一种多功能结构试验装置

摘要

本发明涉及一种多功能结构试验装置，包括试验平台，试验平台分别设有第一固定加载装置、第二固定加载装置与第三固定加载装置，第一固定加载装置用于试验构件水平方向的固定及加载，第二固定加载装置和第三固定加载装置分别可移动地连接于试验平台，第二固定加载装置用于试验构件竖直方向的固定及加载，第三固定加载装置设有旋转悬臂加载单元，用于对试验构件提供任意方向的支持。不会受到试验结构的形式和大小的限制，能够将试验构件从水平方向、竖直方向以及任意方向多个维度进行固定及加载，确保了试验构件的稳定加载，能够满足实验室对各种复杂试验构件多方向、多点位的加载要求，具有较好的通用性和适用性，有效提高了试验构件试验效能。

权利要求

1.一种多功能结构试验装置，其特征在于：包括试验平台，试验平台分别设有第一固定加载装置、第二固定加载装置与第三固定加载装置，第一固定加载装置用于试验构件水平方向的固定及加载，第二固定加载装置和第三固定加载装置分别可移动地连接于试验平台，第二固定加载装置用于试验构件竖直方向的固定及加载，第三固定加载装置设有旋转悬臂加载单元，用于对试验构件提供任意方向的支持；

第三固定加载装置包括第五立柱和第三横梁，第五立柱可移动地连接于试验平台，第三横梁一端连接于第五立柱顶端，旋转悬臂加载单元连接于第三横梁另一端；

旋转悬臂加载单元包括固定轴和行星齿轮组，固定轴一端固接于第三横梁另一端，行星齿轮组包括中心齿轮、分别与中心齿轮啮合传动的多个行星齿轮以及分别与多个行星齿轮啮合传动的内齿轮，中心齿轮套接于固定轴，中心齿轮与固定轴固接，内齿轮外周固接有第三支撑顶升机构，行星齿轮组一侧设有限位装置，限位装置用于限制或允许行星齿轮组转动；

限位装置包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、盒体与制动杆，内齿轮外周固接于盒体内壁，盒体外壁固接于第三支撑顶升机构，第一锥齿轮套接于固定轴且与固定轴固接，制动杆设于第一锥齿轮一侧，制动杆穿设于盒体且与盒体螺纹连接，第二锥齿轮套接于制动杆且与制动杆固接，第二锥齿轮与第一锥齿轮对应设置，第二锥齿轮具有限制状态和脱离状态，处于限制状态时，第二锥齿轮与第一锥齿轮啮合；处于脱离状态时，第二锥齿轮与第一锥齿轮脱离。

2.按照权利要求1所述的一种多功能结构试验装置，其特征在于：第一固定加载装置包括第一立柱和第二立柱，第一立柱和第二立柱分别对应设于试验平台两端，第一立柱连接有第一支撑顶升机构，第一支撑顶升机构水平朝向第二立柱。

3.按照权利要求2所述的一种多功能结构试验装置，其特征在于：第一立柱和第二立柱之间设有第一横梁，第一横梁两端分别连接于第一立柱顶端和第二立柱顶端。

4.按照权利要求3所述的一种多功能结构试验装置，其特征在于：第一立柱设有升降装置，第一支撑顶升机构固接于升降装置，升降装置驱动第一支撑顶升机构沿第一立柱上下移动。

5.按照权利要求3所述的一种多功能结构试验装置，其特征在于：第二固定加载装置包括第二横梁和第三立柱，第三立柱可移动地连接于试验平台，第三立柱设于第一立柱和第二立柱之间，第二横梁设于第一横梁下方，第二横梁一端连接于第三立柱顶端，第二横梁连接有第二支撑顶升机构，第二支撑顶升机构朝下设置。

6.按照权利要求5所述的一种多功能结构试验装置，其特征在于：第二固定加载装置还包括第四立柱，第四立柱与第三立柱对应设置，第二横梁另一端连接于第四立柱顶端。

7.按照权利要求5所述的一种多功能结构试验装置，其特征在于：第二横梁设有水平驱动装置，水平驱动装置固接于第二支撑顶升机构，驱动第二支撑顶升机构沿第二横梁水平移动。

说明书

一种多功能结构试验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及实验装置领域，特别是涉及一种多功能结构试验装置。

背景技术

[0002] 在实验室中对试验构件进行荷载试验时，一般先通过各种型号的加载架对试验构件进行固定，这些试验构件通常由不同试验材料构成，需要测试大吨位屈服和破坏荷载、测
试复杂应力应变和变形等诸多参数。

[0003] 然而现有技术的加载架存在以下技术问题：容易受到试验结构的形式和大小的限制，只能在某个方向对试验构件进行固定，无法满足实验室对各种复杂试验构件多方向、多
点位的加载要求，通用性和适用性不佳。

发明内容

[0004] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种多功能结构试验装置，不会受到试验结构的形式和大小的限制，能够对试验构件提供任意方向的支持，可以满
足实验室对各种复杂试验构件多方向、多点位的加载要求，具有较好的通用性和适用性，有
效提高了试验构件试验效能。

[0005] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种多功能结构试验装置，包括试验平台，试验平台分别设有第一固定加载装置、第二固定加载装置与第三固定加载装置，第一固定加载装置用于试验构件水平方向的固定
及加载，第二固定加载装置和第三固定加载装置分别可移动地连接于试验平台，第二固定
加载装置用于试验构件竖直方向的固定及加载，第三固定加载装置设有旋转悬臂加载单
元，用于对试验构件提供任意方向的支持。

[0007] 进一步，第一固定加载装置包括第一立柱和第二立柱，第一立柱和第二立柱分别对应设于试验平台两端，第一立柱连接有第一支撑顶升机构，第一支撑顶升机构水平朝向
第二立柱。

[0008] 进一步，第一立柱和第二立柱之间设有第一横梁，第一横梁两端分别连接于第一立柱顶端和第二立柱顶端。

[0009] 进一步，第一立柱设有升降装置，第一支撑顶升机构固接于升降装置，升降装置驱动第一支撑顶升机构沿第一立柱上下移动。

[0010] 进一步，第二固定加载装置包括第二横梁和第三立柱，第三立柱可移动地连接于试验平台，第三立柱设于第一立柱和第二立柱之间，第二横梁设于第一横梁下方，第二横梁
一端连接于第三立柱顶端，第二横梁连接有第二支撑顶升机构，第二支撑顶升机构朝下设
置。

[0011] 进一步，第二固定加载装置还包括第四立柱，第四立柱与第三立柱对应设置，第二横梁另一端连接于第四立柱顶端。

[0012] 进一步，第二横梁设有水平驱动装置，水平驱动装置固接于第二支撑顶升机构，驱动第二支撑顶升机构沿第二横梁水平移动。

[0013] 进一步，第三固定加载装置包括第五立柱和第三横梁，第五立柱可移动地连接于试验平台，第三横梁一端连接于第五立柱顶端，旋转悬臂加载单元连接于第三横梁另一端。

[0014] 进一步，旋转悬臂加载单元包括固定轴和行星齿轮组，固定轴一端固接于第三横梁另一端，行星齿轮组包括中心齿轮、分别与中心齿轮啮合传动的多个行星齿轮以及分别
与多个行星齿轮啮合传动的内齿轮，中心齿轮套接于固定轴，中心齿轮与固定轴固接，内齿
轮外周固接有第三支撑顶升机构，行星齿轮组一侧设有限位装置，限位装置用于限制或允
许行星齿轮组转动。

[0015] 进一步，限位装置包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、盒体与制动杆，内齿轮外周固接于盒体内壁，盒体外壁固接于第三支撑顶升机构，第一锥齿轮套接于固定轴且与固定轴固
接，制动杆设于第一锥齿轮一侧，制动杆穿设于盒体且与盒体螺纹连接，第二锥齿轮套接于
制动杆且与制动杆固接，第二锥齿轮与第一锥齿轮对应设置，第二锥齿轮具有限制状态和
脱离状态，处于限制状态时，第二锥齿轮与第一锥齿轮啮合；处于脱离状态时，第二锥齿轮
与第一锥齿轮脱离。

[0016] 总的说来，本发明具有如下优点：

[0017] 根据试验构件水平方向和竖直方向的固定及加载后的状态，针对不同试验构件不同的形状与尺寸，找到试验构件需要额外提供支持的点与支持的角度，相应移动第三固定
加载装置，旋转悬臂加载单元至相应角度，对需要额外提供支持的点提供支持力，从而将试
验构件从水平方向、竖直方向以及任意方向多个维度进行固定及加载，确保了试验构件的
稳定加载，能够满足实验室对各种复杂试验构件多方向、多点位的加载要求，不会受到试验
结构的形式和大小的限制，具有较好的通用性和适用性，有效提高了试验构件试验效能。

附图说明

[0018] 图1为本发明实施例的立体结构示意图。

[0019] 图2为本发明实施例的旋转悬臂加载单元的分解示意图。

[0020] 附图标记说明：

[0021] 11——第一立柱、12——第二立柱、13——第一横梁；

[0022] 21——第三立柱、22——第四立柱、23——第二横梁、231——丝杆；

[0023] 31——第五立柱、32——第三横梁；

[0024] 41——第一力传感器、42——第二力传感器、43——第三力传感器；

[0025] 51——第一千斤顶、52——第二千斤顶、53——第三千斤顶；

[0026] 61——第一承载端、62——第二承载端、63——第三承载端；

[0027] 7——旋转悬臂加载单元、71——第一锥齿轮、72——第二锥齿轮、73——内齿轮、74——行星齿轮、75——盒体、76——固定轴、77——制动杆；

[0028] 81——控制台、82——加载油泵、83——试验平台。

具体实施方式

[0029] 下面来对本发明做进一步详细的说明。

[0030] 如图1、图2所示，一种多功能结构试验装置，包括试验平台83，试验平台83分别设有第一固定加载装置、第二固定加载装置与第三固定加载装置，第一固定加载装置用于试
验构件水平方向的固定及加载，第二固定加载装置和第三固定加载装置分别可移动地连接
于试验平台83，第二固定加载装置用于试验构件竖直方向的固定及加载，第三固定加载装
置设有旋转悬臂加载单元7，用于对试验构件提供任意方向的支持。

[0031] 固定试验构件时，首先将试验构件放于试验平台83上。通过第一固定加载装置对试验构件进行水平方向固定及加载后，根据试验构件被水平固定及加载后的位置，相应移
动第二固定加载装置，并利用第二固定加载装置对试验构件进行竖直方向的固定及加载；
根据试验构件水平方向和竖直方向固定及加载后的状态，针对不同试验构件不同的形状与
尺寸，找到试验构件需要额外提供支持的点与支持的角度，相应移动第三固定加载装置，旋
转悬臂加载单元7至相应角度，对需要额外提供支持的点提供支持力，从而将试验构件从水
平方向、竖直方向以及任意方向多个维度进行固定，确保了试验构件的稳定加载，能够满足
实验室对各种复杂试验构件多方向、多点位的加载要求，不会受到试验结构的形式和大小
的限制，具有较好的通用性和适用性，有效提高了试验构件试验效能。

[0032] 优选地，第三固定加载装置数量为两个。两个第三固定加载装置分别对应设于试验构件两侧，同时于试验构件两侧对试验构件施加相对应的力，使试验构件的受力更加平
衡，能够取得更好的加载效果。

[0033] 第一固定加载装置包括第一立柱11和第二立柱12，第一立柱11和第二立柱12分别对应设于试验平台83两端，第一立柱11连接有第一支撑顶升机构，第一支撑顶升机构水平
朝向第二立柱12。

[0034] 第一固定加载装置工作时，试验构件放于第一立柱11和第二立柱12之间的试验平台83上，第一支撑顶升机构从第一立柱11水平伸出，将试验构件推向第二立柱12方向，使试
验构件在水平方向上固定及加载于第一支撑顶升机构与第二立柱12方向之间。

[0035] 第一立柱11和第二立柱12之间设有第一横梁13，第一横梁13两端分别连接于第一立柱11顶端和第二立柱12顶端。

[0036] 第一横梁13分别连接第一立柱11和第二立柱12，能够加强第一立柱11和第二立柱12的强度和稳定性，有利于将试验构件稳定地固定及加载于第一支撑顶升机构与第二立柱
12之间。

[0037] 第一立柱11设有升降装置，第一支撑顶升机构固接于升降装置，升降装置驱动第一支撑顶升机构沿第一立柱11上下移动。

[0038] 通过升降装置驱动第一支撑顶升机构沿第一立柱11上下移动，能够根据试验构件的重心高度来调整第一支撑顶升机构在第一立柱11上的位置，从而取得更好的水平固定及
加载效果。

[0039] 本实施例中，升降装置包括齿轮、齿条与第一电机。沿第一立柱11延伸方向第一立柱11设有滑轨，齿条滑动连接于滑轨，齿条侧部与第一支撑顶升机构固接，第一电机固接于
第一立柱11，齿轮转动连接于第一立柱11，第一电机的电机轴连接齿轮轴，驱动齿轮转动，
齿轮与齿条啮合传动，驱动齿条沿滑轨滑动，齿条带动第一支撑顶升机构上下移动。第一电
机停止运转时，由于齿轮齿条具有较好的自锁功能，可以使第一支撑顶升机构稳定地保持
在停止位置，有利于获得更稳定的水平加载效果。

[0040] 第一支撑顶升机构为第一千斤顶51。第一千斤顶51与第一立柱11之间设有第一力传感器41。第一千斤顶51末端设有第一承载端61。第一承载端61用于抵接于试验构件。

[0041] 第二固定加载装置包括第二横梁23和第三立柱21，第三立柱21可移动地连接于试验平台83，第三立柱21设于第一立柱11和第二立柱12之间，第二横梁23设于第一横梁13下
方，第二横梁23一端连接于第三立柱21顶端，第二横梁23连接有第二支撑顶升机构，第二支
撑顶升机构朝下设置。

[0042] 由于第三立柱21可移动地连接于试验平台83，在通过第一固定加载装置对试验构件进行水平方向固定及加载后，根据试验构件被水平固定及加载后的位置，相应移动第三
立柱21，使第三立柱21与试验构件对应且第二横梁23位于试验构件上方，利用与第二横梁
23连接的第二支撑顶升机构朝下对试验构件进行竖直方向的固定及加载，将试验构件在竖
直方向上固定及加载于第二支撑顶升机构与试验平台83之间。

[0043] 第二固定加载装置还包括第四立柱22，第四立柱22与第三立柱21对应设置，第二横梁23另一端连接于第四立柱22顶端。

[0044] 第四立柱22可移动地连接于试验平台83，通过设置与第二横梁23连接的第四立柱22，加强了第二横梁23的强度和稳定性，有利于将试验构件稳定地固定及加载于第二支撑
顶升机构与试验平台83之间。

[0045] 第二横梁23设有水平驱动装置，水平驱动装置固接于第二支撑顶升机构，驱动第二支撑顶升机构沿第二横梁23水平移动。

[0046] 通过水平驱动装置驱动第二支撑顶升机构沿第二横梁23移动，能够根据试验构件不同的外形尺寸来调整第二支撑顶升机构在第二横梁23上的位置，从而在试验构件上找到
最好的固定点，取得更好的竖直方向固定及加载效果。

[0047] 本实施例中，第二横梁23设有竖向通孔，水平驱动装置设于竖向通孔内。水平驱动装置包括丝杆231、螺母、直线导轨和第二电机，直线导轨两端分别固接于第二横梁23两端，
丝杆231设于直线导轨一侧，丝杆231与直线导轨平行，丝杆231两端分别转动连接于第二横
梁23两端，螺母螺纹连接于丝杆231，螺母设有连接通孔，直线导轨穿设于连接通孔。螺母下
端与第二支撑顶升机构固接。第二电机固接于第二横梁23，第二电机的电机轴与丝杆231连
接，驱动丝杆231转动，丝杆231带动螺母沿丝杆231与直线导轨直线移动，螺母带动第二支
撑顶升机构水平移动。电机停止运转时，由于丝杆231螺母具有较好的自锁功能，可以使第
二支撑顶升机构稳定地保持在停止位置，有利于获得更稳定的加载效果。

[0048] 第二支撑顶升机构为第二千斤顶52。第二千斤顶52与第二横梁23之间设有第二力传感器42。第二千斤顶52末端设有第二承载端62。第二承载端62用于抵接于试验构件。

[0049] 第三固定加载装置包括第五立柱31和第三横梁32，第五立柱31可移动地连接于试验平台83，第三横梁32一端连接于第五立柱31顶端，旋转悬臂加载单元7连接于第三横梁32
另一端。

[0050] 在试验构件通过第一固定加载装置和第二固定加载装置分别进行水平方向和竖直方向固定及加载后，根据试验构件不同的外形尺寸，通过观察找到试验构件需要额外支
持的点和支持的角度，相应移动第三固定加载装置的第五立柱31，然后转动第三横梁32上
的旋转悬臂加载单元7至相应角度，从而能够为需要额外提供支持的点提供支持力，能够在
水平方向和竖直方向固定及加载的基础上补充增加任意角度的支持力，确保了试验构件的
稳定加载，能够满足实验室对各种复杂试验构件多方向、多点位的加载要求，不会受到试验
结构的形式和大小的限制，具有较好的通用性和适用性，有效提高了试验构件试验效能。

[0051] 旋转悬臂加载单元7包括固定轴76和行星齿轮组，固定轴76一端固接于第三横梁32另一端，行星齿轮组包括中心齿轮、分别与中心齿轮啮合传动的多个行星齿轮74以及分
别与多个行星齿轮74啮合传动的内齿轮73，中心齿轮套接于固定轴76，中心齿轮与固定轴
76固接，内齿轮73外周固接有第三支撑顶升机构，行星齿轮组一侧设有限位装置，限位装置
用于限制或允许行星齿轮组转动。

[0052] 具体地，需要调节旋转悬臂加载单元7的角度时，首先根据试验构件当前位置移动第三固定加载装置的第五立柱31至合适位置，然后通过限位装置允许行星齿轮组转动，接
着开始绕固定轴76转动第三支撑顶升机构。由于内齿轮73外周与第三支撑顶升机构固接，
因此第三支撑顶升机构带动内齿轮73转动，内齿轮73进一步带动与之啮合的多个行星齿轮
74在中心齿轮外沿上公转并自转。当第三支撑顶升机构旋转至对准需要额外支持点的角度
后，通过限位装置限制行星齿轮组转动。此时，第三支撑顶升机构无法继续转动，从而保持
于当前角度。在当前静止状态下，通过第三支撑顶升机构对需要额外支持的点施加支持力，
可以得到更稳定的加载效果。

[0053] 通过行星齿轮组的设置，提升了旋转悬臂加载单元7的强度，能够对试验构件提供更有力的支持，有利于得到更稳定的加载效果，同时延长了使用寿命。

[0054] 限位装置包括第一锥齿轮71、第二锥齿轮72、盒体75与制动杆77，内齿轮73外周固接于盒体75内壁，盒体75外壁固接于第三支撑顶升机构，第一锥齿轮71套接于固定轴76且
与固定轴76固接，制动杆77设于第一锥齿轮71一侧，制动杆77穿设于盒体75且与盒体75螺
纹连接，第二锥齿轮72套接于制动杆77且与制动杆77固接，第二锥齿轮72与第一锥齿轮71
对应设置，第二锥齿轮72具有限制状态和脱离状态，处于限制状态时，第二锥齿轮72与第一
锥齿轮71啮合；处于脱离状态时，第二锥齿轮72与第一锥齿轮71脱离。

[0055] 具体地，制动杆77设有握把，握把设于盒体75外。旋转握把，使第二锥齿轮72逐渐向第一锥齿轮71靠近并最终与第一锥齿轮71啮合。由于制动杆77螺纹连接于盒体75，第一
锥齿轮71与固定轴76固接，固定轴76与第三横梁32固接，因此，当第一锥齿轮71与第二锥齿
轮72啮合时，第一锥齿轮71限制了第二锥齿轮72的转动，第二锥齿轮72处于限制状态，第二
锥齿轮72进一步限制了盒体75、行星齿轮组与第三支撑顶升机构的转动，此时可保持第三
支撑顶升机构的旋转角度进行稳定的施力。需要解除限制时，反方向旋转握把，使第二锥齿
轮72逐渐远离第一锥齿轮71并松开与第一锥齿轮71的啮合。此时，第二锥齿轮72处于脱离
状态，可以转动第三支撑顶升机构至任意角度。

[0056] 第一锥齿轮71和第二锥齿轮72啮合时，第一锥齿轮71和第二锥齿轮72均有3个轮齿在同时咬合，强度较大，有力地限制了盒体75、行星齿轮组与第三支撑顶升机构的转动，
延长了使用寿命。

[0057] 本实施例中，第三横梁32可移动地连接于第五立柱31，能够调节第三横梁32在第五立柱31上的高度，以适应不同外形尺寸的试验构件。可以采用齿轮齿条或其他现有技术
的传动装置来移动第三横梁32。

[0058] 第三支撑顶升机构为第三千斤顶53。第三千斤顶53与第三横梁32之间设有第三力传感器43。第三千斤顶53末端设有第三承载端63。第三承载端63用于抵接于试验构件。

[0059] 试验平台83上设有多个齿形凹槽，第三立柱21、第四立柱22和第五立柱31均通过螺栓连接于齿形凹槽，增加了第三立柱21、第四立柱22和第五立柱31在试验平台83上的稳
定性。第三立柱21、第四立柱22和第五立柱31均可以通过移动自身位置，以适应不同外形尺
寸的试验构件。

[0060] 试验平台83一侧设有控制台81、加载油泵82和数据采集系统。加载油泵82分别连接第一千斤顶51、第二千斤顶52和第三千斤顶53，用于为第一千斤顶51、第二千斤顶52和第
三千斤顶53提供加压油。数据采集系统分别连接控制台81、第一力传感器41、第二力传感器
42和第三力传感器43，用于检测第一千斤顶51、第二千斤顶52和第三千斤顶53所施加的力
度数据。控制台81连接加载油泵82，根据数据采集系统收集到的力度数据与不同的试验构
件属性，相应控制加载油泵82调整第一千斤顶51、第二千斤顶52和第三千斤顶53的施力，保
证试验构件处于安全范围。

[0061] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。