CN106053205B - 一种自平衡杠杆式加载装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自平衡杠杆式加载装置及其使用方法，包括左立柱、右立柱、底板、顶板、固定架、步进齿轮箱、螺纹传动滑杆、杠杆架、滚轴、位移传感器、LVDT位移计、差位控制器、配重砝码、步进电机、传力杆滑轮座、吊杆滑轮座、锁卡销钉、挂架、加载砝码、集成控制器、传力杆、导力球头、压力传感器、载荷板、压力数显仪及计算机，通过滚轴底部倒置的位移传感器及差位控制器，通过电脑控制步进电机传动，在对模型施加竖向荷载的同时自动调平加载杠杆，并达到载荷板竖向位移的量测。本发明以吊重加载砝码实现加载，并且可以施加不同作用杠杆比的静荷载，简单实用，适用于室内模型试验，满足工程实践中的荷载条件。

Description

一种自平衡杠杆式加载装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程测试仪器，尤其涉及一种自平衡杠杆式加载装置。本发明还涉及该自平衡杠杆式加载装置的使用方法。

背景技术

随着经济发展对基础建设需求的不断升级，对于建筑结构的安全性与合理性的要求也日益提高，在工作环境下构筑物本身的稳定性评判并实现理论化的设计成为当前工程建设的重要步骤。因此，对表征构筑物的足尺或缩尺物理模型试验是研究基础设施结构受力或变形特性的重要手段之一，也是重点工程论证或基础理论研究简单而有效的方法之一。在试验的开展过程中，如何对构筑物实施工作状态加载仍是一个技术难题，现有的装备技术水平主要存在如下一些问题：(1)一般以密度较大的重物堆载进行叠放加荷，所需荷载较大时堆载物数量庞大，安全性难以得到有效保证，而且加载过程垂直度不易控制；(2)另一种常见的加载方式是采用伺服液压或气压传动加载，但造价偏昂贵，超出一般研究承受范畴，且长期加载效果难以保证；(3)传统杠杆式加载系统虽能克服堆载缺陷，但是加载后期由于位移量过度导致加载杆的不平衡，这对测试结果的精度影响非常大。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能实现自动粗微调平、放大荷载效应，且满足土木工程领域室内模型试验要求的自平衡杠杆式加载装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供该自平衡杠杆式加载装置的使用方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的自平衡杠杆式加载装置，左立柱及右立柱安装在底板上；顶板固定在所述的左立柱及右立柱上；所述的底板上设有模型槽，所述的模型槽内设有载荷板；固定架设立在所述的顶板的一侧，步进齿轮箱及步进电机固定在所述的固定架上；螺纹传动滑杆上部与所述的步进齿轮箱中的转动齿轮配合连接，所述的步进齿轮箱中的驱动齿轮与所述的步进电机转轴连接，所述的转动齿轮与所述的驱动齿轮啮合传动，所述的步进电机的控制系统与集成控制器通信连接，所述的固定架上设有用于检测所述的螺纹传动滑杆的位移的LVDT位移计，所述的LVDT位移计与所述的集成控制器通信连接；所述的螺纹传动滑杆的下部通过滚轴与杠杆架连接；二个位移传感器分别设在所述的滚轴的底部两侧对应检测所述的滚轴两侧的所述的杠杆架，所述的位移传感器通过差位控制器与所述的集成控制器通信连接；吊杆滑轮座、传力杆滑轮座和配重砝码设在所述的杠杆架上且所述的吊杆滑轮座、传力杆滑轮座处于所述的滚轴的一侧，所述的配重砝码处于所述的滚轴的另一侧；加载砝码通过挂架挂在所述的吊杆滑轮座上，传力杆的上端与所述的传力杆滑轮座相接，所述的传力杆的下端与所述的载荷板之间设有导力球头和压力传感器，所述的压力传感器通过压力数显仪与所述的集成控制器通信连接；所述的集成控制器与计算机通信连接。

杠杆架上开有多个锁卡销钉，吊杆滑轮座和传力杆滑轮座通过锁卡销钉与杠杆架定位。

顶板上设有第一水准气泡，在调节过程中，通过观察第一水准气泡是否居中，来检验顶板是否达到平衡。

顶板通过扁平螺母夹紧固定在左立柱及右立柱上。

杠杆架上设有便于传力杆滑轮座及吊杆滑轮座移动的导轨，锁卡销钉未打开情况下套嵌传力杆滑轮座与吊杆滑轮座在杠杆架上移动方便。

传力杆滑轮座上安装有第一滑轮，第一滑轮沿着杠杆架上的导轨移动，传力杆滑轮座移动方便。

吊杆滑轮座上安装有第二滑轮，第二滑轮沿着杠杆架上的导轨移动，吊杆滑轮座移动方便。

杠杆架上设有第二水准气泡，在调节过程中，通过观察第二水准气泡是否居中，来检验杠杆架是否达到平衡。

载荷板面积可调节，可以适应不同的模型尺寸。

为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的使用自平衡杠杆式加载装置的方法，包括如下步骤：

1.调整适宜顶板高度，安置模型试验槽与加载装置：

加载前首先将模型槽移至装置下，通过旋转左立柱及右立柱上的扁平螺母找到最佳贴合位置，考虑到模型试验的实际情况，顶板的高度可调节范围为1.5～2.0m，根据第一水准气泡居中检验调平，调平后，将扁平螺母拧紧固定顶板，调整载荷板中心，使其对准模型槽的模型加载区，粗调螺纹传动滑杆使杠杆架水平，并且载荷板架设在模型槽上；

2.校准步进系统和调平系统：

开启位移传感器，打开压力传感器、LVDT位移计和差位控制器，接通集成控制器，先在挂架上安防预压块，微调杠杆架一侧配重砝码至导力球头下压压力传感器有微小压力值感应，检验滚轴差位条件下步进电机驱动调平是否正常；

3.设定杠杆比与载荷分级值，开始试验：

根据载荷大小设定好加载杠杆比，分配每一级加载，将差位控制器、位移传感器、LVDT位移计和步进电机通过集成控制器连接到计算机，通过自编软件实现同步记录，按照加载步骤分级加载，每一级荷载加载过程中经历滚轴差位、步进调平过程，待压力、位移测量值稳定，提醒进入下一级加载，直至试验结束。

采用上述技术方案的自平衡杠杆式加载装置及其使用方法，与现有技术相比，具有以下优点：

通过杠杆式加载，可以实现600kg的载荷，可以适应不同的模型尺寸，具有很好的兼容性，能自动调整杠杆平衡，提高加载精度有效减小试验误差，具有很好的实用性。

利用杠杆原理可以轻松实现室内模型试验的各种载荷条件，并且可以实现长时间的持荷加载，克服了常规堆载在规模和安全上的限制，保证了加载的稳定性，在工程试验中具有较强的灵活性，针对性的解决了常规杠杆在加载后期由于位移量过度影响加载精度的问题。

配件为常规机械配件，差位控制调平功能较容易实现，全套设备较伺服液压系统在价格上具有较大的优势，大大节省了试验成本，提高了试验的安全性与稳定性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为本发明的俯视结构示意图；

图4为图1中步进齿轮箱结构示意图；

图5为图1中传力杆滑轮座结构示意图；

图6为图1中吊杆滑轮座结构示意图。

标号说明：左立柱1，右立柱2，底板3，顶板4，固定架5，齿轮箱6，步进电机7，螺纹传动滑杆8，杠杆架9，滚轴10，配重砝码11，位移传感器12，差位控制器13，传力杆滑轮座14，吊杆滑轮座15，锁卡销钉16，导力球头17，压力传感器18，载荷板19，挂架20，加载砝码21，扁平螺母22，第二水准气泡23，集成控制器24，计算机25，导轨26，LVDT位移计27，压力数显仪28，模型槽29，转动齿轮30，驱动齿轮31，第一滑轮32，传力杆33，第一水准气泡231，。第二滑轮321。

具体实施方式

以下结合附图和实施例是对本发明内容的进一步说明，而不是限制本发明的保护范围。

如图1、图2、图3及图4所示，一种自平衡杠杆式加载装置，左立柱1及右立柱2拧固在底板3上；顶板4固定在左立柱1及右立柱2上；底板3上设有模型槽29，模型槽29内设有载荷板19；固定架5设立在顶板4左侧，步进齿轮箱6及步进电机7固定在固定架5上；螺纹传动滑杆8上部与步进齿轮箱6中的转动齿轮30配合连接，步进齿轮箱6中的驱动齿轮31与步进电机7转轴连接，转动齿轮30与驱动齿轮31啮合传动，步进电机7的控制系统与集成控制器24通信连接，固定架5上设有用于检测螺纹传动滑杆8的位移的LVDT位移计27，LVDT位移计27与集成控制器24通信连接；螺纹传动滑杆8的下部通过滚轴10与杠杆架9连接；二个位移传感器12分别设在滚轴10的底部两侧对应检测滚轴10两侧的杠杆架9，位移传感器12通过差位控制器13与集成控制器24通信连接；吊杆滑轮座15和配重砝码11设在杠杆架9上且分别处于滚轴10的两侧；在杠杆架9上设有处于滚轴10与吊杆滑轮座15之间的传力杆滑轮座14，加载砝码21通过挂架20挂在吊杆滑轮座15上，传力杆33的上端与传力杆滑轮座14相接，传力杆33的下端与载荷板19之间设有导力球头17和压力传感器18，压力传感器18通过压力数显仪28与集成控制器24通信连接；集成控制器24与计算机25通信连接。

杠杆架9上开有多个锁卡销钉16，吊杆滑轮座15和传力杆滑轮座14通过锁卡销钉16与杠杆架9定位。

如图1所示，顶板4上设有第一水准气泡231，在调节过程中，通过观察第一水准气泡231是否居中，来检验顶板4是否达到平衡。

如图1所示，顶板4通过扁平螺母22夹紧固定在左立柱1及右立柱2上。

如图1所示，杠杆架9上设有便于传力杆滑轮座14及吊杆滑轮座15移动的导轨26，锁卡销钉16未打开情况下套嵌传力杆滑轮座14与吊杆滑轮座15在杠杆架9上移动方便。

如图5所示，传力杆滑轮座14上安装有第一滑轮32，第一滑轮32沿着杠杆架9上的导轨26移动，传力杆滑轮座14移动方便。

如图6所示，吊杆滑轮座15上安装有第二滑轮321，第二滑轮321沿着杠杆架9上的导轨26移动，吊杆滑轮座15移动方便。

如图1和3所示，杠杆架9上设有第二水准气泡23，在调节过程中，通过观察第二水准气泡23是否居中，来检验杠杆架9是否达到平衡。

如图1和2所示，载荷板19面积可调节，可以适应不同的模型尺寸。

如图1、图2、图3、图4、图5及图6所示，左立柱1和右立柱2拧固在底板3上，固定扁平螺丝22夹住顶板4；顶板4左侧架设固定架5安置步进电机7驱动齿轮箱6带动螺纹传动滑杆8上下移动带动杠杆架9的竖向位移，螺纹传动滑杆8与杠杆架9间通过滚轴10相连，滚轴10底部设两枚位移传感器12与差位控制器13相连，设定位移差限值发送驱动程序至步进电机7驱动；加载杠杆架9从滚轴10右侧嵌套传力杆滑轮座14与吊杆滑轮座15，依次定位锁卡销钉16；吊杆滑轮座15下挂加载砝码21加载，杠杆架9右侧向下倾斜时，位移传感器12同步监测数据至差位控制器13发送信号到集成控制器24，通过编制好位移限值程序调整指令发送控制信号至步进电机7驱动齿轮箱6带动螺纹传动滑杆8下移实现加载杠杆架9的自动调平。

顶板4上设有第一水准气泡231，杠杆架9上设有第二水准气泡23，左立柱1和右立柱2上部通过顶板4的移动实现杠杆架9的抬升与降低；杠杆架9上沿设置有导轨26，锁卡销钉16未打开情况下套嵌传力杆滑轮座14与吊杆滑轮座15沿导轨26移动；传力杆33下接导力球头17与压力传感器18相连，并接压力数显与计算机25相连实现数据实时记录。

如图1、图2、图3、图4、图5及图6所示，采用上述技术方案的自平衡杠杆式加载装置的使用方法，包括如下步骤：

1.调整适宜顶板高度，安置模型试验槽与加载装置：

加载前首先将模型槽29移至装置下，通过旋转左立柱1及右立柱2上的扁平螺母22找到最佳贴合位置，考虑到模型试验的实际情况，顶板4的高度可调节范围为1.5～2.0m，根据第一水准气泡231居中检验调平，调平后，将扁平螺母22拧紧固定顶板4，调整载荷板19中心，使其对准模型槽29的模型加载区，粗调螺纹传动滑杆8使杠杆架9水平，并且载荷板19架设在模型槽29上；

2.校准步进系统和调平系统：

开启位移传感器12，打开压力传感器18、LVDT位移计27和差位控制器13，接通集成控制器24，先在挂架20上安防预压块，微调杠杆架9左侧配重砝码11至导力球头17下压压力传感器18有微小压力值感应，如5kPa，检验滚轴10差位条件下步进电机驱动调平是否正常；

3.设定杠杆比与载荷分级值，开始试验：

根据载荷大小设定好加载杠杆比，分配每一级加载，将差位控制器13、位移传感器12、LVDT位移计27和步进电机7通过集成控制器24连接到计算机25，通过自编软件实现同步记录，按照加载步骤分级加载，每一级荷载加载过程中经历滚轴10差位、步进调平过程，待压力、位移测量值稳定，提醒进入下一级加载，直至试验结束。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明。

Claims (10)

1.一种自平衡杠杆式加载装置，其特征在于：左立柱(1)及右立柱(2)安装在底板(3)上；顶板(4)固定在所述的左立柱(1)及右立柱(2)上；所述的底板(3)上设有模型槽(29)，所述的模型槽(29)内设有载荷板(19)；固定架(5)设立在所述的顶板(4)的一侧，步进齿轮箱(6)及步进电机(7)固定在所述的固定架(5)上；螺纹传动滑杆(8)上部与所述的步进齿轮箱(6)中的转动齿轮(30)配合连接，所述的步进齿轮箱(6)中的驱动齿轮(31)与所述的步进电机(7)转轴连接，所述的转动齿轮(30)与所述的驱动齿轮(31)啮合传动，所述的步进电机(7)的控制系统与集成控制器(24)通信连接，所述的固定架(5)上设有用于检测所述的螺纹传动滑杆(8)的位移的LVDT位移计(27)，所述的LVDT位移计(27)与所述的集成控制器(24)通信连接；所述的螺纹传动滑杆(8)的下部通过滚轴(10)与杠杆架(9)连接；二个位移传感器(12)分别设在所述的滚轴(10)的底部两侧对应检测所述的滚轴(10)两侧的所述的杠杆架(9)，所述的位移传感器(12)通过差位控制器(13)与所述的集成控制器(24)通信连接；吊杆滑轮座(15)、传力杆滑轮座(14)和配重砝码(11)设在所述的杠杆架(9)上且所述的吊杆滑轮座(15)、传力杆滑轮座(14)处于所述的滚轴(10)的一侧，所述的配重砝码(11)处于所述的滚轴(10)的另一侧；加载砝码(21)通过挂架(20)挂在所述的吊杆滑轮座(15)上，传力杆(33)的上端与所述的传力杆滑轮座(14)相接，所述的传力杆(33)的下端与所述的载荷板(19)之间设有导力球头(17)和压力传感器(18)，所述的压力传感器(18)通过压力数显仪(28)与所述的集成控制器(24)通信连接；所述的集成控制器(24)与计算机(25)通信连接。

2.根据权利要求1所述的自平衡杠杆式加载装置，其特征在于：所述的传力杆滑轮座(14)处于所述的滚轴(10)与所述的吊杆滑轮座(15)之间。

3.根据权利要求1所述的自平衡杠杆式加载装置，其特征在于：所述的顶板(4)通过扁平螺母(22)夹紧固定在所述的左立柱(1)及右立柱(2)上。

4.根据权利要求1所述的自平衡杠杆式加载装置，其特征在于：所述的杠杆架(9)上设有便于所述的传力杆滑轮座(14)及吊杆滑轮座(15)移动的导轨(26)。

5.根据权利要求4所述的自平衡杠杆式加载装置，其特征在于：所述传力杆滑轮座(14)上安装有第一滑轮(32)。

6.根据权利要求4所述的自平衡杠杆式加载装置，其特征在于：所述吊杆滑轮座(15)上安装有第二滑轮(321)。

7.根据权利要求1或4所述的自平衡杠杆式加载装置，其特征在于：所述的杠杆架(9)上设有第二水准气泡(23)，所述的顶板(4)上设有第一水准气泡(231)。

8.根据权利要求1所述的自平衡杠杆式加载装置，其特征在于：所述载荷板(19)面积可调节。

9.根据权利要求1所述的自平衡杠杆式加载装置，其特征在于：所述的杠杆架(9)上开有多个锁卡销钉(16)，所述的吊杆滑轮座(15)和所述的传力杆滑轮座(14)通过所述的锁卡销钉(16)与所述的杠杆架(9)定位。

10.使用权利要求7所述的自平衡杠杆式加载装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1).调整适宜顶板高度，安置模型槽与加载装置：

加载前首先将模型槽移至装置下，通过旋转左立柱及右立柱上的扁平螺母找到最佳贴合位置，考虑到模型试验的实际情况，顶板的高度可调节范围为1.5～2.0m，根据第一水准气泡居中检验调平，调平后，将扁平螺母拧紧固定顶板，调整载荷板中心，使其对准模型槽的模型加载区，粗调螺纹传动滑杆使杠杆架水平，并且载荷板架设在模型槽上；

(2).校准步进系统和调平系统：

开启位移传感器，打开压力传感器、LVDT位移计和差位控制器，接通集成控制器，先在挂架上安放预压块，微调杠杆架一侧配重砝码至导力球头下压压力传感器有微小压力值感应，检验滚轴差位条件下步进电机驱动调平是否正常；

(3).设定杠杆比与载荷分级值，开始试验：

根据载荷大小设定好加载杠杆比，分配每一级加载，将差位控制器、位移传感器、LVDT位移计和步进电机通过集成控制器连接到计算机，通过自编软件实现同步记录，按照加载步骤分级加载，每一级荷载加载过程中经历滚轴差位、步进调平过程，待压力、位移测量值稳定，提醒进入下一级加载，直至试验结束。