一种超重力场下的自适应承力转换方法和结构与流程

本发明属于土工离心机技术领域，具体涉及一种超重力场下的自适应承力转换方法和结构。

背景技术：

土工离心机利用电机驱动转臂旋转产生超重力场环境，通过在与转臂连接的吊篮中安装缩比模型和辅助实验装置，可以实现对实际条件下复杂工况的模拟，为土工结构破坏现象的观察和破坏机理的研究提供一个基础实验平台。

转臂与吊篮之间的连接结构是承载吊篮及其内部安装的实验模型和辅助装置的关键结构件。在离心机由静止至稳定运转的过程中，转臂与吊篮之间的夹角存在一个由90°至近似180°的变化过程，这就要求转臂与吊篮之间的连接结构一方面可以相互转动；另一方面可以有效承载吊篮及其内部安装的实验模型和辅助装置产生的离心力。传统的转臂与吊篮之间的连接结构采用“销轴+轴承”的方式，轴承的外圈与吊篮连接，内圈与销轴连接，销轴安装在转臂上。转臂与吊篮之间的角度变化依靠轴承内外圈的转动实现，吊篮及其内部安装的实验模型和辅助装置产生的离心力通过销轴来承担。受轴承尺寸和安装空间的限制，这种连接结构的承载力有限。目前，发展了一种可承载较大离心力的连接结构，即采用“可变形元件+销轴+轴承+兜装梁”的连接方式。根据可变形元件实现方法和具体结构的不同，具体可分为以下几种：

1、板簧作为可变形元件。当销轴的承载力达到一定值时，销轴压迫板簧产生变形，从而使销轴沿受力方向产生一定的位移，进而将销轴承力转换成兜装梁承力，增大承载能力。

2、橡胶块作为可变形元件。当销轴的承载力达到一定值时，销轴压迫橡胶块产生变形，从而使销轴沿受力方向产生一定的位移，进而将销轴承力转换成兜装梁承力，增大承载能力。

3、摆动凸轮。在转臂与吊篮之间夹角由90°至近似180°的变化过程中，通过凸轮的不等半径摆动，直接让吊篮与兜装梁接触，从而使兜装梁直接承载吊篮及其内部安装的实验模型和辅助装置产生的离心力。

采用以上可变形元件实现方法和具体结构仍具有以下问题：

1、采用板簧作为可变形元件时，板簧的变形范围需根据吊篮底部弧面与兜装梁上部弧面预留的间隙进行确定。为保证吊篮在甩起来(转臂与吊篮之间夹角由90°至近似180°)的过程中，吊篮与兜装梁不发生干涉，通常要求吊篮底部弧面与兜装梁上部弧面预留的间隙较大，这就要求板簧的变形范围较大。考虑到板簧的变形必须在弹性范围内进行，才能保证离心机启动运行阶段吊篮的放开和离心机减速停止阶段吊篮的收回，大的变形通常所需板簧的尺寸也较大，这与转臂上销轴孔的尺寸较小是矛盾的。因此，板簧作为变形元件的应用受到离心机转臂上销轴孔尺寸的限制。

2、采用橡胶块作为可变形元件时，橡胶块可以产生较大的变形，保证在离心机启动运行阶段，橡胶块变形后吊篮底部弧面与兜装梁上部弧面紧密接触。但是，橡胶的变形通常是塑性变形，变形后无法恢复初始的形状，这就给离心机减速停止阶段吊篮的收回造成了困难，甚至无法收回。

3、采用摆动凸轮时，依靠凸轮的不等半径摆动实现吊篮底部弧面与兜装梁上部弧面的紧密接触，要求吊篮底部弧面和兜装梁上部弧面加工精度较高。另外，由于吊篮底部弧面是滑动进入兜装梁弧面的，要求两者之间必须具有较低的摩擦系数，否则在吊篮底部弧面滑动进入兜装梁弧面的过程中容易出现卡紧、无法移动的现象。

为了解决以上问题我方研发出了一种超重力场下的自适应承力转换方法和结构。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种超重力场下的自适应承力转换方法和结构。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种超重力场下的自适应承力转换结构，安装在离心机上，且用于将离心机的吊篮所受离心力通过销轴承载或兜装梁承载相互转换，离心机包括了转臂，兜装梁设置在转臂的端部；在离心机处于稳定工作阶段时，吊篮置于转臂与兜装梁之间，承力转换结构包括：

设置在转臂内的销孔；销孔的直径大于销轴的直径，销轴安装于销孔内，吊篮通过销轴与转臂相对转动连接；

用于推动销轴朝向兜装梁方向移动的销轴移动机构；销轴移动机构的作用输出端与销轴连接，且用于限定销轴与销孔壁的距离；在离心机处于稳定工作阶段时，销轴移动机构用于推动销轴向兜装梁方向移动，吊篮与兜装梁抵紧连接；在离心机处于非稳定工作阶段时，销轴移动机构拉动销轴向兜装梁相反方向移动。

作为第一种优选技术方案，销轴与吊篮的一端固定连接，销轴移动机构的作用输出端可转动套装在销轴上。

作为第二种优选技术方案，销轴与吊篮的一端可转动连接，销轴移动机构的作用输出端与销轴固定连接。

作为第三种优选技术方案，销轴与吊篮的一端可转动连接，销轴移动机构的作用输出端可转动套装在销轴上。

具体地，一个吊篮上的两处分别通过一销轴与转臂相对转动连接，吊篮与转臂的一个连接处的销轴移动机构包括第一液压驱动器、第二液压驱动器，第一液压驱动器的作用输出端和第二液压驱动器的作用输出端分别与销轴的两端连接。

进一步地，吊篮的一端通过一轴承可转动套装在销轴上，在销轴上套装有轴承压紧套，轴承压紧套的一端抵紧轴承。

进一步地，承力转换结构还包括：

安装在吊篮上的用于实时测量吊篮摆角的角度传感器；

安装在转臂上的用于实时测量转臂加速度的加速度传感器；

用于数据信号接收、数据信号分析、根据数据信号分析结果发出控制命令的控制系统；控制系统的数据信号输入端分别与角度传感器的数据信号输出端和加速度传感器的数据信号输出端连接，控制系统的控制信号输出端与销轴移动机构的控制信号输入端连接。

优选地，吊篮底部为突出的弧面结构，兜装梁上朝向轴销的方向设置有与吊篮底部结构匹配的内凹弧面。

超重力场下的自适应承力转换装置的转换方法，包括以下步骤：

s1、离心机开始运行；

s2、安装在吊篮上的角度角度传感器实时测量吊篮的摆角，并反馈摆角值和对应的离心机加速度值给控制系统，当吊篮的摆角到达设定值时，记录此时的加速度值为ng，进入下一步骤；

s3、控制系统控制轴销移动机构工作，推动销轴、吊篮向兜装梁方向移动，直至使吊篮底部弧面与兜装梁上部弧面接触，销轴承力转换为兜装梁承力，离心机正常运行，进入下一步骤；

s4、实验完成后，离心机减速运行；

s5、安装在转臂上的加速度传感器实时测量转臂的加速度，并反馈给控制系统，当转臂的加速度降低到指定值ng后，进入下一步骤；

s5、控制系统控制轴销移动机构工作，拉动吊篮，使吊篮底部弧面与兜装梁上部弧面脱开，将兜装梁承力转换为销轴承力，吊篮在下摆过程中不与兜装梁发生干涉，吊篮在离心机停止运行时顺利回到离心机启动前的初始位置。

本发明的有益效果在于：

本发明的超重力场下的自适应承力转换方法和结构：

1、在离心机启动阶段可以根据吊篮与转臂之间的角度变化，控制销轴的正向移动，保证吊篮上弧面与兜装梁上弧面的有效接触；在离心机减速阶段可以根据转臂加速度值的变化，控制销轴的反向移动，保证吊篮底部弧面与兜装梁上部弧面的有效脱开，实现了离心机工作过程中承力转换的进行；

2、承力转换结构通过液压驱动器驱动销轴移动的方式，一方面保证了销轴正向移动的位移；另一方面保证了销轴反向移动的位移，进而实现了对吊篮往复运动的控制，解决了现有方案中吊篮位移不能有效收回的问题；

3、承力转换结构避免了吊篮底部弧面滑动进入兜装梁上部弧面的问题，进而避免了两者之间出现卡紧、无法移动的现象。

附图说明

图1为本发明的安装结构主视图；

图2为本发明的安装结构俯视图；

图3为本发明的工作状态结构主视图；

图4为本发明中承力转换结构的结构示意图；

图5为本发明中的自适应承力转换流程图。

图中：1、转臂；11、销孔；2、吊篮；3、角度传感器；4、加速度传感器；5、离心机驱动及支撑；6、承力转换结构；61、锁紧螺母；62、轴承压紧套；63、第一轴承；65、销轴；67、第一液压驱动器；69、第二液压驱动器；7、兜装梁；8、接触面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1，如图1、图2、图3、图4所示，

离心机还包括离心机驱动及支撑5，离心机驱动及支撑5为离心机提供支撑及转动动力；

一种超重力场下的自适应承力转换结构6，安装在离心机上，且用于将离心机的吊篮2所受离心力通过销轴65承载或兜装梁7承载相互转换，离心机包括了转臂1，兜装梁7设置在转臂1的端部；在离心机处于稳定工作阶段时，吊篮2置于转臂1与兜装梁7之间，承力转换结构6包括：

设置在转臂1内的销孔11；销孔11的直径大于销轴65的直径，销轴65安装于销孔11内，吊篮2通过销轴65与转臂1相对转动连接；

用于推动销轴65朝向兜装梁7方向移动的销轴65移动机构；销轴65移动机构的作用输出端与销轴65连接，且用于限定销轴65与销孔11壁的距离；在离心机处于稳定工作阶段时，销轴65移动机构用于推动销轴65向兜装梁7方向移动，吊篮2与兜装梁7抵紧连接；在离心机处于非稳定工作阶段时，销轴65移动机构拉动销轴65向兜装梁7相反方向移动。

在销轴65移动机构不工作时，吊篮2能无阻碍的转动进入转臂1与兜装梁7之间；且此时吊篮2与兜装梁7之间的最小间隔距离为s1，待吊篮2从竖向转动至横向时候，销轴65移动机构工作推动销轴65、吊篮2将吊篮2与兜装梁7之间的最小距离缩小为0；

且需要保证：

销孔11的直径-销轴65的直径-s1>0；

通过承力转换结构6的特殊结构布设，以及销轴65移动机构驱动销轴65移动的方式，一方面保证了销轴65正向移动的位移；另一方面保证了销轴65反向移动的位移，进而实现了对吊篮2往复运动的控制，解决了现有方案中吊篮2位移不能有效收回的问题。

实施例2，

本实施例与实施例1的区别在于：销轴65与吊篮2的一端固定连接，销轴65移动机构的作用输出端可转动套装在销轴65上。

此处可以优选为，一第二轴承固定套装在销轴65上，第二轴承的外圈与销轴65移动机构的作用输出端固定连接。

实施例3，如图4所示，

本实施例与实施例1的区别在于：销轴65与吊篮2的一端可转动连接，销轴65移动机构的作用输出端与销轴65固定连接。

优选采用锁紧螺母61将销轴65移动机构的作用输出端与销轴65锁紧。

实施例4，

本实施例与实施例1的区别在于：销轴65与吊篮2的一端可转动连接，销轴65移动机构的作用输出端可转动套装在销轴65上。

此处可以优选为，一第二轴承固定套装在销轴65上，第二轴承的外圈与销轴65移动机构的作用输出端固定连接。

实施例5，如图4所示，

本实施例与实施例1-4任一项的区别在于：一个吊篮2上的两处分别通过一销轴65与转臂1相对转动连接，吊篮2与转臂1的一个连接处的销轴65移动机构包括第一液压驱动器67、第二液压驱动器69，第一液压驱动器67的作用输出端和第二液压驱动器69的作用输出端分别与销轴65的两端连接。第一液压驱动器67、第二液压驱动器69优选安装在转臂1的上、下面上。采用两个液压驱动器，使得对销轴65、吊篮2的推动更加稳定。

实施例6，如图4所示，

本实施例与实施例3、实施例4任一项的区别在于：吊篮2的一端通过一第一轴承63可转动套装在销轴65上，在销轴65上套装有轴承压紧套62，轴承压紧套62的一端抵紧第一轴承63。

实施例7，如图1、图2、图3所示，

本实施例与实施例5的区别在于：承力转换结构6还包括：

安装在吊篮2上的用于实时测量吊篮2摆角的角度传感器3；

安装在转臂1上的用于实时测量转臂1加速度的加速度传感器4；

用于数据信号接收、数据信号分析、根据数据信号分析结果发出控制命令的控制系统；控制系统的数据信号输入端分别与角度传感器3的数据信号输出端和加速度传感器4的数据信号输出端连接，控制系统的控制信号输出端与销轴65移动机构的控制信号输入端连接。

优选地，控制系统为一微处理器，此微处理器具备接收角度传感器3和加速度传感器4发出的数据信号的能力，还能在微处理器里设定加速度值ng和角度值(一般取90°)，当达到微处理器检测摆角到达设定值(一般取90°)时，加速度值为ng时，则微处理器发送对应地控制命令至销轴65移动机构。

实施例8，如图3所示，

本实施例与实施例7的区别在于：吊篮2底部为突出的弧面结构，兜装梁7上朝向轴销的方向设置有与吊篮2底部结构匹配的内凹弧面。吊篮的突出的弧面结构与兜装梁7上的内凹弧面的接触面8为弧形。

此种结构的设置能最佳的完成吊篮2与兜装梁7的连接匹配。

实施例9，如图5所示，

本实施例与实施例1-9任一项的区别在于：超重力场下的自适应承力转换装置的转换方法，包括以下步骤：

s1、离心机开始运行；

s2、安装在吊篮2上的角度角度传感器3实时测量吊篮2的摆角，并反馈摆角值和对应的离心机加速度值给控制系统，当吊篮2的摆角到达设定值时，记录此时的加速度值为ng，进入下一步骤；

s3、控制系统控制轴销移动机构工作，推动销轴65、吊篮2向兜装梁7方向移动，直至使吊篮2底部弧面与兜装梁7上部弧面接触，销轴65承力转换为兜装梁7承力，离心机正常运行，进入下一步骤；

s4、实验完成后，离心机减速运行；

s5、安装在转臂1上的加速度传感器4实时测量转臂1的加速度，并反馈给控制系统，当转臂1的加速度降低到指定值ng后，进入下一步骤；

s5、控制系统控制轴销移动机构工作，拉动吊篮2，使吊篮2底部弧面与兜装梁7上部弧面脱开，将兜装梁7承力转换为销轴65承力，吊篮2在下摆过程中不与兜装梁7发生干涉，吊篮2在离心机停止运行时顺利回到离心机启动前的初始位置。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。