CN111024516A - 一种在纯弯曲条件下结构弯矩测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在纯弯曲条件下结构弯矩测量装置，适用于机械零件纯弯曲加载与弯矩测量。该发明主要由两套相同扭矩测量装置、导轨与基座构成。其中两套扭矩测量装置组件相同，包括：旋转轴、驱动电机、减速器、扭矩传感器、可调夹具、固定架、基座、角度控制盘、顶丝、卡扣组成。所述驱动电机为旋转轴提供大小可控，运行稳定的动力。减速器、扭矩传感器、可调夹具将电机动力传递到待测试件两端，实现纯弯曲。本装置将加载系统与测量系统集成在一起，实现了试件纯弯曲加载的同时，对试件两端弯矩连续准确的采集。同时，装置操作简单，且适用于任意构型试件。本装置具有一定的理论意义和实际应用价值。

Description

一种在纯弯曲条件下结构弯矩测量装置
技术领域
本发明属于机械结构的力学性能实验装置领域。适用于航空航天飞行器中空间可展结构。
背景技术
空间可展开结构是一种全新的宇航结构产物，它有着可靠性高、寿命长等特点，是太阳能帆板展开的核心装置。其中包括带簧铰链可展结构，它是一种新型可展结构，核心部件为带簧单元，是一种薄壁圆柱壳结构，它可以利用折叠时积聚的弹性应变能实现结构的自动展开而不需要其它的动力装置。带簧铰链因其质量轻、展开可靠性高和可以实现自动锁定等优点，广泛应用于空间展开结构中。
针对带簧铰链空间可展结构，对其纯弯曲时力学性能研究，以保证铰链顺利完成折叠与展开工作变得至关重要。且铰链的不同几何尺寸或构型对其力学性能影响较大，需设计一种简单实用且准确的结构纯弯曲弯矩测量实验装置。在纯弯曲力学实验中，理论边界条件较为简单，但在实际加载过程中，难以避免重力与摩擦力的影响。导致实际附加载荷与理论边界条件存在误差，影响实验结果。现有结构在加载方式难以直接测量连续且准确的结构弯矩变化。
发明内容
本次发明主要针对纯弯曲结构弯矩测量过程中载荷施加不准确、弯矩测量不连续、可测结构单一等问题，设计了新型结构弯矩测量装置，该装置可以应用于任意结构准静态纯弯曲条件下的连续弯矩测量。
其采用的技术路线如下：该发明由两套相同扭矩测量装置、导轨与基座构成。其中两套扭矩测量装置组件相同，包括：旋转轴、驱动电机、减速器、扭矩传感器、可调夹具、固定架、基座、角度控制盘、顶丝、卡扣组成。所述两套扭矩测量装置其零件分别称为主动端零件与从动端零件，两套扭矩传感器功能与组件结构相同，以下以主动端为例：
主动端驱动电机(5)可由外部控制，同时为主动端旋转轴(10)提供任意方向、角速度均匀的动力。通过主动端固定架(11)与导轨(2)放置在水平直基座(1)上，使主动端扭矩测量装置可沿直线双向移动。主动端减速器(6)通过主动端旋转轴(10)与主动端驱动电机相连，将电机匀速转动速度降低至较小水平，减速器减速比为1:100且工作精确且稳定。主动端扭矩传感器(8)通过主动端第一顶丝(7)与主动端减速器相连，目的为测量工作时主动端旋转轴扭矩。主动端可调夹具(9)由主动端固定外夹具(9-1)与主动端可调内夹具(9-2)组合而成，其中主动端外夹具与主动端旋转轴(10)直接相连，内夹具将待测结构与外夹具通过螺栓相连。主动端角度控制盘(12)通过主动端第二顶丝(13)固定在主动端固定架(11)上，当主动端第二顶丝(13)松开时，从动轴旋转角度由电机控制，当其拧紧时，从主动端旋转轴角度由角度控制盘控制。主动端第一卡扣(14-1)与主动端第二卡扣(14-2)控制主动端固定架(11)的移动范围。轴间各旋转轴套筒均为过盈配合，保证各部件弯矩及角度传递准确可靠。
基于上述的方案，本装置工作过程如下：
1、将主动端与从动端扭矩传感器调零。将被测量结构与可调夹具相连并将两端固定在转动轴上，拧紧主动端与从动端第一顶丝(7)并松开第二顶丝(13)与卡扣。随后开始采集连续的扭矩传感器数据。使用程序驱动双侧电机，以角速度方向相反速率相同的工作模式运转，此时继续采集试件双侧转矩。通过电机工作角速度、工作时间与减速器减速比计算两转动轴旋转角度。将转矩与时间绘制连续曲线，根据不同时刻弯矩对结构力学性能做出评价。
2、改变工作模式，采用主动端卡扣(14-1、14-2)固定主动端固定架(11)，使其不能在滑轨上滑动。同样采用相同与步骤1中驱动模式操控从动端驱动电机运转，再次测量结构弯矩与双侧任意滑动对比，此目的是减小水平滑轨摩擦力影响。此工作模式可以在主动端与从动端之间交换，分别测量两单侧弯矩-转角曲线。
3、再次更改驱动模式，松开主动端第一顶丝(7)使电机与试件不相连，拧紧主动端第二顶丝(13)使角度控制盘(12)与主动端旋转轴(10)相连，对试件施加任意转角，驱动从动端电机，配合程序控制从动端电机以相同与步骤1中运转模式运转，测量从动端单侧转矩，绘制转矩-角度曲线，最终对比不同工作模式实验结果。此工作模式可以在主动端与从动端之间交换，分别测量两单侧弯矩-转角曲线。
4、最终对比不同工作模式采集结果，挑选稳定可靠的弯矩-转角响应结果。
和现有结构纯弯曲测量装置对比的优势：
1、与现有纯弯曲加载方式相比，本装置加载方式与理论加载方式相似，更精确的完成了被测试件纯弯曲加载。
2、本装置在完成纯弯曲加载的基础上，可连续、准确测量出两转动轴连续的弯矩与角度变化。
3、本装置可调整夹具形状，实现对不同种类被测试件的精准测量。
4、本装置具有结构紧凑，操作简单，测量方式多等优点。
附图说明
图1是本发明的力学加载示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明的扭矩测量装置示意图。
图4是本发明的可变夹具结构示意图。
图5是本发明的结构俯视图。
具体实施方式
下面结合结构附图对本装置具体操作进一步详细说明。
图5为装置俯视图，其中包括水平基座(1)、导轨(2)、主动端弯矩测量装置(3)与从动端弯矩测量装置(4)。
主动端弯矩测量装置与从动端弯矩测量装置组件及结构相同。以主动端为例：装置包括：主动端驱动电机(5)、主动端减速器(6)、主动端第一顶丝(7)、主动端扭矩传感器(8)、主动端可调夹具(9)、主动端旋转轴(10)、主动端固定架(11)、主动端角度控制盘(12)、主动端第二顶丝(13)、主动端第一卡扣(14-1)、主动端第二卡扣(14-2)组成。本装置的安装过程如下：首先组装主动端与从动端弯矩测量装置(3)、(4)，将第一卡扣(14-1)和第二卡扣(14-2)放置在导轨上，使固定架(11)在导轨的滑动区域任意滑动。将驱动电机(5)、减速器(6)、扭矩传感器(8)、可调夹具(9)安装在旋转轴(10)上，使各自可以同轴转动，随后与角度控制盘(12)一同固定在固定架(11)上，可与固定架一起运动。使用第一顶丝(7)将减速器(7)与扭矩传感器(8)相连，使用第二顶丝(13)将角度控制盘(12)与旋转轴(10)相连。其中可调夹具外夹具(9-1)由两轴承与固定架相连，可沿中心转动；可调夹具内夹具(9-2)可由构建形状自由设计，由螺栓将构建、内夹具与外夹具固接。实现驱动装置和待测试件的组合；
测量原理：如图1所示，通过驱动电机与两转动轴，在待测试件两端加载大小相同、方向相反的旋转角速度。并将试件、驱动装置、测量装置置于水平摩擦可忽略滑轨上，随着转角增大，试件两端水平距离可任意变化，形成对试件的纯弯曲加载。通过电机转速与时间计算出试件两端旋转角度，转动轴连连的扭矩传感器测量试件两端转矩，完成对试件力学性能测量。
1、加工要求
a)装置内的各轴杆尽量选取刚性大的材料，保证在各部件协同工作时，杆件不会发生偏心压杆变形。
b)驱动电机装置转速保持均匀，同时可由外部开关准确控制并可记录实时转速及转动时间。
c)滑轨加工精度需较高，减小摩擦系数。且滑轨位置需位于固定架重心对称的两侧，避免固定架在运动时偏心。基座与夹具需使用质量较轻，强度较高合金，减小整体重力，尽可能降低两固定架水平运动的摩擦力。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明中的部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种在纯弯曲条件下结构弯矩测量装置，其特征在于：该发明由两套相同扭矩测量装置、导轨与基座构成；其中两套扭矩测量装置组件相同，包括：旋转轴、驱动电机、减速器、扭矩传感器、可调夹具、固定架、基座、角度控制盘、顶丝和卡扣；所述两套扭矩测量装置其零件分别称为主动端零件与从动端零件，两套扭矩传感器功能与组件结构相同；
以下以主动端为例：
主动端驱动电机(5)由外部控制，同时为主动端旋转轴(10)提供任意方向、角速度均匀的动力；通过主动端固定架(11)与导轨(2)放置在水平直基座(1)上，使主动端扭矩测量装置能沿直线双向移动；主动端减速器(6)通过主动端旋转轴(10)与主动端驱动电机相连，主动端扭矩传感器(8)通过主动端第一顶丝(7)与主动端减速器相连，测量工作时主动端旋转轴扭矩；主动端可调夹具(9)由主动端固定外夹具(9-1)与主动端可调内夹具(9-2)组合而成，其中主动端外夹具与主动端旋转轴(10)直接相连，内夹具将待测结构与外夹具通过螺栓相连；主动端角度控制盘(12)通过主动端第二顶丝(13)固定在主动端固定架(11)上，当主动端第二顶丝(13)松开时，从动轴旋转角度由电机控制，当其拧紧时，从主动端旋转轴角度由角度控制盘控制；主动端第一卡扣(14-1)与主动端第二卡扣(14-2)控制主动端固定架(11)的移动范围；轴间各旋转轴套筒均为过盈配合。
2.权利要求1所述的一种在纯弯曲条件下可展开结构弯矩的测量装置，其特征在于工作过程如下：
1)、将主动端与从动端扭矩传感器调零；将被测量结构与可调夹具相连并将两端固定在转动轴上，拧紧主动端与从动端第一顶丝(7)并松开第二顶丝(13)与全部卡扣；随后开始采集连续的扭矩传感器数据；使用程序驱动双侧电机，以角速度方向相反速率相同的工作模式运转，此时继续采集试件双侧转矩；通过电机工作角速度、工作时间与减速器减速比计算两转动轴旋转角度；将转矩与时间绘制连续曲线；
2)、采用主动端卡扣固定主动端固定架(11)，使其不能在滑轨上滑动；同样驱动两电机运转，再次测量结构弯矩与双侧任意滑动对比；
3)、松开主动端第一顶丝(7)使电机与试件不相连，拧紧主动端第二顶丝(13)使角度控制盘(12)与主动端旋转轴(10)相连，对试件施加任意转角，驱动从动端电机，配合程序控制从动端电机旋转，测量从动端单侧转矩，绘制转矩-角度曲线。
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