CN111896380B - 一种磁力加载装置和加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁力加载装置和加载方法，属于静力试验技术领域，解决了现有机械加载系统难以模拟连续分布的力载荷，且加载过程中会对试验件造成破坏的问题。本发明的磁力加载装置，包括升降平台、加载系统、连接导向装置、工装和试验件平台；加载系统与连接导向装置连接并设置于升降平台上，工装设在升降平台下部并与连接导向装置下部连接；加载系统通电后产生磁力，可带动工装向下运动，对放置在试验件平台上的试验件施加载荷。本发明通过上电磁铁和下电磁铁之间产生吸力，可以在不损伤试验件的情况下为试验件提供均布载荷。

Description

一种磁力加载装置和加载方法

技术领域

本发明涉及静力试验技术领域，尤其涉及在静力试验中试验件的载荷施加方法。

背景技术

对于静力试验加载而言，力载荷的连续分布实现难度较大。传统的静力加载方法通常是采用机械静力加载系统或电液伺服加载系统等实现单点或多点集中力加载，如果加载点分布密度较高，则逼近连续分布的程度也较高，不过，鉴于机械加载系统本身对空间的要求较大，过高的加载点分布密度难以实现，因而对于连续分布的力载荷模拟效果难以令人满意。随着复合材料的发展，飞行器、航天器常采用复合材料，对于复合材料试验件，无法承受集中载荷、无法通过打孔及破坏试验件表面进行加载。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种磁力加载装置和加载方法，利用磁场同极相斥，异极相吸，且产生磁力均匀的特性，提供一种试验加载装置和加载方法。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种磁力加载装置，包括升降平台、加载系统、连接导向装置、工装和试验件平台；

加载系统与连接导向装置连接并设置于升降平台上，工装设在升降平台下部并与连接导向装置下部连接；

加载系统通电后产生磁力，可带动工装向下运动，对放置在试验件平台上的试验件施加载荷。

进一步地，磁力加载装置还包括安装支架，安装支架包括上板、下板和立柱，立柱与上板和下板连接。

进一步地，磁力加载装置还包括升降装置，升降装置位于下板上，升降平台在升降装置的带动下可沿立柱上下移动。

进一步地，加载系统还包括上电磁铁和下电磁铁，上电磁铁包括铁芯、励磁线圈、压板、底板和外磁环，加载系统通过下电磁铁的底板与升降平台连接。

进一步地，连接导向装置包括导柱、弹簧、轴承和连接板，导柱一端与底板连接，另一端与连接板连接。

进一步地，导柱穿过下电磁铁的底板与连接板连接。

进一步地，弹簧位于上电磁铁和下电磁铁之间。

进一步地，轴承为直线轴承，位于导柱与下电磁铁的底板之间。

进一步地，磁力加载装置还包括力传感器和采集系统。

进一步地，磁力加载装置还包括锁紧装置，锁紧装置位于升降平台上表面。

一种磁力加载装置的加载方法，包括以下步骤：

S1.提升升降平台并安装试验件；

S2.固定加载系统；

S3.对加载系统通电，从而对试验件进行加载

本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明通过磁力对试验件加载，无需对试验件进行打磨、打孔、涂胶、烘烤等，试验时不损伤试验件的条件下，实现对试验件施加均布力载荷。

(2)本发明的磁力加载装置使用磁力对试验件加载，相比于机械加载的集中加载，磁力加载可实现均布加载，达到更好的力载荷模拟效果。

(3)本发明的磁力加载装置的上电磁铁和下电磁铁之间设有弹簧，通过设置弹簧可使上电磁铁在受到吸力时向下运动，不受力时利用弹簧的弹性恢复力复位，而且弹簧的设置可避免工装对试验件产生损失强冲击，避免损坏试验件。

(4)本发明的加载的载荷大小由电流确定，可通过改变电流迅速改变加载力的大小。

(5)本发明的工装可根据试验件的形状设计成不同形状，工装与加载系统之间通过螺栓连接，可方便的更换工装，保证对不同的试验件均可实现均布加载。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的磁力加载装置的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明实施例加载系统的结构图；

图4为本发明实施例的安装支架的结构示意图；

图5为本发明实施例连接导向装置和加载系统的装配示意图；

图6为本发明实施例锁紧装置的结构示意图；

图7为本发明实施例2电流与力值的关系图。

附图标记：

1-安装支架，11-上板，12-下板，13-立柱，2-锁紧装置，3-升降平台，4-加载系统，41-上电磁铁，42-下电磁铁，411-铁芯，412-励磁线圈，413-压板，414-底板，415-外磁环，5-连接导向装置，51-导柱，52-弹簧，53-轴承，54-连接板，6-力传感器，7-工装，8-试验件平台，9-升降装置。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本发明的一个实施例，磁力加载装置和加载方法，如图1至图6所示，磁力加载装置包括安装支架1、升降平台3、加载系统4、连接导向装置5、工装7、试验件平台8和升降装置9。

安装支架1包括上板11、下板12和立柱13，安装支架1为磁力加载装置提供支撑，固定整个磁力加载装置，承载试验时电磁铁间的吸力，同时做为升降平台3的运动导向装置，便于升降平台3的上下运动。示例性地，上板11和下板12为方形板。下板12为整个磁力加载装置提供支撑，同时，下板12为试验件平台8和升降装置9提供安装平台。立柱13为升降平台3的运动提供导向，同时用于支撑加载系统4和连接导向装置5。上板11和下板12的四角设有螺纹孔，上板11和下板12通过螺钉与四根立柱13连接，形成磁力加载装置的外部框架。安装支架1的顶部设有吊耳(图中未示出)，用于移动磁力加载装置。

加载系统4包括上电磁铁41和下电磁铁42，上电磁铁41包括铁芯411、励磁线圈412、压板413、底板414和外磁环415。铁芯411位于励磁线圈412内部，外磁环415为空心圆柱，为电磁铁建立磁路。铁芯411和励磁线圈412位于外磁环415的空心圆柱内。底板414位于外磁环415，铁芯411和励磁线圈412的一侧，底板414通过螺钉与铁芯411和外磁环415固定。励磁线圈412的另一侧设有压板413，用于固定励磁线圈412，防止漏磁。

励磁线圈412通入直流电后，可产生磁通，励磁线圈412材料采用漆包扁铜线，以保证良好的导电性能，同时为了满足散热的效果，数匝线圈之间放入环氧玻璃布棒，预留空隙散热，最后采用纱带捆扎并浸漆烘干，以保证线圈不散开。铁芯411采用导磁性能高的磁性材料，将磁通集中，形成强磁场。压板413采用导磁率极小的铝合金材料，用于固定励磁线圈412。下电磁铁42的结构与上电磁铁41的结构对称。下电磁铁42和上电磁铁41对称布置，上电磁铁41和下电磁铁42的底板和外磁环415形成加载系统4的外部框架。

升降平台3用于安装并上下移动加载系统4。安装试验件前，加载系统4通过升降平台3向上移动，使加载系统4和试验件平台8之间有足够的空间，方便安装试验件，试验件安装完成后，向下移动升降平台3，可调节加载系统4至所需位置，对试验件进行加载。升降平台3为方形板，方形板的四角开孔，升降平台3通过四角的孔套在安装支架1的立柱13上，升降平台3四角的孔与立柱13之间设有直线轴承，升降平台3通过直线轴承沿立柱13上下滑动。升降平台3中间开孔，用于安装连接导向装置5和加载系统4。

为了固定升降平台3，加载装置还设有锁紧装置2，锁紧装置2位于升降平台3的上表面，和升降平台3一起套在立柱13上。在升降平台3调节到所需位置后，锁紧装置2可固定升降平台3。锁紧装置2由两个半圆环组成，在升降平台3调节到所需位置后，用锁紧螺钉将两个半圆环锁紧，使锁紧装置2固定在立柱13上，从而避免升降平台3在受力时向上运动，影响试验的准确性。

为了保证上电磁铁41和下电磁铁42工作时不发生错位，磁力加载装置还设有连接导向装置5。连接导向装置5包括导柱51、弹簧52、轴承53和连接板54，四根导柱51形成框架，固定上电磁铁41和下电磁铁42。导柱51的上端通过螺钉与上电磁铁41的底板414相连，导柱51的下端通过螺钉与连接板54相连。导柱51穿过下电磁铁42的底板，导柱51与下电磁铁底板之间设有轴承53，轴承53为直线轴承，使得导柱可以在下电磁铁42的底板中上下移动。弹簧52位于上电磁铁41和下电磁铁42之间，弹簧52用于支撑上电磁铁41，当上电磁铁41和下电磁铁42之间产生吸力时，弹簧52被压缩，使得上电磁铁41可以向下运动，同时，在上电磁铁41和下电磁铁42之间的吸力消失时，上电磁铁41在弹簧52的弹性恢复力的作用下可复位。设置弹簧52使得上电磁铁41受力向下压缩时，需克服弹簧52的弹性力，当上电磁铁41的重力与所受的吸力之和与弹簧的弹力达到平衡时，上电磁铁41停止向下运动，从而使得加载系统对试验件的所施加的力缓慢增大，避免实验件收到瞬时强冲击而损坏。

升降平台3设有加载系统4和连接导向装置5的安装孔，孔的直径小于外磁环415的外径，连接板54和导柱51的下部位于升降平台3以下，下电磁铁42的底板位于升降平台3之上，下电磁铁42的底板和升降平台3之间固定连接。从而使得下电磁铁42与升降平台3之间保持相对静止，在上电磁铁41和下电磁铁42的励磁线圈通电后，上电磁铁41和下电磁铁42之间产生吸力，下电磁铁42固定在升降平台3上，上电磁铁41受力向下压缩弹簧52，进而使得上电磁铁41以及与上电磁铁41的底板414通过导柱51相连的连接板54相对升降平台3向下运动。

试验件平台8固定在安装支架1的下板12上，用于固定和安装试验件。

连接板54的下部设有工装7，工装7通过螺栓与连接板54连接，工装7用于将力传递给放在试验件平台8上的试验件，对试验件进行加载。当上电磁铁41和下电磁铁42的励磁线圈通电后，上电磁铁41和下电磁铁42之间产生吸力，连接板54在上电磁铁41的带动下向下运动，从而带动工装7向下挤压置于试验件平台8上的试验件，给试验件施加均布的载荷。根据试验件的形状不同，可设计不同形状的工装7，以实现对试验件的进行均布载荷的加载。工装7与连接板54之间通过螺栓连接，可方便的更换工装7。工装7和连接板54之间设有力传感器6，力传感器6用于测量工装7对试验件所施加的力。

本实施例采用升降装置9来实现升降平台3的上下移动，升降装置9包括两组气缸，两组气缸对称布置在安装支架1的下板12上，气缸活塞端头与升降平台3固定连接，通过气缸的收缩可带动升降平台3上下移动。升降装置9的两组气缸同时动作，可保证升降平台3在上升和下降的过程中保持水平状态。

本实施例还包括功放和采集系统(图中未示出)，功放提供电磁铁所需的电能，采集系统采集力传感器6的电压信号，将电压信号转化为数值。功放对加载系统4提供电压电流，使加载系统4输出电磁力，电磁力的大小由力传感器6采集，采集系统将力传感器6的电压信号转化为数值，可直接看出试件所受力的大小。调节功放输出电流的大小可改变加载系统4的输出力，对试验件进行加载。

本实施例的磁力加载装置的加载方法为：

S1.提升升降平台并安装试验件：

试验开始前，先用升降装置9的气缸提升升降平台3，使加载系统4随之提升。升降装置9的两个气缸同时动作，保证升降平台3在提升的过程中保持水平。根据试验件的大小，当与加载系统4相连的工装7距离试验件平台8有足够的距离时，使气缸停止动作，将试件安装在试验件平台8上。

S2.固定加载系统：

安装完试验件后，升降装置9的气缸杆头缩回，与气缸杆头连接的升降平台3随之下降，将加载系统4和工装7缓慢下降。当工装7下降到与试验件的距离为1-2mm时，使气缸停止动作，升降平台3停止下降，将升降平台3上部的锁紧装置2与立柱13锁紧。通过锁紧装置2和气缸分别限制升降平台3上下两个方向的运动，从而固定加载系统4。

S3.对加载系统(4)通电，从而对试验件进行加载：

打开功放，对励磁线圈输入电流，上电磁铁41和下电磁铁42间形成磁场。上电磁铁41和下电磁铁42间的吸力将克服弹簧52的弹力，使得上电磁铁41向下移动，从而带动连接板54和工装7一起向下运动，工装7与试验件接触，通过工装7向试验件施加压力，与工装7连接的力传感器可测得工装7对试验件施加的压力大小。采集系统采集到的力传感器6电压信号并将电压信号转化为数值，从而直接读出试件所受力的大小。

上电磁铁41向下运动时，需要克服弹簧52的弹力，从而使得与上电磁铁41相连的工装7对试验件加载时，工装7对试验件的压力缓慢增大，避免过大的瞬时冲击力损坏试验件。调节功放的电流大小可方便的调节磁通量，从而调节工装7对试验件施加的压力大小。

实施例2

为了进一步验证本实施例的磁力加载装置，针对尺寸为400×400×3mm的C/SiC试验件，开展磁力加载装置的验证试验，记录力值和电压电流数据，并对数值进行分析。具体步骤包括：

步骤1.提升升降平台并安装试验件：

松开锁紧装置2的锁紧螺钉，通过三维五通阀对升降装置9的气缸充气，使气缸带动升降平台3及升降平台上3的加载系统4沿着安装支架1的立柱13缓慢上升至最高位，然后将400×400×3mm的C/SiC试验件放于试验件平台8上。

步骤2.固定加载系统：

通过三维五通阀对升降装置9的气缸放气，使气缸带动升降平台3及升降平台3上的加载系统4沿着安装支架1的立柱13缓慢下降，使工装7与试验件慢慢靠近。然后通过三位五通阀，使气缸气压稳定，固定锁紧装置2上的锁紧螺钉，此时，上电磁铁41和下电磁铁42间的距离为H，工装7与试验件间的距离为d。

步骤3.对加载系统(4)通电，从而对试验件进行加载：

功放开机，对加载装置通入初始电流，同时观察功放上的力传感器的示值。慢慢调节输入电压，上电磁铁41在上电磁铁41和下电磁铁42之间的吸力的作用下，克服弹簧52的弹力，带动工装7缓慢下降。当工装7与试验件接触时，磁力将正式工作，用游标卡尺测量此时上电磁铁41和下电磁铁42间的间隙h(h＝H-d)。

再将加载装置的输入电压逐渐加大，分别记录不同力值时的电流和电压。在加载过程中分8个点，力值分别为4000N，8000N，12000N，16000N，20000N，24000N，28000N和32000N，分别记录其对应的电流和电压。试验数据见表1。

表1试验数据

电流与力值的关系如图7所示。

本实施例包括多组平行试验，在步骤2中，通电前，升降平台3和加载系统4下降到工装7距离试验件d＝1-2mm时停止。在步骤3中，通电后，当上电磁铁41下降距离为d时，工装7和试验件接触。在不同组试验中，d的大小不同，工装7在接触到试验件的时候，上电磁铁41需要下降的高度不同(上电磁铁41需要下降的高度为d)，从而使得上电磁铁41和下电磁铁42之间的距离h(＝H-d)不同；弹簧52被压缩的量不同，上电磁铁41需要克服的弹簧52的弹性力不同，从而使得输入的电压和电流的值也不同。表1仅示意了h＝6.6mm时，力值对应的电压和电流值。

上述试验表明磁力加载装置能够在不损伤试验件的情况下为试验件提供均布载荷，且力的大小可通过改变电流的大小快速调节。

综上所述，本发明实施例提供的一种磁力加载装置和加载方法，该装置通过对电磁铁的励磁线圈通电，上电磁铁和下电磁铁之间产生吸力，可以在不损伤试验件的情况下为试验件提供均布载荷，且力的大小可通过改变电流的大小快速调节。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种磁力加载装置，其特征在于，包括升降平台(3)、加载系统(4)、连接导向装置(5)、工装(7)和试验件平台(8)；

加载系统(4)与连接导向装置(5)连接并设置于升降平台(3)上，工装(7)设在升降平台(3)下部并与连接导向装置(5)下部连接；

加载系统(4)通电后产生磁力，可带动工装(7)向下运动，对放置在试验件平台(8)上的试验件施加载荷；

加载系统包括上电磁铁(41)和下电磁铁(42)，上电磁铁(41)包括铁芯(411)、励磁线圈(412)、压板(413)、底板(414)和外磁环(415)，加载系统(4)通过下电磁铁(42)的底板与升降平台(3)连接；

连接导向装置(5)包括导柱(51)、弹簧(52)、轴承(53)和连接板(54)，导柱(51)一端与上电磁铁(41)的底板(414)连接，另一端与连接板(54)连接，连接板(54)的下部设有工装(7)；

导柱(51)穿过下电磁铁(42)的底板与连接板(54)连接；

弹簧(52)位于上电磁铁(41)和下电磁铁(42)之间；

轴承(53)为直线轴承，位于导柱(51)与下电磁铁(42)的底板之间。

2.根据权利要求1所述的磁力加载装置，其特征在于，磁力加载装置还包括安装支架(1)，安装支架(1)包括上板(11)、下板(12)和立柱(13)，立柱(13)与上板(11)和下板(12)连接。

3.根据权利要求2所述的磁力加载装置，其特征在于，磁力加载装置还包括升降装置(9)，升降装置(9)位于下板(12)上，升降平台(3)在升降装置(9)的带动下可沿立柱(13)上下移动。

4.根据权利要求1所述的磁力加载装置，其特征在于，磁力加载装置还包括力传感器和采集系统。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的磁力加载装置的加载方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.提升升降平台(3)并安装试验件；

S2.固定加载系统(4)；

S3.对加载系统(4)通电，从而对试验件进行加载。

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