上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置

1.本发明涉及一种上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置，属于试验设备技术领域。


背景技术：

2.桥梁耐久性轮荷实验装置是试验、检测不同长度的实体桥梁和路面材料与结构耐久性轮荷实验的专用设备。目前现有技术尚未存在桥梁耐久性实验设备，仅有极少的桥梁疲劳试验设备。但是，现有桥梁疲劳试验设备存在以下问题：对于实验用桥梁的长度有限制，只能对长度较短的桥梁进行疲劳试验，不能对较长的实体桥梁和路面材料与结构进行耐久性轮荷实验；另外，现有桥梁疲劳试验设备是用一个大飞轮带动一个长连杆来驱动加载车往复运动，进行桥梁疲劳试验实效性差、效率低，难以满足工程技术研究的需要，且飞轮直径较大、连杆长度较长，设备自身占地面积大。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置，旨在解决现有桥梁耐久性实验设备体积大、载荷驱动不稳定的技术问题。
4.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置，包括：支撑机构、安装机构、飞轮、加载机构、驱动机构和第二动力机构；所述支撑机构具有实验空间，所述实验空间具有长度方向；所述安装机构设置于实验空间内、与支撑机构连接；所述飞轮竖直设置于安装机构；所述第二动力机构与飞轮连接，为飞轮提供动力；所述加载机构设置于安装机构下方；所述加载机构包括碾压轮，所述碾压轮对实验桥梁进行碾压；所述驱动机构包括下部、中间部和上部，中间部竖向设置；所述上部的一端与飞轮动连接、另一端与中间部的上部动连接；所述下部的一端与中间部的底端动连接、另一端与加载机构连接。
5.本发明的有益效果是：（1）本发明的飞轮和加载机构之间采用包括上部、中间部、下部在内的驱动机构，扩大了加载车的往返运动范围，扩大了实验用桥梁的可实验范围。而且，飞轮的轮辐上设有多个第一连接位置，还可以实现加载机构碾压范围的调整。
6.（2）本发明采用采用包括上部、中间部、下部在内的驱动机构，可以实现飞轮上置、飞轮安装在实验空间上方；因此，飞轮不会对实验空间产生限制。使得实体桥梁放置时不会受到飞轮位置的限制，可放置较长的实体桥梁，能实现进行不同长度的实体桥梁和路面材料与结构耐久性轮荷实验，提高实验的实效性和可靠性。
附图说明
7.图1是本发明实施例提供的上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置主视示意图；图2是本发明实施例提供的上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置左视示意图；图3是本发明实施例提供的上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置俯视示意图；
图4是本发明实施例提供的上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置的支撑机构示意图；图5是本发明实施例提供的上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置的驱动机构及相关的示意图；图6是本发明实施例提供的上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置的驱动机构及相关的另一示意图；其中，1、第二轨道，2、安装机构，3、立柱，4、横梁，5、纵梁，6、摆臂，601、第二连接位置，7、摆臂座，8、三角支架，9、上连杆，10、主电机，11、飞轮，1101、第一连接位置，12、减速机，13、升降机，14、升降伺服电机，15、升降减速器，16、控制面板，17、桥梁，20、加载车，21、刚性悬架，22、悬架轴，24、轮毂，25、碾压轮，26、下连杆，27、连接杆，28、气囊，29、气囊箱座、30、加载轮箱座，31、加载轮，32、轴销式传感器，33、实验空间。
具体实施方式
8.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
9.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
10.如图所示上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置，包括：支撑机构、安装机构2、飞轮11、加载机构、驱动机构和第二动力机构；支撑机构具有实验空间33，实验空间33具有长度方向；安装机构2设置于实验空间33内与支撑机构连接；飞轮11竖直设置于安装机构2；加载机构设置于安装机构2下方；加载机构包括碾压轮25，碾压轮25沿对实验桥梁17进行碾压；驱动机构包括下部、中间部和上部，中间部竖向设置；上部的一端与飞轮11动连接、另一端与中间部的上部动连接；述下部的一端与中间部的底端动连接、另一端与加载机构连接；第二动力机构与飞轮11连接，为飞轮11提供动力。其中，包括下部、中间部和上部的驱动机构为四杆机构。
11.驱动机构的下部可以是下连杆26、中间部可以是摆臂6、上部可以是上连杆9；上连杆9和下连杆26近似横向设置、摆臂6竖向设置；上连杆9的一端与飞轮11动连接、另一端与摆臂6的上部动连接；所述下连杆26的一端与摆臂6的底端动连接、另一端与加载机构连接，摆臂6连接在上连杆9和下连杆26之间。上连杆9在飞轮11的带动下做圆周运动，进而带动摆臂6水平摆动、左右摆动，水平摆动的摆臂6带动加载机构沿实验空间33的长度方向水平往返运动。摆臂6可以采用弯曲机构，即弯臂，弯臂朝向上连杆9弯曲，弯曲位置位为臂弯，臂弯位于摆臂6的上部，上连杆9与摆臂6的连接位置位于弯曲处，即上连杆9与摆臂6的臂弯连接。
12.下连杆26、摆臂6和上连杆9之间可以通过连接轴连接，以使下连杆26、摆臂6和上连杆9以连接轴为轴转动；具体的，摆臂6的上部、臂弯处设置座孔，座孔与上连杆9的左端铰
接，上连杆9的右端与曲柄销铰接，曲柄销与飞轮11的曲柄销孔联接；摆臂6下端的座孔与下连杆26的左端铰接，下连杆26的右端通过连杆销与加载车20铰接。
13.为了提高摆臂6的稳定性，还可以在摆臂6附近设置固定机构，给竖向设置的摆臂6以支撑力。固定机构设置于安装机构2、与摆臂6的顶端转动连接；固定机构与摆臂6之间具有第二连接位置，摆臂6以第二连接位置为轴沿实验空间33的长度方向摆动。具体的，固定机构可以是三角支架8；三角支架8主要由三根支撑杆组成，竖直设置的中心支撑杆，位于中心支撑杆两侧的侧支撑杆，三根支撑杆的顶部连接在一起为三角支架8的顶部，三根支撑杆的底部均与安装机构2连接。三角支架8顶部可以设置摆臂座7，摆臂座7与摆臂6的顶端动连接，具体的，可以通过连接轴连接。例如，摆臂6顶部通过摆臂座7铰接固定在三角支架8上，三角支架8通过螺栓紧固于安装机构2。
14.飞轮11为圆形，飞轮11在竖直平面内转动，飞轮11外沿的水平切线沿实验空间33的长度方向，驱动机构的一端连接于飞轮11的轮辐；随着飞轮11的转动，与飞轮11连接的驱动机构的一端随之转动。驱动机构的一端与飞轮11动之间具有连接位置，驱动机构以连接位置为轴转动，以保证驱动机构的两端的相对位置不会变化，即驱动机构的另一端始终处于底部。在飞轮11的带动下，驱动机构的另一端则沿实验空间33的长度方向水平往返运动，进而带动加载机构水平往返运动。
15.飞轮11轮辐上可以具有两个以上第一连接位置，每个第一连接位置远与飞轮11中心之间的距离不同，驱动机构的一端与其中一个第一连接位置连接。通过选择不同的第一连接位置，可以调整驱动机构与飞轮11之间的连接位置，进而可以调整驱动机构另一端的水平往往运动距离。飞轮11和驱动机构之间可以通过连接轴连接。具体的，可以通过曲柄销连接；例如，在飞轮11轮辐上开设多个曲柄销孔，各曲柄销孔与飞轮11中心之间距离不相等；驱动机构的一端与曲柄销铰接，曲柄销与飞轮11的曲柄销孔联接。
16.为了减少加载机构往返运动时的摩擦阻力，上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置还包括第二轨道1，第二轨道1设置于安装机构2底面，第二轨道1的运动方向与实验空间33的长度方向一致。此时，加载机构设置于第二轨道1的下方，加载机构沿第二轨道1水平往返运动。第二轨道1可以水平设置于安装机构2底面；第二轨道1的数量可以是任意数量，具体的可以是条或条。第二轨道1可以采用钢制轨道，第二轨道1的轨道形状与加载机构沿第二轨道1运动的部位相适应。当加载机构的上表面设置加载轮31时，加载轮31与第二轨道1接触、加载轮31沿第二轨道1运动，此时，第二轨道1为能使加载轮31水平滚动的形状。本发明采用的安装机构2下面固定有第二轨道1，加载机构沿第二轨道1往返运动，加载机构的碾压轮25贴紧桥梁17上表面，碾压轮25加载机构的带动下往复直线运动，进行不同长度的实体桥梁17和路面材料与结构的耐久性轮荷实验。
17.支撑机构的作用在于支撑安装机构2，并提供实验空间33。实验空间33具有长度方向；实验空间33位于长度方向的两端开放；飞轮11所在的竖直平面与实验空间33的长度方向平行；第二轨道1的运动方向与实验空间33的长度方向一致。支撑机构只要能实现实验空间33存在相对的开放两端即可；不论实验空间33是什么样的形状，只要存在相对设置的开放的两端即可。支撑机构可以采用壳体式、框架式或立柱3式。具体的，支撑机构可以采用立柱3式，包括四根以上立柱3、横梁4和纵梁5；立柱3竖直设置、分布于矩形平面的四个顶角，横梁4和纵梁5水平设置于两立柱3之间、与立柱3的顶部连接；以四根立柱3为棱构成四棱柱
空间结构，该四棱柱空间结构内的空间为实验空间33。立柱3可以采用方形柱，即其横截面为方形。采用立柱3式所形成的实验空间33，是一个开放空间，自然具备相对设置的开放的两端。
18.安装机构2，用于安装飞轮11、驱动机构、第二轨道1并集成承载机构；安装机构2可以采用框架式结构，其形状与实验空间33匹配即可。具体的，若实验空间33为长方体或近似长方体形状，安装机构2可以采用长方形框架即可。例如，安装机构2可以采用型钢焊接成长方形框架，在长方形框架之间焊接几条型钢作为安装支架以安装飞轮11和第二轨道1等。其中，飞轮11、驱动机构、第二轨道1、加载机构集成于安装机构2，安装机构2位于实验空间33的上部，实验用的各机构均设置于实验空间33上方，没有设置在实验空间33周围；因此，实验空间33在水平方向的空间大小不会受到各机构的限制。另外，实验空间33位于长度方向的两端是开放的，使得实验空间33在长度方向是不受限制的，从而实现了实验装置的贯通式设计。实验桥梁17放置在上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置的实验空间33内时，其长度不会受到实验装置的限制。
19.加载机构还可以包括加载主体、加载轮31和压力传感器；加载轮31设置于加载主体的上表面，碾压轮25设置于加载主体的下表面，压力传感器设置于加载轮31和加载主体之间；加载轮31沿第二轨道1滚动。使用过程中，碾压轮25与位于其下方的实验桥梁17接触、对实验桥梁17碾压、沿实验桥梁17运动，碾压轮25沿桥梁17的运动方向与加载主体的长度方向一致。为了减震缓冲，加载主体还包括气囊28，气囊28设置于加载轮31和加载主体之间。加载主体的作用在于安装加载轮31、碾压轮25、气囊28和压力传感器，可以设计为任意形状，具体的，可以设计为车体形状；此时，以加载轮31为车轮、以加载主体为车体形成整车结构，同时，以碾压轮25为车轮、以加载主体为车体形成整车结构；整个加载机构形成双面车结构，即加载车20。此时，驱动机构与加载轮31连接，例如，下连杆26的另一端与加载轮31的轮毂24连接。
20.加载轮31和碾压轮25均可以采用现有车轮结构；加载主体可以采用现有的车体的主要结构，能实现加载轮31、碾压轮25、气囊28的安装及加载轮31和碾压轮25安装后能转动即可。通常情况下，加载主体的上表面具有安装位置，安装位置为凹陷结构；安装位置包括第一安装位置和第二安装位置，第一安装位置用于安装第一加载轮31，第二安装位置用于安装第二加载轮31；为了保证气囊28的安装，加载主体采用不对称结构，第一安装位置的凹陷程度要大于第二位置的凹陷程度，可以的是，第一安装位置安装气囊28之后其上表面与第二安装位置的上表面持平。气囊28可以是近似扁平的长方体结构，其底面固定于加载主体的上表面的第一安装位置，其上面与第一加载轮31连接；气囊28可以通过连接部件与第一加载轮31连接，连接部件的一端与加载轮31连接、另一端与气囊28上面连接。气囊28的底面可以采用刚性结构，例如气囊底板；气囊28底端通过气囊底板密封并固定于第一安装位置。
21.加载轮31可以采用现有的实验加载车20的车轮的材质即可。第一加载轮31或第二加载轮31的数量为2的倍数，对称的分布于上表面的前侧与后侧。例如，两个第一加载轮31分别位于第一安装位置的前侧和后侧，对称分布；两个第二加载轮31分别位于第二安装位置的的前侧和后侧，对称分布；或者，第一加载轮31的数量为4，第二加载轮31的数量为4；两个第一加载轮31位于第一安装位置的前侧、两个第一加载轮31位于第一安装位置的后侧，
对称分布；两个第二加载轮31位于第二安装位置的前侧、两个第二加载轮31位于第二安装位置的后侧，对称分布；位于同侧的四个加载轮31位于同一长度方向，即位于同侧的四个加载轮31的第一中心轴的端点的连线沿加载主体的长度方向。
22.加载轮31设置于加载主体可以采用以下方式实现：采用现有的连接结构将加载轮31连接于加载主体的上表面。具体的，可以采用括连接杆27和加载轮31销轴作为连接结构；连接杆27连接于位于同侧的第一加载轮31和第二加载轮31之间；加载轮31销轴连接于位于两侧的两个第一加载轮31之间。例如，连接杆27连接于第一加载轮31轮毂24和第二加载轮31轮毂24之间，加载轮31销轴连接于两个第一加载轮31轮毂24之间。还可以采用加载轮箱座30作为加载轮31的安装部件，加载轮箱座30包括第一加载轮箱座30和第二加载轮箱座30；第一加载轮箱座30设置于气囊28和第一加载轮31之间，第二加载轮箱座30设置于上表面与第二加载轮31之间；第一加载轮箱座30用于安装第一加载轮31，第二加载轮箱座30用于安装第二加载轮31。在采用第一加载轮箱座30、第二加载轮箱座30的时候，位于同一安装位置、同侧的加载轮31安装于同一加载轮箱座30；连接杆27连接于位于同侧的第一加载轮箱座30和第二加载轮箱座30之间。 此时，驱动机构连接于第二加载轮31轮毂24，例如，下连杆26的另一端与第二加载轮箱座30连接。加载机构两侧各一根连接杆27分别与箱座、加载轮箱座30的碾压轮25销轴铰接，这既简化了结构又减轻了自重，确保了加载轮31与第二轨道1浮动均力接触运行。
23.碾压轮25可以采用现有的实验加载车20的车轮的材质即可。碾压轮25的尺寸可以大于加载轮31的尺寸。碾压轮25的数量为2的倍数，左右分布，位于左边的碾压轮25靠近位于右边的碾压轮25；例如，碾压轮25的数量为2，两个碾压轮25位于同一长度方向，即两个碾压轮25的第二中心轴的端点的连线沿加载主体的长度方向。碾压轮25的数量还可以是4的倍数，左右平均分布，位于左边的碾压轮25靠近位于右边的碾压轮25，位于同一边的碾压轮25同轴，即位于同一边的碾压轮25的第二中心轴位于同一直线；例如，碾压轮25的数量为4，左边两个、右边两个，位于同一边的碾压轮25同轴，位于左边的碾压轮25的第二中心轴的端点与位于右边的碾压轮25的第二中心轴的端点的连线沿加载主体的长度方向。
24.碾压轮25设置于加载主体可以采用以下方式实现：采用现有的连接结构将碾压轮25连接于加载主体的下表面。具体的，可以采用悬架和碾压轮25轴作为连接结构；悬架的左右两端连接位于左右两边的、位于同一长度方向的两个碾压轮25之间，悬架的上端连接于下表面；碾压轮25轴连接位于同一边的、同轴的碾压轮25之间。具体的，悬架连接碾压轮25轮毂24，碾压轮25轴连接碾压轮25轮毂24。悬架的可以通过悬架轴22连接于下表面，悬架轴22的一端连接悬架、另一端动连接于加载主体下表面。悬架轴22的另一端与加载主体下表面动连接是指悬架轴22能以连接位置为轴在竖直平面内转动，悬架轴22转动轨迹的水平切线沿加载主体的长度方向；例如，悬架轴22的与加载主体的下表面铰接；悬架轴22与悬架的连接位置为悬架的中间位置。悬架可以采用刚性悬架21。采用悬架和悬架轴22作为碾压轮25和加载主体的连接件并采用悬架轴22与加载主体动连接的连接方式，使得加载机构使得碾压轮25的受力始终处于平衡状态。即使，加载机构接受加载力的位置不是中心位置而是加载机构的一端，仍然能实现多个碾压轮25与实验桥梁17浮动均力接触运行。
25.压力传感器连接于第二加载轮31与上表面之间。压力传感器可以采用轴销式传感器32；具体的，第二加载轮箱座30通过轴销式传感器32铰接在加载主体上表面。
26.气囊限位件设置于第一加载轮31和气囊28之间，以限制第一加载轮31对气囊28的加载力。
27.第二动力机构为飞轮11提供动力。具体的，第二动力机构可以包括主电机10和减速机12；主电机10和减速机12均可以设置于安装机构2的上表面；主电机10与减速机12连接，减速机12与飞轮11连接。减速机12可以与飞轮11同轴设置。主电机10与减速机12连接是指电连接。主电机10、减速机12和飞轮11之间的连接控制关系均为本领域公知常识。除了主电机10和减速机12，还可以采用其他能驱动飞轮11转动的动力机构作为第二动力机构。
28.为了方便实现通过安装机构2上的第二轨道1对碾压轮25施加加载力，可以将安装机构2设计为可以上下移动的结构；此时，上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置还包括第一动力机构和第一轨道；支撑机构包括内侧面，内侧面朝向实验空间33；第一轨道竖向设置于内侧面，第一轨道的运动方向为上下；第一动力机构与安装机构2连接、为安装机构2提供动力、使安装机构2沿第一轨道上下运动。具体的，第一动力机构包括升降伺服电机14和升降减速器15；升降伺服电机14、升降减速器15设置于安装机构2，例如，安装于安装机构2的上表面。升降伺服电机14连接升降减速器15，升降减速器15驱动安装机构2。具体的，第一动力机构还包括升降机13；升降机13包括固定端和移动端；所述固定端固定连接于支撑机构的顶部，移动端的一侧与安装机构2连接、另一侧与第一轨道滑动连接；移动端带动安装机构2沿第一轨道上下滑动。固定端和移动端可以通过连接件连接，连接件可以是连接绳、链条等；所述固定端固定连接于支撑机构的顶端，所述移动端的一侧与安装机构2连接、另一侧与第一轨道滑动连接；移动端带动安装机构2沿第一轨道上下滑动。安装机构2的侧面可以连接滑块，通过滑块沿第一轨道上下滑动。第一轨道的数量可以是任意数量，具体的可以是两条以上，例如四条。若采用立柱3式支撑机构，第一轨道设置于立柱3的内侧面。四条第一轨道分别设置于四根立柱3，一个立柱3设置一条第一轨道。第一轨道可以采用钢制u型轨道。采用可以在实验空间33内上下运动的安装机构2来集成安装第一动力机构、飞轮11、驱动机构、第二轨道1、第二动力机构和加载机构；使得碾压轮25与实验用桥梁17之间的高度可以调整，以应不同高度的桥梁17耐久性轮荷实验；同时还能实现不同加载力的调整。
29.上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置还包括控制系统，控制系统用于根据压力传感器控制第一动力机构、第二动力机构。控制系统包括控制面板16，为了方便操作，控制面板16可以设置于支撑机构，例如设置于支撑机构的外侧面，外侧面是指背向实验空间33的侧面。当支撑空间采用立柱3式结构时，控制面板16设置于其中一立柱3的表面。
30.本发明提供的上悬驱动式桥梁耐久性轮荷实验装置使用方法：将桥梁17放置在实验空间33内，使桥梁17的长度方向沿实验空间33的长度方向、桥梁17长度方向的两端分别穿过实验空间33开放的两端。加载机构通过驱动机构与实验装置的飞轮11连接，加载轮31与实验装置的水平轨道接触，碾压轮25与水平放置在实验装置内的实验桥梁17接触。实验装置通过其他机构带动飞轮11和驱动机构向下运动，对加载机构施加加载力，通过加载机构的压力传感器监测加载力的大小，通过气囊限位件限制实验装置对加载机构的加载力。飞轮11转动从而带动驱动机构水平往返运动，加载机构在驱动机构的驱动下水平往返运动、加载轮31沿水平轨道水平往返运动、载有加载力的碾压轮25对实验桥梁17往返碾压。通过调节升降伺服电机14调整加载车20对桥梁17的加载力，加载力的大小通过轴销式传感器32测量并在控制面板16上显示；通过调节主电机10的转速调整加载车20的碾压速度；设定
好加载力、加载速度等实验参数后，通过控制面板16启停实验。
31.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。