結(jié)構(gòu)用木材多功能試驗機加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

張前衛(wèi)，張 偉,2，王雙永

0 引言

加載系統(tǒng)是試驗機的關(guān)鍵部分，良好的加載系統(tǒng)能保證試驗順利進行和取得所需試驗數(shù)據(jù)，因而加載系統(tǒng)的研究開發(fā)對于木結(jié)構(gòu)材料特性的研究以及理論分析具有重要的實踐價值[1]。傳統(tǒng)的力學(xué)試驗機的結(jié)構(gòu)常常是由底座、固定的加載裝置以及相關(guān)的輔助支架梁構(gòu)成，加載方式分為液壓式加載、電機-絲杠式加載等方式。這種固定式的力學(xué)試驗機也因為結(jié)構(gòu)的限制而無法完成大尺寸構(gòu)件的試驗。

針對現(xiàn)有力學(xué)試驗機的結(jié)構(gòu)不足，結(jié)構(gòu)用木材多功能試驗機的加載系統(tǒng)采用電機-螺紋可移動式的加載方式。該加載系統(tǒng)可滿足結(jié)構(gòu)用板材、結(jié)構(gòu)用鋸材等木結(jié)構(gòu)工程材料力學(xué)性能指標同時測量的要求[2]。

本設(shè)計的獨創(chuàng)之處在于將伺服電機-螺紋傳輸機構(gòu)應(yīng)用在加載系統(tǒng)上，同時采用線性導(dǎo)軌為導(dǎo)向，不僅可上下左右導(dǎo)向，而且可以抗側(cè)力，消除了檢測距離的限制，從而使一臺試驗裝置可進行多種動、靜載試驗，突破了被測件的尺寸、位置和單一力學(xué)性能測試的限制，實現(xiàn)了一機多用的目的。

1 加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 加載系統(tǒng)的功能要求

此加載系統(tǒng)要求能夠滿足以下功能要求：

1）可進行靜力加載試驗，驅(qū)動電機以一定的轉(zhuǎn)速傳動，依靠螺紋傳遞加載力；

2）可滿足在一定范圍內(nèi)加載試驗，借助滑動導(dǎo)軌兩個方向（橫向和縱向）組合移動到某位置并固定，完成大尺寸板材在不同位置的加載試驗；

3）加載系統(tǒng)本身的重量相對于加載壓力很小，可以忽略不計；

4）加載速度可控，加載試驗過程平穩(wěn)。

1.2 加載系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

依據(jù)木材力學(xué)性能測試的相關(guān)國家標準要求[3～5]，制定了加載系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1，對加載系統(tǒng)的總體方案進行了設(shè)計。

表1 多功能試驗機加載系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 加載系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

加載系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)(如圖1所示)設(shè)計的主要依據(jù)是試驗機的多功能要求。

圖1 加載系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

該加載系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)主要由施載電機、減速器、電機機座、滑動導(dǎo)軌、壓頭組合、鎖緊螺母、壓力傳感器、移動臺組合塊、連接螺栓、移動臺、傳動螺母、傳動螺桿、支撐座和無齒隙彈性聯(lián)軸器等組成。加載系統(tǒng)的主要動力來自施載電機，它通過行星齒輪減速器與無齒隙彈性聯(lián)軸器的連接將力矩傳給傳動螺桿，再由傳動螺桿-無齒隙彈性聯(lián)軸器和傳動螺桿-傳動螺母轉(zhuǎn)動組合，將電機轉(zhuǎn)動力矩轉(zhuǎn)化為移動臺的平移壓力，就形成了一定的功率流，以此來模仿加載系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)。在整個加載試驗過程中，加載系統(tǒng)的各個方向移動范圍都由接近開關(guān)及時反饋信號控制，加載力的大小由壓力傳感器直接反饋到計算機上，以此保證加載位置及其數(shù)值的準確度。

多功能試驗機中被測壓頭傳遞的力矩即負載是要靠加載系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)組裝形成，其性能直接影響試驗機的主要技術(shù)指標。這就要求試驗機的加載系統(tǒng)不僅要具有結(jié)構(gòu)緊湊、施載運動行程無死角和施載力矩穩(wěn)定等特點，同時還應(yīng)具有在運轉(zhuǎn)中能自由改變施載力矩的大小和方向[3～5]。

1.4 加載系統(tǒng)的傳動機構(gòu)設(shè)計

加載系統(tǒng)的傳動機構(gòu)采用螺旋傳動（如圖2所示），這種傳動方式主要將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，同時傳遞運動和動力。在加載系統(tǒng)的螺旋傳動機構(gòu)中采用梯形螺紋傳動。梯形螺紋可以在傳動過程中修復(fù)和補償螺紋之間由于摩擦而造成的間隙，制造的工藝性也較好，牙根強度高，對中性好，可滿足大力矩、低轉(zhuǎn)速的傳動要求[6]。

圖2 螺旋傳動機構(gòu)簡圖

根據(jù)最大承載力和電機轉(zhuǎn)矩的要求，加載系統(tǒng)中的減速器選用兩級減速，其傳動比為20:1，即在施載端（電機端）施加一個很小的轉(zhuǎn)矩，減速器內(nèi)便會產(chǎn)生很大的封閉力矩，保證整個工作過程持續(xù)提供足夠大的加載力[7]。

2 加載系統(tǒng)的校核計算

螺旋傳動機構(gòu)是加載系統(tǒng)的關(guān)鍵動力傳遞機構(gòu)。在傳遞大力矩過程中，主要承受轉(zhuǎn)矩及軸向壓力，同時在螺桿和螺母的旋合螺紋間有較大的相對滑動，很容易造成螺紋磨損、傳動不夠穩(wěn)定而失效。因而有必要對螺旋傳動的設(shè)計進行校核計算。

2.1 耐磨性校核計算

工作過程，螺紋傳動工作面的耐磨條件為：

式中：p—螺紋工作面上的壓力，單位為MPa；

A—螺紋的承壓面積（螺紋工作面投影到垂直于軸向力的平面上的面積），單位為mm2；

F—螺桿的軸向力，單位為N；

d2—螺紋中徑，單位為mm；

h—螺紋工作高度，單位為mm；

H—螺母高度，單位為mm；

P—螺紋螺距，單位為mm；

u—螺紋工作圈數(shù)；u=H/P；

[p]—材料的許用應(yīng)力，依據(jù)材料和滑動速度要求，取[p]=18，單位為MPa。

對于梯形螺紋：

其中，φ為計算系數(shù)，螺紋工作圈數(shù)不多時，φ=1.2～2.5，此時取1.2。

聯(lián)立式（1）～式（3）有：

因為d2=38.1mm＜d2'（其中d2’為根據(jù)減速器配合軸徑以及整個傳動機構(gòu)尺寸初步設(shè)計的尺寸）=46.5mm。所以，該螺旋傳動機構(gòu)傳動滿足螺紋傳動耐磨性條件。

2.2 螺桿穩(wěn)定性計算

在加載系統(tǒng)的傳動機構(gòu)中，螺桿的柔度：

式中： μ — 螺桿μ的長度系數(shù)；

l — 螺桿的工作長度，單位為mm；

i — 螺桿危險截面的慣性半徑，單位為mm；

I — 螺桿危險截面的慣性矩，單位為mm4；

d1— 螺桿螺紋小徑，單位為mm；

聯(lián)立式（5）、式（6）有：

從結(jié)果看，螺桿的柔度較大，即長徑比大，所以螺桿很容易發(fā)生側(cè)向彎曲失其穩(wěn)定性。

螺桿穩(wěn)定運行條件：

式中： Ssc— 螺桿穩(wěn)定性的計算安全系數(shù)；

Fcr— 螺桿的臨界載荷，單位為N；

Ss— 螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)， Ss=3.5～5.0。

式中： E—螺桿材料的拉壓彈性模量，E=2.06×105MPa，單位為MPa；

聯(lián)立式（9）、（10）有：

從結(jié)果看，螺桿傳動過程相對較穩(wěn)定。

3 加載系統(tǒng)的試驗應(yīng)用

加載系統(tǒng)能實現(xiàn)動態(tài)施載，作為一種檢測試驗機，為保證加載系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和數(shù)值的準確性，需進行測試試驗，測試試驗如圖3所示。

圖3 加載系統(tǒng)測試試驗

此類加載系統(tǒng)通過在型號產(chǎn)品研制過程中的應(yīng)用，已經(jīng)在測試試驗中的到了驗證。通過測試試驗得到的結(jié)果與傳統(tǒng)的力學(xué)試驗機加載試驗結(jié)果對比如表2所示?？梢钥闯霾捎迷O(shè)計的隨動加載系統(tǒng)得到的壓力和傳統(tǒng)的固定加載系統(tǒng)壓力水平相當，在結(jié)構(gòu)用木材位移變化為6mm時，誤差最大為5.56%，隨著木材位移的變大，壓力值都在變大，二者之間的誤差變小，都在設(shè)計允許范圍之內(nèi)，達到運行穩(wěn)定性和數(shù)值準確性的要求。

表2 多功能試驗機與力學(xué)試驗機試驗結(jié)果對比

另外，通過分析和測試數(shù)據(jù)可知，隨動加載系統(tǒng)在加載前一階段（位移變化為8mm之前），降低加載速度，減少了加載引起的附加彎矩，提高傳遞壓力，以減少相對誤差，可以進一步提高多功能試驗機的檢測精度。

4 結(jié)論

本文對結(jié)構(gòu)用木材多功能試驗機的加載系統(tǒng)進行了研究，并設(shè)計和分析了加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行性能試驗，得出以下四點結(jié)論：

1）采用本文所研究的加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，無距離限制，所組成的結(jié)構(gòu)用木材多功能試驗機施力均勻平穩(wěn)，運行穩(wěn)定性高，振動??；

2）突破了傳統(tǒng)力學(xué)實驗機固定加載模式,該加載系統(tǒng)設(shè)計成可移動式加載模式，消除了被測件尺寸的限制，擴大了檢測范圍，并已在型號產(chǎn)品中得到了成功應(yīng)用，具有重大的現(xiàn)實意義；

3）采用該加載系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)用木材力學(xué)性能試驗狀態(tài)與實際使用情況相吻合，試驗數(shù)據(jù)更加真實，為結(jié)構(gòu)用木材力學(xué)性能檢測提供更科學(xué)準確的依據(jù)；

4）相比于同級別的傳統(tǒng)試驗機，加載系統(tǒng)采用電機驅(qū)動，易于控制，經(jīng)濟性好。

[1]薛建陽,趙鴻鐵,張鵬程.中國古建筑木結(jié)構(gòu)模型的振動臺試驗研究[J].土木程學(xué)報,2004,37(6):6-11.

[2]張偉,金征,楊建華.木結(jié)構(gòu)工程材料力學(xué)性能檢測裝備現(xiàn)狀[J].建設(shè)科技,2012,(3):34-36.

[3]LY/T1927-2010,集成材理化性能試驗方法[S].

[4]GB/T 28993-2012,結(jié)構(gòu)用鋸材力學(xué)性能測試方法[S].

[5]ASME.D 4761 – 05 Standard Test Methods for Mechanical Properties of Lumber and Wood-Base Structural Material.ASME.America,1996.

[6]孫桓,陳作模,葛文杰.機械原理（第七版）[M].北京:高等教育出版,2006.

[7]王立權(quán),安永東,孫榮華,等.船用大功率減速器封閉試驗臺加載裝置[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2011,32(10):1336-1340.