水平载荷加卸载实验装置及实验方法
水平载荷加卸载实验装置及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及物理力学实验领域，特别涉及一种水平载荷加卸载实验装置，以及一种水平载荷加卸载实验方法。
【背景技术】
[0002]传统地，由于重力的存在，人们利用砝码可以方便、准确地提供垂直方向的力。通过若干标准质量的砝码组合的添加或者减少，可以方便地加载和卸载一定量大小的竖直载荷力。而对于水平方向，定量力的加载和卸载，通常无法方便地通过砝码的添加或者减少来完成，为此，如何解决水平载荷力对施加对象的加载和卸载成为了本领域技术人员亟需解决的技术问题。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够通过砝码的添加或者减少实现水平载荷力的加载和卸载的水平载荷加卸载实验装置。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是:一种水平载荷加卸载实验装置，包括水平设置的顶销、挡片、弹簧座，固定设置于所述挡片与所述弹簧座之间的第一弹簧，以及固定设置于所述挡片与所述顶销之间的处于自由状态的第二弹簧;所述挡片通过第一钢丝绳连接有预压块，还包括穿过所述第一钢丝绳的第一定滑轮组，所述第一定滑轮组将处于水平方向的第一钢丝绳改变为垂直方向，所述预压块通过第一钢丝绳牵引挡片使第一弹簧处于压缩状态;还包括第二钢丝绳和机架，所述机架上设置有第二定滑轮组，所述第二钢丝绳穿过所述第二定滑轮组一端连接所述预压块、另一端连接有托盘，所述第二定滑轮组将处于垂直方向的第二钢丝绳分成相互平行的两段，所述托盘内可添加或者减少有砝码。
[0005]本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，通过在托盘内添加或者减少砝码后，第二钢丝绳通过第二定滑轮组将预压块向上提升，此时，竖直方向的力减轻了托盘内砝码的质量。同时由于第一弹簧的弹性压力的作用带动挡片向顶销方向移动，则处于水平方向的第一弹簧的压缩状态伸长了一段距离，相应的处于水平方向的第二弹簧由自由状态变为压缩状态，压缩了一段距离，并且第一弹簧的伸长距离与第二弹簧的压缩距离相等。此时，挡片所受的第二弹簧的力的大小增大了，则挡片通过第二弹簧对顶销施加的水平载荷力的大小增加了，从而实现水平载荷力的加载。同理，通过减少托盘内一个或几个砝码后，处于水平方向的第一弹簧的压缩状态缩短了，处于水平方向的第二弹簧的压缩状态伸长了，则挡片所受的第二弹簧的力的大小减小了，则挡片通过第二弹簧对顶销施加的水平载荷力的大小减小了，因此，可以实现水平载荷力的卸载;特别地，当托盘内的砝码全部去除后，第一弹簧恢复为初始压缩状态，第二弹簧恢复为自由状态，即挡片所受的第二弹簧的力的大小为零，则实现水平载荷力的全部卸载。也就是说，本发明是通过标准质量的砝码的添加或者减少使该实验装置将竖直载荷力的变化转换为水平载荷力的变化，即将重力变化转换为水平载荷力的变化，从而实现通过添加、减少砝码的方式实现水平载荷力的加载和卸载实验。此夕卜，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，具有结构简单、稳定可靠、便于移植，可以单独作为实验使用，也可以作为一个完整的组件配置到水平载荷计量装置中。
[0006]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，所述第一弹簧与所述第二弹簧的倔强系数相同。
[0007]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，所述第一弹簧与所述第二弹簧的倔强系数不相同。
[0008]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，所述定滑轮组至少为一个。
[0009]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，所述第一弹簧的压缩状态为全部压紧或者部分压紧。
[0010]为了解决上述技术问题，本发明还提供一种水平载荷加卸载实验方法，采用上述的水平载荷加卸载实验装置，所述水平载荷加卸载实验装置通过在托盘内添加或者减少砝码以将竖直载荷力转换为水平载荷力通过顶销的端部加载到施加对象，包括以下步骤:
[0011]步骤一、选择一定质量的预压块，通过与第一钢丝绳连接的挡片对第一弹簧施加一定的压缩量，使第一弹簧处于压缩状态，使第二弹簧处于自由状态；
[0012]步骤二、在托盘内添加至少一个砝码，使第二弹簧对顶销的水平载荷力增大，实现水平载荷力的加载;通过减少或者去除托盘内的砝码后，使第二弹簧对顶销的水平载荷力减小，实现水平载荷力的卸载。
[0013]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验方法，所述水平载荷力为f= k2/(ki+k2).M，其中f为水平载荷力，h为第一弹簧的倔强系数，k2为第二弹簧的倔强系数，Μ为砝码的质量。
[0014]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验方法，当第一弹簧和第二弹簧的倔强系数相同时，所述水平载荷力为f=M/2。
[0015]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验方法，还包括将砝码的质量标记为实际质量的1/2，以使其标记为标准的水平载荷力的砝码的步骤。
[0016]本发明提供的水平载荷加卸载实验方法，基于上述的水平载荷加卸载实验装置，通过添加或者减少砝码实现对施加对象的加载和卸载实验。本实验方法，当第一弹簧和第二弹簧的倔强系数相同时，可以更加简单的计算加载或者卸载的水平载荷力的大小，具有普适性。
【附图说明】
[0017]图1是本发明一实施例水平载荷实验装置初始状态的结构示意图；
[0018]图2是本发明一实施例水平载荷实验装置加载状态的结构示意图；
[0019]图3是水平载荷力加载的受力分析示意图。
[0020]图中所示:101、顶销，102、第二弹簧，103、挡片，104、第一弹簧，105、弹簧座，106、第一钢丝绳，107、第一定滑轮组，108、预压块，109、机架，110、第二定滑轮组，111、第二钢丝绳，112、托盘，113、砝码，200、施加对象。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明作详细描述:
[0022]请参考图1-2，本实施例提供一种水平载荷加卸载实验装置，包括水平设置的顶销101、挡片103、弹簧座105，固定设置于所述挡片103与所述弹簧座105之间的第一弹簧104，以及固定设置于所述挡片103与所述顶销101之间的处于自由状态的第二弹簧102;所述挡片103通过第一钢丝绳106连接有预压块108，还包括穿过所述第一钢丝绳106的第一定滑轮组107，所述第一定滑轮组107将处于水平方向的第一钢丝绳106改变为垂直方向，所述预压块108通过第一钢丝绳106牵引挡片103使第一弹簧104处于压缩状态；还包括第二钢丝绳111和机架109，所述机架109上设置有第二定滑轮组110，所述第二钢丝绳111穿过所述第二定滑轮组110—端连接所述预压块108、另一端连接有托盘112，所述第二定滑轮组110将处于垂直方向上的第二钢丝绳111分成相互平行的两段，则预压块108和托盘112通过支撑滑动在第二定滑轮组110的分成两段的第二钢丝绳111形成杠杆天平，所述托盘112内可添加或者减少有砝码113。
[0023]请参考图1、图2，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，通过在托盘112内添加或者减少砝码113后，第二钢丝绳111通过第二定滑轮组110将预压块108向上提升，此时，竖直方向的力减轻了托盘112内砝码113的质量。同时由于第一弹簧104的弹性压力的作用带动挡片103向顶销101方向移动，则处于水平方向的第一弹簧104的压缩状态伸长了一段距离，相应的处于水平方向的第二弹簧102由自由状态变为压缩状态，压缩了一段距离，并且第一弹簧104的伸长距离与第二弹簧102的压缩距离相等。此时，挡片103所受的第二弹簧102的力的大小增大了，则挡片103通过第二弹簧102对顶销101施加的水平载荷力的大小增加了，从而实现水平载荷力的加载。同理，通过减少托盘112内一个或几个砝码113后，处于水平方向的第一弹簧104的压缩状态缩短了，处于水平方向的第二弹簧102的压缩状态伸长了，则挡片103所受的第二弹簧102的力的大小减小了，则挡片103通过第二弹簧102对顶销101施加的水平载荷力的大小减小了，因此，可以实现水平载荷力的卸载;特别地，当托盘112内的砝码113全部去除后，第一弹簧104恢复为初始压缩状态，第二弹簧102恢复为自由状态，即挡片103所受的第二弹簧102的力的大小为零，则实现水平载荷力的全部卸载。也就是说，本发明是通过标准质量的砝码113的添加或者减少使该实验装置将竖直载荷力的变化转换为水平载荷力的变化，即将重力变化转换为水平载荷力的变化，从而实现通过添加、减少砝码113的方式实现水平载荷力的加载和卸载实验。此外，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，具有结构简单、稳定可靠、便于移植，可以单独作为实验使用，也可以作为一个完整的组件配置到水平载荷计量装置中。
[0024]作为较佳的实施方式，本实施方式提供的水平载荷加卸载实验装置，所述第一弹簧104与所述第二弹簧102的倔强系数相同。
[0025]作为较佳的实施方式，本实施方式提供的水平载荷加卸载实验装置，所述第一弹簧104与所述第二弹簧102的倔强系数不相同。
[0026]作为较佳的实施方式，本实施方式提供的水平载荷加卸载实验装置，所述定滑轮组至少为一个。其中，第一定滑轮组107在本实施方式中采用一个，作用是将预压块108相对于水平方向向下改变90度方向的角度，以及使第一钢丝绳106在第一定滑轮组107支撑并滑动。其中，第二定滑轮组110为并列设置的两个定滑轮，其大小规格相同，目的是使第二钢丝绳111为两段，以使连接于 第二钢丝绳111两端的预压块108和托盘112形成杠杆天平，在加载、减少砝码113时，通过第二定滑轮组110作为滑动支撑点，以实现重力的砝码113的添加或者减少或者去除。
[0027]具体如下:
[0028]请参考图1，初始状态下，第二弹簧102和顶销101在水平方向处于自由状态，即水平方向不受力、亦不施力状态。第一弹簧104在水平方向处于压缩状态，可以是部分压紧方式，也可以是全部压紧方式，优选采用全部压紧方式，其优点在于，添加砝码113后，第一弹簧104的伸长距离最大，可以实现较重质量的砝码113的添加。其中，全部压紧方式，是指第一弹簧104全部处于压缩状态;部分压紧方式，是指第一弹簧104部分处于压缩状态。
[0029]请参考图2，当加载时，通过添加一定数量的砝码113，其中砝码113可以是标准质量的一个或一个以上，例如添加2个砝码113，每个质量均为2mg，通过第一定滑轮组107转化为施加在第一钢丝绳106上的一个横向张力，该横向张力减少对第一弹簧104预施加的拉力，将原本处于压缩的第一弹簧104按加载要求部分或全部地还原，该还原的弹簧弹性形变反作用于原处于自由状态的第二弹簧102，第二弹簧102被压缩产生弹性变形，通过顶销101施加一个横向载荷，即水平载荷。该水平载荷力的大小f = k2/(kl+k2) ?1，其中€为水平载荷力，kl为第一弹簧104的倔强系数，k2为第二弹簧102的倔强系数，Μ为砝码113的质量.当第一弹簧104和第二弹簧102的倔强系数相同时，该水平载荷力的大小为2mg。
[0030]卸载时，将通过减少或者去除在上一步中添加的砝码113即可。
[0031]综上所述，本实施例可以轻易地将砝码113在铅垂方向的加卸载优势，转化到水平方向上。类似地，通过砝码113组合的变化，对某个物体施以水平方向的定量、方便地加卸载。
[0032]请参考图1-3，下面详细介绍一下本发明的受力分析。
[0033]设挡片103所受第一弹簧104、第二弹簧102的水平压力分别为FjPF2，所受钢丝绳的拉力为IFo是第一弹簧104的安装预压力，大小是G。根据力学原理可知:
[0034]I)加载前:
[0035]F2°+T0=Fi°(1)
[0036]其中:
[0037]Fi° = G(2)
[0038]F2° = 0(3)
[0039]T° = G(4)
[0040]II)加载砝码113后，第一弹簧104相对于初始状态伸长了为L长度的距离，由于施加对象200和弹簧座105之间的距离一定，则第二弹簧102压缩了为L长度的距离，即第一弹簧104的伸长长度等于第二弹簧102的压缩长度，因此，有:
[0041 ] F21+T1=Fi1(5)
[0042]其中:
[0043]T^G-M(6)
[0044]Fi^F^-kiL(7)
[0045]F21 = k2L(8)
[0046]将(2)、(6)、(8)代入(5)、⑴得:
[0047 ] Fi1 = k2L+G_M 和 Fi1 = G_kiL
[0048]即:k2L+G-M=G_kiL
[0049]L=M/(ki+k2)
[0050]i§(8) ,F21 = k2L = k2/(ki+k2).M
[0051]当取两弹簧的倔强系数相同时，，有F/zM/X
[0052]F/即是第二弹簧102在加载后的压缩力，即为水平载荷力f，该水平载荷力f通过顶销101施加到施加对象200上。当ki = k2时，加载到施加对象200的水平载荷力的大小为所添加的砝码113总质量Μ的一半。
[0053]由于砝码113及其组合的质量大小是定量的，因此该水平载荷力的加载方法也可以做到定量。
[0054]需要说明的是，本实施例的第二弹簧102的初始状态也可以处于压缩状态，此时，第二弹簧102对顶销101具有一定的预加载力。即初始状态时，水平载荷力不是零。此种方式，在添加砝码113时，虽然不方便计算，但同样能够实现通过添加或者减少砝码113的方式，对施加对象200进行水平载荷力的加载和卸载实验。不同的是，前者预加载力为零，而本方式的预加载力不为零。
[0055]实施例二
[0056]本实施例二提供一种水平载荷加卸载实验方法，采用实施例一的水平载荷加卸载实验装置，所述水平载荷加卸载实验装置通过在托盘112内添加或者减少砝码113以将水平载荷力通过顶销101的端部加载到施加对象200，包括以下步骤:
[0057]步骤一、选择一定质量的预压块108，通过与第一钢丝绳106连接的挡片103对第一弹簧104施加一定的压缩量，使第一弹簧104处于压缩状态，使第二弹簧102处于自由状态；
[0058]步骤二、在托盘112内添加至少一个砝码113，使第二弹簧102对顶销101的水平载荷力增大，实现水平载荷力的加载;通过减少或者去除托盘112内的砝码113后，使第二弹簧102对顶销101的水平载荷力减小，实现水平载荷力的卸载。其中，所述水平载荷力为f = k2/(ki+k2).M，其中f为水平载荷力，lu为第一弹簧104的倔强系数，k2为第二弹簧102的倔强系数，Μ为砝码113的质量。
[0059]作为较佳的实施方式，本实施方式提供的水平载荷加卸载实验方法，当第一弹簧104和第二弹簧102的倔强系数相同时，所述水平载荷力为f=M/2。此种方式，便于水平载荷力的大小的计算。
[0060]作为较佳的实施方式，本实施方式提供的水平载荷加卸载实验方法，还包括将砝码113的质量标记为实际质量的1/2，以使其标记为标准的水平载荷力的砝码113的步骤。此步骤的优点在于，可以砝码113通过竖直方向的加载的砝码的质量与水平载荷力的转换公式f =.Μ，直接标记为水平载荷力的大小，在加载或者卸载实验时，直接读取水平载荷力的砝码大小便可知道通过顶销101加载到施加对象200上的水平载荷力的大小，不需要另行计算。减小了计算过程的步骤，更加便于、简单、省时。
[0061]本发明不限于上述【具体实施方式】，凡在本发明的权利要求书的精神和范围内所作出的各种变化，均在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种水平载荷加卸载实验装置，其特征在于，包括水平设置的顶销、挡片、弹簧座，固定设置于所述挡片与所述弹簧座之间的第一弹簧，以及固定设置于所述挡片与所述顶销之间的处于自由状态的第二弹簧;所述挡片通过第一钢丝绳连接有预压块，还包括穿过所述第一钢丝绳的第一定滑轮组，所述第一定滑轮组将处于水平方向的第一钢丝绳改变为垂直方向，所述预压块通过第一钢丝绳牵引挡片使第一弹簧处于压缩状态;还包括第二钢丝绳和机架，所述机架上设置有第二定滑轮组，所述第二钢丝绳穿过所述第二定滑轮组一端连接所述预压块、另一端连接有托盘，所述第二定滑轮组将处于垂直方向的第二钢丝绳分成相互平行的两段，所述托盘内可添加或者减少有砝码。2.如权利要求1所述的水平载荷加卸载实验装置，其特征在于，所述第一弹簧与所述第二弹簧的倔强系数相同。3.如权利要求1所述的水平载荷加卸载实验装置，其特征在于，所述第一弹簧与所述第二弹簧的倔强系数不相同。4.如权利要求1所述的水平载荷加卸载实验装置，其特征在于，所述定滑轮组至少为一个。5.如权利要求1所述的水平载荷加卸载实验装置，其特征在于，所述第一弹簧的压缩状态为全部压紧或者部分压紧。6.—种水平载荷加卸载实验方法，其特征在于，采用如权利要求1-5中任一项所述的水平载荷加卸载实验装置，所述水平载荷加卸载实验装置通过在托盘内添加或者减少砝码以将水平载荷力通过顶销的端部加载到施加对象，包括以下步骤: 步骤一、选择一定质量的预压块，通过与第一钢丝绳连接的挡片对第一弹簧施加一定的压缩量，使第一弹簧处于压缩状态，使第二弹簧处于自由状态； 步骤二、在托盘内添加至少一个砝码，使第二弹簧对顶销的水平载荷力增大，实现水平载荷力的加载;通过减少或者去除托盘内的砝码后，使第二弹簧对顶销的水平载荷力减小，实现水平载荷力的卸载。7.如权利要求6所述的水平载荷加卸载实验方法，其特征在于，所述水平载荷力为f=k2/(ki+k2).M，其中f为水平载荷力，h为第一弹簧的倔强系数，k2为第二弹簧的倔强系数，Μ为砝码的质量。8.如权利要求7所述的水平载荷加卸载实验方法，其特征在于，当第一弹簧和第二弹簧的倔强系数相同时，所述水平载荷力为f=M/2。9.如权利要求8所述的水平载荷加卸载实验方法，其特征在于，还包括将砝码的质量标记为实际质量的1/2，以使其标记为标准的水平载荷力的砝码的步骤。
【专利摘要】本发明提供一种水平载荷加卸载实验装置，包括水平设置的顶销、第二弹簧、挡片、第一弹簧、弹簧座、第一钢丝绳、预压块、第一定滑轮组、机架、第二定滑轮组、第二钢丝绳、托盘，所述托盘内可添加或者减少有砝码。本发明提供一种水平载荷加卸载实验装置，其通过在托盘内添加或者减少砝码以将水平载荷力通过顶销的端部加载到施加对象。本发明的实验装置及方法能够通过砝码的添加或者减少实现水平载荷力的加载和卸载实验。
【IPC分类】G09B23/10
【公开号】CN105489091
【申请号】CN201510825194
【发明人】刘溪涓
【申请人】上海电机学院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月24日
【技术领域】
[0001]本发明涉及物理力学实验领域，特别涉及一种水平载荷加卸载实验装置，以及一种水平载荷加卸载实验方法。
【背景技术】
[0002]传统地，由于重力的存在，人们利用砝码可以方便、准确地提供垂直方向的力。通过若干标准质量的砝码组合的添加或者减少，可以方便地加载和卸载一定量大小的竖直载荷力。而对于水平方向，定量力的加载和卸载，通常无法方便地通过砝码的添加或者减少来完成，为此，如何解决水平载荷力对施加对象的加载和卸载成为了本领域技术人员亟需解决的技术问题。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够通过砝码的添加或者减少实现水平载荷力的加载和卸载的水平载荷加卸载实验装置。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是:一种水平载荷加卸载实验装置，包括水平设置的顶销、挡片、弹簧座，固定设置于所述挡片与所述弹簧座之间的第一弹簧，以及固定设置于所述挡片与所述顶销之间的处于自由状态的第二弹簧;所述挡片通过第一钢丝绳连接有预压块，还包括穿过所述第一钢丝绳的第一定滑轮组，所述第一定滑轮组将处于水平方向的第一钢丝绳改变为垂直方向，所述预压块通过第一钢丝绳牵引挡片使第一弹簧处于压缩状态;还包括第二钢丝绳和机架，所述机架上设置有第二定滑轮组，所述第二钢丝绳穿过所述第二定滑轮组一端连接所述预压块、另一端连接有托盘，所述第二定滑轮组将处于垂直方向的第二钢丝绳分成相互平行的两段，所述托盘内可添加或者减少有砝码。
[0005]本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，通过在托盘内添加或者减少砝码后，第二钢丝绳通过第二定滑轮组将预压块向上提升，此时，竖直方向的力减轻了托盘内砝码的质量。同时由于第一弹簧的弹性压力的作用带动挡片向顶销方向移动，则处于水平方向的第一弹簧的压缩状态伸长了一段距离，相应的处于水平方向的第二弹簧由自由状态变为压缩状态，压缩了一段距离，并且第一弹簧的伸长距离与第二弹簧的压缩距离相等。此时，挡片所受的第二弹簧的力的大小增大了，则挡片通过第二弹簧对顶销施加的水平载荷力的大小增加了，从而实现水平载荷力的加载。同理，通过减少托盘内一个或几个砝码后，处于水平方向的第一弹簧的压缩状态缩短了，处于水平方向的第二弹簧的压缩状态伸长了，则挡片所受的第二弹簧的力的大小减小了，则挡片通过第二弹簧对顶销施加的水平载荷力的大小减小了，因此，可以实现水平载荷力的卸载;特别地，当托盘内的砝码全部去除后，第一弹簧恢复为初始压缩状态，第二弹簧恢复为自由状态，即挡片所受的第二弹簧的力的大小为零，则实现水平载荷力的全部卸载。也就是说，本发明是通过标准质量的砝码的添加或者减少使该实验装置将竖直载荷力的变化转换为水平载荷力的变化，即将重力变化转换为水平载荷力的变化，从而实现通过添加、减少砝码的方式实现水平载荷力的加载和卸载实验。此夕卜，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，具有结构简单、稳定可靠、便于移植，可以单独作为实验使用，也可以作为一个完整的组件配置到水平载荷计量装置中。
[0006]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，所述第一弹簧与所述第二弹簧的倔强系数相同。
[0007]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，所述第一弹簧与所述第二弹簧的倔强系数不相同。
[0008]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，所述定滑轮组至少为一个。
[0009]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，所述第一弹簧的压缩状态为全部压紧或者部分压紧。
[0010]为了解决上述技术问题，本发明还提供一种水平载荷加卸载实验方法，采用上述的水平载荷加卸载实验装置，所述水平载荷加卸载实验装置通过在托盘内添加或者减少砝码以将竖直载荷力转换为水平载荷力通过顶销的端部加载到施加对象，包括以下步骤:
[0011]步骤一、选择一定质量的预压块，通过与第一钢丝绳连接的挡片对第一弹簧施加一定的压缩量，使第一弹簧处于压缩状态，使第二弹簧处于自由状态；
[0012]步骤二、在托盘内添加至少一个砝码，使第二弹簧对顶销的水平载荷力增大，实现水平载荷力的加载;通过减少或者去除托盘内的砝码后，使第二弹簧对顶销的水平载荷力减小，实现水平载荷力的卸载。
[0013]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验方法，所述水平载荷力为f= k2/(ki+k2).M，其中f为水平载荷力，h为第一弹簧的倔强系数，k2为第二弹簧的倔强系数，Μ为砝码的质量。
[0014]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验方法，当第一弹簧和第二弹簧的倔强系数相同时，所述水平载荷力为f=M/2。
[0015]进一步的，本发明提供的水平载荷加卸载实验方法，还包括将砝码的质量标记为实际质量的1/2，以使其标记为标准的水平载荷力的砝码的步骤。
[0016]本发明提供的水平载荷加卸载实验方法，基于上述的水平载荷加卸载实验装置，通过添加或者减少砝码实现对施加对象的加载和卸载实验。本实验方法，当第一弹簧和第二弹簧的倔强系数相同时，可以更加简单的计算加载或者卸载的水平载荷力的大小，具有普适性。
【附图说明】
[0017]图1是本发明一实施例水平载荷实验装置初始状态的结构示意图；
[0018]图2是本发明一实施例水平载荷实验装置加载状态的结构示意图；
[0019]图3是水平载荷力加载的受力分析示意图。
[0020]图中所示:101、顶销，102、第二弹簧，103、挡片，104、第一弹簧，105、弹簧座，106、第一钢丝绳，107、第一定滑轮组，108、预压块，109、机架，110、第二定滑轮组，111、第二钢丝绳，112、托盘，113、砝码，200、施加对象。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明作详细描述:
[0022]请参考图1-2，本实施例提供一种水平载荷加卸载实验装置，包括水平设置的顶销101、挡片103、弹簧座105，固定设置于所述挡片103与所述弹簧座105之间的第一弹簧104，以及固定设置于所述挡片103与所述顶销101之间的处于自由状态的第二弹簧102;所述挡片103通过第一钢丝绳106连接有预压块108，还包括穿过所述第一钢丝绳106的第一定滑轮组107，所述第一定滑轮组107将处于水平方向的第一钢丝绳106改变为垂直方向，所述预压块108通过第一钢丝绳106牵引挡片103使第一弹簧104处于压缩状态；还包括第二钢丝绳111和机架109，所述机架109上设置有第二定滑轮组110，所述第二钢丝绳111穿过所述第二定滑轮组110—端连接所述预压块108、另一端连接有托盘112，所述第二定滑轮组110将处于垂直方向上的第二钢丝绳111分成相互平行的两段，则预压块108和托盘112通过支撑滑动在第二定滑轮组110的分成两段的第二钢丝绳111形成杠杆天平，所述托盘112内可添加或者减少有砝码113。
[0023]请参考图1、图2，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，通过在托盘112内添加或者减少砝码113后，第二钢丝绳111通过第二定滑轮组110将预压块108向上提升，此时，竖直方向的力减轻了托盘112内砝码113的质量。同时由于第一弹簧104的弹性压力的作用带动挡片103向顶销101方向移动，则处于水平方向的第一弹簧104的压缩状态伸长了一段距离，相应的处于水平方向的第二弹簧102由自由状态变为压缩状态，压缩了一段距离，并且第一弹簧104的伸长距离与第二弹簧102的压缩距离相等。此时，挡片103所受的第二弹簧102的力的大小增大了，则挡片103通过第二弹簧102对顶销101施加的水平载荷力的大小增加了，从而实现水平载荷力的加载。同理，通过减少托盘112内一个或几个砝码113后，处于水平方向的第一弹簧104的压缩状态缩短了，处于水平方向的第二弹簧102的压缩状态伸长了，则挡片103所受的第二弹簧102的力的大小减小了，则挡片103通过第二弹簧102对顶销101施加的水平载荷力的大小减小了，因此，可以实现水平载荷力的卸载;特别地，当托盘112内的砝码113全部去除后，第一弹簧104恢复为初始压缩状态，第二弹簧102恢复为自由状态，即挡片103所受的第二弹簧102的力的大小为零，则实现水平载荷力的全部卸载。也就是说，本发明是通过标准质量的砝码113的添加或者减少使该实验装置将竖直载荷力的变化转换为水平载荷力的变化，即将重力变化转换为水平载荷力的变化，从而实现通过添加、减少砝码113的方式实现水平载荷力的加载和卸载实验。此外，本发明提供的水平载荷加卸载实验装置，具有结构简单、稳定可靠、便于移植，可以单独作为实验使用，也可以作为一个完整的组件配置到水平载荷计量装置中。
[0024]作为较佳的实施方式，本实施方式提供的水平载荷加卸载实验装置，所述第一弹簧104与所述第二弹簧102的倔强系数相同。
[0025]作为较佳的实施方式，本实施方式提供的水平载荷加卸载实验装置，所述第一弹簧104与所述第二弹簧102的倔强系数不相同。
[0026]作为较佳的实施方式，本实施方式提供的水平载荷加卸载实验装置，所述定滑轮组至少为一个。其中，第一定滑轮组107在本实施方式中采用一个，作用是将预压块108相对于水平方向向下改变90度方向的角度，以及使第一钢丝绳106在第一定滑轮组107支撑并滑动。其中，第二定滑轮组110为并列设置的两个定滑轮，其大小规格相同，目的是使第二钢丝绳111为两段，以使连接于 第二钢丝绳111两端的预压块108和托盘112形成杠杆天平，在加载、减少砝码113时，通过第二定滑轮组110作为滑动支撑点，以实现重力的砝码113的添加或者减少或者去除。
[0027]具体如下:
[0028]请参考图1，初始状态下，第二弹簧102和顶销101在水平方向处于自由状态，即水平方向不受力、亦不施力状态。第一弹簧104在水平方向处于压缩状态，可以是部分压紧方式，也可以是全部压紧方式，优选采用全部压紧方式，其优点在于，添加砝码113后，第一弹簧104的伸长距离最大，可以实现较重质量的砝码113的添加。其中，全部压紧方式，是指第一弹簧104全部处于压缩状态;部分压紧方式，是指第一弹簧104部分处于压缩状态。
[0029]请参考图2，当加载时，通过添加一定数量的砝码113，其中砝码113可以是标准质量的一个或一个以上，例如添加2个砝码113，每个质量均为2mg，通过第一定滑轮组107转化为施加在第一钢丝绳106上的一个横向张力，该横向张力减少对第一弹簧104预施加的拉力，将原本处于压缩的第一弹簧104按加载要求部分或全部地还原，该还原的弹簧弹性形变反作用于原处于自由状态的第二弹簧102，第二弹簧102被压缩产生弹性变形，通过顶销101施加一个横向载荷，即水平载荷。该水平载荷力的大小f = k2/(kl+k2) ?1，其中€为水平载荷力，kl为第一弹簧104的倔强系数，k2为第二弹簧102的倔强系数，Μ为砝码113的质量.当第一弹簧104和第二弹簧102的倔强系数相同时，该水平载荷力的大小为2mg。
[0030]卸载时，将通过减少或者去除在上一步中添加的砝码113即可。
[0031]综上所述，本实施例可以轻易地将砝码113在铅垂方向的加卸载优势，转化到水平方向上。类似地，通过砝码113组合的变化，对某个物体施以水平方向的定量、方便地加卸载。
[0032]请参考图1-3，下面详细介绍一下本发明的受力分析。
[0033]设挡片103所受第一弹簧104、第二弹簧102的水平压力分别为FjPF2，所受钢丝绳的拉力为IFo是第一弹簧104的安装预压力，大小是G。根据力学原理可知:
[0034]I)加载前:
[0035]F2°+T0=Fi°(1)
[0036]其中:
[0037]Fi° = G(2)
[0038]F2° = 0(3)
[0039]T° = G(4)
[0040]II)加载砝码113后，第一弹簧104相对于初始状态伸长了为L长度的距离，由于施加对象200和弹簧座105之间的距离一定，则第二弹簧102压缩了为L长度的距离，即第一弹簧104的伸长长度等于第二弹簧102的压缩长度，因此，有:
[0041 ] F21+T1=Fi1(5)
[0042]其中:
[0043]T^G-M(6)
[0044]Fi^F^-kiL(7)
[0045]F21 = k2L(8)
[0046]将(2)、(6)、(8)代入(5)、⑴得:
[0047 ] Fi1 = k2L+G_M 和 Fi1 = G_kiL
[0048]即:k2L+G-M=G_kiL
[0049]L=M/(ki+k2)
[0050]i§(8) ,F21 = k2L = k2/(ki+k2).M
[0051]当取两弹簧的倔强系数相同时，，有F/zM/X
[0052]F/即是第二弹簧102在加载后的压缩力，即为水平载荷力f，该水平载荷力f通过顶销101施加到施加对象200上。当ki = k2时，加载到施加对象200的水平载荷力的大小为所添加的砝码113总质量Μ的一半。
[0053]由于砝码113及其组合的质量大小是定量的，因此该水平载荷力的加载方法也可以做到定量。
[0054]需要说明的是，本实施例的第二弹簧102的初始状态也可以处于压缩状态，此时，第二弹簧102对顶销101具有一定的预加载力。即初始状态时，水平载荷力不是零。此种方式，在添加砝码113时，虽然不方便计算，但同样能够实现通过添加或者减少砝码113的方式，对施加对象200进行水平载荷力的加载和卸载实验。不同的是，前者预加载力为零，而本方式的预加载力不为零。
[0055]实施例二
[0056]本实施例二提供一种水平载荷加卸载实验方法，采用实施例一的水平载荷加卸载实验装置，所述水平载荷加卸载实验装置通过在托盘112内添加或者减少砝码113以将水平载荷力通过顶销101的端部加载到施加对象200，包括以下步骤:
[0057]步骤一、选择一定质量的预压块108，通过与第一钢丝绳106连接的挡片103对第一弹簧104施加一定的压缩量，使第一弹簧104处于压缩状态，使第二弹簧102处于自由状态；
[0058]步骤二、在托盘112内添加至少一个砝码113，使第二弹簧102对顶销101的水平载荷力增大，实现水平载荷力的加载;通过减少或者去除托盘112内的砝码113后，使第二弹簧102对顶销101的水平载荷力减小，实现水平载荷力的卸载。其中，所述水平载荷力为f = k2/(ki+k2).M，其中f为水平载荷力，lu为第一弹簧104的倔强系数，k2为第二弹簧102的倔强系数，Μ为砝码113的质量。
[0059]作为较佳的实施方式，本实施方式提供的水平载荷加卸载实验方法，当第一弹簧104和第二弹簧102的倔强系数相同时，所述水平载荷力为f=M/2。此种方式，便于水平载荷力的大小的计算。
[0060]作为较佳的实施方式，本实施方式提供的水平载荷加卸载实验方法，还包括将砝码113的质量标记为实际质量的1/2，以使其标记为标准的水平载荷力的砝码113的步骤。此步骤的优点在于，可以砝码113通过竖直方向的加载的砝码的质量与水平载荷力的转换公式f =.Μ，直接标记为水平载荷力的大小，在加载或者卸载实验时，直接读取水平载荷力的砝码大小便可知道通过顶销101加载到施加对象200上的水平载荷力的大小，不需要另行计算。减小了计算过程的步骤，更加便于、简单、省时。
[0061]本发明不限于上述【具体实施方式】，凡在本发明的权利要求书的精神和范围内所作出的各种变化，均在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种水平载荷加卸载实验装置，其特征在于，包括水平设置的顶销、挡片、弹簧座，固定设置于所述挡片与所述弹簧座之间的第一弹簧，以及固定设置于所述挡片与所述顶销之间的处于自由状态的第二弹簧;所述挡片通过第一钢丝绳连接有预压块，还包括穿过所述第一钢丝绳的第一定滑轮组，所述第一定滑轮组将处于水平方向的第一钢丝绳改变为垂直方向，所述预压块通过第一钢丝绳牵引挡片使第一弹簧处于压缩状态;还包括第二钢丝绳和机架，所述机架上设置有第二定滑轮组，所述第二钢丝绳穿过所述第二定滑轮组一端连接所述预压块、另一端连接有托盘，所述第二定滑轮组将处于垂直方向的第二钢丝绳分成相互平行的两段，所述托盘内可添加或者减少有砝码。2.如权利要求1所述的水平载荷加卸载实验装置，其特征在于，所述第一弹簧与所述第二弹簧的倔强系数相同。3.如权利要求1所述的水平载荷加卸载实验装置，其特征在于，所述第一弹簧与所述第二弹簧的倔强系数不相同。4.如权利要求1所述的水平载荷加卸载实验装置，其特征在于，所述定滑轮组至少为一个。5.如权利要求1所述的水平载荷加卸载实验装置，其特征在于，所述第一弹簧的压缩状态为全部压紧或者部分压紧。6.—种水平载荷加卸载实验方法，其特征在于，采用如权利要求1-5中任一项所述的水平载荷加卸载实验装置，所述水平载荷加卸载实验装置通过在托盘内添加或者减少砝码以将水平载荷力通过顶销的端部加载到施加对象，包括以下步骤: 步骤一、选择一定质量的预压块，通过与第一钢丝绳连接的挡片对第一弹簧施加一定的压缩量，使第一弹簧处于压缩状态，使第二弹簧处于自由状态； 步骤二、在托盘内添加至少一个砝码，使第二弹簧对顶销的水平载荷力增大，实现水平载荷力的加载;通过减少或者去除托盘内的砝码后，使第二弹簧对顶销的水平载荷力减小，实现水平载荷力的卸载。7.如权利要求6所述的水平载荷加卸载实验方法，其特征在于，所述水平载荷力为f=k2/(ki+k2).M，其中f为水平载荷力，h为第一弹簧的倔强系数，k2为第二弹簧的倔强系数，Μ为砝码的质量。8.如权利要求7所述的水平载荷加卸载实验方法，其特征在于，当第一弹簧和第二弹簧的倔强系数相同时，所述水平载荷力为f=M/2。9.如权利要求8所述的水平载荷加卸载实验方法，其特征在于，还包括将砝码的质量标记为实际质量的1/2，以使其标记为标准的水平载荷力的砝码的步骤。
【专利摘要】本发明提供一种水平载荷加卸载实验装置，包括水平设置的顶销、第二弹簧、挡片、第一弹簧、弹簧座、第一钢丝绳、预压块、第一定滑轮组、机架、第二定滑轮组、第二钢丝绳、托盘，所述托盘内可添加或者减少有砝码。本发明提供一种水平载荷加卸载实验装置，其通过在托盘内添加或者减少砝码以将水平载荷力通过顶销的端部加载到施加对象。本发明的实验装置及方法能够通过砝码的添加或者减少实现水平载荷力的加载和卸载实验。
【IPC分类】G09B23/10
【公开号】CN105489091
【申请号】CN201510825194
【发明人】刘溪涓
【申请人】上海电机学院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月24日
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