二滑块的外侧与所述解耦滚子排滚动连接，所述定位凸台和定位槽的配合作用，可限制滑块的侧向滑移。

所述定位凸台与所述定位槽的间隙中设置有分别向第一滑块和第二滑块扩张的碟簧，第一滑块和第二滑块在碟簧的作用下向两侧扩张，以实现解耦滑块的自涨紧功能，解耦滑块可将解耦滚子排压紧于解耦导轨槽内壁上，避免了解耦滚子排与接触面之间的滑动。

与传统试验平台相比，本发明采用全新的结构和原理，可进行现有技术无法实现的三向力学试验，且运动范围大、承载能力强、试验精度高。使用本发明进行单向试验，相比现有平台其加载方向更准确，进行动态试验时加载方向更稳定。进行双向试验时，本发明有效行程远远大于传统平台，且精度更高，容许载荷更大。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中上承力板、中承力板和下承力板部位的结构示意图；

图3是本发明中解耦机构部位的结构示意图；

图4是本发明中解耦滑块部位的结构俯视图；

图5是本发明中解耦滑块部位的结构爆炸图；

图6是本发明中支架部位的结构示意图；

图7是本发明中水平双向运动机构简图；

图8是实施例中橡胶支座多向力学性能试验的水平加载轨迹图；

图9是实施例中橡胶支座多向力学性能试验的南北向水平力曲线图；

图10是实施例中橡胶支座多向力学性能试验的东西向水平力曲线图。

具体实施方式

下面结合图1至图6对本发明的结构和工作过程作进一步的说明。

本发明的一种三向力学试验平台，它包括由上承力板6、中承力板9和下承力板16组成的三层式结构，所述下承力板16沿X方向的两侧固定设置有X向导轨14，所述中承力板9位于所述X向导轨14之间，所述中承力板9与下承力板16之间设置有X向滚子排18，所述中承力板9与X向导轨14之间设置有X侧向滚子排15；所述X向滚子排18由X向滚子列17和X向滚子保持架21组成，所述X向滚子保持架21上开设有与X向滚子列17相配合的呈栅格结构排列的X向滚子定位孔（附图中未标示），所述X向滚子列17的每个滚子均设置在所述X向滚子定位孔中，所述X向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述中承力板9和所述下承力板16滚动连接；所述X侧向滚子排15由X侧向滚子列19和X侧向滚子保持架22组成，所述X侧向滚子保持架22上开设有与X侧向滚子列19相配合的呈栅格结构排列的X侧向滚子定位孔（附图中未标示），所述X侧向滚子列19的每个滚子均设置在所述X侧向滚子定位孔中，所述X侧向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述中承力板9和所述X向导轨14滚动连接。

所述中承力板9沿Y方向的两侧固定设置有Y向导轨7，所述上承力板6位于所述Y向导轨7之间，所述上承力板6与中承力板9之间设置有Y向滚子排13，所述上承力板6与Y向导轨7之间设置有Y侧向滚子排10；所述Y向滚子排13由Y向滚子列12和Y向滚子保持架23组成，所述Y向滚子保持架23上开设有与Y向滚子列12相配合的呈栅格结构排列的Y向滚子定位孔（附图中未标示），所述Y向滚子列12的每个滚子均设置在所述Y向滚子定位孔中，所述Y向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述中承力板9和所述上承力板6滚动连接；所述Y侧向滚子排10由Y侧向滚子列11和Y侧向滚子保持架24组成，所述Y侧向滚子保持架24上开设有与Y侧向滚子列11相配合的呈栅格结构排列的Y侧向滚子定位孔（附图中未标示），所述Y侧向滚子列11的每个滚子均设置在所述Y侧向滚子定位孔中，所述Y侧向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述上承力板6和所述Y向导轨7滚动连接。

所述中承力板9的X向一侧固定连接有X加载头8，所述上承力板6的Y向一侧连接有Y加载头1，Y加载头1与上承力板6之间设置有解耦机构，X向和Y向的运动通过解耦机构可实现各向的独立运动，该机构由1个与X轴同向的移动副（解耦导轨槽）、1个与Y轴同向的移动副（Y加载导向机构）及1个转动副（销轴）组成，解耦机构可实现在不改变原有各运动方向和运动精度的前提下，保证X向和Y向的独立运动。所述解耦机构包括解耦机构框体5、解耦滑块3、解耦滚子排4、销轴2和Y加载导向机构20；所述解耦机构框体5上开设有沿X向的解耦导轨槽26，所述解耦滑块3位于所述解耦导轨槽26内，所述解耦滑块3两侧与所述解耦导轨槽26内壁之间设置有所述解耦滚子排4，所述解耦滚子排4由解耦滚子列27和解耦滚子保持架25组成，所述解耦滚子保持架25上开设有与解耦滚子列27相配合的呈栅格结构排列的解耦滚子定位孔（附图中未标示），所述解耦滚子列27的每个滚子均设置在所述解耦滚子定位孔中，所述解耦滚子定位孔中的滚子两侧分别与解耦滑块3和解耦导轨槽26内壁滚动连接；所述Y加载头1与解耦滑块3通过销轴2连接；所述Y加载导向机构20的顶部设置有与Y加载头1相配合Y加载导轨28，Y加载头1与Y加载导向机构20通过所述Y加载导轨28滑动连接。

所述解耦滑块包括可分离的第一滑块29和第二滑块30，所述第一滑块29上设置有定位凸台31，所述第二滑块30上开设有与所述定位凸台31相配合的定位槽32；所述第一滑块的外侧与所述解耦滚子排4滚动连接，第一滑块29的内侧与第二滑块30的内侧通过所述定位凸台31和定位槽32配合连接，所述第二滑块30的外侧与所述解耦滚子排4滚动连接，所述定位凸台31与所述定位槽32的间隙中设置有分别向第一滑块29和第二滑块30扩张的碟簧33，，第一滑块29和第二滑块30在碟簧33的作用下向两侧扩张，以实现解耦滑块3的自涨紧功能，解耦滑块3可将解耦滚子排4压紧于解耦导轨槽26内壁上，避免了解耦滚子排4与接触面之间的滑动。

所述上承力板6的上方设置有支架34，所述支架34上与上承力板6对应的位置处开设有与上承力板6相垂直的导向孔39，所述导向孔39内穿过设置有Z加载头41，所述Z加载头41的轴与所述导向孔39之间设置有滑键40，该结构设计对Z加载头41约束了除Z向移动外的其他5个自由度，保证了Z向加载方向的准确性和稳定性。

所述X加载头8处设置有X向加载缸35，X向加载缸35的施力端与所述X加载头8连接；所述Y加载头1处设置有Y向加载缸36，Y向加载缸36的施力端与所述Y加载头1连接；所述Z加载头41处设置有Z向加载缸37，Z向加载缸37的施力端与所述Z加载头41连接。所述X向加载缸35、Y向加载缸36和Z向加载缸37上连接有数据采集处理系统。

本发明中由于各机构的限制，试验平台仅具有沿X向、Y向、Z向共三个移动自由度，试验对象38固定于试验平台的上承力板上，借助于本发明可进行单向、双向或三向的拉压试验。与传统试验平台相比，本发明采用全新的结构和原理，可进行现有技术无法实现的三向力学试验，且运动范围大、承载能力强、试验精度高。使用本发明进行单向试验，相比现有平台其加载方向更准确，进行动态试验时加载方向更稳定。进行双向试验时，本发明有效行程远远大于传统平台，且精度更高，容许载荷更大。

以下列举的实施例用来说明本发明的效果，但本发明的权利要求范围并非仅限于此。

水平双向运动机构简图如图7所示。传统机构学中，一般用于机构自由度计算的Grubler-Kutzbach公式为：

式中：M——机构的自由度数；

d——机构的阶（空间机构取d=6，平面机构取d=3）；

n——机构的构件数(包括机架)；

g——运动副数；

fi——第i个运动副的自由度数。

对于本发明中的水平运动机构，其阶为d=3，构件数n=5，运动副为1个转动副和4个移动副，其自由度数f1= f2= f3= f4= f5=1，则机构自由度数为：M=3*(5-5-1)+5=2，机构具有2个自由度，因此为了使机构输出确定的运动，平台需要2个驱动元件，而方案中设计有X向加载缸和Y向加载缸共2个驱动元件，符合自由度要求。经过水平双向运动机构简图和Grubler-Kutzbach公式的验证，本发明中X向和Y向的运动通过解耦机构可实现各向的独立运动。

使用本发明进行橡胶支座多向力学性能试验，试验步骤如下：

1.将橡胶支座安装在上承力板上；

2.Z向加载(以100KN为例)；

3.设定水平双向（X向和Y向）加载轨迹，如图8所示为8字形加载轨迹；

4.系统各机构按预设轨迹加载，橡胶支座在X向加载缸35、Y向加载缸36和Z向加载缸37的作用下发生变形；

5.通过数据采集处理系统精心数据采集，如图9、图10所示。

该实验借助于本发明进行单向、双向或三向的拉压试验，可进行现有技术无法实现的三向力学试验，且运动范围大、承载能力强、试验精度高。使用本发明进行单向试验，相比现有平台其加载方向更准确，进行动态试验时加载方向更稳定。进行双向试验时，本发明有效行程远远大于传统平台，且精度更高，容许载荷更大。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1. 一种三向力学试验平台，其特征在于：它包括由上承力板、中承力板和下承力板组成的三层式结构，所述下承力板沿X方向的两侧固定设置有X向导轨，所述中承力板位于所述X向导轨之间，所述中承力板与下承力板之间设置有X向滚子排，所述中承力板与X向导轨之间设置有X侧向滚子排；所述中承力板沿Y方向的两侧固定设置有Y向导轨，所述上承力板位于所述Y向导轨之间，所述上承力板与中承力板之间设置有Y向滚子排，所述上承力板与Y向导轨之间设置有Y侧向滚子排；所述中承力板X向一侧固定连接有X加载头，所述上承力板Y向一侧连接有Y加载头，Y加载头与上承力板之间设置有解耦机构。

2.根据权利要求1所述的三向力学试验平台，其特征在于：所述上承力板的上方设置有支架，所述支架上与上承力板对应的位置处开设有与上承力板相垂直的导向孔，所述导向孔内穿过设置有Z加载头，所述Z加载头的轴与所述导向孔之间设置有滑键。

3.根据权利要求1或2所述的三向力学试验平台，其特征在于：所述解耦机构包括解耦机构框体、解耦滑块、解耦滚子排、销轴和Y加载导向机构；所述解耦机构框体上开设有沿X向的解耦导轨槽，所述解耦滑块位于所述解耦导轨槽内，所述解耦滑块两侧与所述解耦导轨槽内壁之间设置有所述解耦滚子排，所述解耦滚子排由解耦滚子列和解耦滚子保持架组成，所述解耦滚子保持架上开设有与解耦滚子列相配合的呈栅格结构排列的解耦滚子定位孔，所述解耦滚子列的每个滚子均设置在所述解耦滚子定位孔中，所述解耦滚子定位孔中的滚子两侧分别与解耦滑块和解耦导轨槽内壁滚动连接；所述Y加载头与解耦滑块通过销轴连接；所述Y加载导向机构的顶部设置有与Y加载头相配合Y加载导轨，Y加载头与Y加载导向机构通过所述Y加载导轨滑动连接。

4.根据权利要求3所述的三向力学试验平台，其特征在于：所述解耦滑块包括可分离的第一滑块和第二滑块，所述第一滑块上设置有定位凸台，所述第二滑块上开设有与所述定位凸台相配合的定位槽；所述第一滑块的外侧与所述解耦滚子排滚动连接，第一滑块的内侧与第二滑块的内侧通过所述定位凸台和定位槽配合连接，所述第二滑块的外侧与所述解耦滚子排滚动连接；所述定位凸台与所述定位槽的间隙中设置有分别向第一滑块和第二滑块扩张的碟簧。

5.根据权利要求4所述的三向力学试验平台，其特征在于：所述X向滚子排由X向滚子列和X向滚子保持架组成，所述X向滚子保持架上开设有与X向滚子列相配合的呈栅格结构排列的X向滚子定位孔，所述X向滚子列的每个滚子均设置在所述X向滚子定位孔中，所述X向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述中承力板和所述下承力板滚动连接；

所述X侧向滚子排由X侧向滚子列和X侧向滚子保持架组成，所述X侧向滚子保持架上开设有与X侧向滚子列相配合的呈栅格结构排列的X侧向滚子定位孔，所述X侧向滚子列的每个滚子均设置在所述X侧向滚子定位孔中，所述X侧向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述中承力板和所述X向导轨滚动连接；

所述Y向滚子排由Y向滚子列和Y向滚子保持架组成，所述Y向滚子保持架上开设有与Y向滚子列相配合的呈栅格结构排列的Y向滚子定位孔，所述Y向滚子列的每个滚子均设置在所述Y向滚子定位孔中，所述Y向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述中承力板和所述上承力板滚动连接；

所述Y侧向滚子排由Y侧向滚子列和Y侧向滚子保持架组成，所述Y侧向滚子保持架上开设有与Y侧向滚子列相配合的呈栅格结构排列的Y侧向滚子定位孔，所述Y侧向滚子列的每个滚子均设置在所述Y侧向滚子定位孔中，所述Y侧向滚子定位孔中的滚子两侧分别与所述上承力板和所述Y向导轨滚动连接。

6.根据权利要求5所述的三向力学试验平台，其特征在于：所述X加载头处设置有X向加载缸，X向加载缸的施力端与所述X加载头连接；所述Y加载头处设置有Y向加载缸，Y向加载缸的施力端与所述Y加载头连接；所述Z加载头处设置有Z向加载缸，Z向加载缸的施力端与所述Z加载头连接。

7.根据权利要求6所述的三向力学试验平台，其特征在于：所述X向加载缸、Y向加载缸和Z向加载缸上连接有数据采集处理系统。