CN218479219U - 一种桩顶水平变向循环荷载加载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种桩顶水平变向循环荷载加载装置，包括循环加载模块、变向模块、传动模块、框架支撑模块、动力模块和加载反馈模块；框架支撑模块包括上部框架和下部框架，动力模块包括上部动力模块和下部动力模块；下部框架固定安装在桩基顶部，变向模块安装在上部框架和下部框架之间，循环加载模块与传动模块连接，固定安装在上部框架上，上部动力模块与传动模块相连，下部动力模块与变向模块相连；本方案结构设计不会对桩体做出多余扰动，结构简单、成本低，通过下部动力模块的驱动，带动转动模块水平旋转，实现水平变向，通过上部动力模块驱动传动模块并带动循环加载模块旋转，实现循环荷载施加。

Description

一种桩顶水平变向循环荷载加载装置

技术领域

本实用新型属于土木建筑工程实验设备技术领域，具体涉及一种模拟海上风浪对风力发电机桩基础的水平变向循环荷载加载装置。

背景技术

现实生活中，对能源需求的增加和化石燃料库存的有限，导致可再生能源的快速发展，其中风能是最有前途的能源之一，风能作为一种可再生资源被国内外广泛重视，而海洋中风能更是受到沿海国家的青睐。

桩基础作为海上风力发电机的主要基础形式，长期受海上风浪的影响，其服役特性受水平承载力影响极大。这种载荷的幅度、频率和方向各不相同，因此很难预测。传统的加载方式大多忽略了荷载方向的改变，只在一个方向上单独施加循环荷载，然而这些载荷在结构的使用寿命中通常不是单向的。或者加载一定次数后手动改变加载方向，手动改变加载方向只可在几个固定的角度施加循环荷载，无法涉及每个角度，而且每次手动改变加载方向时，必然会对桩体做出扰动。这种荷载方向的变化是连续性的，现有设备做不到在加载的同时改变加载方向，不能真实的模拟桩基础服役期间的荷载情况。

研究表明，方向变化的循环载荷比等效的一维循环载荷能产生更大的位移，因此，水平循环载荷作为检验桩体水平承载能力的重要试验，配套实验设备的实用性有待提高。

实用新型内容

本实用新型为解决现有技术中存在的问题，提出一种桩顶水平变向循环荷载加载装置，结构简单、成本低、安装操作方便，可对桩体在多个方向上施加循环荷载。

本实用新型是采用以下的技术方案实现的：一种桩顶水平变向循环荷载加载装置，包括循环加载模块、变向模块、传动模块、框架支撑模块、动力模块和加载反馈模块；

所述框架支撑模块包括上部框架和下部框架，动力模块包括上部动力模块和下部动力模块，所述下部框架固定安装在桩基顶部，变向模块安装在上部框架和下部框架之间，循环加载模块与传动模块连接，固定安装在上部框架内，上部动力模块与传动模块相连，下部动力模块与变向模块相连；

在下部动力模块驱动下带动变向模块水平旋转，实现水平变向，通过上部动力模块驱动传动模块并带动循环加载模块旋转，实现循环荷载施加。

进一步的，所述循环加载模块包括第一齿轮、第二齿轮和第一砝码、第二砝码；第一齿轮和第二齿轮结构相同、齿数相同，相互啮合，通过相互咬合，实现旋转方向相反；第一砝码、第二砝码对应的安装在第二齿轮和第一齿轮上。

进一步的，所述第一砝码和第二砝码重量相同，且第一砝码和第二砝码中心连线所在直线与第一齿轮和第二齿轮切线所在直线垂直。

进一步的，所述传动模块包括第一传动齿轮和第二传动齿轮以及第一传动轴和第二传动轴，上部动力模块的输出轴与第一传动齿轮相连，第一传动齿轮和第二传动齿轮啮合，第二传动齿轮和第一齿轮安装在第二传动轴上，第二齿轮安装在第一传动轴上，第一传动轴和第二传动轴的两端固定安装在上部框架内，上部动力模块转动带动第一传动齿轮旋转，第一传动齿轮与第二传动齿轮啮合，进而带动第二传动齿轮转动，第二传动齿轮将动能传给第二传动轴，第二传动轴带动第一齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，进而带动第二齿轮旋转。

进一步的，所述变向模块采用法兰盘式行星减速机。

进一步的，所述变向模块包括旋转平台、法兰盘、行星减速机和方形法兰片，旋转平台与行星减速机的输出轴相连，旋转平台套设在法兰盘内，行星减速机与下部动力模块相连，旋转平台与其上部的加载反馈模块固定连接，同时为上部提供水平旋转；法兰盘与下部框架固定连接。

进一步的，所述加载反馈模块包括重力传感器、上支座和下支座，重力传感器设置在上支座和下支座，上支座与上部框架相连，下支座与变向模块。

进一步的，所述上部框架包括上钢板、下钢板以及四个上部钢柱，上部钢柱安装在上钢板和下钢板之间，上钢板和下钢板上安装有菱形轴承座，以对两个传动轴固定，下部框架包括顶板、底板以及连接顶板和底板的四个下部钢柱，顶板与变向模块相连，底板与桩基顶部固定连接相连。

进一步的，所述上部动力模块和下部动力模块均采用伺服电机。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

本方案设计循环加载模块、变向模块和传动模块等，变向装置施加的变向是连续性的，可涉及到每个加载方向，更加准确拟合出风浪对桩体的扰动，传动效率高、精度高、定位准确；结合变向模块的设置，不但可保证在固定角度内连续对桩体施加循环载荷，还可控制变向的速度、范围和变向的方向，无需手动改变加载方向，不会对桩体做出多余扰动，其结构简单、成本低、安装操作方便，可对桩体在多个方向上施加循环荷载。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述装置正视结构示意图；

图2为本实用新型实施例所述循环加载模块示意图；

图3为本实用新型实施例所述变向模块示意图；

图4为本实用新型实施例所述传动模块示意图；

图5为本实用新型实施例所述框架支撑模块示意图，其中(a)为上部框架结构示意图，(b)为下部框架结构示意图；

图6为本实用新型实施例所述动力模块示意图；

图7为本实用新型实施例所述加载反馈模块示意图；

图8为本实用新型实施例受力分析示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例。

实施例，本实施例公开一种桩顶水平变向循环荷载加载装置，如图1所示，包括循环加载模块1、变向模块2、传动模块3、框架支撑模块、动力模块和加载反馈模块6；所述框架支撑模块包括上部框架41和下部框架42，动力模块包括上部动力模块51和下部动力模块52，所述下部框架42固定安装在桩基顶部，变向模块2安装在上部框架41和下部框架42之间，循环加载模块1与传动模块3连接，固定安装在上部框架41上，上部动力模块51与传动模块3相连，下部动力模块52与变向模块2相连；

通过下部动力模块52的驱动，带动变向模块2水平旋转，实现水平变向，通过上部动力模块51驱动传动模块3并带动循环加载模块1旋转，实现循环荷载施加。

为了对本方案进一步理解，下面结合各模块对本方案进行详细的阐述：

如图2和图4所示，所述循环加载模块1包括第一齿轮101、第二齿轮102和第一砝码103、第二砝码104；第一齿轮101和第二齿轮102结构相同、齿数相同，相互啮合，通过相互咬合，实现旋转方向相反；第一砝码103、第二砝码104通过内六角螺丝对应的安装在第二齿轮102和第一齿轮101上，可自由拆卸，第一砝码103和第二砝码104重量相同，且第一砝码103和第二砝码104中心连线所在直线与第一齿轮101和第二齿轮102切线所在直线垂直。具体实施时，可以通过改变两个砝码的质量改变加载的幅值。

所述传动模块3的结构如图4所示，包括第一传动齿轮301和第二传动齿轮302，第一传动轴304和第二传动轴303，上部动力模块51的输出轴与第一传动齿轮301相连，第一传动齿轮301和第二传动齿轮302啮合，第二传动齿轮302和第一齿轮101安装在第二传动轴303上，第二齿轮102安装在第一传动轴304上，齿轮和传动轴的固定可用固定环进行阻挡定位。第一传动轴304和第二传动轴303的两端通过四个深沟球轴承(305、306、307、308) 固定安装在上部框架41内，上部动力模块51转动带动第一传动齿轮301旋转，第一传动齿轮301与第二传动齿轮302啮合，进而带动第二传动齿轮302转动，第二传动齿轮302将动能传给第二传动轴303，第二传动轴303带动第一齿轮101，第一齿轮101与第二齿轮102啮合，进而带动第二齿轮102旋转。

这里需要说明的是：循环加载系统通过两个咬合的齿轮带动其上的砝码绕各自圆心做匀速圆周运动，由其上的砝码产生的离心力对桩体施加循环动载。

两个齿轮上的产生的离心力分别为：

F_n1＝m₁rω² (1)

F_n2＝m₂rω² (2)

其中，F_n1、F_n2表示两个齿轮的离心力；m₁、m₂表示两个砝码的质量；r是旋转半径；ω表示角速度。

当两个齿轮的角速度ω相等，砝码的质量m₁、m₂相等，旋转半径r相等，旋转方向相反时，且两个砝码形心的连线与X轴平行时(定义第一砝码103和第二砝码104中心连线所在直线为X轴，第一齿轮101和第二齿轮102切线所在直线为Y轴)。匀速圆周运动产生的离心力F_n1、F_n2可沿x、y方向分解成两个力，受力分析如图8所示：

两个方向的合力分别为：

F_x＝F_n1sin(θ)-F_n2sin(θ)＝0 (3)

F_y＝F_n1cos(θ)+F_n2cos(θ)＝(F_n1+F_n2)cos(θ) (4)

通过上式公式可以观察到，X方向的力被抵消，而Y方向的力呈余弦变化，恰当的模拟出风浪对桩作用的荷载形式。

具体安装前，先计算需要施加的动力，再根据公式(1)、(2)、(4)计算砝码的质量，结合上述原理即可实现，在此不做过多描述。

如图3所示，为变向模块2的结构示意图，所述变向模块采用法兰盘式行星减速机，其结构比较成熟，包括旋转平台201、法兰盘202、行星减速机203和方形法兰片204等，旋转平台201与行星减速机203的输出轴相连，旋转平台201套设在法兰盘202内，行星减速机203与下部动力模块52相连，旋转平台201与其上部的加载反馈模块6固定连接，同时为上部提供水平旋转；法兰盘202与下部框架42固定连接，行星减速机203可降低转速和实现高精度定位，通过下部动力模块52为变向模块2提供动力。

变向模块是由法兰盘式行星减速机实现上部循环加载装置的水平变向，法兰盘式行星减速机具有高刚度，可保证水平力的传递和承受水平力，同时还具有高精度、高承载力矩、适用性强、传动效率高可保证上部循环加载系统在运行过程中任意变向。

其中，所述加载反馈模块6主体由二维力高精度重力传感器601和上支座602、下支座 603组成，如图7所示，通过传感器601达到加载数据实时检测的目的，上支座602与上部框架41相连，下支座603与变向模块2相连。

继续参考图5，框架支撑模块结构示意图，上部框架41包括上钢板401、下钢板402以及四个上部钢柱403，上钢板401和下钢板402上安装有菱形轴承座404，以对两个传动轴固定，框架内部通过四个菱形轴承座与传动模块3连接，下部框架42包括顶板411、底板412和四个下部钢柱413，顶板411与变向模块相连，底板412与桩基顶部固定连接相连，使用时根据桩体的大小，制作相应的底板412。

本实施例中，所述上部动力模块51和下部动力模块52均采用伺服电机，如图6所示，包括安装法兰盘502以及电机501，连接计算机可实现控制电机输出功率精准控制，通过安装法兰盘502固定。上部动力模块51需根据公式(1)、(2)、(4)和齿轮301和齿轮302 齿数的比值计算出输出转速的大小；下部动力模块52需提前决定旋转角度范围和旋转速度等，然后通过计算机和伺服驱动器控制电机旋转。通过驱动器控制电机旋转速度，进而控制砝码旋转角速度，就等同于控制水平动载的加载频率，加载频率的改变进而改变离心力，使加载力的大小可控；再者通过伺服电机控制旋转平台，使得旋转角度可控、旋转范围可控、旋转速度可控。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种桩顶水平变向循环荷载加载装置，其特征在于，包括循环加载模块(1)、变向模块(2)、传动模块(3)、框架支撑模块、动力模块和加载反馈模块(6)；

所述框架支撑模块包括上部框架(41)和下部框架(42)，动力模块包括上部动力模块(51)和下部动力模块(52)，所述下部框架(42)固定安装在桩基顶部，变向模块(2)安装在上部框架(41)和下部框架(42)之间，循环加载模块(1)与传动模块(3)连接，固定安装在上部框架(41)内，上部动力模块(51)与传动模块(3)相连，下部动力模块(52)与变向模块(2)相连；

在下部动力模块(52)驱动下带动变向模块(2)水平旋转，实现水平变向，通过上部动力模块(51)驱动传动模块(3)并带动循环加载模块(1)旋转，实现循环荷载施加。

2.根据权利要求1所述的桩顶水平变向循环荷载加载装置，其特征在于：所述循环加载模块(1)包括第一齿轮(101)、第二齿轮(102)和第一砝码(103)、第二砝码(104)；第一齿轮(101)和第二齿轮(102)结构相同、齿数相同，相互啮合；第一砝码(103)、第二砝码(104)对应的安装在第二齿轮(102)和第一齿轮(101)上。

3.根据权利要求2所述的桩顶水平变向循环荷载加载装置，其特征在于：所述第一砝码(103)和第二砝码(104)重量相同，且第一砝码(103)和第二砝码(104)中心连线所在直线与第一齿轮(101)和第二齿轮(102)切线所在直线垂直。

4.根据权利要求2所述的桩顶水平变向循环荷载加载装置，其特征在于：所述传动模块(3)包括第一传动齿轮(301)和第二传动齿轮(302)以及第一传动轴(304)和第二传动轴(303)，上部动力模块(51)的输出轴与第一传动齿轮(301)相连，第一传动齿轮(301)和第二传动齿轮(302)啮合，第二传动齿轮(302)和第一齿轮(101)安装在第二传动轴(303)上，第二齿轮(102)安装在第一传动轴(304)上，第一传动轴(304)和第二传动轴(303)的两端固定安装在上部框架(41)内。

5.根据权利要求1所述的桩顶水平变向循环荷载加载装置，其特征在于：所述变向模块(2)采用法兰盘式行星减速机。

6.根据权利要求5所述的桩顶水平变向循环荷载加载装置，其特征在于：所述变向模块(2)包括旋转平台(201)、法兰盘(202)、行星减速机(203)和方形法兰片(204)，旋转平台(201)与行星减速机(203)的输出轴相连，旋转平台(201)套设在法兰盘(202)内，行星减速机(203)与下部动力模块(52)相连，旋转平台(201)与其上部的加载反馈模块(6)固定连接，同时为上部提供水平旋转；法兰盘(202)与下部框架(42)固定连接。

7.根据权利要求1所述的桩顶水平变向循环荷载加载装置，其特征在于：所述加载反馈模块(6)包括重力传感器(601)、上支座(602)和下支座(603)，重力传感器(601)设置在上支座(602)和下支座(603)，上支座(602)与上部框架(41)相连，下支座(603)与变向模块(2)相连。

8.根据权利要求4所述的桩顶水平变向循环荷载加载装置，其特征在于：所述上部框架(41)包括上钢板(401)、下钢板(402)以及四个上部钢柱(403)，上部钢柱(403)安装在上钢板(401)和下钢板(402)之间，上钢板(401)和下钢板(402)上安装有菱形轴承座(404)，以对两个传动轴固定，下部框架(42)包括顶板(411)、底板(412)以及连接顶板(411)和底板(412)的四个下部钢柱(413)，顶板(411)与变向模块(2)相连，底板(412)与桩基顶部固定连接相连。

9.根据权利要求1所述的桩顶水平变向循环荷载加载装置，其特征在于：所述上部动力模块(51)和下部动力模块(52)均采用伺服电机。

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