一种施加正弦曲线形循环荷载的装置的制作方法

本实用新型涉及工程力学试验仪器领域，具体涉及一种施加正弦曲线形循环荷载的装置。

背景技术：

工程中许多荷载是具有循环往复的特性，例如桥梁结构受到的交通荷载，风力发电塔受到的风荷载，港口工程中的波浪荷载等、结构在地震中受到的荷载等。因此结构或材料在循环荷载作用下的力学特性研究是一个重要的课题，其中循环荷载试验是重要的研究手段，例如土木工程中常见的锚杆的循环拉拔试验、桩基础的水平循环荷载试验、岩土材料循环三轴压缩试验等。常用的循环荷载主要通过千斤顶来进行加载，采用人工读数控制或者将千斤顶连接到电子传感器和控制器来进行伺服控制。采用人工读数进行控制控制的精度较低，且无法施加频率稍高的循环荷载；而采用传感器进行伺服控制加载的系统控制系统较为复杂，稳定性相对较差，不适宜于长期试验，且伺服控制需要响应时间，同样也难以施加频率较高的循环荷载。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、稳定可靠的且可以适用于不同频率的长期、短期循环荷载的加载装置。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种施加正弦曲线形循环荷载的装置，包括杠杆、支座、旋转杆、转轴、电机、配重块和加载压头，所述杠杆安装在所述支座上，所述配重块设有两块，分别为第一配重块和第二配重块，所述第一配重块搁置在所述杠杆的一端上，所述转轴安装在所述杠杆的另一端上，所述电机与所述转轴的一端轴接，所述旋转杆安装在所述转轴的另一端上，所述第二配重块搁置在所述旋转杆上，所述加载压头安装在所述杠杆上。

本实用新型的有益效果是：本实用新型一种施加正弦曲线形循环荷载的装置利用杠杆原理，将配重块置于旋转杆上，通过电机驱动旋转杆的旋转，提供一个长度以正弦曲线规律循环变化的力臂，从而施加循环的力矩，进而提供正弦曲线形的循环荷载；该装置无需通过伺服控制即可获得精确的正弦曲线形的循环荷载，结构简单、稳定，既可用于短期试验，也适用于长期试验。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述加载压头的下端设有拉压力传感器，所述加载压头的下方设有式样，且所述式样上设有应变片，所述拉压力传感器正对所述式样。

进一步，还包括控制器和计算机，所述计算机通过所述控制器分别与所述电机、拉压力传感器和应变片电连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：拉压力传感器和调速电机都通过控制器连接到计算机，计算机可以读取拉压力、应变等数据，也可以直接对电机进行控制。

进一步，还包括限位装置，所述限位装置设有两个，两个所述限位装置分别位于所述支座的两侧并位于所述杠杆的下方。

采用上述进一步方案的有益效果是：杠杆两侧均布置限位装置，避免装置产生大幅摆动，确保试验安全。

进一步，所述杠杆上排列设有多个螺孔，所述杠杆通过其中一个螺孔并在螺钉的配合下安装在所述支座上。

采用上述进一步方案的有益效果是：多个螺孔的设置，可以调节杠杆支点所在位置，进而可以调节控制循环荷载的波幅，产生脉冲、对称、不完全对称等多种循环荷载。

进一步，所述电机为调速电机。

采用上述进一步方案的有益效果是：调速电机的旋转速度可以控制，从而可以准确控制循环荷载的频率。

附图说明

图1为本实用新型一种施加正弦曲线形循环荷载的装置的正视图；

图2为本实用新型一种施加正弦曲线形循环荷载的装置的俯视图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、杠杆，2、支座，3、旋转杆，4、转轴，5、电机，6、加载压头，7、第一配重块，8、第二配重块，9、拉压力传感器，10、试样，11、应变片，12、控制器，13、计算机，14、限位装置，15、螺孔。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1和图2所示，一种施加正弦曲线形循环荷载的装置，包括杠杆1、支座2、旋转杆3、转轴4、电机5、配重块和加载压头6，所述杠杆1安装在所述支座2上，所述配重块设有两块，分别为第一配重块7和第二配重块8，所述第一配重块7搁置在所述杠杆1的一端上，所述转轴4安装在所述杠杆1的另一端上，所述电机5与所述转轴4的一端轴接，所述旋转杆3安装在所述转轴4的另一端上，所述第二配重块8搁置在所述旋转杆3上，所述加载压头6安装在所述杠杆1上。

在本具体实施例中：

所述加载压头6的下端设有拉压力传感器9，所述加载压头6的下方设有式样10，且所述式样10上设有应变片11，所述拉压力传感器9正对所述式样10。

本实用新型还包括控制器12和计算机13，所述计算机13通过所述控制器12分别与所述电机5、拉压力传感器9(拉力传感器和压力传感器的组合)和应变片11电连接。

本实用新型还包括限位装置14，所述限位装置14设有两个，两个所述限位装置14分别位于所述支座2的两侧并位于所述杠杆1的下方。

所述杠杆1上排列设有多个螺孔15，所述杠杆1通过其中一个螺孔15并在螺钉的配合下安装在所述支座2上。

所述电机5为调速电机。

在本实用新型中，杠杆1两侧各布置一个配重块，其中一个位置(第一配重块7)保持恒定，提供恒定的力矩，另一个配重块(第二配重块8)置于旋转杆3上，利用调速电机驱动旋转杆3的旋转，提供一个长度以正弦曲线规律循环变化的力臂，从而施加循环的力矩，进而提供正弦曲线形的循环荷载。

加载压头6布置在杠杆1上，根据实际的加载需要，可以布置在杠杆1上靠近固定配重块(第一配重块7)的一侧，也可以布置在杠杆1上靠近旋转配重块(第二配重块8)的一侧，试样10布置在加载压头6下方，试样10与加载压头6之间布置拉压力传感器9，拉试样10上还安装有应变片11，拉压力传感器9和电机5都可以通过电路连接到控制器12，控制器12对电机的转速进行控制，同时放大、收集拉压力传感器9和应变片11信号，控制器12连接到计算机13，进而通过计算机13可以读取拉压力、应变等数据，也可以直接对电机5进行控制。其中，控制器12对电机的转速进行控制，同时放大、收集拉压力传感器9和应变片11信号，以及通过计算机13可以读取拉压力、应变等数据，也可以直接对电机5进行控制，均为现有技术。

杠杆1上布置有一排螺孔15，从而可以调节杠杆支点所在位置，通过联合调节配重块的重量、支点位置、加载压头位置，可以调节控制循环荷载的形。

杠杆1两侧均布置限位装置14(具体为限位杆)，避免试样10破坏时装置产生大幅摆动，确保试验的安全。

本实施例的工作原理如下：

假定旋转杆与杠杆之间的夹角为θ，旋转杆的转速为ω，旋转杆与杠杆之间的初始夹角为θ0，试验时间为t，则θ＝θ0+ωt。第二配重块的重量为GA，第一配重块的重量为GB，杠杆、电机、转轴、加载压头所组成的组合体系重量为GM，l1为第一配重块至支座的距离，l2为转轴至支座的距离，l3为加载压头至支座的距离，l4为第二配重块至转轴的距离，M为杠杆、电机、转轴、压头所组成的组合体系的重心位置，l5为M点至支座的距离，根据力矩平衡原理，试样所受到的压力为：

易得循环荷载的循环周期为波幅为

通过调整支点位置和配重质量，当GBl1+GMl5＝GAl2时，循环荷载在零值上下对称波动(负值为拉力)，此时施加对称荷载。GBl1+GMl5≠GAl2时，施加不对称循环荷载。当GBl1+GMl5＝GA(l2+l4)时，最小荷载为0，此时的循环荷载为脉冲循环荷载。

实施例的试验步骤如下：

步骤1：按照试验所需的加载要求调节选择两个配重块的重量，调节支点和加载压头的位置，校准拉压力传感器读数。

步骤2：在试样所处位置采用钢块垫起，启用控制器和计算机，将旋转杆夹角θ拨动到0°、90°、180°等不同位置，测量拉压力传感器读数，并与理论值进行比较，确保循环荷载值准确无误。

步骤3：确认荷载无误后安装试样与应变片等，利用计算机和控制器，启动调速电机，控制旋转速度，测量压力和应变。

步骤4：如需分级加载循环荷载，在实验过程中通过替换或增减配重块来实现。

步骤5：当试验达到循环荷载次数，或试样发生破坏，或加载压头达到预计的位移时，可以结束试验。

在杠杆上加装滑轮组也可以进行锚杆循环拉拔试验、桩(柱)水平循环荷载试验。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。