CN207540777U - 一种可变刚度模拟弹簧线性加载系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型具体涉及一种可变刚度模拟弹簧线性加载系统，主要解决现有的试验系统试验工作量大，精度不高，系统成本高，控制系统复杂的问题。系统包括直线导轨、连杆、摇臂和加载缸；加载缸与摇臂的一端铰接，摇臂的另一端与连杆的一端的铰接，连杆的另一端与直线导轨铰接，直线导轨与被试产品连接；被试产品和直线导轨做同轴直线运动，当被试产品无位移变化时，摇臂与连杆为垂直设置。本实用新型在为直线类被试产品施加轴向线性载荷时，只需调节加载缸的供油压力大小便可实现其线性加载的刚度的改变，相对于采用弹簧直接加载，该系统使用简单、方便，无需更换器件，减小了试验工作量。
Description
技术领域
本实用新型涉及刚度模拟弹簧线性加载系统，具体涉及一种试验设备中使用的可变刚度模拟弹簧线性加载系统。
背景技术
试验设备中通常要为直线运动类产品(如液压缸等)施加线性载荷,传统的加载方式是根据公式f＝kx(f加载力，k斜率或弹簧刚度，x位移)，采用弹簧加载或伺服加载缸加载，如图1、图2所示，被试产品21与加载弹簧22连接或被试产品31与伺服加载缸32连接；此种系统在使用过程中存在以下缺陷：1.每种弹簧刚度固定，无法调整刚度(k)，所需线性载荷发生变化时只能更换弹簧，试验工作量大，试验成本较高；2.弹簧因加工工艺的限制，一般其线性误差为10％，精度不高；3.伺服加载缸系统成本高，控制系统复杂，产品换向有加载力超调问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决现有的试验系统试验工作量大、精度不高、系统成本高、控制系统复杂的问题，提供一种模拟弹簧线性加载系统，可实现对直线运动类产品施加线性载荷，同时线性加载斜率(或刚度)k可根据需求任意调节，成本相对低廉，控制系统简单。
本实用新型的技术方案是：
一种可变刚度模拟弹簧线性加载系统，包括直线导轨、连杆、摇臂和加载缸；所述加载缸与摇臂的一端铰接，所述摇臂的另一端与连杆的一端铰接，所述连杆的另一端与直线导轨铰接，所述直线导轨与被试产品连接；所述被试产品和直线导轨做同轴直线运动，当被试产品无位移变化时，所述摇臂与连杆为垂直设置。加载缸的输出力通过摇臂、连杆和导轨最终传递至被试产品输出端为被试产品施加轴向载荷。
进一步地，所述加载缸由液压系统驱动，所述液压系统包括蓄能器、泵组、油箱和调压阀；所述蓄能器、泵组和油箱依次通过管路连接，所述调压阀的进口与蓄能器出口连接，出口与油箱连接。
进一步地，所述液压泵组的入口管路上设置有单向阀。
进一步地，所述液压系统管路上设置有压力表。
进一步地，所述液压系统还设有泄露回油管路。
本实用新型有益效果为：
1.线性加载的刚度(或斜率)无极可调：本实用新型在为直线类被试产品施加轴向线性载荷时，只需调节加载缸的供油压力大小便可实现其线性加载的刚度(或斜率)的改变，相对于采用弹簧直接加载，本实用新型系统使用简单、方便，无需更换器件，减小了试验工作量。
2.加载精度高：本实用新型的线性加载精度可达5％，优于一般加载弹簧所能达到的10％加载精度。
3.被试产品换向无加载力超调：本实用新型中被试产品换向，加载缸始终为同一工作腔不换向，且给加载缸供油的液压系统采用调压阀和蓄能器双重稳压，避免了加载缸换向和供油压力波动而导致的加载力超调问题。
附图说明
图1为现有系统采用弹簧加载的示意图；
图2为现有系统采用伺服加载缸加载的示意图；
图3为本实用新型可变刚度模拟弹簧线性加载系统示意图；
图4为本实用新型可变刚度模拟弹簧线性加载系统工作状态示意图。
附图标记：1-被试产品，2-直线导轨，3-连杆，4-摇臂，5-加载缸，6-压力表，7-蓄能器，8-调压阀，9-单向阀，10-液压泵组，11-油箱；12-泄露回油管路，21-被试产品，22-加载弹簧，31-被试产品，32-伺服加载缸。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。
如图3、图4所示的一种可变刚度模拟弹簧线性加载系统，包括直线导轨2、连杆3、摇臂4和加载缸5；加载缸5与摇臂4的一端铰接，摇臂4的另一端与连杆3的一端的铰接，连杆3的另一端与直线导轨2铰接，直线导轨2与被试产品1连接；被试产品1和直线导轨2做同轴直线运动，当被试产品1无位移变化时，摇臂4与连杆3为垂直设置。加载缸5的输出力通过摇臂4、连杆3和导轨最终传递至被试产品1输出端为被试产品1施加轴向载荷。
加载缸5由液压系统驱动，液压系统包括蓄能器7、泵组10、油箱11和调压阀8；蓄能器7、泵组10和油箱11依次通过管路连接，调压阀8的进口与蓄能器7出口连接，出口与油箱11连接。泵组10的入口管路上设置有单向阀9。液压系统管路上设置有压力表6，液压系统还设有泄露回油管路12，对加载缸5内泄露的液压油进行排放。
如图3所示，当被试产品1在中立位置时，被试产品1、直线导轨2和连杆3共线，加载缸5和摇臂4共线，且被试产品1、导轨和连杆3组与加载缸5和摇臂4组相互垂直。根据力传递原理，此时为被试产品1施加的轴向载荷f为零。
如图4所示，当被试产品1输出端位移发生变化(伸出或收回)时，被试产品1因直线导轨2的导向作用限制保持水平，摇臂4绕旋转中心O偏转，且与摇臂4两端铰接的连杆3和加载缸5跟随发生偏转。
根据力传递原理，此时加载缸5的输出力F的水平分力f1＝F·cosθ，(θ为加载缸轴线与被试产品轴线的夹角)的大小即为被试产品1所施加的轴向载荷f的大小，且f＝-f1。
同时，由图4可知，当被试产品1输出位移x偏离中位增大时，夹角θ值减小，反之亦然。采用作图法求出一组位移x值所对应的夹角余弦cosθ值，再采用最小二乘法线性化拟合可得出夹角余弦cosθ值与位移x之间的近似比例系数k1，即cosθ＝k1·x。
因此可得，为被试产品1所施加的轴向载荷公式：
f＝kx＝-f1＝-Fcosθ＝-Fk1·x
f＝kx＝-Fk1·x
从上面公式可看出，只要改变加载缸5的加载力F的大小，即可改变该线性加载系统的刚度(或斜率)，而加载缸5的加载力F可通过为加载缸5供压的液压系统调压阀8进行无极调节。
经试验验证，通过此模拟弹簧线性加载系统可实现的线性加载精度为5％，优于一般弹簧10％的加载精度，且被试产品1换向无超调。
本实用新型利用直线导轨2、连杆3、旋转摇臂4组成的力传递系统，传递加载液压缸产生的与被试产品1轴线平行的加载分力为被试产品1施加轴向弹簧线性载荷的系统。该可变刚度模拟弹簧线性加载系统线性加载刚度(或斜率)通过加载液压缸供油调压阀无极可调。
本实用新型加载缸5始终保持一腔工作，液压油由油箱经过泵组和蓄能器进入加载缸5，对加载缸5提供动力，同时，回油经过蓄能器和调压阀返回油箱，实现了被试产品1换向而加载液压缸工作腔不换项，且采用调压阀8和蓄能器7双重稳压，从根本上解决了加载换向冲击的问题。
Claims (5)
1.一种可变刚度模拟弹簧线性加载系统，其特征在于：包括直线导轨(2)、连杆(3)、摇臂(4)和加载缸(5)；
所述加载缸(5)与摇臂(4)的一端铰接，所述摇臂(4)的另一端与连杆(3)的一端铰接，所述连杆(3)的另一端与直线导轨(2)铰接，所述直线导轨(2)与被试产品(1)连接；
所述被试产品(1)和直线导轨(2)做同轴直线运动。
2.根据权利要求1所述的可变刚度模拟弹簧线性加载系统，其特征在于：所述加载缸(5)由液压系统驱动，所述液压系统包括蓄能器(7)、泵组(10)、油箱(11)和调压阀(8)；所述蓄能器(7)、泵组(10)和油箱(11)依次通过管路连接，所述调压阀(8)的进口与蓄能器(7)出口连接，出口与油箱(11)连接。
3.根据权利要求2所述的可变刚度模拟弹簧线性加载系统，其特征在于：所述泵组(10)的入口管路上设置有单向阀(9)。
4.根据权利要求2或3所述的可变刚度模拟弹簧线性加载系统，其特征在于：所述液压系统管路上设置有压力表(6)。
5.根据权利要求4所述的可变刚度模拟弹簧线性加载系统，其特征在于：所述液压系统还设有泄露回油管路(12)。
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