一种压杆稳定实验教学装置

本发明涉及一种实验教学装置，具体涉及一种压杆稳定实验教学装置。

背景技术：

1、轴心受压杆件的稳定性（简称“压杆稳定”）是土木工程、力学等学科专业的必修内容。压杆的失稳模式有三种：弯曲失稳、扭转失稳和弯扭失稳，分别对应不同的失稳机理。双轴对称截面（十字形截面除外）的压杆一般发生弯曲失稳。薄壁十字形截面的压杆一般发生扭转失稳。单轴对称截面的压杆，当杆件绕对称轴失稳时，发生弯扭失稳；当杆件绕非对称轴失稳时，发生弯曲失稳。除了截面形状以外，压杆的几何长度、杆端的支承条件以及侧向支撑的位置（对强轴或弱轴、高度）、数量、刚度等都会对稳定造成影响。

2、由上可知，稳定问题理论性强、内容抽象、学习难度大，采用教学装置进行课堂演示是一种直观且高效的教学手段。目前使用的教学装置或实验教学装置多仅可进行弯曲失稳实验，而无法开展扭转失稳和弯扭失稳实验，也无法考虑支撑的位置、数量以及刚度的影响，也难以进行直观的课堂教学演示。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述现有技术，提出一种压杆稳定实验教学装置，能够全面、直观地演示各个因素单独作用以及耦合作用对压杆稳定的影响。

2、技术方案：一种压杆稳定实验教学装置，包括实验框架、实验压杆、快锁紧万向球铰支座、侧向支撑装置、测力计、加载装置；实验框架位于整个装置的底部，加载装置设置在整个装置的顶部；两个快锁紧万向球铰支座相对设置，一个固定在实验框架底部中央，另一个固定在加载装置上；实验压杆为一根两端带有球体的等截面杆件，实验压杆居中竖直设置在实验框架的内部，两端的球体对应压入一个快锁紧万向球铰支座中；加载装置用于施加竖直向下的荷载，测力计设置在加载装置的荷载输出端；多个侧向支撑装置连接在实验框架上，用于对实验压杆的侧面多方位支撑。

3、进一步的，快锁紧万向球铰支座包括内侧的弹性套和外侧的锁紧套；内侧的弹性套为外带螺纹、内呈球型的空心圆筒，且空心圆筒的侧壁上沿圆周开有若干竖缝；外侧的锁紧套的内侧面设有与弹性套相匹配的螺纹，通过正反旋转外侧的锁紧套实现弹性套锁紧与放松。

4、进一步的，侧向支撑装置包括变截面支撑圆杆、横隔板、槽型夹板、弹簧、弹簧挡板、槽型框；

5、横隔板为一中间开第二圆孔的矩形板，两端分别设有槽型夹板；槽型框的端板中央开有第四圆孔，第四圆孔两侧各开有水平槽孔，槽型框通过两个侧板端部与横隔板固定连接；

6、变截面支撑圆杆包括大圆杆和小圆杆；弹簧挡板由两片中间带半圆形缺口的半圆形板和两个手柄组成，半圆形板位于槽型框的端板内侧，分别与半圆形板固定的两个手柄从端板内侧内侧对应穿过一个槽孔；

7、变截面支撑圆杆的大圆杆的端部穿过横隔板上的第二圆孔后与实验压杆侧面抵紧；小圆杆穿过槽型框端板上的第四圆孔；弹簧套在变截面支撑圆杆的小圆杆上；弹簧直径小于第四圆孔直径，弹簧的一端与大圆杆抵紧；当移动手柄使得两片半圆形板并拢时，两个中间半圆形缺口合成一个圆孔，此时弹簧的另一端与两片半圆形板抵紧。

8、进一步的，实验框架包括底盖、四根角钢立柱、框盖；底盖和框盖分别固定在四根角钢立柱的底部和顶部；其中一个快锁紧万向球铰支座固定在底盖的中央位置；在角钢立柱的两肢沿高度方向间隔成对开设若干第一圆孔；侧向支撑装置的槽型夹板的两块侧板上分别开有相对的第三圆孔，通过螺栓连接第三圆孔与角钢立柱的第一圆孔，从而将侧向支撑装置连接到实验框架上。

9、进一步的，加载装置包括小齿轮、大齿轮、螺纹杆；大齿轮为能够水平转动的齿盘齿轮，且中心开有螺纹孔；由转盘驱动的小齿轮与大齿轮啮合；螺纹杆与大齿轮中心的螺纹孔连接，螺纹杆的底端作为加载装置的载荷输出端；大齿轮旋转一圈对应螺纹杆移动一个螺纹距。

10、进一步的，加载装置外壳为一圆筒形壳体，圆筒形壳体底部设有底板；在圆筒形壳体的内侧面同一高度上沿圆周均匀间隔固定若干限位板，该限位板为带有凹槽的矩形板件，其凹槽水平朝圆筒中心设置，且凹槽的相对面上设有滚珠；大齿轮水平设置在加载装置外壳内，大齿轮的水平边缘嵌入各限位板的凹槽内。

11、进一步的，加载装置还包括四根圆立柱、传力板、抗倾板；四根圆立柱分别竖直固定在底板的四角；抗倾板四角开圆孔，分别供加载装置的四根圆立柱穿过，四根圆立柱的底端分别与实验框架顶部四角固定；螺纹杆的底端与传力板连接，抗倾板的上表面开设一定深度的卡槽用于放置测力计，施加载荷时传力板作用于测力计上；另一个快锁紧万向球铰支座固定在抗倾板的下表面中央。

12、有益效果：本发明提出的一种压杆稳定实验教学装置，具有原理明确、演示直观、易于操作、方便携带的优点，可全面、直观地演示各个因素单独作用以及耦合作用对压杆稳定的影响。具体优点如下：

13、1）实验压杆截面形状丰富，压杆更换方便。

14、实验压杆的截面形状包括矩形截面、十字形截面和t形截面，分别适用于弯曲失稳、扭转失稳和弯扭失稳等3种典型失稳模式的展示。实验压杆通过两端的球体与快锁紧万向球铰支座连接，安装和拆卸方便，可快速完成不同失稳模式压杆的更换，课堂演示效率高。

15、2）杆端支承条件可调，调整方便。

16、放松万向球铰时，实验压杆的端部球体可自由转动，以此实现杆端铰接；锁紧万向球铰使得实验压杆端部无法转动，以此实现杆端固接。实验压杆的两端可根据需要方便地实现两端铰接、两端固接以及一端铰接一端固接等3种不同的支承条件。

17、3）侧向支撑的位置可调。

18、实验框架的四个侧面均设有侧向支撑装置，可实现对实验压杆不同主轴方向设置支撑。侧向支撑装置可沿高度调节，以此实现对于不同高度设置支撑，以及设置不同数量支撑的演示需要。

19、4）侧向支承的刚度可调。

20、本发明的变截面支撑圆杆前端抵在实验压杆两侧，通过更换不同刚度的弹簧，实现侧向支撑刚度可调。将弹簧挡板沿槽孔移开，即可抽出原弹簧并完成新弹簧的快速更换。

21、5）加载精细，控制方便。

22、加载时，通过手摇转盘转动小齿轮，小齿轮带动大齿轮，进而带动螺纹杆向下移动对实验压杆端部施加压力。大齿轮旋转1圈对应螺纹杆移动1个螺纹距。加载过程可随时停止，便于观察及讲解。

技术特征：

1.一种压杆稳定实验教学装置，其特征在于，包括实验框架（7）、实验压杆（5）、快锁紧万向球铰支座（4）、侧向支撑装置（6）、测力计（2）、加载装置（1）；实验框架（7）位于整个装置的底部，加载装置（1）设置在整个装置的顶部；两个快锁紧万向球铰支座（4）相对设置，一个固定在实验框架（7）底部中央，另一个固定在加载装置（1）上；实验压杆（5）为一根两端带有球体（26）的等截面杆件，实验压杆（5）居中竖直设置在实验框架（7）的内部，两端的球体（26）对应压入一个快锁紧万向球铰支座（4）中；加载装置（1）用于施加竖直向下的荷载，测力计（2）设置在加载装置（1）的荷载输出端；多个侧向支撑装置（6）连接在实验框架（7）上，用于对实验压杆（5）的侧面多方位支撑。

2.根据权利要求1所述的压杆稳定实验教学装置，其特征在于，快锁紧万向球铰支座（4）包括内侧的弹性套（25）和外侧的锁紧套（24）；内侧的弹性套（25）为外带螺纹、内呈球型的空心圆筒，且空心圆筒的侧壁上沿圆周开有若干竖缝；外侧的锁紧套（24）的内侧面设有与弹性套（25）相匹配的螺纹，通过正反旋转外侧的锁紧套（24）实现弹性套（25）锁紧与放松。

3.根据权利要求1或2所述的压杆稳定实验教学装置，其特征在于，侧向支撑装置（6）包括变截面支撑圆杆（34）、横隔板（29）、槽型夹板（27）、弹簧（35）、弹簧挡板（36）、槽型框（31）；

4.根据权利要求3所述的压杆稳定实验教学装置，其特征在于，实验框架（7）包括底盖（46）、四根角钢立柱（44）、框盖（43）；底盖（46）和框盖（43）分别固定在四根角钢立柱（44）的底部和顶部；其中一个快锁紧万向球铰支座（4）固定在底盖（46）的中央位置；在角钢立柱（44）的两肢沿高度方向间隔成对开设若干第一圆孔（45）；侧向支撑装置（6）的槽型夹板（27）的两块侧板上分别开有相对的第三圆孔（30），通过螺栓（47）连接第三圆孔（30）与角钢立柱（44）的第一圆孔（45），从而将侧向支撑装置（6）连接到实验框架（7）上。

5.根据权利要求3所述的压杆稳定实验教学装置，其特征在于，加载装置（1）包括小齿轮（10）、大齿轮（13）、螺纹杆（19）；大齿轮（13）为能够水平转动的齿盘齿轮，且中心开有螺纹孔（12）；由转盘（8）驱动的小齿轮（10）与大齿轮（13）啮合；螺纹杆（19）与大齿轮（13）中心的螺纹孔（12）连接，螺纹杆（19）的底端作为加载装置（1）的载荷输出端；大齿轮（13）旋转一圈对应螺纹杆（19）移动一个螺纹距。

6.根据权利要求5所述的压杆稳定实验教学装置，其特征在于，加载装置外壳（16）为一圆筒形壳体，圆筒形壳体底部设有底板（18）；在圆筒形壳体的内侧面同一高度上沿圆周均匀间隔固定若干限位板（11），该限位板（11）为带有凹槽的矩形板件，其凹槽水平朝圆筒中心设置，且凹槽的相对面上设有滚珠（15）；大齿轮（13）水平设置在加载装置外壳（16）内，大齿轮（13）的水平边缘嵌入各限位板（11）的凹槽内。

7.根据权利要求6所述的压杆稳定实验教学装置，其特征在于，加载装置（1）还包括四根圆立柱（21）、传力板（20）、抗倾板（3）；四根圆立柱（21）分别竖直固定在底板（18）的四角；抗倾板（3）四角开圆孔（22），分别供加载装置（1）的四根圆立柱（21）穿过，四根圆立柱（21）的底端分别与实验框架（7）顶部四角固定；螺纹杆（19）的底端与传力板（20）连接，抗倾板（3）的上表面开设一定深度的卡槽（23）用于放置测力计（2），施加载荷时传力板（20）作用于测力计（2）上；另一个快锁紧万向球铰支座（4）固定在抗倾板（3）的下表面中央。

技术总结本发明公开了一种压杆稳定实验教学装置，包括实验框架、实验压杆、快锁紧万向球铰支座、侧向支撑装置、测力计、加载装置。两个快锁紧万向球铰支座相对设置，一个固定在实验框架底部中央，另一个固定在加载装置上；实验压杆为一根两端带有球体的等截面杆件，实验压杆居中竖直设置在实验框架的内部，两端的球体对应压入一个快锁紧万向球铰支座中；加载装置用于施加竖直向下的荷载，测力计设置在加载装置的荷载输出端；多个侧向支撑装置连接在实验框架上，用于对实验压杆的侧面多方位支撑。本发明装置具有原理明确、演示直观、易于操作、方便携带的优点，可全面、直观地演示各个因素单独作用以及耦合作用对压杆稳定的影响。技术研发人员：池沛,姚乙宁,彭芯,方润,戴长明,宋欣兰,周煦凯,王茂萍,曹大富受保护的技术使用者：扬州大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27