落球仪点位控制结构的有限元分析及改进

郭冬青，谢 非，王士龙，赵亚兵，孙志强，梁伊嵘，王潇洒

(河南工程学院 机械工程学院, 河南 郑州 451191)

落球式岩土力学测试仪(简称落球仪)是一种新型测试仪器，测量球在7个不同位置进行自由落体运动，能够对路基进行测量，进而对路基进行评价。传统落球仪结构简单，但需要人工提升球冠实现自由落体运动，而且需要计算7个测量点的位置，导致生产效率低、工人劳动强度大。为实现落球仪在7个不同位置测量的自动化控制，课题组设计了一种自动落球仪，但在使用过程中发现落球仪点位控制结构的强度不够，出现了支架下沉现象。本研究首先通过有限元分析找到了自动落球仪点位控制结构的危险部位，然后设计了一种新的点位控制结构并再次进行有限元分析，最后根据结果进行了改进方案的设计。

1 工作原理及基本参数

落球仪由碰撞装置、信号采集装置、测试及解析软件等组成，球冠被把手带动升高0.5 m后实现自由落体运动，之后主机采集球冠和路基的碰撞信号实现测量，结构如图1所示。在对路基进行测量时，每个测区至少包含7个测点，各测点间距应大于500 mm[1]。测点布置如图2所示。

图1 落球仪结构Fig.1 Structure diagram of drop-ball instrument

图2 测点布置Fig.2 Layout of measuring points

针对落球仪的特点，课题组设计了自动落球仪结构方案，如图3所示。利用升降电机拖动球冠到0.5 m的高度，通过电磁离合器断开升降电机与带轮的连接，实现球冠的自由落体运动。当支架二处于竖直位置时，实现中间位置的自由落体；……