一种一维正余弦——线性一体水平循环荷载加载的实验仪器的制作方法

本发明属于桩基工程领域，涉及一种一维正余弦——线性一体水平循环荷载加载的实验仪器。

背景技术：

近年来，随着我国国民经济发展的需求，对海洋资源的开发利用愈加重视，所以海洋建设工程日益增多，关于海洋工程相关的课题研究也是相关研究者必须着手的问题。海洋工程包含多种多类，而尤其是以海洋风机，海上自升式平台等为典型代表的海上桩基工程是很多科研工作者研究的热门课题。

众所周知，相对于陆地的环境影响因数，海上工程建筑将面临更加严峻的自然环境的考验，特别是诸如风荷载、波流荷载等水平循环作用对建筑与其桩基础的影响。海洋中建筑物所受的水平循环荷载多属于动荷载，即荷载作用的方向、大小、作用点都会随时间而改变，其对建筑作用机理与水平静荷载有很大的不同，多方面的因素都会影响桩的稳定性与承载能力，因此承受水平循环荷载作用的桩的工作状态也非常复杂，具有重要的研究价值。

目前循环加载的方法主要采用激振器或作动器，通过数据采集反馈来控制荷载的施加。然而，这类装置结构复杂，操作性不强，输出的荷载的规则程度受反馈控制设备限制，同时，这类装置在使用和维护上费用较高，不适合施加长期的循环荷载。而目前其它的加荷载装置或是存在无法控制加载因数，实验操作繁琐；或是存在数据不易采集，难以用于实验研究等诸问题，成为相关科研工作者急需解决的问题。

技术实现要素：

针对水平循环荷载对桩基作用机理的研究，本发明提供了一种一维正余弦——线性一体水平循环荷载加载实验仪器。对桩基在复杂的海洋下的受力情况进行分析，以及研究桩周土体受力变化研究，提供了有效的室内实验模拟手段。

为实现上述功能，本发明采用如下技术方案。

本发明主体结构包括电机动力部分、循环齿轮传动部分和荷载施加部分，三部分通过螺纹主轴连接并且依次通过螺母结构固定于反力架上中下位置，当实验要求为线性状态水平循环加载时，三部分共同作用，当为正余弦状态加载时，电动机动力部分和荷载施加部分共同作用。

所述的电机动力部分结构由一个伺服电机、两片固定夹、两个滚轮、一个宽型底开三口的滑槽、两根螺纹杆、两个滚轮和四个螺母构成；其中所述的伺服电动机和螺纹杆由固定夹具连接，滚轮嵌套于螺纹杆上，为防止运行过程中可能出现的跳脱现象，在滚轮上安置两螺母形成反锁，以上所述装置整体置于大滑槽内，且滑槽三开口，中间作用为主轴与电机连接，两端为处于正余弦状态时通过螺母与螺纹杆连接固定所述的电机动力部分。

所述的循环齿轮传动部分结构包括一大直径主齿轮、一小直径次齿轮、一滚轮、数片直齿条，四片弧形齿条、两个凸形轴承、两个螺母、两个联轴器和三个螺纹杆；其中所述的大直径主齿轮由凸形轴承约束在主轴上，并且轴承与小直径次齿轮通过螺纹杆与联轴器连接，使大小直径齿轮的重心在同一水平线上，为了使装置运行稳定，所述的齿条内开槽，使用滚轮与次齿轮通过螺纹杆与联轴器连接，并且所述的弧形齿条内角为90°，直齿条数量可根据荷载幅值确定。

所述的荷载施加部分结构由一个T形片、一个滑槽、三个滚轮、一个拉压传感器、一个连接杆构成，其中T形片与滚轮通过螺丝螺母连接，使所述的整体结构能够在滑槽内水平滑动，拉压传感器通过连接杆固定在T形片上，由于实验设计放置其上的机件较多，T形片的刚度要求比较高，且厚度应不少于4mm，并在T形片上设置轴承结构以满足不同试验需求。

所述的正余弦水平循环荷载加载装置，其主要由电机动力两部分和荷载施加部分组成，两大部分通过主轴和一钢片连接；这样就可以通过电机的驱动使主轴转动，从而带动钢片在平面转动，并使其在环形片的滑槽中左右直线滑动，从而带动第二部分整体做直线平移往复运动，根据相关运动学和理论力学知识理论，可发现第二部分运动轨迹表现出正余弦的规律，这样就可以有效模拟出桩基受正余弦荷载情况即施加的力为时间的正余弦函数；另外可通过改变伺服控制器的脉冲频率可随意的改变电机的转动速度，从而改变桩的受荷幅值和作用频率，其受荷值的数据通过拉压传感器来传输到电脑终端储存分析。

所述的线性水平循环荷载加载装置，主要由电机动力部分、循环齿轮传动部分和荷载施加部分三部分组成；三个部分通过主轴连接，主轴上安装主动齿轮，可随主动轴一起转动，从而在电机驱动下带动第二部分的次齿轮在齿条上转动，使次齿轮在齿条上向前滚动从而实现循环往复的运动；此时主轴至于所述的荷载施加部分T形片的轴承结构中，主轴可在轴承内旋转并施与第三部分水平方向的力实现水平运动，并且当电机恒定转数时，齿轮线速度是恒定的，从而施加在桩基上的荷载也为恒定力即拉压传感器表现出来的荷载理论上与时间成线性关系，其加载频率可以通过改变转数改变，其改变形式与数据采集形式与正余弦相同，不再多加赘述。

本发明结构特征主要包括：本发明实验装置由伺服电动机带动主轴提供整体的驱动能力。考虑到实验装置的整体性，把所有的实验部分都安装在特殊截面的固定架上，之所以选择这样特殊截面的固定架是便于各部分的拆卸安装，这样就可不用再增加富余的固定机件，另一方面也使整个装置结构简明，减轻荷载，便于搬运、安装和拆卸。考虑到当线性运动时主轴提供主动力，所以伺服电动机选择安装在滑槽内，这样也是避免多次循环对电动机的损伤。当实验选择正余弦实验时，可用螺帽拧紧电机固定架从而限制住电动机移动。

第二层是为线性循环运动服务，其设计结构为齿轮传动结构，主要因为其结构运行稳定，速度易控且位移易于测量等诸多优越性能，目前市场上齿轮齿条相关制作工艺已趋成熟，其加工问题易于解决。考虑到摩擦带来的阻力问题，本发明设计主轴上选择大齿轮，次齿轮连接于主轴上的转轴，大齿轮增加小齿轮转动惯量使之易于克服在转弯处的摩阻力问题。其齿轮和齿条的规格可选国标模数的规格，从而降低制作成本。当次齿轮运行到转弯处时，为避免运行速度较低时而发生从齿条上脱落的问题，在齿条内打槽加辅助滚轮，保证其运行的稳定性。因此为了承担第二部分的相关部件，主轴的截面直径应选择较大的螺丝杆，选择粗直径主轴是为满足强度要求，而选择带螺纹的杆件是为了安装部件。当实验选择正余弦实验时，把主轴上的第二部分相关装置拆卸即可。

第三部分加载装置，当试验加荷状态为线性状态时，主轴与滑槽机构上的T形片连接，为使主轴带动滑槽向前移动的同时能自由转动，在T形片上设计一轴承，因主轴长度有限，其下端没有接触滑槽底部，所以没有造成摩擦。而当选择正余弦实验时，可选择另一相同直径但不同长度的主轴通过一钢片与滑槽连接。钢片一端与主轴共同转动，可用螺帽固定；另一端连接于T形片的滑槽中。从而实现随着主轴的转动带动T形片循环往复移动。

附图说明

图1为本发明所述一体水平循环荷载加载实验仪器试验布置总览图。

图2为本发明所述固定结构架示意图。

图3为本发明所述动力系统布置示意图。

图4为本发明所述线性运动状态下动力系统布置剖面示意图。

图5为本发明所述正余弦运动状态下动力系统布置剖面示意图。

图6为本发明所述动力传动装置布置示意图。

图7为本发明所述动力传动装置布置剖面示意图和凸形轴承结构图。

图8为本发明所述正余弦运动状态下荷载施加装置布置剖面示意图。

图9为本发明所述线性运动状态下荷载施加装置布置剖面示意图。

图10为本发明所述的T形片与轴承结构示意图。

图11为本发明所述的T形片与小滑槽结构剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的描述：本实验加载仪器为正余弦水平循环荷载加载状态时，主轴由安装在第一层的动力装置提供动力转动。主轴通过一钢片和安装在第三层的加载装置连接，从而带动其转动。加荷装置由三个构件构成：T形片，振捣锤和滑槽，三者连接为一体。主轴转动带动钢片在固定平面内定轴转动，并使其在T形片的滑槽中左右直线滑动，从而带动第二部分整体做直线平移往复运动。通过理论力学计算发现振捣锤运动轨迹表现出正余弦的规律，即桩体受到的力也为时间的正余弦函数。此时改变伺服控制器的脉冲频率就可随意的改变电机的转动速度，从而改变桩的受荷幅值和作用频率，其受荷值的数据通过振捣锤上的拉压力传感器来传输到电脑终端储存分析。

本实验加载仪器为线性水平循环荷载加载状态时，主轴同样由安装在第一层的动力装置提供动力转动，从而带动第二层传动装置和第三层的加载装置。第二层的传动装置主要包括主次齿轮、辅助滚轮、安装于固定架上的齿条以及若干连接机件等结构。主齿轮安装于主轴上，其和主轴有相同的角速度；而次齿轮又主齿轮带动，两者有相同的线速度。由大惯性量的大齿轮带动小惯性量的小齿轮转动，易于克服实验过程中的阻力。另外为运行稳定的需求，设计了一辅助轮，上文已说明清楚，不再赘述。第三层的加载装置主要包括T形片、滑槽和振捣锤。与正余弦不同的是主轴与加载装置的连接并不是通过钢片，而是直接与T形片连接，连接机制是T形片上设计了一轴承结构，主轴可直接安装于轴承内，从而的带动加载装置直线滑动。由此可见为拆卸安装方便可准备两根同直径主轴，用于线性实验的长度略长些。当伺服电机在恒定的转速下，次齿轮即运行速度不变，从而受到的反力是为线性。最终结果通过拉压传感器传递到数据采集器，在电脑终端显示研究。

参照图1，为整体装置的布置示意图。动力系统装置（1）安装于固定架第一层，动力传动系统装置（2）安装于第二层，第三层即为荷载施加装置系统（3）。伺服电动机为速率控制系统，可以通过改变脉冲频率任意调节电动机的转动角速度。为数据采集及控制系统，连接的是左端装置的振捣捶上，采集振捣锤传来的作用力，最终结果传送至的数据显示及控制系统中。如图1所示，循环作用的整个装置都被安装在如图2所示的固定架上，固定架的截面之所以采用如图2所示是因为便于整个装置的拆卸安装，且架体可采用铝合金材料制成，满足实验所需的强度和刚度，最大程度减轻了整体装置制作材料的损耗和自重的减轻，便于搬运拆卸。架体截面的壁厚与宽度比在1:30，架体长度可根据实验所需装置尺寸决定。

参照图3为循环作用装置的第一部分的动力系统整体示意图，电动机装置通过夹具与滑轮（4）连为一体，只可在滑槽内单向滑动。电动机轴承与主轴通过套管连接，使主轴与电动机轴承共同转动，且主轴应采用半径较大，强度较高的螺纹钢杆，从而满足装置运行附加的强度要求，特别是对于装置为线性循环加载状态时，另外也便于其他部分装置的安装。图4是装置为线性循环加载状态时安装状态的剖面图，为防止滑轮在运行过程中偏离轨道，在滑轮（4）上方安装了两个螺母；图5是装置为正余弦循环加载状态时安装状态的剖面图，在连杆下方安装螺母固定住整个系统。

图6是装置为线性循环加载状态时第二部分的动力传动系统示意图；图7是动力传动系统剖面图，如图所示，大齿轮（5）即主动轮被螺母安装在主轴上，而次齿轮通过图7的轴承（6）、三通管以及数根杆件与主齿轮相连接，且次齿轮（8）为滑行齿轮即齿轮内部为轴承结构使之可以绕中心杆轴旋转。为了循环运动的稳定及为克服次齿轮在转弯时可能存在的反推力，本设计安装了辅助滚轮（7），为减小在运行过程中的摩擦阻力，可使次齿轮上端的杆件短些使之不与滑槽底端碰触。当加载状态为正余弦循环加载状态时，拆卸主轴上机件即可。齿条可分块制作便于安装拆卸。

图8是装置为正余弦循环加载状态时第三部分的荷载施加系统示意图；主轴通过钢片（9）与T形片（11）连接，钢片随主轴转动带动T形片在滑槽中滑动，使拉压传感器（10）作用于桩体。图9是装置为线性循环加载状态时第三部分的荷载施加系统示意图,主轴与T形片上的轴承（12）相连接。图10是T形片与轴承（13）连接机理图，为减小荷载施加过程中的阻力，本设计采用滚轮（13）与滑槽接触方式。