CN105675242B - 机电控制拉索瞬时破断装置 - Google Patents

Abstract

机电控制拉索瞬时破断装置，属于预应力空间钢结构研究领域。它由索体、索头、精加工连接座、马达、齿轮、卡座、滚动轴承棒(以下简称棒体)、带齿槽折形连杆组成。按照设计加工各构件，将两个索头分别与精加工连接座和卡座连接，将连有齿轮的马达置于连接座内部并插入折形连杆与齿轮对紧。使用时将连接座与卡座通过棒体对接，然后将两组折形连杆露出端分别与两组棒体连接。本发明通过控制马达通电，带动齿轮转动与齿槽咬合，带动折形连杆向外平动来推动棒体外移。当棒体移出卡座圆槽时，两端的拉索立即断开，实现了拉索主动控制破断，进而模拟其失效过程，对拉索破断动力响应和拉索破断施加冲击荷载的试验研究具有现实意义。

Description

机电控制拉索瞬时破断装置

技术领域

本发明涉及一种拉索构件连接装置，具体地，涉及一种机电控制拉索瞬间破断装置。

背景技术

随着我国城市化进程不断加快，人们对于大跨度空间结构的需求日益增长，以北京奥运会、上海世博会、济南全运会、广州亚运会、深圳大运会和沈阳全运会等重要盛会为契机，为满足赛会需要以及赛会后的公共服务，我国相继建成了一大批体育场馆和展览中心等大跨度公共建筑，其中预应力空间钢结构展现了很强的生命力。预应力空间钢结构核心拉索的性能指标不仅仅影响结构拓扑关系，更影响结构整体的安全性。由于拉索由中心钢丝和外层钢丝扭捻构成，构件性能受钢丝之间的协同工作性能影响显著，拉索构件失效过程与普通钢结构构件失效过程不同。因此，在预应力空间钢结构拉索破断动力响应或者拉索破断施加冲击荷载的试验研究中，迫切需要一种既安全实用又能有效模拟拉索瞬间断开的试验装置。

发明内容

为解决上述预应力空间钢结构拉索破断动力响应或者拉索破断施加冲击荷载的试验研究存在的突出问题，本发明提供一种机电控制拉索瞬时破断装置及其制作方法。

本发明的技术方案如下：

一种机电控制拉索瞬时破断装置，主要由索体(1)、索头(2)、销轴(3)、精加工连接座(5)、内置马达(6)、齿轮、卡座(4)、滚动轴承棒(8)、带齿槽的折形连杆(7)组成。

精加工连接座(5)的一端设有带孔的板耳，相对的另一端设有凹槽，凹槽的两侧面分别设有通孔；精加工连接座还设有空腔；卡座(4)的中间相对的两端面分别设有圆槽口，卡座(4)还设有带孔的板耳；

两段索体端部各连接一个索头，一个索头通过销轴与精加工连接座(5)的板耳连接；另一索头通过销轴与卡座(4)的板耳连接，卡座(4)位于精加工连接座(5)的凹槽内，精加工连接座(5)的凹槽的两侧面的通孔分别能够插进一个滚动轴承棒(8)；精加工连接座的空腔内安装有带齿轮的马达(6)，带齿槽的折形连杆(7)带齿槽的一端能够与齿轮相匹配连接；带齿槽的折形连杆(7)的另一端与滚动轴承棒(8)固定连接，能够通过控制马达通电，带动齿轮转动与齿槽咬合，从而带动带齿槽的折形连杆向外平动来推动滚动轴承棒外移；当滚动轴承棒移出卡座通孔时，两端的拉索立即断开，从而形成一种机电主动控制破断装置。

两组马达、滚动轴承棒(8)和带齿槽的折形连杆(7)，每组马达的所带齿轮分别通过带齿槽的折形连杆(7)与各自对应一端的滚动轴承棒(8)连接。

上述销轴，也可以替换为螺栓。

带齿槽的折形连杆(7)为直角折形连杆，一端加工有足够长度的齿槽；精加工连接座(5)空腔的外壁预留有孔，直角折形连杆带有齿槽的一端通过预留孔插入精加工连接座(5)空腔内部并使齿槽与齿轮贴紧咬合；另一端外露与滚动轴承棒连接。

滚动轴承棒，分为对称的两根，尺寸可插入精加工连接座(5)及卡座的圆槽口，由精加工连接座(5)凹槽两侧面的通孔各插入一根。优选卡座(4)的中间相对的两端面的圆槽口相通成一通孔；滚动轴承棒对接于卡座圆槽口中部以卡住卡座使滚动轴承棒与精加工连接座连接。

两个索头分别与精加工连接座和卡座连接，连有齿轮的马达和折形连杆带齿槽端置于连接座内部预留空腔，折形连杆露出端与滚动轴承棒连接，两段拉索通过连接座与卡座的通孔对正插入滚动轴承棒进行连接。

优选地，索体为钢绞线、钢丝束、钢丝绳、实心钢拉杆或空心钢管；

优选地，精加工连接座、卡座与索体的连接方式为销轴连接；

优选地，两组马达的通断电可通过无线遥控控制；

优选地，带齿槽折形连杆与滚动轴承棒采用焊接连接；

为了滚动轴承棒(8)的滚出，其表面附着滚珠。

机电控制拉索瞬时破断装置的使用方法，按照设计加工各部分零件，即索体、索头、精加工连接座、内置马达、齿轮、卡座、滚动轴承棒、带齿槽折形连杆。将两个索头分别与精加工连接座和卡座连接，将连有齿轮的马达置于连接座内部并插入带齿槽折形连杆与齿轮对紧。使用时将连接座与卡座通过滚动轴承棒对接，然后将两组折形连杆露出端分别与两组滚动轴承棒连接。通过控制马达通电，带动齿轮转动与齿槽咬合，从而带动带齿槽折形连杆向外平动来推动滚动轴承棒外移。当滚动轴承棒移出卡座通孔时，两端的拉索立即断开，从而形成一种机电主动控制破断装置。

本发明的有益效果是通过控制马达动力控制两个滚动轴承棒反向移动抵消其与槽口间的摩擦力，推动滚动轴承棒外移松开卡座，实现拉索的瞬时破断。能够反映拉索突然断开的动力冲击作用，且不会对试验模型输入额外的外力，不会对结构产生额外的影响。特别适合于预应力空间钢结构拉索破断动力响应和拉索破断施加冲击荷载的试验研究中。本发明具有制作简便、操作便捷、安全性高、成本较低等优点。

附图说明

图1为本发明在连接状态时的三维示意图

图2为本发明在断开状态时的三维示意图

图3为本发明在断开状态时的三维剖面示意图

图4为本发明在连接状态时的三维剖面示意图

图5为本发明中精加工连接座工作原理的三维剖面示意图

图6为本发明中马达及齿轮传动系统的三维示意图

图7为本发明中拉索与索头连接的三维示意图

图8为本发明中精加工连接座的三维示意图

图9为本发明中卡座的三维示意图

图10为本发明中滚动轴承棒的三维示意图

图中，1、拉索(或索体)；2、索头；3、梢轴；4、卡座；5、精加工连接座；6、内置马达；7、带齿槽折形连杆；8、滚动轴承棒

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图10，一种建筑结构机电控制拉索瞬时断开装置，该装置设置在拉索1的两个索头2之间，包括通过梢轴3与一个索头连接的精加工连接座5以及同样通过梢轴与另一个索头连接的卡座4。卡座4通过梢轴3与索头2连接，精加工连接座5通过梢轴3于索头2连接。

所述精加工连接座5与连接卡座4需要装配以下内容：包括施加动力输入作用的动力马达6，滚动轴承棒8，以及连接于动力马达6和滚动轴承棒8之间的带齿槽折形连杆7。其中，精加工连接座5需预先预留好适配于马达6和折形连杆7的卡口，方便于马达6与折形连杆7的埋入。

在本装置中，为了便于化解摩擦力的不平衡，将滚出方式设为反向同步对称滚动，即两个同样的滚动轴承棒8反向相对运动，这样可以最大程度上的化解滚动轴承棒8单向运动时与精加工连接座5、连接卡座4之间的摩擦力对拉索造成的不平衡干扰。

在本装置中，为了便于滚动轴承棒8的滚出，利用了附着在滚动轴承棒8上的滚珠，使滚动轴承棒外部滚珠与连接卡座4及精加工连接座5内壁发生相对滚动，化滑动摩擦接触为滚动摩擦接触，便于滚动轴承棒8的滚出。

使用本装置时，拉索及索头采用常用建筑钢材如Q235、Q345等，索头耳板与卡座连接件4及精加工连接件5对正贴合，通过梢轴3连接。根据拉索1尺寸合理确定索头2的大小，二者浇铸连接。拉索1、索头2、梢轴3均可采用常规成品试件。连接卡座4、精加工连接件5根据实验模型缩放尺寸进行配合性的适当调整。精加工连接件5内部开口尺寸通过实际马达6成品尺寸进行设计，保证马达6置入后能够准确定位于正确坐标，并且在使用过程当中不能发生坐标偏移的状况。

使用本装置时，根据索力大小选定动力马达6类型，马达的扭矩T必须满足以下条件：

式中，T为马达6最大扭矩；d为马达转动轴杆中心距离带齿槽折形连杆7截面行心距离；μ为单侧滚动轴承棒与连接卡座4、精加工连接件5之间的滚动摩擦系数，可通过现场试验确定；F为拉索索力。

连接卡座4、精加工连接件5单耳板厚度需满足以下条件：

A·f_t>F

其中，A为单耳板截面面积；f_t为钢材抗拉强度设计值；F为拉索索力。

如果连接卡座4、精加工连接件5耳板采用焊缝连接，其焊角长度h_f须满足以下要求：

l_w·0.7h_f·f_t ^w·2>F

其中，l_w为焊缝计算长度，l_w＝l-2h_f，其中，l为施焊长度；h_f为焊角长度；f_t ^w为相应焊缝强度设计值；F为拉索索力。

使用时，将各部分按照图一所示组装完成，注意各部分的安装顺序，按照从中间到两边的顺序，首先将连接卡座4与精加工连接件5对接，然后连接带齿槽折形连杆7与滚动轴承棒8(插锚或焊接)，然后将连接好的带齿槽折形连杆7和滚动轴承棒8共同塞入工作时的准备位置，接着将工作马达6放入准确位置，然后分别通过梢轴3将中间的这部分与两边的索头2连接。安装完毕之后装置已经处于锁定状态，接着给拉索施加预应力，使其达到预计水平。然后通过遥控无线马达(或控制电力马达)使其工作，通过马达转动轴端的齿轮转动使折形连杆7平动，带动两边的滚动轴承棒8外移，最终可使拉索发生瞬间破断，且该工作方式不会带来额外的外力干扰。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是一个概念，它是示意性的，并不是限制性的。比如动力输入并不局限于该种马达，还可以使用其它动力装置带动齿轮转动；齿轮配合方式也不局限于这一种，可以使用其它更为高效的方式搭配齿轮间的传动使动力达到最大的输出；滚动轴承棒的形式也不止这一种，还可以是长方形之类；连接卡座与精加工连接座的形式也并不一定是正方体，还可以是扁平状的形式，滚动轴承棒也可以配合其变成类似卡片类形状构件，不变的是化平动为滚动。总之，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机电控制拉索瞬时破断装置，其特征在于，主要由索体(1)、索头(2)、销轴(3)，精加工连接座(5)、带齿轮的马达(6)、齿轮、卡座(4)、滚动轴承棒(8)、带齿槽的折形连杆(7)组成；

精加工连接座(5)的一端设有带孔的板耳，相对的另一端设有凹槽，凹槽的两侧面分别设有通孔；精加工连接座还设有空腔；卡座(4)的中间设有通孔，通孔贯穿两侧面，卡座(4)还设有带孔的板耳；

两段索体端部各连接一个索头，一个索头通过销轴与精加工连接座(5)的板耳连接；另一索头通过销轴与卡座(4)的板耳连接，卡座(4)位于精加工连接座(5)的凹槽内，精加工连接座(5)的凹槽的两侧面的通孔分别能够插进一个滚动轴承棒(8)；精加工连接座的空腔内安装有带齿轮的马达(6)，带齿槽的折形连杆(7)的带齿槽一端能够与齿轮匹配连接；带齿槽的折形连杆(7)的另一端与滚动轴承棒(8)固定连接，能够通过控制带齿轮的马达通电，带动齿轮转动与齿槽咬合，从而带动带齿槽的折形连杆向外平动来推动滚动轴承棒外移；当滚动轴承棒移出卡座通孔时，两端的拉索立即断开，从而形成一种主动控制破断装置。

2.按照权利要求1所述的一种机电控制拉索瞬时破断装置，其特征在于，索体为钢绞线、钢丝束、钢丝绳、实心钢拉杆或空心钢管。

3.按照权利要求1所述的一种机电控制拉索瞬时破断装置，其特征在于，两组所述带齿轮的马达、滚动轴承棒(8)和带齿槽的折形连杆(7)，每组带齿轮的马达的所带齿轮分别通过带齿槽的折形连杆(7)与各自对应一端的滚动轴承棒(8)连接。

4.按照权利要求1所述的一种机电控制拉索瞬时破断装置，其特征在于，销轴替换为螺栓。

5.按照权利要求1所述的一种机电控制拉索瞬时破断装置，其特征在于，带齿槽的折形连杆(7)为直角折形连杆，一端加工有足够长度的齿槽；精加工连接座(5)空腔的外壁设有预留孔，直角折形连杆带有齿槽的一端通过预留孔插入精加工连接座(5)空腔内部并使齿槽与齿轮贴紧咬合；另一端外露与滚动轴承棒连接。

6.按照权利要求1所述的一种机电控制拉索瞬时破断装置，其特征在于，滚动轴承棒，分为对称的两根，能够插入精加工连接座(5)及卡座的圆槽口，由精加工连接座(5)凹槽两侧面的通孔各插入一根；卡座(4)的中间相对的两端面的圆槽口相通成一通孔；滚动轴承棒对接于卡座圆槽口中部以卡住卡座使滚动轴承棒与精加工连接座连接。

7.按照权利要求1所述的一种机电控制拉索瞬时破断装置，其特征在于，两个索头分别与精加工连接座和卡座连接，带齿轮的马达和带齿槽的折形连杆带齿槽端置于精加工连接座内部预留空腔，带齿槽的折形连杆露出端与滚动轴承棒连接，两段拉索通过连接座与卡座的通孔对正插入滚动轴承棒进行连接。

8.按照权利要求1所述的一种机电控制拉索瞬时破断装置，其特征在于，带齿槽折形连杆与滚动轴承棒采用焊接连接。

9.按照权利要求1所述的一种机电控制拉索瞬时破断装置，其特征在于，为了滚动轴承棒的滚出，其表面附着滚珠。