一种基于杠杆原理的纯扭矩加载装置及方法

技术领域

本发明涉及一种扭矩加载装置，具体涉及一种基于杠杆原理的纯扭矩加载装置及方法，具有适用性广泛、结构简单、结实稳固、制作成本低等特点，可用于柱状物体定值纯扭矩稳定加载。

背景技术

随着空间站、月球探测任务、火星探测任务和新一代运载火箭等重大航天工程任务的实施，高密度发射已成为常态，对大推力液氧/煤油发动机、液氢/液氧发动机、姿轨控发动机的需求量越来越大。

在液体火箭发动机、航空发动机等研制过程中，实机测试试验是验证其性能的主要手段之一。在试验过程中对试验型号各项动态参数指标进行现场采集，可有效掌握其运行状况和性能，为性能验证、故障分析和改进设计提供可靠数据支持。

在新产品研发阶段，必须先单独对其各个管路、零件进行力学性能测试，测试合格后再进行整机装机试车。而单独的力学性能试验中，扭矩是重要一环，在不受其他力学性能影响的前提条件下，只分析扭矩的影响是管路、零件测试的必备条件。现有的扭矩施加装置均不可避免的引入如拉伸、压缩、弯曲等力学值，影响扭矩分析结果。

因此，就需要特殊装置在排除其他力学性能影响的前提下对管路、零件施加单纯的扭矩。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够对管路、零件施加纯扭矩的基于杠杆原理的纯扭矩加载装置及方法。以解决现有的扭矩施加装置因不可避免的引入如拉伸、压缩、弯曲等力学值，影响扭矩分析结果的问题。本发明基于杠杆原理，能够对物体施加定量、稳定的扭矩，可以保持长久的时间，并且不带入其他力学指标，如拉伸、压缩、弯曲等因素。

本发明的技术方案是提供一种基于杠杆原理的纯扭矩加载装置，其特殊之处在于：包括力臂支撑组件、力臂与被扭转工件安装组件；

上述力臂支撑组件包括力臂支撑支架、中上支件及后上支件；

上述中上支件与后上支件相互平行，固定在力臂支撑支架顶部；中上支件与后上支件上分别安装有轴承，两个轴承同轴；

上述力臂通过力臂轴与轴承配合安装在中上支件和后上支件上；与中上支件轴承配合的力臂轴端面开设第一被扭转工件安装孔；上述力臂的两端通过轴承连接连接扣，连接扣的底部连接挂钩；挂钩垂直向下，用于固定砝码；当需要加载的扭矩时，根据扭矩与力矩、质量的关系换算出需要加载的砝码质量，直接按需加载即可；

上述被扭转工件安装组件包括被扭转工件支撑支架、主底座、伸缩杆、前滑杆及定位块；

上述被扭转工件支撑支架的底部通过主底座及伸缩杆与力臂支撑支架的底部连接，上述伸缩杆与主底座滑动连接，能够在x向移动并定位；上述前滑杆安装在被扭转工件支撑支架的顶部，且能够在被扭转工件支撑支架顶部沿y向移动并定位；上述定位块安装在前滑杆上，且能够在前滑杆上沿z向移动并定位；上述定位块上开设第二被扭转工件安装孔。

进一步地，上述力臂支撑支架包括后支撑框架、中支撑框架、上连接杆与底连接杆；

上述后支撑框架包括后底座横杆、后上横梁及两个后支柱；

两个后支柱的一端分别固定在后底座横杆的两端，两个后支柱的另一端分别固定在后上横梁的两端，形成梯形框架；

上述中支撑框架包括中底座横杆、中上横梁及两个中支柱；

两个中支柱的一端分别固定在中底座横杆的两端，两个中支柱的另一端分别固定在中上横梁的两端，形成梯形框架；

后底座横杆与中底座横杆通过底连接杆连接；后上横梁与中上横梁通过上连接杆连接。

进一步地，上述被扭转工件支撑支架包括前底座横杆、前上横梁与两个前支柱；

两个前支柱的一端分别固定在前底座横杆的两端，两个前支柱的另一端分别固定在前上横梁的两端，形成梯形框架。

进一步地，主底座为两个截面为矩形的管段，两个管段的一端分别固定在前底座横杆的两端；

伸缩杆为两个截面为矩形的管段，两个管段的一端分别固定在中底座横杆的两端；

主底座与伸缩杆上均开设沿x向延伸的x向长条形孔；

伸缩杆同轴套设在主底座内，可以在主底座内沿x向移动；螺钉穿入x向长条形孔与螺母配合实现锁紧。

进一步地，前上横梁为截面为矩形的管段，其上开设沿y向延伸的y向长条形孔；

前滑杆为截面为矩形的管段，其上开设沿z向延伸的z向长条形孔；

前滑杆的下端卡入前上横梁的y向长条形孔内，且能够在长条形孔内沿y向移动；前滑杆的下端端部开设螺纹孔，螺栓从下至上穿入前上横梁的y向长条形孔与前滑杆下端端部的螺纹孔螺纹连接，拧紧后，实现锁紧。

进一步地，上述定位块上设有滑块，上述滑块卡入前滑杆z向长条形孔内，且能够在z向长条形孔内沿z向移动；螺钉穿过定位块、z向长条形孔与螺母配合实现锁紧。

进一步地，上述前滑杆为两个。

进一步地，上述力臂两端还设有平衡螺杆，通过平衡螺杆进行调节其加载扭矩前的水平状态。

本发明还提供一种扭矩加载方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、调平；

通过平衡螺杆调节力臂状态，使其保持水平；

步骤2、安装被扭转工件；

步骤2.1、根据被扭转工件的长短调节主底座与伸缩杆的位置，确保被扭转工件前端安装在第一被扭转工件安装孔中，以及被扭转工件后端安装在第二被扭转工件安装孔中；

步骤2.2、调整前滑杆y向位置，调整定位块的z向位置，使得被扭工件保持水平且无加载任何力状态；

步骤3、再次调平；

通过平衡螺杆调节力臂状态，再次使其保持水平；

步骤4、加载扭矩；

根据加载方向的需要，如需正向加载扭矩，则在力臂的右端挂钩上挂载相应的砝码，如需反向加载扭矩，则在力臂的左端挂钩上挂载相应的砝码(16)，扭矩计算依据：

T＝M×g×L

上式中：

T：扭矩(Nm)

M：砝码质量(kg)

g：重力加速度(m/s

L：力臂距离(m)；

根据需要加载合适的质量砝码，待加载平稳后即可达到加载标准扭矩的目的。

本发明的有益效果是：

1、利用本发明基于杠杆原理的纯扭矩加载装置能够对管路、零件施加单纯的扭矩值，不带入其他力学指标，如拉伸、压缩、弯曲等因素，并且具有适用性广泛、结构简单、结实稳固、制作成本低的特点，具备定量稳定的扭矩加载及保持功能，可为绝大多数需要加载扭矩的物体提供扭矩加载新思路，为产品研制提供可靠技术保障。

2、本发明第二被扭转工件安装孔的xyz向位置可通过主底座、伸缩杆、前滑杆及固定块的调节进行改变，可适用于不同类型和尺寸的柱状工件的扭矩加载。

3、本发明力臂轴上自带有六角孔位用于安装被扭转工件，当需要加载的扭矩时，根据扭矩与力矩、质量的关系换算出需要加载的砝码质量，直接按需加载即可，加载方法简单。

4、本发明挂钩和连接扣通过轴承与力臂连接，最大限度的减小摩擦而保持其垂直的效果，同时力臂通过轴承固定在中上支件与后上支件上，保证在连接处不会因为摩擦而损失力矩，尽最大可能将质量全部转换成力矩加载到被加载扭矩工件上。

附图说明

图1为本发明实施提供的基于杠杆原理的纯扭矩加载装置及方法的外观图(视角一)。

图2为本发明实施提供的基于杠杆原理的纯扭矩加载装置及方法的外观图(视角二)。

图3为本发明实施提供的基于杠杆原理的纯扭矩加载装置及方法的爆炸图(省略螺栓垫圈)。

图4为本发明实施提供的基于杠杆原理的纯扭矩加载装置及方法的被加载扭矩工件一端自由定位效果图(两种视角)。

图5为本发明实施提供的基于杠杆原理的纯扭矩加载装置及方法的杠杆实现效果图。

图6为本发明实施提供的基于杠杆原理的纯扭矩加载装置及方法的位置伸缩调节效果图。

图7为本发明实施提供的基于杠杆原理的纯扭矩加载装置及方法的扭矩加载杠杆平衡及加载效果图。

图中附图标记为：

1-前支柱，2-前底座横杆，3-主底座，4-螺钉，5-前上横梁，6-螺母，7-螺栓，8-伸缩杆，9-中底座横杆，10-中支柱，11-底连接杆，12-中上横梁，13-挂钩，14-连接扣，15-后底座横杆，16-砝码，17-后支柱，18-后上横梁，19-螺母，20-前滑杆，21-定位块，22-螺栓，23-中上支件，24-轴承，25-上连接杆，26-平衡螺杆，27-轴承，28-力臂，281-力臂轴，29-后上支件，30-轴承，31-后盖。

01-力臂支撑组件，02被扭转工件安装组件，021-被扭转工件支撑支架，03-力臂支撑支架，022-第一被扭转工件安装孔，023-第二被扭转工件安装孔。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

从图1可以看出，本实施例基于杠杆原理的纯扭矩加载装置，主要由力臂支撑组件01、力臂28与被扭转工件安装组件02组成。

从图2可以看出，本实施例力臂支撑组件01包括力臂支撑支架03、中上支件23及后上支件29；结合图3，力臂支撑支架03包括后支撑框架、中支撑框架、上连接杆25与底连接杆11；后支撑框架包括后底座横杆15、后上横梁18及两个后支柱17；两个后支柱17的一端分别固定在后底座横杆15的两端，两个后支柱17的另一端分别固定在后上横梁18的两端，形成梯形框架；在其他实施例中也可以为矩形框架。中支撑框架的结构与后支撑框架的结构相同，包括中底座横杆9、中上横梁12及两个中支柱10，两个中支柱10的一端分别固定在中底座横杆9的两端，两个中支柱10的另一端分别固定在中上横梁12的两端，形成梯形框架；同理，在其他实施例中也可以为矩形框架。两个框架通过一定的连接件连接，本实施例后底座横杆15与中底座横杆9通过底连接杆11焊接连接；后上横梁18与中上横梁12通过上连接杆25焊接连接。中上支件23及后上支件29相互平行，固定在中上横梁12及后上横梁18顶部；中上支件23与后上支件29上分别安装有轴承，两个轴承同轴；如图5所示，本实施例中中上支件23及后上支件29均为梯形板，轴承安装在梯形板的几何中心处，在其他实施例中中上支件23及后上支件29的形状还可以是矩形板、三角形板等。力臂28通过力臂轴281与轴承配合安装在中上支件23和后上支件29上；与中上支件23轴承配合的力臂轴281端面自带第一被扭转工件安装孔022；本实施例第一被扭转工件安装孔022为定位六方孔，用于安装被扭转工件，当需要加载的扭矩时，根据扭矩与力矩、质量的关系换算出需要加载的砝码16质量，直接按需加载即可。为了最大限度的减小摩擦而保持砝码16垂直的效果，如图7所示，在力臂28的两端通过轴承连接连接扣14，连接扣14的底部连接挂钩13；挂钩13垂直向下，砝码16固定在挂钩13上。同时，在力臂28两端还设有平衡螺杆26，通过平衡螺杆26进行调节其加载扭矩前的水平状态。

结合图2与图3，本实施例被扭转工件安装组件02包括被扭转工件支撑支架021、两个主底座3、两个伸缩杆8、两个前滑杆20及定位块21；被扭转工件支撑支架021包括前底座横杆2、前上横梁5与两个前支柱1；两个前支柱1的一端分别固定在前底座横杆2的两端，两个前支柱1的另一端分别固定在前上横梁5的两端，形成梯形框架。在其他实施例中也可以是矩形等框架。如图6所示，两个主底座3的一端分别固定在前底座横杆2的两端，另一端与两个伸缩杆8配合，通过两个伸缩杆8与中底座横杆9固连。本实施例中主底座3是截面为矩形的管段，伸缩杆8也是截面为矩形的管段，主底座3与伸缩杆8上均开设沿x向延伸的x向长条形孔；伸缩杆8同轴套设在主底座3内，可以在主底座3内沿x向移动，可以根据被加载扭矩工件的长短进行调节。调节完成后，螺钉穿入x向长条形孔与螺母配合实现锁紧。如图4所示，本实施例中前上横梁5为截面为矩形的管段，其上开设沿y向延伸的y向长条形孔；前滑杆20为截面为矩形的管段，其上开设沿z向延伸的z向长条形孔；前滑杆20的下端卡入前上横梁5的y向长条形孔内，且能够在长条形孔内沿y向移动；前滑杆20的下端端部开设螺纹孔，螺栓从下至上穿入前上横梁5的y向长条形孔与前滑杆20下端端部的螺纹孔螺纹连接，拧紧后，实现锁紧。定位块21上设有滑块且在其几何中心开设第二被扭转工件安装孔023。滑块卡入前滑杆20z向长条形孔内，且能够在z向长条形孔内沿z向移动；螺钉穿过定位块21、z向长条形孔与螺母配合实现锁紧。

通过下述方法加载扭矩：

步骤1、调平；

通过平衡螺杆26调节力臂28状态，使其保持水平；

步骤2、安装被扭转工件；

步骤2.1、根据被扭转工件的长短调节主底座3与伸缩杆8的位置，确保被扭转工件前端安装在第一被扭转工件安装孔022中，以及被扭转工件后端安装在第二被扭转工件安装孔023中；

步骤2.2、调整前滑杆20与前上横梁5的横向位置，调整前滑杆20与定位块21的竖向位置，使得被扭工件保持水平且无加载任何力状态；

步骤3、再次调平；

通过平衡螺杆26调节力臂28状态，再次使其保持水平；

步骤4、加载扭矩；

根据加载方向的需要，如需正向加载扭矩，则在力臂28的右端挂钩上挂载相应的砝码16，如需反向加载扭矩，则在力臂28的左端挂钩上挂载相应的砝码16，扭矩计算依据：

T＝M×g×L

上式中：

T：扭矩(Nm)

M：砝码质量(kg)

g：重力加速度(m/s

L：力臂距离(m)，此处L＝0.5m

根据需要加载合适的质量砝码，待加载平稳后即可达到加载标准扭矩的目的。

本实施例中未明确基于杠杆原理的纯扭矩加载装置及方法的具体尺寸，上述内容可根据被测件的尺寸大小及特殊要求进行计算和制造。

应说明的是，以上描述了本发明的基本原理和主要特征,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等效物界定。