一种钢箱梁车轮荷载多方位往复加载装置及其应用方法与流程

本发明涉及试验加载装置领域，具体涉及一种钢箱梁车轮荷载多方位往复加载装置及其应用方法。

背景技术：

钢桥因其具有质轻、刚度大、抗风稳定性好、跨越能力强等优点，在国内外大跨桥梁中得到了广泛的应用。但是钢桥构造复杂、焊接细节较多、受焊接残余应力、焊接缺陷等不利因素的影响，在长期的车辆荷载作用下易产生疲劳裂纹，对结构安全造成不利影响。疲劳裂纹是当前钢桥重要病害之一，由于前期阶段很难被发现并难以避免，严重时甚至会导致钢桥坍塌。

实验室中对钢桥面板的疲劳试验装置多采用振动型疲劳试验机，而振动型试验机并不能有效地模拟车辆荷载，且振动型试验机的加载位置比较单一，只作用于钢桥面板的某一点进行试验，得到的试验结果难以代表实际作用状态。此外，振动型试验机固定之后就无法再改变作用位置，要想针对其他位置的裂纹的疲劳试验就必须要更换试件和加载平台，试验效率很低。

技术实现要素：

发明目的：为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种钢箱梁车轮荷载多方位往复加载装置及其应用方法，通过有效的调节模拟车轮的作用位置实现对加载试件即钢桥面板的多方位加载，同时可以在加载试件上重复的进行加载，从而达到疲劳试验的效果，还可以同时对不同试件、对同一试件不同位置同时进行加载，解决了加载位置单一、加载试件单一、模拟车轮疲劳荷载试验效率低的问题。

技术方案：本发明一种钢箱梁车轮荷载多方位往复加载装置，包括基体、第一驱动装置、第二驱动装置、x轴位移装置、y轴位移装置和z轴位移装置，所述第一驱动装置和第二驱动装置结构相同，均包括底座、滚珠丝杆、驱动轴、挡板、驱动块和电机，所述底座沿其长度方向一侧端部设有侧板，所述电机通过螺钉安装于侧板上且电机的主轴通过驱动轴与滚珠丝杆连接，所述滚珠丝杆上设有与滚珠丝杆相配合的驱动块，滚珠丝杆两端均设有挡板，所述挡板通过螺钉与底座连接；

所述x轴位移装置包括x轴位移梁、滚轮和第一轴承，所述x轴位移梁沿其长度方向两端均通过第一轴承与滚轮连接；所述第一驱动装置位于x轴位移梁下方，且所述第一驱动装置中的底座背离侧板的一侧设有滑动槽，所述x轴位移梁的翼板与滑动槽相嵌配合且所述滑动槽在x轴位移梁的翼板上可沿x轴位移梁长度方向滑动；

所述y轴位移装置包括y轴位移梁，所述y轴位移梁与x轴位移梁处于同一水平面，y轴位移梁位于x轴位移梁两端且y轴位移梁与x轴位移梁垂直设置，y轴位移梁内设有轨道，所述轨道与x轴位移装置中的滚轮相匹配且所述滚轮在轨道上滚动；

所述z轴位移装置包括立柱和第二驱动装置，所述立柱与基体垂直设置并通过螺钉连接，所述立柱顶端通过螺钉与竖直放置的第二驱动装置连接且所述第二驱动装置中电机远离立柱设置，所述第二驱动装置中的驱动块通过螺钉与y轴位移装置中y轴位移梁的端部连接。

进一步的，所述第一驱动装置中的驱动块下方设有加载机构，所述加载机构包括支撑杆、模拟车轮、第二轴承和固定板，所述支撑杆一端与固定板垂直固定连接，另一端与第二轴承中间固定连接，所述模拟车轮分别分布在第二轴承两端；所述第一驱动装置中的驱动块通过螺钉与加载机构中的固定板背离支撑杆的一侧固定连接。

进一步的，所述支撑杆与固定板之间设有肋板，所述支撑杆与第二轴承之间设有斜撑，肋板加强了支撑杆与固定板之间的稳定性，斜撑加强了支撑杆与第二轴承之间的稳定性。

进一步的，所述x轴位移梁为工字梁，所述工字梁的上翼板宽度大于下翼板宽度，所述工字梁的下翼板与滑动槽相嵌配合。上翼板宽于下翼板，为了能够提高x轴位移梁的抗弯刚度同时能够嵌入在滑动槽内，以提供滑动的轨道，便于带动第一驱动装置移动。

进一步的，所述滑动槽的两端且位于x轴位移梁的下翼板上设有u型限位块，所述u型限位块通过带有橡胶垫的螺钉与x轴位移梁连接，所述第一驱动装置和第二驱动装置的挡板均为l型挡板。其中u型限位块为了固定第一驱动装置位置，第一驱动装置和第二驱动装置的挡板为了限制第一驱动装置和第二驱动装置中驱动块的移动范围。

进一步的，所述y轴位移梁内还设有用于限制第一轴承沿竖直方向移动的限位槽，使滚轮只能沿着y轴位移梁内的轨道移动，不会产生上下跳动的现象。

进一步的，所述基体上还设置有支撑装置，所述支撑装置包括若干个矩形支撑块、h型支撑块和加载试件，若干个所述矩形支撑块由上到下依次叠加设置形成矩形支撑块组，所述矩形支撑块组中相邻矩形支撑块之间设有h型支撑块，所述h型支撑块两端均通过螺栓与相邻的矩形支撑块连接，所述矩形支撑块组中位于末端的矩形支撑块通过螺栓与基体连接，矩形支撑块组中位于首端的矩形支撑块通过螺栓与加载试件的端部连接。

进一步的，所述支撑装置与y轴位移装置平行设置且支撑装置位于第一驱动装置的正下方。

本发明还提供了一种钢箱梁车轮荷载多方位往复加载装置的应用方法，包括如下步骤：

(1)首先将支撑装置中的矩形支撑块组中位于末端的矩形支撑块通过螺栓安装在基体相应的位置上，然后调节矩形支撑块组中其他矩形支撑块与h型支撑块的相对高度来确定加载试件的高度，将加载试件通过螺栓固定在矩形支撑块组中位于首端的矩形支撑块上；

(2)接着通过螺钉将z轴位移装置安装在相应的位置上，调节第二驱动装置中的驱动块处于同一高度，然后将y轴位移装置中的y轴位移梁的两端与第二驱动装置中的驱动块连接；

(3)将第一驱动装置中的底座上的滑动槽与x轴位移装置中的x轴位移梁的翼板相嵌配合，调节第一驱动装置至x轴位移梁中间位置，再将u型限位块置于滑动槽的两端并固定，接着将x轴位移装置中的滚轮置于y轴位移梁的轨道内，移动x轴位移装置中的滚轮至y轴位移梁的任意位置；

(4)最后将加载机构中的固定板与第一驱动装置中的驱动块连接，通过调节第二驱动装置中的驱动块高度来确定加载机构的高度，通过调节x轴位移梁、第一驱动装置和第一驱动装置中驱动块的位置，将模拟车轮贴合在加载试件的位置，最终通过调节第二驱动装置中的驱动块往复直线运动，从而实现模拟车轮在加载试件上进行车辆疲劳荷载试验，改变模拟车轮位置实现加载试件上多个位置的疲劳荷载试验。

有益效果：本发明实现了模拟车轮荷载对加载试件即钢桥面板进行车辆疲劳荷载试验的功能，由于模拟车轮可在空间内任意位置的移动，解决了对加载试件疲劳试验的单一性问题；同时可以在加载试件上重复的进行加载，从而达到疲劳试验的效果；而且可以同时对不同试件、对同一试件不同位置同时进行加载，提高了装置利用率、试验的效率以及使试验的结果更具有全面性和准确性。

附图说明

图1为实施例1的整体结构示意图；

图2为加载机构的结构示意图；

图3为第一驱动装置和加载机构连接结构示意图；

图4为滚珠丝杆与驱动块连接结构示意图；

图5为第一驱动装置中底座结构示意图；

图6为挡板结构示意图；

图7为u型限位块结构示意图；

图8为第一驱动装置、x轴位移装置和加载机构连接结构示意图；

图9为第一驱动装置和x轴位移装置左视分解图；

图10为图1中的a处放大示意图；

图11为x轴位移装置结构示意图；

图12为x轴位移装置和y轴位移装置结构示意图；

图13为y轴位移梁结构示意图；

图14为x轴位移装置和y轴位移装置连接处结构示意图；

图15为x轴位移装置和y轴位移装置连接处主视图；

图16为z轴位移装置结构示意图；

图17为图1中的b处放大示意图；

图18为图1中的c处放大示意图；

图19为立柱结构示意图；

图20为支撑装置俯视图；

图21为支撑装置结构示意图；

图22为支撑装置主视图；

图23为矩形支撑块结构示意图；

图24为h型支撑块结构示意图；

图25为矩形支撑块与加载试件连接处结构示意图；

图26为实施例2的整体结构示意图。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

实施例1

如图1所示，本发明一种钢箱梁车轮荷载多方位往复加载装置，包括基体1、第一驱动装置2、第二驱动装置3、x轴位移装置4、y轴位移装置5和z轴位移装置6，还包括加载机构7和支撑装置8，其中第一驱动装置2和第二驱动装置3结构相同。

如图2所示，加载机构7包括支撑杆71、模拟车轮72、第二轴承73和固定板74，支撑杆71一端与固定板74垂直固定连接且支撑杆71与固定板74之间设有4块肋板75，肋板75加强了支撑杆71与固定板74之间的稳定性；支撑杆71另一端与第二轴承73中间固定连接，支撑杆71与第二轴承73之间设有斜撑76进行加固，模拟车轮72有2个，分别分布在第二轴承73两端，起到模拟车轮荷载的作用。

如图3至图7所示，第一驱动装置2包括底座21、滚珠丝杆22、驱动轴23、挡板24、驱动块25和电机26，底座21沿其长度方向一侧端部设有侧板27，电机26通过螺钉安装于侧板27上且电机26的主轴通过驱动轴23与滚珠丝杆22连接，滚珠丝杆22是一种螺纹杆，滚珠丝杆22上设有与滚珠丝杆22相配合的驱动块25，驱动块25可在滚珠丝杆22移动，滚珠丝杆22两端均设有l型的挡板24，挡板24用于限制驱动块25的运动范围，同时挡板24通过螺钉与底座21连接。第一驱动装置2中的驱动块25下方设有加载机构7且第一驱动装置2中的驱动块25通过螺钉与加载机构7中的固定板74背离支撑杆71的一侧固定连接，电机26带动驱动轴23转动，从而带动滚珠丝杆22转动，即可实现驱动块25带动加载机构7沿滚珠丝杆22上做往复直线运动。

如图8至图11所示，x轴位移装置4包括x轴位移梁41、滚轮42和第一轴承43，其中x轴位移梁41为工字梁，工字梁的上翼板宽度大于下翼板宽度，能够提高x轴位移梁41的抗弯刚度；x轴位移梁41沿其长度方向两端均通过第一轴承43与滚轮42连接；第一驱动装置2位于x轴位移梁41下方且第一驱动装置2中的底座21背离侧板27的一侧设有贯通式t型结构的滑动槽44，x轴位移梁41的下翼板与滑动槽44相嵌配合且滑动槽44在x轴位移梁41的下翼板上可沿x轴位移梁41长度方向滑动，便于带动第一驱动装置移动。滑动槽44的两端且位于x轴位移梁41的下翼板上设有u型限位块45，u型限位块45有4个，均通过带有橡胶垫的螺钉置于滑动槽44的两端与x轴位移梁41连接，u型限位块45为了固定第一驱动装置2位置。

如图12至图15所示，y轴位移装置5包括2个y轴位移梁51，y轴位移梁51与x轴位移梁41处于同一水平面，y轴位移梁51位于x轴位移梁41两端且y轴位移梁51与x轴位移梁41垂直设置；y轴位移梁51为槽型梁，其内设有轨道52，轨道52与x轴位移装置4中的滚轮42相匹配且滚轮42在轨道52上滚动；同时y轴位移梁51内还设有用于限制第一轴承43沿竖直方向移动的限位槽53，限位槽53使滚轮42只能沿着y轴位移梁51内的轨道移动，不会产生上下跳动的现象。

如图16至图19所示，z轴位移装置6包括4个，每个z轴位移装置6包括1个立柱61和1个第二驱动装置3，第二驱动装置3包括底座31、滚珠丝杆32、驱动轴33、挡板34、驱动块35和电机36，由于第二驱动装置3与第一驱动装置2结构相同，不再进行重复描述；立柱61与基体1垂直设置并通过螺钉连接，立柱61顶端通过螺钉与竖直放置的第二驱动装置3连接且第二驱动装置3中电机36远离立柱61设置，即第二驱动装置3中的挡板34与立柱61顶端连接，两者之间还设有橡胶垫，第二驱动装置3中的驱动块35通过螺钉与y轴位移装置5中y轴位移梁51的端部连接。由于y轴位移装置5包括2个y轴位移梁51，因此需要4个第二驱动装置3中的驱动块35与y轴位移梁51的端部连接，4个第二驱动装置3中的电机36由一个开关控制，可实现y轴位移梁51的同步运动。

如图20至图25所示，基体1上还设置有支撑装置8，支撑装置8与y轴位移装置5平行设置且支撑装置8位于第一驱动装置2的正下方；支撑装置8包括4个矩形支撑块81、2个h型支撑块82和加载试件83，加载试件83即为钢桥面板，矩形支撑块81三面均设有4x4螺栓孔，2个矩形支撑块依次叠加设置形成矩形支撑块组，矩形支撑块组有2个，矩形支撑块组中相邻矩形支撑块81之间设有h型支撑块82，h型支撑块82两端均通过螺栓与相邻的矩形支撑块81连接，矩形支撑块组中位于末端的矩形支撑块81通过螺栓与基体1连接，矩形支撑块组中位于首端的矩形支撑块81通过螺栓与加载试件83的端部连接。可实现调节矩形支撑块组中矩形支撑块81与h型支撑块82的相对高度即改变螺栓的固定位置来确定加载试件83的高度。同时由于基体1上设有多个位置的螺纹孔84，螺纹孔84与矩形支撑块组中位于末端的矩形支撑块81相连接，可改变矩形支撑块组之间的间距，即实现固定不同尺寸的加载试件83。

本发明一种钢箱梁车轮荷载多方位往复加载装置的应用方法，包括如下步骤：

(1)首先将支撑装置8中的矩形支撑块组中位于末端的矩形支撑块81通过螺栓安装在基体1相应的位置上，然后调节矩形支撑块组中其他矩形支撑块81与h型支撑块82的相对高度来确定加载试件83的高度，将加载试件83通过螺栓固定在矩形支撑块组中位于首端的矩形支撑块81上；

(2)接着通过螺钉将z轴位移装置6安装在相应的位置上，调节第二驱动装置3中的驱动块35处于同一高度，然后将y轴位移装置5中的y轴位移梁51的两端与第二驱动装置3中的驱动块35连接；

(3)将第一驱动装置2中的底座21上的滑动槽44与x轴位移装置4中的x轴位移梁41的下翼板相嵌配合，调节第一驱动装置2至x轴位移梁41中间位置，再将u型限位块45置于滑动槽44的两端并固定，接着将x轴位移装置4中的滚轮42置于y轴位移梁51的轨道内，移动x轴位移装置4中的滚轮42至y轴位移梁51的任意位置；

(4)最后将加载机构7中的固定板74与第一驱动装置2中的驱动块25连接，通过调节第二驱动装置3中的驱动块35高度来确定加载机构7的高度，通过调节x轴位移梁41、第一驱动装置2和第一驱动装置2中驱动块25的位置，将模拟车轮72贴合在加载试件83的位置，最终通过调节第二驱动装置3中的驱动块35往复直线运动，从而实现模拟车轮72在加载试件83上进行车辆疲劳荷载试验，改变模拟车轮72位置实现加载试件83上多个位置的疲劳荷载试验。

工作原理为：将装置安装完成且模拟车轮72与加载试件83贴合，接着对加载试件83进行疲劳试验加载；启动第二驱动装置3中电机36的开关，电机36带动驱动块35在滚珠丝杆32上沿z轴往复直线运动，驱动块35带动y轴位移梁51运动，进而带动模拟车轮72沿z轴往复直线运动，从而实现模拟车轮72在加载试件83的面板上进行车辆荷载试验；通过滚轮42在y轴位移梁51的轨道内运动改变y轴位置，通过第一驱动装置2在x轴位移梁41上滑动改变x轴位置，通过驱动块35在滚珠丝杆32上运动改变z轴位置，即可实现加载试件83面板上多个位置的疲劳荷载试验。

实施例2

如图26所示，本发明一种钢箱梁车轮荷载多方位往复加载装置，与实施例1不同之处在于，包括2个第一驱动装置2、2个x轴位移装置4、2个加载机构7和2个支撑装置8，实现多轴加载功能，即同时对多个加载试件83进行多方位往复加载。将装置安装完成后，进行疲劳试验加载；启动第二驱动装置3中电机36的开关，电机36带动驱动块35在滚珠丝杆32上沿z轴往复直线运动，驱动块35带动y轴位移梁51运动，由于存在2个加载机构7，进而带动2个模拟车轮72沿z轴往复直线运动，实现2个加载机构7同时在2个加载试件83上进行车辆荷载试验，通过改变2个x轴位移装置4中x轴位移梁41的位置、改变2个第一驱动装置2在x轴位移梁41上的位置和改变第二驱动装置3中驱动块35在滚珠丝杆32上的位置，即可实现多个位置多轴车辆荷载试验。