专利名称：一种双参数控制的机械式实验加载装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及实验加载装置，尤其涉及一种双参数控制的机械式实验加载装置。
背景技术：
在航空航天、土木建筑、海洋与船舶、机械等诸多工程领域中，广泛存在着各种动力系统。在进行工业设计和科学研究时常需要对这些系统开展实验研究。加载装置提供外界激励源，是确保动力系统能够按照不同要求“动”起来的关键和基础。随着工业技术进步和科学研究的持续深入，动力系统实验研究的难度越来越大、参数范围要求越来越宽。这就对加载装置提出了愈发严格的要求。
对于加载装置主要有下列几方面要求I)可用行程范围大；2)可用频率范围宽；3)能够进行载荷或位移双参量控制；4)满足足够的精度要求；5)简便易用、造价和运行费用低廉。目前比较常用的实验加载装置包括电磁脉冲加载装置、电液伺服加载系统等。电磁脉冲加载装置行程较小，适用频率段仅限于中高频；而电液伺服加载系统需要配备液压油源，不仅对油缸、作动器、控制器均有较高要求，而且体积大、造价高昂。同时无论是电磁脉冲系统还是电液伺服加载系统其实验运行费用都较为昂贵。在实验中有时对前述几方面(可用行程、可用频率、载荷或位移控制、简便易用、费用低廉)同时都有较高要求，而现有的加载装置通常难以同时在上述几个方面均满足需要。由此可见，目前还缺乏同时满足参数适用范围宽、使用简便、成本低廉等要求的实验加载装置，这就迫切需要发明一种新的加载装置来解决这一问题。

发明内容
本发明针对目前缺少能同时满足参数适用范围宽、使用方便、成本低廉等要求实验加载装置的问题，提出一种行程大、适用频率范围广、可以自由切换载荷控制和位移控制、使用简便、造价和运行费用低廉的加载装置，使其能够为航空航天、土木建筑、海洋与船舶、机械等诸多工程领域相关实验提供稳定的外载荷。为了解决上述问题，本发明提供一种双参数控制的机械式实验加载装置，包括钢丝绳、定滑轮、定滑轮承力固定支架、电机、载荷控制加载部件、位移控制加载部件和皮带轮组，其中，所述载荷控制加载部件包括调节拉伸弹簧和力传感器，所述位移控制加载部件包括位移传感器和位移传感器支架；所述钢丝绳穿过定滑轮与所述皮带轮组相连，所述定滑轮固定在定滑轮承力固定支架上，所述皮带轮组与电机相连；当采用载荷控制加载方式时，力传感器固定在被加载物体上，调节拉伸弹簧一端与所述力传感器相连，另一端与钢丝绳一端相连；
当采用位移控制加载方式时，钢丝绳直接与被加载物体相连，位移传感器一端与被加载物体相连，另一端固定在位移传感器支架上，所述位移传感器支架固定在定滑轮承力固定支架上。优选地，上述装置还具有以下特点所述皮带轮组包括第一皮带轮、第二皮带轮和皮带轮支架，所述第一皮带轮的直径大于第二皮带轮的直径。优选地，上述装置还具有以下特点所述钢丝绳的一端与第一皮带轮连接，所述第一皮带轮固定在皮带轮支架上，所述第二皮带轮与电机的转轴相连，所述第一皮带轮与第二皮带轮通过三角带相连；或者，所述钢丝绳的一端与第二皮带轮连接，所述第二皮带轮固定在皮带轮支架上，所 述第一皮带轮与电机的转轴相连，所述第一皮带轮与第二皮带轮通过三角带相连；或者，所述钢丝绳的一端与第二皮带轮连接，所述第二皮带轮与电机的转轴相连。优选地，上述装置还具有以下特点当使用电机工作频率大于需要外载荷频率时，所述钢丝绳的一端与第一皮带轮连接，所述第一皮带轮固定在皮带轮支架上，所述第二皮带轮与电机的转轴相连，所述第一皮带轮与第二皮带轮通过三角带相连；当使用电机工作频率小于需要外载荷频率时，所述钢丝绳的一端与第二皮带轮连接，所述第二皮带轮固定在皮带轮支架上，所述第一皮带轮与电机的转轴相连，所述第一皮带轮与第二皮带轮通过三角带相连；当电机工作频率满足外载荷频率需要时，所述钢丝绳的一端与第二皮带轮连接，所述第二皮带轮与电机的转轴相连。优选地，上述装置还具有以下特点所述第一皮带轮沿径向开有一个长滑槽，长滑槽中设置有滑块；当所述钢丝绳的一端与第一皮带轮连接时，所述钢丝绳一端上的连接卡头固定在所述长滑槽中的滑块上。优选地，上述装置还具有以下特点所述第二皮带轮沿着径向焊有两根长度超过其半径的转动臂，转动臂上沿着长边开有一个长滑槽，长滑槽中设置有滑块；当所述钢丝绳的一端与第二皮带轮连接时，所述钢丝绳一端上的连接卡头固定在所述长滑槽中的滑块上。优选地，上述装置还具有以下特点所述定滑轮通过所述定滑轮承力固定支架上所开的竖直长孔进行高度调节。本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点(I)该实验装置通过对连接在钢丝绳和被加载物体中间的调节拉伸弹簧的不同处理，实现了载荷加载和位移加载到载荷加载这两种加载方式的自由切换。(2)在进行载荷加载时，所提供外载荷幅值大小的改变可以通过更换不同刚度的调节拉伸弹簧，改变钢丝绳绳长以及调节皮带轮或转动臂滑槽中滑块的位置来实现；也可以通过改变皮带轮支架与定滑轮支架之间的水平间距或垂向高度差进而改变钢丝绳长度而达到调整载荷大小的目的。
(3)该实验装置还可以实现大小可调的位移加载。当钢丝绳与被加载测物体二者之间直接相连时(不安装调节拉伸弹簧)，通过皮带轮的转动即可完成简谐信号的位移加载，通过调节第一皮带轮上长滑槽中滑块(或第二皮带上沿径向所焊转动臂上长滑槽中滑块)与轴心的距离、或改变钢丝绳的绳长，即可改变位移加载的幅值大小。(4)该实验装置可以提供从低频到高频的简谐外载荷。通过电机直接调节转速，或改变第一皮带轮和第二皮带轮的传动比来进行频率调节；利用频率调节进而可以产生满足各种实验频率需要的简谐外载荷信号。如果电机本身转速就可满足频率要求，则不需采用皮带轮组调速的方案，可采用仅使用第二皮带轮的方案。实验所需电机并无特殊要求，只要转速调节范围较大，转速稳定，精度较高即可。(5)该实验装置体型小、易于拆装、便于根据不同研究需要灵活改装。整个实验装置由钢丝绳、弹簧、滑轮、电机、皮带轮、支撑支架、夹具和底座、连接卡头、力传感器和位移传感器等部件组成，造价便宜、维护和运行费用低廉。同时配有位移传感器以及力传感器，可以同步测出加载装置所提供的位移或力的大小，便于实验数据的提取。 (6)对运行环境和辅助条件要求低，不需要其他控制器和大型辅助装置，使用方便，可以根据需要随意移动、变换工作场地。


图I是本发明实施例的采用载荷控制加载方式时，加载装置侧视图(使用皮带轮传送)；图2是本发明实施例的采用载荷控制加载方式时，加载装置侧视图(不使用皮带轮传送，直接连接)；图3是本发明实施例的采用位移控制加载方式时，加载装置侧视图(使用皮带轮传送)；图4是本发明实施例的实验加载装置原理图；其中，1 一被加载物体；2—力传感器；3—调节拉伸弹簧；4一钢丝绳；5—定滑轮；6—滑块；7—第一皮带轮；8—第二皮带轮；9一皮带轮支架；10—电机(含底座)；11一定滑轮承力固定支架；12—转动臂；13—位移传感器，14一位移传感器支架；15—连接卡头。
具体实施例方式下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。本发明提出一种同时满足行程大、适用频率范围广、可以自由切换载荷控制和位移控制模式、精度高的加载装置。而且该装置使用方便、造价和运行成本低廉。如图I 图3所示，该实验加载装置包括钢丝绳4、定滑轮5、定滑轮承力固定支架
11、电机10、载荷控制加载部件、位移控制加载部件和皮带轮组。将上述组件进行灵活组合，就形成一种可进行多功能载荷加载的实验加载装置。其中，所述载荷控制加载部件包括调节拉伸弹簧3和力传感器2，所述位移控制加载部件包括位移传感器13和位移传感器支架14 ;所述钢丝绳4穿过定滑轮5与所述皮带轮组相连，所述定滑轮5固定在定滑轮承力固定支架11上，所述皮带轮组与电机10相连；
当采用载荷控制加载方式时(图I、图2)，力传感器2固定在被加载物体I上，调节拉伸弹簧3 —端与所述力传感器2相连，另一端与钢丝绳4 一端相连；当采用位移控制加载方式时(图3)，钢丝绳4直接与被加载物体I相连，位移传感器13 —端与被加载物体I相连,另一端固定在位移传感器支架14上,所述位移传感器支架14固定在定滑轮承力固定支架11上。皮带轮组包括第一皮带轮7、第二皮带轮8和皮带轮支架9，所述第一皮带轮7的直径大于第二皮带轮8的直径。如图I所示，第一皮带轮7沿径向开有一个长滑槽，长滑槽中设置有滑块6。如图2所示，第二皮带轮沿着径向焊有两根长度超过其半径的转动臂12，转动臂
12上沿着长边开有一个长滑槽，长滑槽中设置有滑块。可以采用如下组合方式方式一，使用电机工作频率大于需要外载荷频率时钢丝绳4的一端与第一皮带轮7连接，所述第一皮带轮7固定在皮带轮支架9上，所述第二皮带轮8与电机10的转轴相连，所述第一皮带轮7与第二皮带轮8通过三角带相连，如图I所示。方式二，使用电机工作频率小于需要外载荷频率时钢丝绳4的一端与第二皮带轮8连接，所述第二皮带轮8固定在皮带轮支架9上，所述第一皮带轮7与电机10的转轴相连，所述第一皮带轮7与第二皮带轮8通过三角带相连。方式三，电机工作频率满足外载荷频率需要时钢丝绳4的一端与第二皮带轮8连接，所述第二皮带轮8与电机10的转轴直接相连，如图2所示。调节拉伸弹簧3可以根据实验需要进行更换；定滑轮5可以通过定滑轮承力固定支架11上所开的竖直长孔进行高度调节；第一皮带轮7和第二皮带轮8上固定钢丝绳连接卡头15的滑块6都可以根据需要加载的外载幅值大小移动到指定位置。实验所用电机10只要满足转速稳定、精度较高即可，并无其他特定要求。如图I所示的载荷控制加载方式，整个装置的连接方式如下调节拉伸弹簧3—端与固定在被加载物体I上的力传感器2相连(力传感器2固定在被加载物体I上)，另一端与钢丝绳4 一端相连，钢丝绳4的另一端穿过定滑轮5固定于第一皮带轮7上可调滑块6的中心，可调滑块6初始时可以在第一皮带轮7上沿径向所开的滑槽上自由滑动，当到达需要的位置后将滑块6固定在滑槽上；第一皮带轮7固定于皮带轮支架9之上，通过三角带与第二皮带轮8相连；第二皮带轮直接安装在电机10的转轴上。当电机转速可以满足实验需要的频率要求而不需要通过皮带轮组变速时，按图2连接整个装置以完成载荷控制加载。调节拉伸弹簧3 —端与固定在被加载物体I上的力传感器2相连(力传感器2固定在被加载物体I上)，另一端与与钢丝绳4 一端相连，钢丝绳4的另一端穿过定滑轮5固定于第二皮带轮8的转动臂12上且固定位置可调节，第二皮带轮8直接安装在电机10的转轴上。对于位移控制方式，如图3所示，实验装置不使用调节拉伸弹簧3，钢丝绳4直接与被加载物体I相连，其他连接方式与载荷加载相同。下面结合图4来说明该实验加载装置的运行原理实验装置的原理图如图4所示，其中所需加载物体的刚度为K1
调节拉伸弹簧的刚度为K2所需加载物体的质量为M装置启动前钢丝绳从定滑轮到滑块的距离为％装置启动后某一瞬时从定滑轮到滑块的距离为a装置启动前从定滑轮到拉伸弹簧一端的钢丝绳长度为Idci
绷紧时拉伸弹簧的变化量为dQ绷紧时物体刚度弹簧的变化量为θ(ι装置启动前钢丝绳与水平面夹角为％皮带轮的半径为r皮带轮瞬时转动角度为Θ在a、a。及二者端点连接线所构成三角形中a所对应的内角为α电机瞬时转动时物体的水平位移为X瞬时转动时拉伸弹簧靠近定滑轮端产生的位移为y电机转动后物体位移的交变量为z皮带轮的转动频率为ω各位置长度变化如下表I所示表I
权利要求
1.一种双参数控制的机械式实验加载装置，其特征在于，包括钢丝绳、定滑轮、定滑轮承力固定支架、电机、载荷控制加载部件、位移控制加载部件和皮带轮组，其中，所述载荷控制加载部件包括调节拉伸弹簧和力传感器，所述位移控制加载部件包括位移传感器和位移传感器支架；所述钢丝绳穿过定滑轮与所述皮带轮组相连，所述定滑轮固定在定滑轮承力固定支架上，所述皮带轮组与电机相连； 当采用载荷控制加载方式时，力传感器固定在被加载物体上，调节拉伸弹簧一端与所述力传感器相连，另一端与钢丝绳一端相连； 当采用位移控制加载方式时，钢丝绳直接与被加载物体相连，位移传感器一端与被加载物体相连，另一端固定在位移传感器支架上，所述位移传感器支架固定在定滑轮承力固定支架上。
2.如权利要求I所述的装置，其特征在于， 所述皮带轮组包括第一皮带轮、第二皮带轮和皮带轮支架，所述第一皮带轮的直径大于第二皮带轮的直径。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于， 所述钢丝绳的一端与第一皮带轮连接，所述第一皮带轮固定在皮带轮支架上，所述第二皮带轮与电机的转轴相连，所述第一皮带轮与第二皮带轮通过三角带相连；或者， 所述钢丝绳的一端与第二皮带轮连接，所述第二皮带轮固定在皮带轮支架上，所述第一皮带轮与电机的转轴相连，所述第一皮带轮与第二皮带轮通过三角带相连；或者， 所述钢丝绳的一端与第二皮带轮连接，所述第二皮带轮与电机的转轴相连。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于， 当使用电机工作频率大于需要外载荷频率时，所述钢丝绳的一端与第一皮带轮连接，所述第一皮带轮固定在皮带轮支架上，所述第二皮带轮与电机的转轴相连，所述第一皮带轮与第二皮带轮通过三角带相连； 当使用电机工作频率小于需要外载荷频率时，所述钢丝绳的一端与第二皮带轮连接，所述第二皮带轮固定在皮带轮支架上，所述第一皮带轮与电机的转轴相连，所述第一皮带轮与第二皮带轮通过三角带相连； 当电机工作频率满足外载荷频率需要时，所述钢丝绳的一端与第二皮带轮连接，所述第二皮带轮与电机的转轴相连。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于， 所述第一皮带轮沿径向开有一个长滑槽，长滑槽中设置有滑块； 当所述钢丝绳的一端与第一皮带轮连接时，所述钢丝绳一端上的连接卡头固定在所述长滑槽中的滑块上。
6.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于， 所述第二皮带轮沿着径向焊有两根长度超过其半径的转动臂，转动臂上沿着长边开有一个长滑槽，长滑槽中设置有滑块； 当所述钢丝绳的一端与第二皮带轮连接时，所述钢丝绳一端上的连接卡头固定在所述长滑槽中的滑块上。
7.如权利要求I所述的装置，其特征在于， 所述定滑轮通过所述定滑轮承力固定支架上所开的竖直长孔进行高度调节。
全文摘要
本发明公开一种双参数控制的机械式实验加载装置，包括钢丝绳、定滑轮、定滑轮承力固定支架、电机、载荷控制加载部件、位移控制加载部件和皮带轮组，载荷控制加载部件包括调节拉伸弹簧和力传感器，位移控制加载部件包括位移传感器和位移传感器支架；钢丝绳穿过定滑轮与皮带轮组相连，定滑轮固定在定滑轮承力固定支架上，皮带轮组与电机相连；可采用载荷控制加载方式和位移控制加载方式。本实验加载装置满足行程大、适用频率范围广、可以自由切换载荷控制和位移控制、精度高等要求，使用方便，费用低廉，易于拆装和移动，便于根据不同研究需要灵活调节。可适用于航空航天、土木建筑、海洋与船舶、机械等诸多工程领域中的相关静、动力或疲劳实验。
文档编号G01M99/00GK102944438SQ20121044793
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者曾晓辉, 余杨, 张良, 申仲翰 申请人:中国科学院力学研究所