電磁式振動臺的設計

1、山東*大學學士學位論文摘要本課題來源于青島*有限責任公司相關產品的振動試驗，對產品進行振動試驗的目的在于發(fā)現(xiàn)產品的早期故障，并通過模擬實際工況考核和結構強度試驗，確定所設計、制造的產品在運輸及使用過程中承受外界振動或者自身振動而不至被破壞，通過檢測成品或半成品是否存在連接件松動、共振、焊點漏焊或脫焊、印刷板插腳接觸不良等情況，檢測產品的耐振性能，從而增強產品可靠性，發(fā)揮其性能并達到產品的預期壽命。本課題研究的是設計并制造一個振動臺，本文在詳述國內外振動臺的研究現(xiàn)狀基礎上，充分利用振動臺系統(tǒng)特點及設計要求，詳細介紹了系統(tǒng)設計的原理和具體的設計方法、步驟。本課題設計的振動臺采用電磁鐵作為激振器，從

2、系統(tǒng)的原理設計、動力學分析設計開始，到主要部件的選擇和參數(shù)的確定，建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型并進行系統(tǒng)特性分析，并通過Solidworks進行仿真建模，借助Simulation對設計中的主要部件進行仿真校核，以提高振動臺的使用性能，為本次設計提供了理論基礎。本文運用理論分析設計與試驗研究相結合的方法，進行了對振動臺的設計，并針對振動臺的控制方面進行了論述，在理論設計的基礎上進行加工制造，最終設計并制造出一臺滿足使用要求的振動臺，為本次設計提供了實踐經(jīng)驗。關鍵詞：振動試驗；振動臺；激振器；共振；變頻系統(tǒng)AbstractThe task of the graduation design comes fr

3、om Qingdao * * *Co., Ltd. related products vibration test, the purpose of the product is that the vibration test to detect early failure of products by simulating actual working condition assessment and structural strength test, determine the design, manufacture the product itself withstand external

4、 vibration or vibration during transport and use process without to be destroyed, by detecting the presence or absence of finished or semi-finished connector loose, resonance, spot weld or sealing off, poor contact pin printing plates, etc., detection vibration-resistant performance of the product,

5、thereby enhancing product reliability, to play its performance and achieve the life expectancy of the product.This research project is to design and manufacture a vibration table, on the basis of domestic and foreign research status vibrating table detailing the full use of vibration table system ch

6、aracteristics and design requirements, detailed system design principles and specific design methods and procedures .This paper designed vibration table used electromagnet as exciter, starting from the principle of system design, dynamic analysis and design, to identify the major components of the s

7、election and parameter mathematical model of the system and system characterization, and by Solidworks simulation modeling, with the main components Simulation design simulation verification, improve the performance of the vibrating table, based views designed to provide a theoretical basis.In this

8、paper, the design and experimental research method of combining theoretical analysis carried out on the vibration table design, and for the control of the vibration table were discussed, conduct processing on the basis of theoretical design, final design and manufacture a meet use requirements shake

9、r, based views designed to provide practical experience.Keywords：Vibration test；vibration table；Electromagnetic vibrator；resonance；Frequency conversion control 目 錄摘要IAbstractII1緒論61.1引言61.2課題來源71.3振動臺的分類及國內外現(xiàn)狀81.3.1振動臺的分類81.3.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀102電磁振動臺的理論設計132.1電磁振動臺概述132.1.1振動現(xiàn)象對產品的影響132.1.1振動試驗的目的132.1.2電磁振

10、動臺的設計要求142.1.3電磁振動臺的結構概述152.1.4電磁振動臺的工作原理162.2電磁振動臺的動力學分析172.3電磁振動臺的動力學參數(shù)的計算202.3.1質體1和質體2的計算質量與誘導質量202.3.2有載頻率比和空載頻率比222.3.3臺面振幅與相對振幅的計算及工作頻率的確定222.3.4主振彈簧剛度的計算232.3.5阻尼比與相位差角的計算242.3.6主諧波激振力、基本電磁力和最大電磁力的計算242.3.7電磁振動臺功率的計算252.4電磁振動臺的激磁方式262.5電磁振動臺的電磁參數(shù)計算272.5.1選定氣隙磁密，確定磁極面積272.5.2計算鐵心磁密并求線圈匝數(shù)282.5

11、.3決定電磁鐵的平均工作氣隙和安裝氣隙292.5.5確定導線截面積303電磁振動臺的結構設計313.1機械結構的設計準則313.2主體結構設計323.2.1電磁鐵的設計選型323.2.2主振彈簧的設計選型353.2.3臺面及臺體的設計363.2.4試件試驗工裝的設計373.2.5隔振裝置的設計374重點部位強度分析及校核394.1主振彈簧的校核分析394.2 Simulation校核分析404.2.1 Simulation簡介404.2.1主振彈簧的Simulation分析校核414.2.1臺面的Simulation分析校核445電氣控制系統(tǒng)設計465.1電動振動臺控制系統(tǒng)設計465.1.1變

12、頻系統(tǒng)、信號發(fā)生器和功率放大器簡介465.1.2振動控制儀的選用485.2設備使用說明495.2.1設備使用前注意事項495.2.2設備使用條件505.2.3操作方法505.2.4注意事項516總結527參考文獻538致謝54551緒論1.1引言隨著科學技術、社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，自然資源不斷地被開發(fā)和利用，各種產品在儲存、運輸和使用過程中遇到的環(huán)境變化愈來愈復雜。特別是在航空航天及交通運輸?shù)阮I域，氣候原因、生物因素、力學影響以及電磁影響等多種因素的變化，使產品的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命等方面不同程度的降低。為了更好的保障產品的質量，提高產品的市場競爭力，在產品的生產過程中，需要模擬現(xiàn)實中的各種

13、復雜環(huán)境對產品的影響而進行環(huán)境試驗。產品通過進行環(huán)境試驗，可以得到產品質量方面的信息，暴露設計中的問題，是保證和提高產品質量的重要手段。因此產品市場的競爭和對產品質量的高要求，推動了環(huán)境試驗研究的發(fā)展，同時環(huán)境試驗研究的進步，又進一步促進了產品質量的提高。目前國內外對產品的環(huán)境試驗一般采取綜合性試驗的方法，如對溫度、濕度、振動和沖擊等因素的綜合環(huán)境試驗。據(jù)統(tǒng)計，其中振動試驗是四類因素當中的重要因素，大約占整個環(huán)境因素的27%，可見振動試驗在環(huán)境試驗中突顯重要。表征振動試驗的主要參數(shù)有振動類型、位移幅值、加速度幅值、振動時間以及頻率范圍等。自從在第二次世界大戰(zhàn)中戰(zhàn)斗機等多種軍用設備因受振動而造成

14、損壞的現(xiàn)象引起重視后，為了更好地模擬產品的真實振動環(huán)境，從而對產品的可靠性進行檢驗，20世紀40年代開始人們就引入了振動試驗，振動試驗的目的在于確定所設計、制造的產品在運輸和使用過程中承受外界振動或者自身產生的振動而不至被破壞，并發(fā)揮其最好性能、達到預定壽命的可靠性。隨著對產品性能，尤其是航空航天和道路運輸產品可靠性要求的提高，振動試驗作為可靠性試驗的關鍵試驗因素，其發(fā)展顯得愈來愈重要。在車輛運輸、航空航天的工程領域以及電子元器件、組件、機電產品、儀器儀表、電子玩具、醫(yī)藥及食品包裝等領域，產品在使用過程中或多或少都存在于一定的振動環(huán)境中。其中振動引起的設備破壞是產品使用過程中發(fā)生故障的主要因素

15、之一，許多設備的故障都與振動的影響有著直接或間接的關系。很多國家都投入了大量的人力、物力和財力來研究模擬各種產品在使用過程中的振動問題，而我國制造業(yè)企業(yè)界也認識到產品的環(huán)境適應性試驗的重要性，環(huán)境適應性試驗是考核產品質量的重要手段，通過環(huán)境試驗結果的反饋，是保證和提高產品質量的重要依據(jù)。目前，振動臺振動試驗作為模擬振動環(huán)境、檢驗產品的動強度及可靠性的一種便捷有效手段，已經(jīng)被廣泛地用于產品的性能考核和動強度鑒定中。人們對振動環(huán)境試驗的研究也愈來愈重視，成為現(xiàn)代企業(yè)對產品進行動態(tài)設計和校核必不可少的重要程序。振動臺還可以用于加速度計的校準，也可用于電聲器件的振動性能測試和其它的振動試驗。1.2課題

16、來源本課題來源于青島*有限責任公司相關產品的振動試驗檢測，青島*有限責任公司是為石油、化工領域提供儲運安全設備的專業(yè)公司。目前有靜電接地報警器、溢油靜電保護器、人體靜電釋放報警儀三大系列產品。作為國內市場的佼佼者，澳波泰克集研發(fā)、生產、銷售和服務于一身，為保障產品質量，提高產品的市場競爭力，在產品的生產過程中需要模擬現(xiàn)實的各種復雜環(huán)境對產品做振動試驗。對產品進行振動試驗的目的在于發(fā)現(xiàn)產品的早期故障，并通過模擬實際工況考核和結構強度試驗，確定所設計、制造的產品在運輸及使用過程中承受外界振動或者自身振動而不至被破壞，通過檢測成品或半成品是否存在連接件松動、共振、焊點漏焊或脫焊、印刷板插腳接觸不良等

17、情況，檢測產品的耐振性能，從而增強產品可靠性，發(fā)揮其性能并達到產品的預期壽命。振動臺可用于使用中有可能受到振動條件影響的元器件和設備，進行環(huán)境接收試驗、品質鑒定試驗、可靠性鑒定試驗、耐久試驗、振動模態(tài)分析、材料特性試驗、疲勞試驗和振動防治改善等。本課題研究的目的是設計并制造一個振動臺，充分利用振動臺系統(tǒng)特點及設計要求。本文詳細介紹了系統(tǒng)設計的原理和具體的設計方法、步驟。從系統(tǒng)的原理設計、動力學分析設計開始到主要部件的選擇和參數(shù)的確定，建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型并進行系統(tǒng)特性分析，并通過Solidworks進行仿真建模，借助Simulation對設計中的主要部件進行仿真校核，以提高振動臺的使用性能。本

18、文運用理論分析設計與試驗研究相結合的方法，進行了對振動臺的設計，并針對振動臺的控制方面進行了論述，為本次設計提供了理論基礎和實踐經(jīng)驗。1.3振動臺的分類及國內外現(xiàn)狀1.3.1振動臺的分類振動臺從復現(xiàn)的信號、激振的原理和激振的方向上有多種分類方法。振動臺從復現(xiàn)信號的類型上分為正弦振動臺、隨機振動臺和正弦加隨即振動臺；從激振方向上分為單自由度振動臺和多自由度振動臺；從激振方式上主要分為機械式振動臺、電液式振動臺和電磁式振動臺：（1）機械式振動臺：主要分為直接作用式、離心式和機械共振式三類。 離心式（即不平衡重塊式)振動臺，是以偏心塊旋轉時產生的離心力產生振動來激振振動臺臺面，激振力的大小與不平衡力

19、矩和轉速的平方成正比；直接作用式振動臺是利用凸輪或曲柄連桿等機構直接驅動臺面，振動臺運動部分的位移取決于凸輪的偏心量或曲軸的臂長，激振力隨試驗部分的質量而變化；共振式振動臺則是利用共振原理，通過調節(jié)支撐振動臺的彈簧的剛度改變振動臺的固有頻率，即可使振動臺在不同頻率下產生振動。機械式振動臺結構簡單，運行費用低，并且振幅和頻率變化無關；主要缺點是其能夠產生的激振頻率較低，加速度波形失真很大，運行行程小，波形失真大，并且只能進行正弦波試驗，激振方向也只限于單向?？傮w來說，低頻率，大負載，波形差但價格低廉，己經(jīng)不能夠滿足目前的多數(shù)情況的使用要求，目前已經(jīng)不太廣泛使用。（2）電液式振動臺：使用電液伺服閥

20、作為電控信號和液壓動力的轉換部件，通過油壓（或氣壓）使傳動裝置產生周期性正弦振動或隨機振動，可作大型結構或部件模擬和實物試驗，其優(yōu)點是易于自動控制和多臺并激，結構牢固，抗橫向負載能力強，容易實現(xiàn)大位移振動。振動波形為正弦、三角、矩形、隨機，可做大沖程試驗，與輸出力（功率）相比，尺寸相對較小。具有阻尼小，推力大和位移比較大等優(yōu)點，超低頻，大激振力，其局限性在于其高頻性能較差，上限工作頻率低，波形失真較大，而且電液式振動臺設備復雜，價格高，對基礎要求較嚴，這種振動臺因其大推力、大位移可以彌補電動振動臺的不足，負載能力強可以用作大型設備的試驗和模擬，并能夠彌補電動臺在這方面的不足，電液臺的在未來的振

21、動試驗中仍然發(fā)揮作用，在軍事和航天領域仍具有比較廣闊的應用，適用于船舶、車輛、運輸行業(yè)等要求頻率低，而體積較大、較重的部件或整機進行可靠性試驗。（3）電磁式振動臺：根據(jù)激振方式的不同，可分為電動式驅動與電磁式驅動兩大類。電動式驅動振動臺主要由直流電激磁的磁環(huán)或永磁環(huán)、中心磁極和通有交流電的可動線圈等組成，其中可動線圈與振動桿或振動機體相連接；而電磁式驅動振動臺由鐵心、電磁線圈、銜鐵和主振彈簧等組成，其中鐵心通常與臺體（平衡質體）固接，而銜鐵則與臺面或振動機體固連。電磁式振動臺是目前使用最廣泛的一種振動試驗設備，它的頻率范圍寬，能夠較好的復現(xiàn)各種振動信號，小型振動臺的振動頻率范圍為010kHz，

22、大型振動臺頻率范圍為02kHz，電磁式振動臺的振幅動態(tài)范圍寬，易于實現(xiàn)手動或自動控制，加速度波形好，可得到很大的加速度，振動波形為正弦、三角、矩形，可以產生隨機波，能進行高精度控制，只有較小的失真和噪聲。電磁式振動臺適用于航空航天、通訊電子和交通運輸?shù)刃袠I(yè)中產品的質量體系認證的振動檢驗、科研和生產線上產品的品質鑒定試驗、可靠性鑒定試驗、耐振檢查試、疲勞試驗和零部件的振動模態(tài)分析、振動防治改善等。1.3.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀國外對振動臺的研究始于20世紀，在經(jīng)過二次世界大戰(zhàn)之后，由于航空業(yè)的迅速發(fā)展，對于振動試驗的要求日益提高，使得振動臺的發(fā)展越來越受到各國的重視，從而迎來了一個快速發(fā)展的時期。國外

23、在振動臺方面的研究逐漸形成產業(yè)化、系列化，許多研究所和高校也開始振動臺方面的研究工作，振動臺技術逐漸成熟，性能也有較大提高。日本的三菱公司、德國的力士樂公司在振動臺的研究上處于比較領先的地位；美國的MTS是最早生產振動臺的公司之一，其產品應用于材料試驗、道路模擬、地震模擬和海浪模擬等領域；美國的TEAM公司也是振動臺的主要生產商之一。此外主要的振動臺生產商還有英國的Derrition公司、法國的 Prodera公司等，目前世界上在振動控制領域比較領先的公司有Data Physics，其產品種類齊全，涵蓋了多軸控制器和單軸控制器。此外還有美國的Wyle公司，其在振動控制器的設計、制造等方面也處于

24、世界領先的地位，SD公司目前在多軸控制器的設計方面具有多項獨有技術，其產品的功能也是最為豐富的。同時美國的MTS公司、STI公司和Spectral Dynamics等公司的產品也因為其產品的高品質和可靠性得到廣泛的應用。國內對振動臺研究較國外起步較晚，始于五十年代，當時主要使用的是機械和電動振動臺，但是這兩種振動臺有明顯的缺陷，如承載能力有限，復現(xiàn)信號的形式有限，不能滿足在大負載、高精度情況下的應用要求。而液壓振動臺能夠有效地彌補機械和電動振動臺的不足，并且可以應用在模擬地震、路面顛簸、海浪和沖擊等領域。六十年代中期，液壓振動臺的研究才逐步進入我國研究者的視線，中國航天科技集團公司第一研究院北

25、京強度環(huán)境研究所（702所）為滿足航天產品振動試驗的需要，開始了振動試驗系統(tǒng)的設計開發(fā)和研究制造，研制出推力10N至100kN的液壓振動臺及各種振動測量儀表和傳感器，但是當時開發(fā)研制的主要是單自由度的振動臺。隨著航天航空、軍事科技和道路模擬的發(fā)展需要，液壓振動臺的發(fā)展在國內逐步加快，伴隨著電液伺服控制技術和相關領域的技術發(fā)展，國內研制的振動臺性能和水準在八十年代有了較快提高。八十年代以前，我國在振動控制領域與發(fā)達國家之間有很大差距，但是隨著不斷地研究和積累，我國在振動控制上也取得了一定的成績，國內從事振動臺方面研究工作的主要有北京航天大學、航天部702研究所、浙江大學和西安交通大學等。進入九十

26、年代后我國在振動控制領域有了比較快的發(fā)展，國內的許多學者在振動控制的理論方面取得比較重要的成果，提出了基于多抽樣理論對頻響函數(shù)進行估計的方法。目前，702所的振動試驗設備不僅在航天領域發(fā)揮著重要作用，而且在其他行業(yè)的作用也舉足輕重，另外，國內也有多所知名高校和研究機構也在進行振動臺方面的研制，主要有哈爾濱工業(yè)大學、武漢理工大學、中國地震局工程力學研究所等。在振動臺的控制方面，功率放大器發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了三代，從電子管放大器到晶體管線性放大器，再到數(shù)字式開關放大器，電子管放大器在新興的設備中己基本被淘汰，開關式放大器是近幾年國外開發(fā)的，它利用了晶體管的開關特性，管耗很小，效率可高達90%，而普

27、通的線性放大器的效率只有50%左右。由于開關放大器本身發(fā)熱較少，因此它的冷卻系統(tǒng)就非常簡單，輸出功率幾十千伏安的放大器僅通過很小的軸流風機就可以冷卻下來，使設備的結構簡單可靠，而同樣的線性放大器必須要用水來冷卻，結構復雜；數(shù)字式開關放大器在低功率輸出時失真度相對較大，而且機殼需要較好的電磁屏蔽，否則會對周圍設備造成電磁干擾；開關式放大器的另一項重要指標就是開關中心頻率的高低，它一般要求大于振動臺上限工作頻率的1020倍，開關中心頻率接近振動臺上限工作頻率，將給調制解調后的波形濾波電路帶來困難，從而影響波形失真。2電磁振動臺的理論設計2.1電磁振動臺概述2.1.1振動現(xiàn)象對產品的影響現(xiàn)代機械產品

28、對功能的要求十分嚴格，對產品結構的動態(tài)特性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，而振動是影響機械產品性能的主要因素，因此了解振動現(xiàn)象對產品的影響顯得尤為重要。（1）結構性損壞：這種破壞包括組成產品的各構件產生變形、彎區(qū)裂紋、斷裂以及疲勞損壞等；（2）工作性能失靈：這種破壞一般指在振動的影響下，系統(tǒng)造成不穩(wěn)定性能越差，有些系統(tǒng)甚至不能正常工作；（3）工藝性能破壞：這種破壞一般指產品的連接件松動，焊點脫焊，螺釘松動， 印刷板插腳接觸不良等。無論哪種破壞都將導致產品的工作不穩(wěn)定，甚至損壞。為了提高產品的可靠性需要通過振動試驗來暴露產品的薄弱環(huán)節(jié)，改進產品設計，使產品在運輸和使用過程中盡量減少故障率。這是振動試驗

29、的最終目的。目前在實驗室中進行振動試驗的形式最常用的是正弦試驗和隨機振動試驗。2.1.1振動試驗的目的振動臺試驗是通過模擬振動環(huán)境，發(fā)現(xiàn)產品的早期故障，并通過模擬實際工況考核和結構強度試驗，確定所設計、制造的產品在運輸及使用過程中承受外界振動或者自身振動而不至被破壞，通過檢測成品或半成品是否存在漏焊、虛焊、共振等情況，檢測產品的耐振性能，從而增強產品可靠性，發(fā)揮其性能并達到產品的預期壽命。通過振動試驗確定產品經(jīng)受振動的能力，適用于航空航天、通訊電子和交通運輸?shù)刃袠I(yè)中產品的質量體系認證的振動檢驗，科研和生產線上產品的品質鑒定試驗、可靠性鑒定試驗、耐振檢查試、疲勞試驗和零部件的振動模態(tài)分析、振動防

30、治改善等。振動臺的用途很廣泛，但歸結起來大致有以下幾個方面：（1）產品、構件、材料的耐振疲勞試驗； （2）環(huán)境例行振動試驗：包括檢測產品或構件的共振頻率，模擬產品或構件在運輸及實際使用過程中遭受的振動，以便提高其可靠性；（3）動態(tài)特性試驗：測試構件或材料對振動的物理效應（如應力變化等），為設計提供可靠數(shù)據(jù)；（4）確定產品的機械弱點和使用性能是否下降，以評定其結構的可靠性、耐振性和完好性。當然振動臺的用途遠不止這些，例如對各類傳感器（如加速度計、速度計、位移計等）進行標定。利用振動也可對大型鑄件和大件消除應力代替回火處理和時效處理等。2.1.2電磁振動臺的設計要求為保證設計可以滿足使用需求，需滿

31、足以下設計要求：（1）振動臺臺面尺寸：4040cm；（2）最大負載：30kg；（3）振動方向：垂直；（4）振動幅度：0-5mm，振動幅度可調節(jié)；（5）電源：220V AC 50Hz；（6）能保證長時間連續(xù)穩(wěn)定的工作，運行過程中保證不出現(xiàn)振動臺損壞、跳動的情況。2.1.3電磁振動臺的結構概述電磁式振動臺一般由臺體、臺面、電磁鐵、銜鐵、主振彈簧、隔振裝置及電氣控制部分構成。電磁鐵和銜鐵作為振動臺的激振器，是使臺面及試件產生振動的能源部件，所以激振器的設計是本次設計的核心部分，其次，主振彈簧起著非常重要的作用，因此也是本次設計的重點。（1）電磁激振器：由電磁鐵和銜鐵組成，電磁鐵通電產生可以電磁力，在

32、鐵芯的外部纏繞與其功率相匹配的導電繞組，對其通入電流后的線圈像磁鐵一樣具有磁性，為了使電磁鐵斷電后能立即消磁，我們往往采用消磁較快的軟鐵或硅鋼材料來制作，這樣的電磁鐵在通電時有磁性，斷電后磁性就隨之消失，本次設計選用電磁鐵做為；銜鐵固定在電磁振動臺臺面上中被電磁鐵吸上吸下，運動后和電磁鐵構成閉合磁路，使工作回路閉合，一般由硅鋼材料制作。（3）主振彈簧：聯(lián)接臺面和臺體，當臺面在電磁力作用下向下運動時儲蓄勢能，在電磁力消失時，彈性勢能作用使得臺面恢復到起始位置。（4）臺面：激振力的主要作用面，用于被測試件的固定，將激振器產生的振動信號傳遞給試件。（5）臺體：電磁振動臺的主體部分，用于電磁鐵的固定、

33、主振彈簧的固定和臺面的固定。（6）隔振裝置：為了減小振動臺工作對周圍設備的影響，采用橡膠底座將振動臺與整個地基隔離起來，以減小動力的傳遞。（7）電氣控制部分：主要包括變頻系統(tǒng)、信號發(fā)生器和功率放大器，電磁鐵所產生的電磁激振力取決于電磁鐵線圈的激磁方式，供電線路的供電方式直接決定著電磁振動臺的振動?？刂撇糠之a生各種振動試驗要求的激勵信號，如正弦信號、隨機信號、正弦加隨機信號、隨機加隨機等振動試驗信號等，并能使振動臺能夠按照試驗規(guī)范和相關國家標準調節(jié)振動參數(shù)和振動量級。圖2.1 振動臺的基本結構2.1.4電磁振動臺的工作原理電磁激振器由電磁鐵和銜鐵組成，其工作原理如圖2.1所示，質體 由試件、臺面

34、和銜鐵構成，質體由振動臺臺體和電磁鐵等構成。兩質體間用主振彈簧連接，形成一個雙質體定向振動，整個系統(tǒng)通過隔振裝置固定在固定架上。當電源接通后，電流經(jīng)控制器部分產生半波整流后的脈動電流，只有正半周時有電流通過，此時在電磁鐵與銜鐵間產生一個脈沖電磁力，使向下運動，主振彈簧被壓縮；而在負半周時，電磁力消失，主振彈簧的勢能使得向上運動，從而使他們交替的吸引，就使銜鐵產生了上下方向的垂直振動。振動質體和的質量與主振彈簧剛度的選擇應使整個振動臺系統(tǒng)的固有頻率略高于強迫振動的頻率，也就是說將該振動系統(tǒng)調整到近共振狀態(tài)。在本次振動臺的設計中，主振彈簧是很重要的部件，它的正確選擇與否，除了可以顯著降低所需的電磁

35、激振力外，還可以使振動臺能夠穩(wěn)定的工作。另外，由于激振器產生的電磁力為周期變化的強迫作用力，振動臺是一個以電磁力為周期干擾力的強迫振動系統(tǒng)，因此激振器的精確控制是提高電磁振動臺性能的一個重要因素。2.2電磁振動臺的動力學分析電磁振動臺動力學分析的目的是：選擇合適的工作點，使機體振幅有較好的穩(wěn)定性。本次設計的振動臺其機構簡圖及力學模型如圖2.2所示：圖2.2 系統(tǒng)動力學簡圖 （2-1）式中： ， 質體1和質體2的質量（kg）；質體1和質體2相對運動的阻力系數(shù)；隔振裝置沿振動方向的剛度(N/m)；主振彈簧的剛度(N/m)；， 質體1和質體2沿振動方向的位移(m)；，質體1和質體2沿振動方向的速度(

36、m/s)；，質體1和質體2沿振動方向的加速度(m/s )；激振力的幅值(N); 角頻率(rad/s);初位相角(); 作用時間(s)因為電磁振動臺通常工作在主諧波力共振區(qū)附近，所以近分析共振區(qū)附近的振動。電磁式振動臺隔振裝置的彈性力通常比質體1和質體2的慣性力及主振彈簧的彈性力小得多，在精確計算時，可以把隔振裝置的剛度歸化到質量和中去。電磁式振動臺一般采用近共振類，頻率比1，為減小傳給基礎的動載荷，所以采用隔振式。正常工作時，質體1及質體2的計算質量為： （2-2） （2-3）式中：， 質體1和質體2的計算質量；振動臺工作頻率；物料質量結合系數(shù)；， 換算至，的彈簧質量結合系數(shù)；振臺上的負載質量

37、（kg）；主振彈簧k的質量（kg）。對于大多數(shù)電振機，計算質量，絕對運動阻尼力對機體振動的影響并不明顯，可忽略不計。在電磁振動臺正常工作時，自由振動將會很快消失，余下只有電磁振動臺的強迫振動，因此求得在平均電磁力作用下，質體1對質體2的相對靜位移： （2-4） 其中： 式中：A電振機的特征數(shù)； 基本電磁力； 考慮不變電感系數(shù)影響時的基本磁通密度；不變電感系數(shù)； 空氣磁導率，（H/m） ； 交流磁密相對于交流電源電壓的相位差角；w 線圈匝數(shù)； ， 平均工作氣隙時電路內漏感與總電感； 電磁鐵鐵心一個磁極的截面積（）； 交流電壓有效值（V）。 2.3電磁振動臺的動力學參數(shù)的計算2.3.1質體1和質體

38、2的計算質量與誘導質量為了減少傳給基礎的動載荷，電磁振動臺通常采用雙質體近共振的振動系統(tǒng)，并將隔振裝置的剛度選得較小。隔振裝置的剛度 為： （N/m） （2-5）式中： 隔振系統(tǒng)的固有頻率，取=300 （r/min）。則： （N/m）空載時的質體1和質體2的計算質量 、： （2-6）式中：換算至的彈簧質量結合系數(shù)，取=0.4；換算至的彈簧質量結合系數(shù)，取=0.6；空載時的誘導質量： （2-7）則： （kg）（kg）（kg）有載時的質體1和質體2的計算質量 、 ： （2-8）式中： 物料結合系數(shù)，取=0.2 。有載時的誘導質量為： （2-9）則： （kg）（kg）（kg）2.3.2有載頻率比和空

39、載頻率比電磁式振動臺的有載頻率比，取=0.9 。根據(jù)有載情況下的頻率比，可以計算出空載頻率比為： （2-10）式中： 物料結合質量與質體1的計算質量之比，即；與之比，即。則： 。電磁振動臺使用前，應將其工作點調整到所要求的空載頻率比。由上式看出，愈大，應愈小。2.3.3臺面振幅與相對振幅的計算及工作頻率的確定振次 一般根據(jù)實際需要及電磁振動臺的形式?jīng)Q定；質體1的振幅是根據(jù)試件的運動狀態(tài)來決定的。根據(jù)本次設計要求，質體1對質體2的相對振幅 為5mm，則： （2-11） （2-12）式中：D拋擲指數(shù)，取D=3； 工作面傾角，取=； 振動方向線與工作面之間的夾角，取 =； 重力加速度。則由（2-12

40、）、（2-13）變形可得：（mm）（次/min）2.3.4主振彈簧剛度的計算主振彈簧剛度可以按空載頻率比進行計算，即 （2-13）式中： 實際彈簧剛度變化的百分比，當定感系數(shù) =0.2時，半波整流電振機的晶閘管觸發(fā)角 = 的=0.083 。則（N/m）一般螺旋彈簧剛度的準確性較高，可取較大值。2.3.5阻尼比與相位差角的計算根據(jù)試件的質量與電磁振動臺質量的比值，取阻尼比b=0.03。根據(jù)阻尼比b和實際頻率比 ，可以計算出位移落后于主諧波激振力的相位角 ： （2-14）則對于頻率比的情況，即工作頻率小于固有頻率的電磁振動臺，通常為,一般是。故取值合理。2.3.6主諧波激振力、基本電磁力和最大電磁

41、力的計算主諧波激振力幅值，是根據(jù)所要求的振幅或相對振幅來決定的： （2-15）基本電磁力為： （2-16）式中：對交流激磁的電磁振動臺， =0.5；對激振力為諧波形式的半波整流電磁振動臺， ， 為發(fā)生最大磁密時的電磁振動臺特征數(shù)；對激振力為非諧波形式的電磁振動臺，的取值為則 （N）最大電磁力為： （2-17）式中：A電磁振動臺特征數(shù)。則（N）2.3.7電磁振動臺功率的計算電磁振動臺的機械功率，即為激振力輸出的功率： （2-18）最大功率為： （2-19）式中： 電磁鐵效率，取=0.85。則：（kW）（kW）2.4電磁振動臺的激磁方式電磁振動臺的振動是通過電磁激振器產生的周期變化的電磁力作為強迫

42、作用力來維持的，其持久而穩(wěn)定的振動取決于電磁激振器的精確控制。而電磁激振器所產生的電磁激振力，則取決于電磁鐵線圈的激磁方式。因此，電磁鐵線圈的激磁方式直接決定著電磁激振器的振動。同時，線圈不同的激磁方式，還直接影響到電磁激振器的結構、電磁振動臺的整體結構以及電磁振動臺的調節(jié)方式。因此，很好的選擇與設計振動臺電磁鐵線圈的激磁方式，對電磁振動臺的設計有重要的意義?；诒敬卧O計要求，選用可控半波整流間歇觸發(fā)激磁。這種激磁方式，晶閘管每間隔一個周期觸發(fā)一次，所需的彈簧剛度和數(shù)量約為半波整流激磁方式的四分之一。對機體剛度的要求較低，這種激磁方式所采用的振幅較大，可滿足本次設計要求。但所需要的電磁鐵氣隙大

43、，故漏磁較大，電流較大，功率因素也較低。2.5電磁振動臺的電磁參數(shù)計算電磁式振動臺電磁力的產生，可以簡單的理解為：當電磁鐵的激磁線圈通過電流以后，就要產生磁通，并經(jīng)過電磁鐵的鐵心和銜鐵形成閉合回路。由于電磁能的存在，在電磁激振器的鐵心與銜鐵之間產生電磁吸力。因為磁通或磁通密度是周期變化的，所以電磁振動臺的電磁激振力也是周期變化的。從靜態(tài)試驗測量的結果表明：電磁力F與氣隙的平方成反比，與電流的平方近似成正比。但電流過大時，電磁鐵將逐漸達到磁飽和狀態(tài)，電磁力的增大將緩慢。因此從理論上可以認為：鐵心與銜鐵之間的電磁力的大小，是由于電磁鐵內磁能的變化而引起的。在磁通密度與磁動勢成直線關系的區(qū)段，電磁力

44、與氣隙磁通密度的平方及磁極截面積成正比。同時電磁力與電流平方成正比，與氣隙平方成反比。2.5.1選定氣隙磁密，確定磁極面積氣隙基本磁密許用值是根據(jù)鐵心硅鋼片的許用值確定的，選擇許用磁密的原則是既不浪費電磁鐵又不致出現(xiàn)過飽和。出現(xiàn)過飽和會引起電流有效值增大，功率因數(shù)降低，功耗增加，電磁鐵溫度升高。對于本次設計，選定許用氣隙基本磁密=0.65T。由主諧波激振力幅值 ，可求出磁極面積S為： （ ） （220）式中：電阻影響系數(shù)，取=0.96；磁力線邊緣效應系數(shù)，取=1.1；空氣磁導率，取H/m；電磁鐵鐵心一個磁極氣隙的截面積， 。則 （）2.5.2計算鐵心磁密并求線圈匝數(shù)鐵心中交流磁密幅值 為 （2

45、-21）式中：硅鋼片壓緊程度系數(shù)，取=0.95；考慮涂漆層厚度的系數(shù)，取=0.95；漏磁系數(shù)，當安裝氣隙=2.56mm時，可取=1.151.50，取=1.50。則：（T）考慮、的影響，線圈匝數(shù)為： （2-22）式中：u交流電壓有效值，V；綜合影響系數(shù)，取=0.92；f電源頻率，50Hz。則：（匝）2.5.3決定電磁鐵的平均工作氣隙和安裝氣隙 （2-23）式中：基本電磁力，N；k主振彈簧剛度，N/m；相對振幅，m；主振彈簧靜變形，m；比振幅， ，通常取=0.70.8，取=0.8。則： mm2.5.4計算電流有效值基本電流為： （2-24）式中：考慮鐵心磁阻的影響而引入的修正系數(shù)，取=1.2?？傠?/p>

46、流有效值I為： （2-25）其中 式中：相對振幅與平均工作氣隙 之比；位移落后于激振力的相位差角；電流系數(shù)。則 （A）（A）2.5.5確定導線截面積導線截面積 根據(jù)電流密度的許用值計算： （2-25）式中：I電流有效值，A；電流密度的許用值，對于小型電振機，取=2 。則：（）3電磁振動臺的結構設計3.1機械結構的設計準則產品的質量基本上取決于設計質量。制造過程對產品質量所起的作用，本質上就在于實現(xiàn)設計時所規(guī)定的質量。因此，產品的機械機構的設計階段是決定機器好壞的關鍵。為了保證所設計的機械結構能安全、可靠的工作，大體應滿足以下設計準則：（1）對于由于損壞可能會對產品的安全性和可靠性有較大不利影響

47、的設備或零件，所用材料其環(huán)境適應性和耐久性必須建立在經(jīng)驗或試驗的基礎上，還要考慮環(huán)境的影響，如溫度、濕度、振動和大氣污染等；（2）產品的每個構件必須適當?shù)丶右苑雷o，以防止因溫濕度、腐蝕、老化、磨損等原因引起的損傷或機械強度降低；（3）產品中若相鄰結構有較大溫差，必須要注意熱變形引起的過應力，從而防止設備或零件的損壞；（4）設計中應盡量減少應力集中點，減少或避免附加彎矩，控制復雜載荷的應力出現(xiàn)，避免不利的傳力形式出現(xiàn)；（5）為了提高結構的抗疲勞能力，在設計中必須注意：合理的選材；減少應力集中（如斷面的急劇變化、尖角、銳邊、表面粗糙度等)；控制尺寸公差，以免負公差的累積導致構件的斷面厚度偏小；盡量

48、釆用干涉配合的緊固件；局部關鍵部位應進行強化；在噪聲疲勞部位（電磁鐵附近)，應降低工作應力，或釆用夾層結構。為防止某個構件的損壞而引起其它構件的損壞，在設計時應釆用止裂措施、多路傳力設計、多重元件設計。密封材料應具有良好的耐磨、耐壓、耐油、耐高低溫和抗老化的性能。3.2主體結構設計3.2.1電磁鐵的設計選型（1）選擇鐵心型式及結構合理的選擇鐵心結構，不僅可以有效地利用硅鋼片，減少加工工時，還可以減少漏磁，并有利于安裝與調節(jié)。電磁鐵的鐵心結構主要有三種：型、型和H型。其中型鐵心結構簡單，漏磁少，但結構較不緊湊；型鐵心的結構較緊湊，便于安裝，其缺點是漏磁較大，一般用于小型電磁振動臺中；H型電磁鐵的

49、結構復雜，控制和調節(jié)困難，目前只在少數(shù)電磁振動臺中采用?；诒敬卧O計要求，設計選用型鐵心。電氣元件應用廣泛，品類繁多，但由于其工作原理、使用場合不同，鐵心的結構形式也各不相同。電流互感器、電磁磁放大器、零序互感器等釆用的是靜止式鐵心，起控制和放大電信號的作用；而接觸器、繼電器、電磁鐵等釆用的是運動式鐵心，把電信號轉化為機械動作。運動式鐵心由靜鐵心(磁軛）和動鐵心（銜鐵）組成，工作中處于頻繁吸合與釋放的狀態(tài)，其極面可能要承受反復的接觸碰撞。因此，要求鐵心除具有良好的磁性外，還應具有一定的機械沖擊韌性和耐磨性等，以保證設備的可靠運行?；诒敬卧O計要求，設計選用運動式鐵心。運動式鐵心按勵磁電流的種類

50、不同，可分為直流勵磁鐵心和交流勵磁鐵心。直流勵磁鐵心在穩(wěn)定狀態(tài)下通過恒定的磁通，沒有渦流和磁滯損耗，為加工方便，常用整塊低碳鋼或電工純鐵等材料制成；而交流勵磁鐵心則通過交流磁通，產生渦流和磁通渦流，為減少渦流渦流常用涂有絕緣層，常使用厚度為0. 351mm，含碳量低于4. 5%的硅鋼片疊壓而成，一般稱之為疊壓式鐵心。與勵磁鐵心相比，交流疊壓式鐵心機械強度不高，制造工藝復雜，但它能產生良好的磁通，易于實現(xiàn)其精確控制?；诒敬卧O計要求，設計選用交流疊壓式鐵心。綜上所述，結合本次設計的要求，選用型、交流疊壓式運動鐵心。（2）硅鋼片的選擇硅鋼片按軋制方式可分為熱軋和冷軋兩類，按硅鋼片晶粒取向分為晶粒取

51、向和晶粒無取向兩大類。從勵磁性能來看，熱軋硅鋼片的工作磁感應強度為1.01.2T，而冷軋硅鋼片一般都可工作在1.51.6T，其硬度也比熱軋硅鋼片要高。由于冷軋硅鋼片在性能上優(yōu)于熱軋硅鋼片，其磁導率和磁密值比熱軋硅鋼片高1.31.5倍，故在電氣行業(yè)中熱軋硅鋼片正在被淘汰。綜合上述一些理由，本次設計選用冷軋無取向硅鋼片。渦流產生的磁場會減弱主磁場，由于鐵心的中部所交鏈的渦流回路數(shù)量最多，所以中心部分的去磁作用也就最明顯，沿邊緣的磁通多于中間的磁通，而釆用薄硅鋼片，則可有效地減少渦流，硅鋼片越薄，其效果越好，但是在鐵心制造中，硅鋼片越薄，加工工藝越復雜，加工越困難，成本越昂貴。而且硅鋼片間絕緣所占尺

52、寸相對增加，使疊片系數(shù)下降，造成磁通密度增高。因此，硅鋼片也不宜過薄。目前變壓器采用的硅鋼片厚度一般為0.230.50mm。本設計出于經(jīng)濟性和工藝性考慮，選用厚度為0.35mm的硅鋼片。鐵心的結構型式各異，但基本組成相同。常見的疊片式鐵心由硅鋼片、分磁環(huán)（短路環(huán))、 鉚釘、夾板等四部分組成。為保證單位時間內穿過的磁力線相等，取型硅鋼片兩邊磁極的面積為中間磁極面積的一半，因為中間磁極與兩邊磁極的長度相等，所以兩邊磁極的寬度為中間磁極的一半，可以設定型硅鋼片中間磁極的寬度為40mm，則兩邊磁極的的寬度為20mm，硅鋼片的高度取為80mm。又由硅鋼片的厚度為0.35mm,可以計算出共需要75/0.3

53、5=214片硅鋼片。（9）銜鐵的設計銜鐵即運動式鐵心，與鐵心共同組成電磁鐵。銜鐵由0.35mm一字形硅鋼片迭裝而成，用螺栓固定，并將其焊接固定到振動臺面上，并與鐵心保持一定的間隙。本次設計釆用冷軋無取向硅鋼片作為銜鐵材料，與鐵心材料相同。由前一節(jié)的計算推導，可以計算出銜鐵共需要214片硅鋼片，銜鐵的高度取為20mm。硅鋼片的寬度是按照電磁鐵的導磁面積所設計，這樣保證電磁鐵和銜鐵的橫截面積基本相同，從而形成一個電磁回路；為保證銜鐵和臺面能夠穩(wěn)定牢固聯(lián)接，將銜鐵與臺面底部通過焊接方式聯(lián)接。3.2.2主振彈簧的設計選型由于本次設計振幅較大，所以氣隙較大，使得漏磁也相應增大，則顯著增大了線圈內的電流，

54、造成功率因素降低。由于振幅大，彈簧應力增大，這時采用螺旋彈簧較為合適。由式（2-13）可知，取主振彈簧的總剛度k=1600000N/m，本次設計初步選用4個主振彈簧，則每個彈簧的剛度為400000N/m，即 =400N/mm。由已知條件，主振彈簧的自由高度為120mm，為保證銜鐵和鐵心不致相互碰撞沖擊，取主振彈簧的壓并高度為110mm，根據(jù)彈簧剛度，取彈簧的絲徑為8mm，彈簧中徑為55mm，主振彈簧設計見圖3.1所示。圖3.1 主振彈簧的設計3.2.3臺面及臺體的設計臺體是各種機械部件聯(lián)接的基本部件，它主要是起支承作用；設備的其他部件一般固定在臺體上，有些部件是在臺體的上運動；臺體起到基準的作

55、用，以保證各部件間正確的相對裝配位置，并且使整個設備組成一個整體。在其他部件及試件本身的重量和工作過程中的載荷（包括各種沖擊力）作用下，臺體要有足夠的強度，并且變形不超過允許值。此外還應考慮機體的動剛度、阻尼、熱變形、尺寸穩(wěn)定性、疲勞強度等。臺體是本次設計振動臺中尺寸最大的部件，它往往與設備的整體布局，設備的造型美觀， 操作方便，加工工藝性等都有很大關系。臺體的尺寸除了應滿足結構設計要求外，還必須按配重的要求來確定其重量，需要時外加配重進行調整。盡量做到既滿足強度要求，又節(jié)省材料，設計經(jīng)濟合理。考慮到本次設計要求，臺體主體采用10mmQ235-A材質的鋼板，以滿足本次設計需要。為防止電磁激振器由于上下振動，相互沖擊造成的損壞，臺體上設計四個限位裝置，限位裝置采用4*3.5*3.5角