專利名稱：重力恒壓電液伺服加載系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種試驗加載技術，尤其涉及一種重力恒壓電液伺服加載系統(tǒng)。
背景技術：
現(xiàn)有的試驗加載技術中，為試件提供恒定荷載的加載方式包括電液伺服控制加載、重力加載和穩(wěn)壓罐加載。電液伺服控制加載方式能夠提供較大的荷載并具有較高的控制精度，但也存在以下問題:(I)系統(tǒng)復雜且需要持續(xù)的電力供應，購買和運行費用高；(2)液壓件頻繁動作，容易導致液壓油升溫和構件磨損而使控制精度下降；(3)在試件變形過程中，作用在試件上的荷載始終處于動態(tài)調(diào)整的波動狀態(tài)，無法提供真正意義上的恒定荷載。現(xiàn)有的重力加載方式主要是通過杠桿、滑輪等構件對重力進行放大后施加到試件。一旦試件發(fā)生變形，杠桿就不再處于水平狀態(tài)，其荷載放大倍數(shù)也就發(fā)生改變，因而無法保持恒定的荷載。中國專利:200810247353.6——重力液壓恒載蓄能裝置及真三軸蠕變實驗系統(tǒng)中提供的重力液壓恒載蓄能裝置克服了杠桿加載的缺點，但還存在以下缺點:受到載物平臺尺寸的限制其提供的壓力很有限。如果重物放置不對稱會導致活塞與缸體之間產(chǎn)生較大的摩擦阻力；當缸體下落到底部時通過手搖泵補液的方式使其回升到最高處必然要引起壓力波動，而活塞腔體積小，缸體一次行程所能補償?shù)脑嚰冃魏苄?，真正提供恒定荷載所適應的試件變形也就很??；手搖泵控制加載的方式要求必須有專人負責看管，既占用人員又不適于長時間試驗。穩(wěn)壓罐加載是通過高壓氣罐配合油泵來給試件提供近似恒定的荷載，其穩(wěn)壓原理是當穩(wěn)壓罐中的油壓低于設定值時啟動油泵往穩(wěn)壓罐中補充油源直至壓力回升到初始值。由此可知，該加載方式提供的荷載必然隨著試件變形而在一定范圍內(nèi)不斷波動。

綜上所述，現(xiàn)有加載技術都不能真正實現(xiàn)長時間的恒壓加載，不能適應試件大變形過程中的恒載需求。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:針對上述加載系統(tǒng)存在的問題，設計一種重力恒壓電液伺服加載系統(tǒng)，滿足試件較大變形過程中的恒定加載要求，實現(xiàn)無人值守的恒壓自動控制。技術方案:重力恒壓電液伺服加載系統(tǒng)，包括重力放大及恒壓裝置、電液伺服加載模塊；其中:所述重力放大及恒壓裝置包括齒輪-鏈輪組合裝置、砝碼1、首尾閉合成環(huán)狀的鏈條2、齒條9、導軌10 ;其中，所述齒輪-鏈輪組合裝置包括鏈輪3、齒輪，所述鏈條2套在鏈輪3上，齒條9位于水平導軌10內(nèi)并與齒輪嚙合；所述齒條9可沿水平導軌10滑動；所述石去碼I吊掛于環(huán)狀鏈條2的一點；所述電液伺服加載模塊包括油路和電路；其中:所述油路包括與帶推桿活塞的恒壓源油缸11連接的主油路、與第一加載油缸12連接的第一加載油路、與第二加載油缸13連接的第二加載油路、與第三加載油缸14連接的第三加載油路；所述油路還包括連接在主油路的遠離加載油缸一端的液壓泵20、連接所述恒壓源油缸11輸出端的第一先導式溢流閥22以及連接在所述液壓泵20的輸出端和第一先導式溢流閥22之間的單向閥21 ;所述第一加載油路還包括連接加載油路的第一先導式定值減壓閥26以及位于所述第一先導式定值減壓閥26和第一加載油缸12之間的第二先導式溢流閥23 ;所述第二加載油路還包括連接加載油路的第二先導式定值減壓閥27以及位于所述第二先導式定值減壓閥27和第二加載油缸13之間的第三先導式溢流閥24 ;所述第三加載油路還包括連接加載油路的第三先導式定值減壓閥28以及位于所述第三先導式定值減壓閥28和第三加載油缸14之間的第四先導式溢流閥23 ;所述恒壓源油缸11的活塞推桿10與所述齒條9靠近恒壓源油缸11的一端連接；所述電路包括分別位于所述齒條9兩端的第一觸角15、第二觸角16以及串聯(lián)連接構成回路的開關17、電源18及電動機19 ;所述電動機19連接所述液壓泵20 ;所述第一觸角15和第二觸角16控制所述開關17的斷開和閉合。其中，所述齒輪-鏈輪組合裝置包括鏈輪3、第一至第五齒輪4 8 ;鏈輪3的直徑大于第一齒輪4的直徑且與第一齒輪4同軸安裝；第二齒輪5的直徑大于第一齒輪4的直徑且與第一齒輪4哨合；第三齒輪6的直徑小于第二齒輪5的直徑且與第二齒輪5同軸安裝；第四齒輪7的直徑大于第三齒輪6的直徑且與第三齒輪6嚙合；第五齒輪8的直徑小于第四齒輪7的直徑且與第四齒輪7同軸安裝；所述第五齒輪8與所述齒條9嚙合。有益效果:(I)提供的荷載范 圍大:通過改變齒輪之間的放大倍數(shù)和砝碼I的重量可以向恒壓源油缸11的活塞輸出小到幾公斤大到幾噸的荷載，經(jīng)油路傳遞后作用于試件上的荷載范圍大，能滿足絕大部分試驗加載的需求。(2)恒壓性能好:采用首尾閉合的鏈條確保了施加于鏈輪的切向力始終為砝碼的重力，避免了應力波動；采用較大容積的恒壓源油缸11能保證試件在較大變形過程中所受的荷載保持真正的恒定；即使在液壓泵20向油路補充油源的過程中，通過高精度的第一至第三先導式定值減壓閥26 28和第一至第四先導式溢流閥22 25的控制也能保持加載壓力的恒定。(3)加載與穩(wěn)壓的自動化:隨著試件的壓縮變形，齒條9推動恒壓源油缸11的活塞往右運動，當活塞接近油缸11右端極限位置時齒條9上的觸腳15將開啟電路開關17，使電動機19啟動并帶動液壓泵20往油路中補充油源。由于第一先導式溢流閥22的設定壓力略大于重力恒壓值，在液壓泵20往油路補充油源的同時推動油缸11的活塞往左運動，當活塞接近左端極限位置時齒條9上的觸腳16將關閉電路開關17，從而使系統(tǒng)回復到重力恒壓狀態(tài)。(4)系統(tǒng)基本由現(xiàn)成的機械、電氣和液壓元件組成，結構簡單，建造方便且費用低廉；系統(tǒng)不需要電機的持續(xù)運轉，使用成本低；主油路中的壓力變化頻率低，有利于加載油路中液壓元件的長期可靠工作。


圖1是重力恒壓電液伺服加載系統(tǒng)結構圖2是重力放大及恒壓裝置三視圖。圖中各標號說明:1砝碼；2鏈條；3鏈輪；4第一齒輪；5第二齒輪；6第三齒輪；7第四齒輪；8第五齒輪；9齒條；10導軌；11恒壓源油缸；12 14第一至第三加載油缸；15、16第一至第二觸腳；17電路開關；18電源；19電動機；20液壓泵；21單向閥；22 25第一至第四先導式溢流閥；26 28第一至第三先導式定值減壓閥；29壓力表。
具體實施方式
:下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。重力恒壓電液伺服加載系統(tǒng)，包括重力放大及恒壓裝置、電液伺服加載模塊；其中:重力放大及恒壓裝置包括齒輪-鏈輪組合裝置、砝碼1、鏈條2、齒條9、導軌IO。其中，齒輪-鏈輪組合裝置包括鏈輪3、齒輪，所述鏈條2套在鏈輪3上，齒條9位于水平導軌10內(nèi)并與齒輪嚙合。齒條9可沿水平導軌10滑動，砝碼I吊掛于環(huán)狀鏈條2的一點。其中，齒輪-鏈輪組合裝置包括鏈輪3、第一齒輪4、第二齒輪5、第三齒輪6、第四齒輪7、第五齒輪8 ;鏈輪3的直徑大于 第一齒輪4的直徑且與第一齒輪4同軸安裝；第二齒輪5的直徑大于第一齒輪4的直徑且與第一齒輪4嚙合；第三齒輪6的直徑小于第二齒輪5的直徑且與第二齒輪5同軸安裝；第四齒輪7的直徑大于第三齒輪6的直徑且與第三齒輪6嚙合；第五齒輪8的直徑小于第四齒輪7的直徑且與第四齒輪7同軸安裝；所述第五齒輪8與所述齒條9嚙合。設破碼I的重量為G,鏈輪3與齒輪4的半徑比為k1;則齒輪4作用于齒輪5的切向力為GXk1 ;同理，齒輪5與齒輪6的半徑比為k2，則齒輪6作用于齒輪7的切向力為GXk1Xk2 ;齒輪7與齒輪8的半徑比為k3，則齒輪8作用于齒條9的切向力為GXk1Xk2Xky由此可見，砝碼重量經(jīng)過圖示齒輪組的放大后輸出荷載增大為原來的(Ic1Xk2Xk3)倍，該荷載經(jīng)恒壓源油缸的活塞作用于液壓油。設活塞的橫截面積為S，則油缸中的油壓為(Ii1Xk2Xk3) XG/S。電液伺服加載模塊包括油路和電路。其中:油路包括與帶推桿活塞的恒壓源油缸11連接的主油路、與第一加載油缸12連接的第一加載油路、與第二加載油缸13連接的第二加載油路、與第三加載油缸14連接的第三加載油路。油路還包括連接在主油路遠離加載油缸一端的液壓泵20、連接恒壓源油缸11輸出端的第一先導式溢流閥22以及連接在液壓泵20的輸出端和第一先導式溢流閥22之間的單向閥21。第一加載油路還包括連接加載油路的第一先導式定值減壓閥26以及位于第一先導式定值減壓閥26和第一加載油缸12之間的第二先導式溢流閥23。第二加載油路還包括連接加載油路的第二先導式定值減壓閥27以及位于第二先導式定值減壓閥27和第二加載油缸13之間的第三先導式溢流閥24。第三加載油路還包括連接加載油路的第三先導式定值減壓閥28以及位于第三先導式定值減壓閥28和第三加載油缸14之間的第四先導式溢流閥23。恒壓源油缸11的活塞推桿10與齒條9靠近恒壓源油缸11的一端連接。恒壓源油缸11的輸出端以及靠近第一至第三加載油缸12 14的加載油路分別安裝壓力表，用于檢測主油路和各加載油路的壓力。由于地球上某一地點的重力加速度是恒定的，只要砝碼質量、齒輪組放大倍數(shù)和活塞面積不變，恒壓源油缸11中的油壓就保持不變，因而經(jīng)各個加載油路和加載油缸作用于試件上的荷載也就保持恒定。對于試件產(chǎn)生過大變形而需要液壓泵20往油路補液的情況，要求補液壓力略高于補液前恒壓源油缸11中的壓力，以便于將活塞推至油缸11左側，此時主要依靠加載油路中的第一至第四高精先導式度溢流閥22 25和第一至第三定值減壓閥26 28起穩(wěn)壓作用。在加載油路中，減壓閥必須裝在溢流閥左側位置，也就是說液壓油必須先流經(jīng)減壓閥然后才連接溢流閥。目的是先由減壓閥給加載油缸提供設定壓力的油源，而后由溢流閥防止因模型膨脹變形等原因使加載油缸的油壓超過設定壓力。電路包括分別位于齒條9兩端的第一觸角15、第二觸角16以及串聯(lián)連接構成回路的開關17、電源18及電動機19。電動機19連接所述液壓泵20，第一觸角15和第二觸角16控制開關17的斷開和閉合。如果恒壓源油缸11中的液壓油不足以補償試件過大的壓縮變形，則需要及時向油路中補充液壓油。當帶有觸腳15和16的齒條推動恒壓源油缸11中的活塞運行到接近油缸11右端的極限位置時，觸腳15就會開啟電路開關17，使電動機19的電路導通，繼而帶動液壓泵20往油路中注油。由于溢流閥22的設置壓力略高于補液前的恒定壓力，補充的液壓油一部分通過加載油路的定值減壓閥23 25和溢流閥26 28繼續(xù)給試件提供恒定荷載，另一部分頂推活塞往左運動。當活塞運行到接近油缸11左端的極限位置時，觸腳16隨即關閉電路開關，切斷電動機19的電源，從而停止補油。本發(fā)明的重力恒壓電液伺服加載系統(tǒng)工作過程如下:(I)準備工作:根據(jù)齒輪組的放大倍數(shù)、恒壓源油缸11的活塞橫截面積和試驗所需的最大加載壓力計算砝碼I的重量。通過液壓泵20向油路充油以排除油缸、管路及各種液壓元件中的空氣，使恒壓源油缸11的活塞處于左端位置。調(diào)節(jié)第一先導式溢流閥22使其開啟壓力略高于設計的最大加載壓力，根據(jù)各加載油路的設計壓力設定相應溢流閥26 28和定值減壓閥23 25的壓力值。(2)初始加載:將合適重量的砝碼I吊掛于鏈條2上端靠近鏈輪3的位置，經(jīng)齒輪組放大后由齒條9作用于恒壓源油缸11的活塞，通過各加載油路和加載油缸12施加于試件表面。具體加載過程既可以采用一次吊掛全部重量砝碼的方法實現(xiàn)快速一次加載，也可以采用逐漸往空吊桶中注入液體或細沙的方式來實現(xiàn)分級加載，而且加載速度可控。(3)電液伺服恒壓加載:恒壓源油缸11的活塞隨著試件的壓縮變形往右運動，當接近油缸右端的極限位置時，觸腳15將開啟電路開關17，使電動機19帶動液壓泵20往油路中注油，一方面保證給試件提供持續(xù)的恒定荷載，另一方面頂推活塞往左運動。當活塞接近油缸左端的極限位置時，觸腳16關閉電路開關，停止補油。此過程不斷重復直至試驗完成。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明 原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.重力恒壓電液伺服加載系統(tǒng)，其特征在于:包括重力放大及恒壓裝置、電液伺服加載模塊；其中: 所述重力放大及恒壓裝置包括齒輪-鏈輪組合裝置、砝碼(I)、首尾閉合成環(huán)狀的鏈條(2)、齒條(9)、導軌(10);其中，所述齒輪-鏈輪組合裝置包括鏈輪(3)、齒輪，所述鏈條(2)套在鏈輪(3)上，齒條(9)位于水平導軌(10)內(nèi)并與齒輪嚙合；所述齒條(9)可沿水平導軌(10)滑動；所述砝碼⑴吊掛于環(huán)狀鏈條(2)的一點； 所述電液伺服加載模塊包括油路和電路；其中: 所述油路包括與帶推桿活塞的恒壓源油缸(11)連接的主油路、與第一加載油缸(12)連接的第一加載油路、與第二加載油缸(13)連接的第二加載油路、與第三加載油缸(14)連接的第三加載油路；所述油路還包括連接在主油路的遠離加載油缸一端的液壓泵(20)、連接所述恒壓源油缸(11)輸出端的第一先導式溢流閥(22)以及連接在所述液壓泵(20)的輸出端和第一先導式溢流閥(22)之間的單向閥(21);所述第一加載油路還包括連接加載油路的第一先導式定值減壓閥(26)以及位于所述第一先導式定值減壓閥(26)和第一加載油缸(12)之間的第二先導式溢流閥(23);所述第二加載油路還包括連接加載油路的第二先導式定值減壓閥(27)以及位于所述第二先導式定值減壓閥(27)和第二加載油缸(13)之間的第三先導式溢流閥(24);所述第三加載油路還包括連接加載油路的第三先導式定值減壓閥(28)以及位于所述第三先導式定值減壓閥(28)和第三加載油缸(14)之間的第四先導式溢流閥(23);所述恒壓源油缸(11)的活塞推桿(10)與所述齒條(9)靠近恒壓源油缸(11)的一端連接； 所述電路包括分別位于所述齒條(9)兩端的第一觸角(15)、第二觸角(16)以及串聯(lián)連接構成回路的開關(17)、電源(18)及電動機(19);所述電動機(19)連接所述液壓泵(20)；所述第一觸角(15)和第二觸角(16)控制所述開關(17)的斷開和閉合。
2.根據(jù)權利要求1所述的重力恒壓電液伺服加載系統(tǒng)，其特征在于:所述齒輪-鏈輪組合裝置包括鏈輪(3)、第一至第五齒輪(4 8);鏈輪(3)的直徑大于第一齒輪(4)的直徑且與第一齒輪(4)同軸安裝；第二齒輪(5)的直徑大于第一齒輪(4)的直徑且與第一齒輪(4)哨合；第三齒輪(6)的直徑小于第二齒輪(5)的直徑且與第二齒輪(5)同軸安裝；第四齒輪(X)的直徑大于第三齒輪(6)的直徑且與第三齒輪(6)卩齒合；第五齒輪(8)的直徑小于第四齒輪(7)的直徑且與第四齒輪(7)同軸安裝；所述第五齒輪(8)與所述齒條(9)口四合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種重力恒壓電液伺服加載系統(tǒng)，包括重力放大及恒壓裝置和電液伺服加載模塊。重力放大及恒壓裝置包括齒輪-鏈輪組合裝置、套在鏈輪上的首尾閉合成環(huán)狀的鏈條、吊掛于環(huán)狀鏈條的一點的砝碼、齒條、導軌。其中齒條位于水平導軌內(nèi)并與齒輪嚙合。齒條與帶活塞推桿的恒壓源油缸連接。只要砝碼質量、齒輪組放大倍數(shù)和活塞面積不變，恒壓源油缸中的油壓就保持不變，因而經(jīng)各個加載油路和加載油缸作用于試件上的荷載也就保持恒定。對于試件產(chǎn)生過大變形而需要液壓泵往油路補液的情況，要求補液壓力略高于補液前恒壓源油缸中的壓力，以便于將活塞推至油缸左側，此時依靠加載油路中的高精度溢流閥和定值減壓閥起穩(wěn)壓作用。
文檔編號G01N3/10GK103245562SQ20131014441
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月23日 優(yōu)先權日2013年4月23日
發(fā)明者許國安, 靖洪文, 陳坤福, 丁書學 申請人:中國礦業(yè)大學