CN110044745B - 可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机及其控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机，包括龙门架，龙门架的两竖直臂之间设有试件固定架；其特征在于龙门架和底面之间设置有用于调整龙门架和试件固定架距离的水平滑道机构，龙门架的竖直臂上设置有竖向升降机构，竖向升降机构上设有疲劳试验动力机构，疲劳试验动力机构上设有间距调节机构；还包括用于控制疲劳试验动力机构以及试验机控制系统，该试验机体积小便于移动，且试验机可施加不同比例的复杂荷载的耦合作用，能够更好地模拟实桥中的复杂受力条件，为疲劳性能的研究提供试验基础。

Description

可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机及其控制电路
技术领域
本发明涉及一种施加复杂耦合作用力的疲劳试验机。
背景技术
钢桥面板构造与受力复杂，在往复的车辆荷载作用下易产生疲劳损伤，疲劳损伤是影响钢桥运营安全的重要因素。相关研究表明钢桥面板构件常受复杂的耦合作用力，例如：开裂后的顶板与U肋焊缝在车辆荷载的作用下，会产生竖向的弯曲作用与沿焊缝方向明显的循环轴力作用，即弯矩-轴力耦合作用；弯桥受到的复杂作用力效果更为明显，由于桥型的特殊性，弯桥构件通常要承受弯矩-扭矩的共同作用等一系列因素。钢桥面板构造细节在多种作用力耦合循环的作用下，会产生疲劳开裂，影响钢桥的疲劳寿命。
室内试验是了解钢桥面板典型构造细节疲劳性能的主要手段之一。然而，目前开展的钢桥疲劳试验主要采用大型MTS疲劳试验加载机，但由于其体积较大，难以移动，施加荷载的方式单一，难以反映实桥中弯剪、弯扭等作用，且成本较高，对于需要大量数据的疲劳试验，其经济型与实用性较差。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机，该试验机体积小便于移动，且试验机可施加不同比例的复杂荷载的耦合作用，能够更好地模拟实桥中的复杂受力条件，为疲劳性能的研究提供试验基础。
技术方案：本发明所述的可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机，包括龙门架，龙门架的两竖直臂之间设有试件固定架；龙门架和底面之间设置有用于调整龙门架和试件固定架距离的水平滑道机构，龙门架的竖直臂上设置有竖向升降机构，竖向升降机构上设有疲劳试验动力机构，疲劳试验动力机构上设有间距调节机构；还包括用于控制疲劳试验动力机构的试验机控制系统。
通过采用上述技术方案，将试件固定在试件固定架上，龙门架通过水平滑道机构调整龙门架和试件的X轴方向的距离，竖向升降机构、间距调节机构调整疲劳试验动力机构与试件Z轴方向、Y轴方向上的位置；通过疲劳试验动力机构与试验机控制系统可以控制振动电机施加不同比例的复杂荷载的耦合作用。
发明目的：本发明的目的是提供一种可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机控制电路，调整各种电路控制以满足试验机可施加不同比例的复杂荷载的耦合作用。
技术方案：一种可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机控制电路，试验机控制系统包括振动电机分别对应的调频回路、转向回路与相位角调节回路和改变两个振动电机串并联方式的连接回路。
通过采用上述技术方案，两个调频系统协同电机形成并联连接方式，实现变幅加载作用；两个调频系统协同电机形成串联连接方式，可实现不同应力的耦合作用。
有益效果：本发明能够实现多种作用力的耦合，如弯矩—轴力、弯矩—扭矩等作用，更好的模拟实桥构件的受力情况；可以精准的调节振动电机的位置，改变耦合作用力中各作用力的作用比例；能够方便、精准的固定电机的位置；可避免反复搬运试验机，节省了人力，简化了试验过程；可以有效避免振动电机因试件断裂而砸到地上造成的损伤。
附图说明
图1是可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机结构示意图；
图2是龙门架上的部分上部分结构示意图；
图3是构件和疲劳试验动力机构结合的结构示意图；
图4是间距调节机构的结构示意图；
图5是试验机控制系统电路图；
图6是实施例1-2弯矩作用的电机运行示意图；
图7是实施例1-3弯矩-轴力耦合作用的电机运行示意图；
图8是实施例1-4弯矩—扭矩耦合作用的电机运行示意图；
图9是实施例1-5弯矩—轴力—扭矩耦合作用的电机运行示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机，包括龙门架1，龙门架1 的两竖直臂之间设有试件固定架2；龙门架1和底面之间设置有用于调整龙门架1和试件固定架2距离的水平滑道机构3，龙门架1的竖直臂上设置有竖向升降机构4，竖向升降机构4上设有疲劳试验动力机构5，疲劳试验动力机构5上设有间距调节机构6；还包括用于控制竖向升降机构4、疲劳试验动力机构5以及间距调节机构6工作的试验机控制系统7(图中未标记)。
水平滑道机构3包括按在底面上左右对置的轨道31以及设置在龙门架1底部上滚轮 32，龙门架1通过滚轮32沿轨道31移动实现龙门架1和试件之间X轴方向上的距离调整。
如图2和3所示，竖向升降机构4包括左右对置的壳体41、和壳体41转动连接的传动轮42、和转动轮固定连接的钢绞线43、电机44以及实现转动轮之间转动连接以及转动轮和电机44转动连接的传动带45。
疲劳试验动力机构5包括和左右对置电机底座51，和电机底座51顶部固定连接的振动电机52以及和振动电机52工作端固定连接的离心块53；电机底座51和试件可拆卸连接，钢绞线43和振动电机52的壳体固定连接。
间距调节机构6包括左右对置的固定板61、一对分别和对应固定板61固定连接且顶端相向设置的螺纹杆62、用于和螺纹杆62转动连接的闭合螺纹旋筒套63，驱动闭合螺纹旋筒套63和螺纹杆62转动，闭合螺纹旋筒套63内的螺纹杆62相对靠近或者远离，固定板61侧面内置有可自动弹回的卷尺8，螺纹杆62设置有刻度槽或者刻度针，闭合螺纹旋筒套63为上下分离式，闭合螺纹旋筒套63通过螺母与螺帽连接成一个整体。
如图5所示，试验机控制系统7包括振动电机52分别对应的调频回路、转向回路与相位角调节回路和改变两个振动电机52串并联方式的连接回路。两个振动电机简称M1 和M2。FM1、T1、PA1对应为振动电机M1的调频回路、转向回路与相位角调节回路；FM2、 T2、PA2对应为振动电机M2的调频回路、转向回路与相位角调节回路。S1、S2与S3为两电机回路之间的开关，用于调控电路的串并联。
启动流程：拉动嵌入的固定板61中的卷尺8，卷尺8一端与试件被测量点对齐，然后推动龙门架1沿X轴方向移动，直至振动电机52与试件焊缝的距离L1与预定距离一致，然后将滚轮32锁死。
其次，调整振动电机52的竖向位置，启动竖向升降机构4的电机44，电机44通过传动带45带动传动轮42转动，钢绞线43在转动轮的带动下驱动振动电机52沿Z轴方向上移动，直至振动电机52平稳落在试件上，关闭电机44；电机底座51与试件通过螺栓固定连接，振动电机52与试件固定在一起；再次启动电机44，使振动电机52上部钢绞线43长度增长，为电机44振动留出富余竖向空间。
最后，驱动闭合螺纹旋筒套63带动螺纹杆62转动以调整振动电机52的Y轴方向上的距离；转动过程中时刻读取间距调节系统上的刻度标注，直至两电机44距离满足实验要求的扭矩之后停止转动，拆除闭合螺纹旋筒套63，使两电机44独立。
最后，调整试验机控制系统7，如下所示：
M1与M2分别为两个振动电机52，FM1、T1、PA1对应为振动电机52M1的调频回路、转向回路与相位角调节回路；FM2、T2、PA2对应为振动电机52M2的调频回路、转向回路与相位角调节回路。S1、S2与S3为两电机44回路之间的开关，用于调控电路的串并联。
实施例1-1：变幅加载作用
闭合S1与S2，打开S3，两个振动电机52并联，可任意调节调频回路、相位角回路与转向回路，使两个电机44的振动曲线任意叠加，形成变幅加载作用。在被测位置布置应变片，通过应变监测，得到试验过程中的时程应变，采用雨流计数法得到疲劳应力谱，即不同应力幅与其对应的循环次数，对试件在变幅加载作用下的疲劳性能进行研究。
实施例1-2：弯矩作用
闭合S3，打开S1和S2，两个振动电机52串联；分别调节调频回路与相位角回路，保持两个电机44的振动频率与相位角一致。调节转向回路，将两个振动电机52的离心块53的转向设置为反向；电机偏心块的转动方向及在试件上产生的作用力，可见图6，相同的竖向作用力产生弯矩作用，相反的水平作用力相互抵消，从而在焊缝形成弯矩作用。在被测位置布置应变片，通过应变监测，得到试件被测部位的正应力。研究试件在弯矩作用下的疲劳性能，其公式为：
M＝2mπfr2L1
其中，计算试件所受的弯矩幅值M，振动电机52与试件焊缝的距离L1，m为振动电机52偏心块质量，f为电机44振动频率，r为偏心块质心与转动轴之间的距离。
实施例1-3：弯矩-轴力耦合作用
闭合S1和S2，打开S3，两个振动电机52串联；调节调频回路保持两个电机44的振动频率一致；调节相位角回路，使相位角差为0；调节转向回路，将两个振动电机52 的离心块53的转向设置为同向。离心块53的转动方向及在试件上产生的作用力，可见图7，相同的竖向作用力产生弯矩作用，相同的水平作用力产生轴力作用，从而在焊缝形成弯矩-轴力耦合作用。通过改变振动电机52与试件焊缝的距离L1，调整试件所受弯矩作用的大小，从而改变弯矩—轴力耦合作用比例。通过应变监测，得到试件被测部位具体的正应力与剪应力。
实施例1-4：弯矩—扭矩耦合作用
闭合S1和S2，打开S3，两个振动电机52串联；调节调频回路保持两个电机44的振动频率一致；调节相位角回路；使相位角差为Π；调节转向回路，将两个振动电机52 的离心块53的转向设置为同向。电机偏心块的转动方向及在试件上产生的作用力，可见图8，竖向力分别在焊缝两端产生弯矩作用，两个相反的竖向力形成扭矩作用，相反的水平作用力相互抵消，从而在焊缝形成弯矩—扭矩耦合作用。记录振动电机52与试件焊缝的距离L1与两个振动电机52的距离L2。弯矩与扭矩的动力源一致，可通过振动电机52 与试件焊缝的距离L1与两个振动电机52的距离L2之比初步得到弯矩与扭矩的作用比例α。正应力与剪应力的比值可通过在被测位置布置三向应变片，通过应变监测，得到试件被测部位具体的正应力与剪应力。
Figure GDA0002970929770000041
其中，试件所受的弯矩与扭矩作用比例α，振动电机52与试件焊缝的距离L1，振动电机52M1与M2之间的距离L2。
实施例1-5：弯矩—轴力—扭矩耦合作用
闭合S1和S2，打开S3，两个振动电机52串联；调节调频回路保持两个电机44的振动频率一致；调节相位角回路，使相位角差为Π；调节转向回路，将两个振动电机52 的离心块53的转向设置为反向。通过改变电机44的振动频率，可以调整试件受到的轴力作用。电机偏心块的转动方向及在试件上产生的作用力，可见图9，竖向力分别在焊缝两端产生弯矩作用，两个相反的竖向力形成扭矩作用，相同的水平作用力产生轴力作用，从而在焊缝形成弯矩—轴力—扭矩耦合作用。记录振动电机52与试件焊缝的距离L1与两个振动电机52的距离L2。弯矩与扭矩的动力源一致，可通过振动电机52与试件焊缝的距离L1与两个振动电机52的距离L2之比初步得到弯矩与扭矩的作用比例。正应力与剪应力的比值可通过在被测位置布置三向应变片，通过应变监测，得到试件被测部位具体的正应力与剪应力。
结束流程：首先，关闭试验机控制系统7与试验机动力机构；其次，闭合螺纹旋筒套63通过螺母与螺帽螺纹杆62连接在一起，闭合螺纹旋筒套63用于保持两个电机44 的稳定，防止非实验过程中两个振动电机52的晃动。再次，拆分电机底座51与试件，驱动竖向升降机构4的电机44以提升振动电机52，将试件从试件固定机架上卸除。最后，龙门架1沿轨道31反向移动，使振动电机52位于安全范围内，驱动竖向升降机构4的电机44反向，将振动电机52放置在地面，结束试验。
实施例2
一种可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机控制电路，包括试验机控制系统包括振动电机分别对应的调频回路、转向回路与相位角调节回路和改变两个振动电机串并联方式的连接回路。如图5 所示，FM1、T1、PA1对应为振动电机M1的调频回路、转向回路与相位角调节回路；FM2、T2、PA2对应为振动电机M2的调频回路、转向回路与相位角调节回路。S1、S2与S3为两电机回路之间的开关，用于调控电路的串并联。

Claims (5)

1.一种可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机，包括龙门架(1)，龙门架(1)的两竖直臂之间设有试件固定架(2)；其特征在于龙门架(1)和底面之间设置有用于调整龙门架(1)和试件固定架(2)距离的水平滑道机构(3)，龙门架(1)的竖直臂上设置有竖向升降机构(4)，竖向升降机构(4)包括左右对置的壳体(41)、和壳体(41)转动连接的传动轮(42)、和转动轮固定连接的钢绞线(43)、电机(44)以及实现转动轮之间转动连接以及转动轮和电机(44)转动连接的传动带(45)，竖向升降机构(4)上设有疲劳试验动力机构(5)，疲劳试验动力机构(5)上设有间距调节机构(6)；还包括用于控制疲劳试验动力机构(5)的试验机控制系统(7)，疲劳试验动力机构(5)包括左右对置的电机底座(51)，和电机底座(51)顶部固定连接的振动电机(52)以及和振动电机(52)工作端固定连接的离心块(53)；电机底座(51)和试件可拆卸连接，钢绞线(43)和振动电机(52)的壳体固定连接，间距调节机构(6)包括左右对置的固定板(61)、一对分别和对应固定板(61)固定连接且顶端相向设置的螺纹杆(62)、用于和螺纹杆(62)转动连接的闭合螺纹旋筒套(63)，驱动闭合螺纹旋筒套(63)和螺纹杆(62)转动，闭合螺纹旋筒套(63)内的螺纹杆(62)相对靠近或者远离。
2.根据权利要求1所述的可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机，其特征在于固定板(61)侧面内置有可自动弹回的卷尺(8)，螺纹杆(62)设置有刻度槽或者刻度针。
3.根据权利要求1所述的可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机，其特征在于闭合螺纹旋筒套(63)为上下分离式，闭合螺纹旋筒套(63)通过螺母与螺帽连接成一个整体。
4.根据权利要求1所述的可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机，其特征在于试验机控制系统(7)包括振动电机(52)分别对应的调频回路、转向回路与相位角调节回路和改变两个振动电机(52)串并联方式的连接回路。
5.根据上述权利要求任意一项所述的一种可施加复杂耦合作用力的疲劳试验机的控制电路，其特征在于：试验机控制系统包括振动电机分别对应的调频回路、转向回路与相位角调节回路和改变两个振动电机串并联方式的连接回路。
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