CN115655867B - 一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器 - Google Patents

Abstract

一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，属于机械控制技术领域。本发明解决了现有的加速磨光设备中竖向荷载施加范围有限、水平圆周旋转系统因结构限制导致转速较低、荷载和转速指标控制精度较低的问题。包括电机连接座、连接外套、支撑板、主轴、第一至第三主轴套、第一至第二连接盘、主轴旋转体、花键轴承套及两个液压移溜器，主轴旋转体通过花键轴承套与主轴下部连接，第三主轴套的下部穿装在主轴旋转体内且与主轴旋转体之间通过第二轴承组件转动连接，花键轴承套与第三轴套之间通过第三轴承组件转动连接。第一至第三主轴套及主轴旋转体的结构设计将主轴外侧锁固，又让内侧主轴高速转动，实现高速旋转扭力保护功能。

Description

一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器

技术领域

本发明涉及一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，属于机械控制技术领域。

背景技术

现有技术中，如钻芯机、打孔机、实验室加速磨光机等设备一般需要竖向荷载施加和水平圆周旋转同时进行，下面以实验室路面加速磨光机为例说明：

路面加速磨光机可以在室内模拟车辆轮胎对路面的磨光作用，便于后期更高效、快速的检测不同磨光阶段路表抗滑值，在国内外评价路面抗滑安全性方面具有重要的作用，得到了行业内众多专家、学者的深入研究与探索。荷载施加和水平圆周旋转花键套机械控制器作为路面加速磨光机中的重要组成部分，可以通过轮胎为路面施加所需荷载的同时不断旋转磨光。

现有技术中的磨光机在竖向荷载控制上主要分为三类，一种为设备机体自重，即固定荷载试加载方式；另一种设备配重砝码式荷载施加，只能施加固定数值等级荷载；最后一种为螺丝旋钮式荷载控制器，采用扭动螺旋的形式趋势加载体上下移动。

由于受到试验方法的制约，国内外大多数加速磨光机采用橡胶片与粗集料表面进行磨光，竖向压力控制量程有限且精度较低、不易控制，不能实现真实轮胎与路面的接触磨光过程；少数采用真实轮胎对路面进行磨光的设备，存在竖向荷载加载过程繁琐，施加荷载精度不易控制等技术的问题。因此，赋予加速磨光机中的轮胎以更大的竖向荷载和更大的转速选择范围，同时进一步提升荷载施加精度和自动化运转程度是需要考虑的一个重要问题。

道路在服役过程中，路面持续受到轮胎动荷载的反复作用。因此，为了更真实、更高效地在室内模拟这一过程，需要选用真实的车辆轮胎对路面进行反复磨耗，同时施加相应的竖向荷载。现有加速磨光设备存在以下几个方面的问题：

（1）竖向荷载施加范围有限，均存在荷载施加值低、精度过低等特点。

（2）水平圆周旋转系统因结构限制导致转速较低，当前同类设备水平圆周旋转运行速度小于50 rpm，同类设备仅仅能够模拟40 Km/h以下车辆运行磨耗对路面的破坏，不能模拟飞机轮胎的制动过程。

（3）现有设备在高速旋转运行过程中会产生振动和噪声，从而对试验结果造成不良影响。

发明内容

本发明是为了解决现有加速磨光设备中竖向荷载施加范围有限和水平圆周旋转系统因结构限制导致转速较低技术问题，进而提供了一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，包括电机连接座、连接外套、支撑板、主轴、第一至第三主轴套、第一至第二连接盘、主轴旋转体、花键轴承套及两个液压移溜器，

其中电机连接座、连接外套、支撑板、第二主轴套及第一连接盘由上到下依次同轴固接，主轴上部通过第一轴承组件转动安装在支撑板上，第一主轴套同轴套装在第二主轴套外部且其顶端与支撑板固接，第三主轴套同轴穿装在主轴与第二主轴套之间，第二连接盘同轴套装在第三主轴套的中部且第一连接盘与第二连接盘之间布置有两个压力传感器，所述两个液压移溜器均竖向布置且均布在支撑板与第一连接盘之间，

主轴的下部加工有花键，主轴旋转体通过花键轴承套与主轴下部连接，第三主轴套的下部穿装在主轴旋转体内且与主轴旋转体之间通过第二轴承组件转动连接，花键轴承套与第三轴套之间通过第三轴承组件转动连接。

进一步地，电机连接座与连接外套之间固装有传感器托盘。

进一步地，第一主轴套的上部套装有顶板，且所述顶板与所述支撑板固接，每个液压移溜器的顶端均与顶板底面固接。

进一步地，第三主轴套的外圆面呈阶梯状，第二连接盘与第三主轴套的台肩面之间通过销钉固接。

进一步地，所述第一轴承组件包括第一轴承座、固装在第一轴承座两端的第一轴承压盖及第二轴承压盖以及设置在主轴与第一轴承座之间的两组第一轴承，所述第一轴承座与支撑板之间过盈配合。

进一步地，第一轴承压盖的下方安装有第一减震盖板，第一轴承座内侧安装有第一减震橡胶贴。

进一步地，所述第二轴承组件包括轴承隔环、转头轴承压盖及两组第二轴承，其中两组所述第二轴承均设置在第三主轴套与主轴旋转体之间，所述轴承隔环设置在两组第二轴承之间，所述转头轴承压盖盖装在主轴旋转体顶端。

进一步地，转头轴承压盖的下方安装有第二减震盖板。

进一步地，所述第三轴承组件包括两组第三轴承及布置在两组第三轴承之间的轴承隔套，且所述轴承隔套内侧安装有第二减震橡胶贴。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

通过液压移溜器伸缩与支撑板的反作用力来提供荷载值，进而实施压力或者拉力。采用液压结构施加竖向荷载，使得机械控制器在荷载施加过程中稳定、持续，进而使得不同形状承载体表面均能获得均等大小的点面荷载；采用花键机制能够高精度保证设备水平圆周旋转速度，本申请中，水平圆周旋转于主轴套内部实施，不会干扰其他功能。同时第一至第三主轴套及主轴旋转体的结构设计将主轴外侧锁固，又让内侧主轴高速转动，实现高速旋转扭力保护功能，使得本申请机械控制器确保在350 rpm高速下稳定、持续旋转。而当前同类设备水平圆周旋转运行速度小于40 rpm，而本申请运行速度高达350rpm，同类设备仅仅能够模拟40 Km/h往下车辆运行磨耗对路面的破坏，而本申请能够可靠模拟飞机刹车运行速度对路面的破坏。

本申请的机械控制器兼具高精度竖向荷载施加和高速水平圆周旋转功能，两功能可同时实施，除用于实验室加速磨光机外，还能用于钻芯机、打孔机等需要荷载施加和圆周旋转同时进行的多种设备。

附图说明

图1为本申请的主剖视示意图；

图2为本申请的机械控制器应用于加速磨光机时的安装示意图；

图3为电机连接座的主剖视示意图；

图4为传感器托盘的主剖视示意图；

图5为连接外套的主剖视示意图；

图6为第一轴承座的主剖视示意图；

图 7为第一主轴套的主剖视示意图；

图8为第二主轴套的主剖视示意图；

图9为第三主轴套的主剖视示意图；

图10为第一连接盘的主剖视示意图；

图11为第一连接盘的仰视示意图；

图12为第二连接盘的主剖视示意图；

图13为第二连接盘的仰视示意图；

图14为主轴旋转体的主剖视示意图；

图15为主轴旋转体的立体结构示意图；

图16为转头轴承压盖的主剖视示意图；

图17为第一轴承压盖的主剖视示意图；

图18为主轴的主视示意图；

图19为轴承隔环的水平方向剖视示意图；

图20为花键轴承套的俯视示意图；

图21为图20的A-A向剖视示意图；

图22为顶板的俯视示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~22说明本实施方式，一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，包括电机连接座1、连接外套2、支撑板3、主轴4、第一至第三主轴套、第一至第二连接盘、主轴旋转体10、花键轴承套11及两个液压移溜器12，

其中电机连接座1、连接外套2、支撑板3、第二主轴套6及第一连接盘8由上到下依次同轴固接，主轴4上部通过第一轴承组件13转动安装在支撑板3上，第一主轴套5同轴套装在第二主轴套6外部且其顶端与支撑板3固接，第三主轴套7同轴穿装在主轴4与第二主轴套6之间，第二连接盘9同轴套装在第三主轴套7的中部且第一连接盘8与第二连接盘9之间布置有两个压力传感器16，所述两个液压移溜器12均竖向布置且均布在支撑板3与第一连接盘8之间，

主轴4的下部加工有花键，主轴旋转体10通过花键轴承套11与主轴4下部连接，第三主轴套7的下部穿装在主轴旋转体10内且与主轴旋转体10之间通过第二轴承组件14转动连接，花键轴承套11与第三轴套之间通过第三轴承组件15转动连接。

电机连接座1、连接外套2、第二主轴套6及第一连接盘8由上到下依次通过螺钉固接。

两个压力传感器16均布在第一连接盘8与第二连接盘9之间。

主轴旋转体与花键轴承套之间通过花键轴承套上的螺母和螺钉固定连接。

主轴旋转体通过蜗轮蜗杆组件带动需要圆周旋转的目标设备转动。

所述液压移溜器12优选为同频双向液压伸缩工作机制，通过其伸缩与支撑板3的反作用力来提供荷载值，进而实施压力、或者拉力。采用液压结构施加竖向荷载，使得机械控制器在荷载施加过程中稳定、持续，进而使得不同形状承载体表面均能获得均等大小的点面荷载；采用花键机制能够高精度保证设备水平圆周旋转速度，同时当水平圆周旋转中，遇到障碍物时，设备会自动找平，并自动恢复设定速度。

工作原理：

一、竖向荷载施加：

荷载施加动力装置采用液压移溜器12，也可为液压机、液压柱等液压设备。通过第一至第三主轴套传递和实施荷载，通过压力传感器16感应荷载数值，实时显示/传输荷载数值，通过第一至第二连接盘调节与维持荷载。通过本申请可施加8 kN高重量荷载，荷载施加精度等级为±10 N，达到精工仪表测试等级。

本申请可实现测试荷载在0-8000 N间多档控制，测试荷载范围跨度大。当需要进行荷载施加时，启动控制柜荷载油泵，以为整个机体提供动力，第一至第三主轴套根据拉压荷载指令实施伸缩指令，液压移溜器12伸做出动作后，支撑板3或者其上固定安装的顶板18作为反力架提供反作用力，带动第一连接盘8及第二主轴套6向下移动施加保值荷载，第二连接盘9固定不动进而使得压力传感器16测试并于设备显示端显示荷载值，同时主轴旋转体10及下端接触物如磨光双轮组19获得等值荷载。

二、高速水平圆周旋转：

通过主轴4下部的花键结构与主轴旋转体10的转动配合，实现恒速圆周旋转，同时，当水平圆周旋转中，遇到障碍物时，主轴旋转体10会将信号脉冲传递给主轴4，然后主轴4将所需动力传递给连接外套2，获得指定的动能后又反馈给主轴旋转体10，通过障碍物后速度又自动恢复恒定速度。

机械控制器的动力源为5.5 KW电机21，速度控制机构为减速机。可直接采用步进式电机-减速机一体机。

根据具体要求，本申请可单一进行竖向荷载施加过程，也可单一进行高速水平圆周旋转过程，也可同时进行竖向荷载施加和高速水平圆周旋转过程。

本申请中，水平圆周旋转于主轴4套内部实施，不会干扰其他功能。同时第一至第三主轴套及主轴旋转体10的结构设计将主轴4外侧锁固，又让内侧主轴4高速转动，实现高速旋转扭力保护功能，使得本申请机械控制器可在350 rpm高速下稳定、持续旋转。而当前同类设备水平圆周旋转运行速度小于40 rpm，本申请运行速度高达350rpm，同类设备仅仅能够模拟40 Km/h往下车辆运行磨耗对路面的破坏，而本申请可以模拟飞机刹车运行速度对路面的破坏。

本申请水平圆周旋转速度可达350转/min，多档、稳定、自调节化控制。启动设备动力控制器，设备获得制动转速指令，和连接外套2实施旋转动力传递，主轴4获得旋转动力、主轴旋转体10实施从动旋转，当下端接触物如磨光双轮组19在工作遇到工作阻力，运送转头轴承压盖14-2、第一轴承压盖、轴承隔环、轴承隔套实时反馈旋转能力需求，旋转电机连接座1、传感器托盘17进行动力调节并重复施加到主轴4，主轴旋转体10获得均匀旋转速度，转速精度达±3转/min。

本申请的机械控制器兼具高精度竖向荷载施加和高速水平圆周旋转功能，两功能可同时实施，除用于实验室加速磨光机外，还能用于钻芯机、打孔机等需要荷载施加和圆周旋转同时进行的多种设备。

电机连接座1与连接外套2之间固装有传感器托盘17。如此设计，便于安装用于机体自我调节/调整的传感器组，该传感器组能够实现包括荷载、扭矩和转速的自我感应与调控。

第一主轴套5的上部套装有顶板18，且所述顶板18与所述支撑板3固接，每个液压移溜器12的顶端均与顶板18底面固接。如此设计，使控制器整体结构构稳固安装在框架20上。

第三主轴套7的外圆面呈阶梯状，如此设置能够加强与其连接的其他构件的连接强度，第二连接盘9与第三主轴套7的台肩面之间通过销钉固接。

所述第一轴承组件13包括第一轴承座13-1、固装在第一轴承座13-1两端的第一轴承压盖13-2及第二轴承压盖以及设置在主轴4与第一轴承座13-1之间的两组第一轴承，所述第一轴承座13-1与支撑板3之间过盈配合。如此设计，通过设置第一轴承座便于安装第一轴承，通过设置第一轴承压盖，便于第一轴承的安装稳固，同时便于安装减震件。

第一轴承压盖13-2的下方安装有第一减震盖板，第一轴承座13-1内侧安装有第一减震橡胶贴。如此设计，使得本申请具备减振、消音功能，能够将液压机工作中产生的振动进行消减，除不影响其他机体工作外，还能避免因振动造成的动能误差。

所述第二轴承组件14包括轴承隔环14-1、转头轴承压盖14-2及两组第二轴承，其中两组所述第二轴承均设置在第三主轴套7与主轴旋转体10之间，所述轴承隔环14-1设置在两组第二轴承之间，所述转头轴承压盖14-2盖装在主轴旋转体10顶端。如此设计，通过设置转头轴承压盖，便于第二轴承的安装稳固，同时便于安装减震件。

转头轴承压盖14-2的下方安装有第二减震盖板。如此设计，使得本申请具备减振、消音功能，能够将液压机工作中产生的振动进行消减，除不影响其他机体工作外，还能避免因振动造成的动能误差。

所述第三轴承组件包括两组第三轴承及布置在两组第三轴承之间的轴承隔套15-1，且所述轴承隔套内侧安装有第二减震橡胶贴。如此设计，使得本申请具备减振、消音功能，能够将液压机工作中产生的振动进行消减，除不影响其他机体工作外，还能避免因振动造成动能传递误差。

电机连接座1为罩体结构，其顶端开设有电机安装通孔1-1，其下端外侧一体固接有第一限位环板1-2，所述第一限位环板1-2上沿其周向加工有若干竖向布置的第一安装孔1-21，通过第一安装孔1-21实现电机连接座1与传感器托盘17的固接。

传感器托盘17为环形板结构，其上竖向开设有传感器安装通孔17-1以及若干第二安装孔17-2，且若干第二安装孔17-2沿传感器托盘17周向分布在传感器安装通孔17-1的外侧。第二安装孔17-2与第一安装孔1-21上下对应设置。

连接外套2为筒状结构，其筒壁顶端沿其周向开设有若干第三安装孔2-1，第三安装孔2-1与第二安装孔17-2上下对应设置。连接外套的筒壁底端沿其周向开设有若干第四安装孔2-2，所述第三安装孔2-1及第四安装孔2-2均为盲孔。通过第四安装孔2-2实现连接外套2与支撑板3之间的固接。

第一轴承座13-1为桶状结构，其桶壁顶端沿其周向开设有若干第五安装孔13-11，且第五安装孔为盲孔，用于与第一轴承压盖13-2固接，其桶底开设有主轴安装通孔13-12，用于主轴通过。第一轴承座13-1的下部外侧一体固装有第二限位环板13-13，所述第二限位环板13-13上沿其周向加工有若干竖向布置的第六安装孔13-14，用于实现第一轴承座13-1与支撑板3之间的固接。

第一主轴套5为筒状结构，其筒壁顶端沿其周向开设有若干第七安装孔5-1，且第七安装孔5-1为盲孔，用于与支撑板3的固定连接。

第二主轴套6为筒状结构，其筒壁底端沿其周向开设有若干第八安装孔6-1，且第八安装孔6-1为盲孔，用于与第一连接盘8的固定连接。第二主轴套6的底端一体同轴固接有限位环6-2，且限位环6-2的内径与第二主轴套6的内径相等，限位环6-2的外径小于第二主轴套6的外径。

第三主轴套7为筒状结构，且其中部外壁加工有台阶面7-1，所述台阶面7-1上沿其周向加工有若干第九安装孔7-2，且第九安装孔7-2为盲孔，用于与第二连接盘9的固定连接。第三主轴套7的下部外壁加工有环形凹槽7-3，用于安装轴承隔环14-1。第三主轴套7的底部内壁加工有台阶卡槽7-4，用于安装第三轴承组件15。

第一连接盘8为板状结构，其中部加工有第十安装孔8-1，用于第三主轴套7的径向限位；第一连接盘8上还加工有若干第十一安装孔8-2及两个第十二安装孔8-3，其中第十一安装孔8-2为台阶通孔，用于与第二主轴套6的固定连接，第十二安装孔8-3用于安装压力传感器16。若干第十一安装孔8-2沿第十安装孔8-1周向布置，两个第十二安装孔8-3沿若干第十一安装孔8-2周向布置。

主轴旋转体10为阶梯筒状结构，其筒壁顶端加工有若干第十三安装孔10-1，用于与转头轴承压盖14-2的固定连接，其上部大直径孔内用于安装第二轴承组件14，其下部内壁与花键轴配合的花键孔10-2。

转头轴承压盖14-2包括上下一体固接的定位板14-21及挡环14-22，定位板14-21中部加工有第十四安装孔14-23，用于第三主轴套7的径向限位。定位板14-21上沿其周向加工有若干第十五安装孔14-24，用于与主轴旋转体10之间的固定连接。挡环14-22用于实现对转头轴承压盖14-2的水平方向的限位。

Claims (9)

1.一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，其特征在于：包括电机连接座（1）、连接外套（2）、支撑板（3）、主轴（4）、第一至第三主轴套、第一至第二连接盘、主轴旋转体（10）、花键轴承套（11）及两个液压移溜器（12），

其中电机连接座（1）、连接外套（2）、支撑板（3）、第二主轴套（6）及第一连接盘（8）由上到下依次同轴固接，主轴（4）上部通过第一轴承组件（13）转动安装在支撑板（3）上，第一主轴套（5）同轴套装在第二主轴套（6）外部且其顶端与支撑板（3）固接，第三主轴套（7）同轴穿装在主轴（4）与第二主轴套（6）之间，第二连接盘（9）同轴套装在第三主轴套（7）的中部且第一连接盘（8）与第二连接盘（9）之间布置有两个压力传感器（16），所述两个液压移溜器（12）均竖向布置且均布在支撑板（3）与第一连接盘（8）之间，

主轴（4）的下部加工有花键，主轴旋转体（10）通过花键轴承套（11）与主轴（4）下部连接，第三主轴套（7）的下部穿装在主轴旋转体（10）内且与主轴旋转体（10）之间通过第二轴承组件（14）转动连接，花键轴承套（11）与第三轴套之间通过第三轴承组件（15）转动连接。

2.根据权利要求1所述的一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，其特征在于：电机连接座（1）与连接外套（2）之间固装有传感器托盘（17）。

3.根据权利要求1或2所述的一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，其特征在于：第一主轴套（5）的上部套装有顶板（18），且所述顶板（18）与所述支撑板（3）固接，每个液压移溜器（12）的顶端均与顶板（18）底面固接。

4.根据权利要求1所述的一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，其特征在于：第三主轴套（7）的外圆面呈阶梯状，第二连接盘（9）与第三主轴套（7）的台肩面之间通过销钉固接。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，其特征在于：所述第一轴承组件（13）包括第一轴承座（13-1）、固装在第一轴承座（13-1）两端的第一轴承压盖（13-2）及第二轴承压盖以及设置在主轴（4）与第一轴承座（13-1）之间的两组第一轴承，所述第一轴承座（13-1）与支撑板（3）之间过盈配合。

6.根据权利要求5所述的一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，其特征在于：第一轴承压盖（13-2）的下方安装有第一减震盖板，第一轴承座（13-1）内侧安装有第一减震橡胶贴。

7.根据权利要求1、2或4所述的一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，其特征在于：所述第二轴承组件（14）包括轴承隔环（14-1）、转头轴承压盖（14-2）及两组第二轴承，其中两组所述第二轴承均设置在第三主轴套（7）与主轴旋转体（10）之间，所述轴承隔环（14-1）设置在两组第二轴承之间，所述转头轴承压盖（14-2）盖装在主轴旋转体（10）顶端。

8.根据权利要求7所述的一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，其特征在于：转头轴承压盖（14-2）的下方安装有第二减震盖板。

9.根据权利要求1所述的一种兼具竖向荷载施加及水平圆周旋转的机械控制器，其特征在于：所述第三轴承组件包括两组第三轴承及布置在两组第三轴承之间的轴承隔套（15-1），且所述轴承隔套内侧安装有第二减震橡胶贴。