电磁式振动台的设计

1、山东*大学学士学位论文摘要本课题来源于青岛*有限责任公司相关产品的振动试验，对产品进行振动试验的目的在于发现产品的早期故障，并通过模拟实际工况考核和结构强度试验，确定所设计、制造的产品在运输及使用过程中承受外界振动或者自身振动而不至被破坏，通过检测成品或半成品是否存在连接件松动、共振、焊点漏焊或脱焊、印刷板插脚接触不良等情况，检测产品的耐振性能，从而增强产品可靠性，发挥其性能并达到产品的预期寿命。本课题研究的是设计并制造一个振动台，本文在详述国内外振动台的研究现状基础上，充分利用振动台系统特点及设计要求，详细介绍了系统设计的原理和具体的设计方法、步骤。本课题设计的振动台采用电磁铁作为激振器，从

2、系统的原理设计、动力学分析设计开始，到主要部件的选择和参数的确定，建立了系统的数学模型并进行系统特性分析，并通过Solidworks进行仿真建模，借助Simulation对设计中的主要部件进行仿真校核，以提高振动台的使用性能，为本次设计提供了理论基础。本文运用理论分析设计与试验研究相结合的方法，进行了对振动台的设计，并针对振动台的控制方面进行了论述，在理论设计的基础上进行加工制造，最终设计并制造出一台满足使用要求的振动台，为本次设计提供了实践经验。关键词：振动试验；振动台；激振器；共振；变频系统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 录摘要IAbstractII1绪论61.1引言61.2课题来源71.3振动台的分类及国内外现状81.3.1振动台的分类81.3.2国内外发展现状102电磁振动台的理论设计132.1电磁振动台概述132.1.1振动现象对产品的影响132.1.1振动试验的目的132.1.2电磁振

10、动台的设计要求142.1.3电磁振动台的结构概述152.1.4电磁振动台的工作原理162.2电磁振动台的动力学分析172.3电磁振动台的动力学参数的计算202.3.1质体1和质体2的计算质量与诱导质量202.3.2有载频率比和空载频率比222.3.3台面振幅与相对振幅的计算及工作频率的确定222.3.4主振弹簧刚度的计算232.3.5阻尼比与相位差角的计算242.3.6主谐波激振力、基本电磁力和最大电磁力的计算242.3.7电磁振动台功率的计算252.4电磁振动台的激磁方式262.5电磁振动台的电磁参数计算272.5.1选定气隙磁密，确定磁极面积272.5.2计算铁心磁密并求线圈匝数282.5

11、.3决定电磁铁的平均工作气隙和安装气隙292.5.5确定导线截面积303电磁振动台的结构设计313.1机械结构的设计准则313.2主体结构设计323.2.1电磁铁的设计选型323.2.2主振弹簧的设计选型353.2.3台面及台体的设计363.2.4试件试验工装的设计373.2.5隔振装置的设计374重点部位强度分析及校核394.1主振弹簧的校核分析394.2 Simulation校核分析404.2.1 Simulation简介404.2.1主振弹簧的Simulation分析校核414.2.1台面的Simulation分析校核445电气控制系统设计465.1电动振动台控制系统设计465.1.1变

12、频系统、信号发生器和功率放大器简介465.1.2振动控制仪的选用485.2设备使用说明495.2.1设备使用前注意事项495.2.2设备使用条件505.2.3操作方法505.2.4注意事项516总结527参考文献538致谢54551绪论1.1引言随着科学技术、社会经济的迅猛发展，自然资源不断地被开发和利用，各种产品在储存、运输和使用过程中遇到的环境变化愈来愈复杂。特别是在航空航天及交通运输等领域，气候原因、生物因素、力学影响以及电磁影响等多种因素的变化，使产品的可靠性、稳定性和使用寿命等方面不同程度的降低。为了更好的保障产品的质量，提高产品的市场竞争力，在产品的生产过程中，需要模拟现实中的各种

13、复杂环境对产品的影响而进行环境试验。产品通过进行环境试验，可以得到产品质量方面的信息，暴露设计中的问题，是保证和提高产品质量的重要手段。因此产品市场的竞争和对产品质量的高要求，推动了环境试验研究的发展，同时环境试验研究的进步，又进一步促进了产品质量的提高。目前国内外对产品的环境试验一般采取综合性试验的方法，如对温度、湿度、振动和冲击等因素的综合环境试验。据统计，其中振动试验是四类因素当中的重要因素，大约占整个环境因素的27%，可见振动试验在环境试验中突显重要。表征振动试验的主要参数有振动类型、位移幅值、加速度幅值、振动时间以及频率范围等。自从在第二次世界大战中战斗机等多种军用设备因受振动而造成

14、损坏的现象引起重视后，为了更好地模拟产品的真实振动环境，从而对产品的可靠性进行检验，20世纪40年代开始人们就引入了振动试验，振动试验的目的在于确定所设计、制造的产品在运输和使用过程中承受外界振动或者自身产生的振动而不至被破坏，并发挥其最好性能、达到预定寿命的可靠性。随着对产品性能，尤其是航空航天和道路运输产品可靠性要求的提高，振动试验作为可靠性试验的关键试验因素，其发展显得愈来愈重要。在车辆运输、航空航天的工程领域以及电子元器件、组件、机电产品、仪器仪表、电子玩具、医药及食品包装等领域，产品在使用过程中或多或少都存在于一定的振动环境中。其中振动引起的设备破坏是产品使用过程中发生故障的主要因素

15、之一，许多设备的故障都与振动的影响有着直接或间接的关系。很多国家都投入了大量的人力、物力和财力来研究模拟各种产品在使用过程中的振动问题，而我国制造业企业界也认识到产品的环境适应性试验的重要性，环境适应性试验是考核产品质量的重要手段，通过环境试验结果的反馈，是保证和提高产品质量的重要依据。目前，振动台振动试验作为模拟振动环境、检验产品的动强度及可靠性的一种便捷有效手段，已经被广泛地用于产品的性能考核和动强度鉴定中。人们对振动环境试验的研究也愈来愈重视，成为现代企业对产品进行动态设计和校核必不可少的重要程序。振动台还可以用于加速度计的校准，也可用于电声器件的振动性能测试和其它的振动试验。1.2课题

16、来源本课题来源于青岛*有限责任公司相关产品的振动试验检测，青岛*有限责任公司是为石油、化工领域提供储运安全设备的专业公司。目前有静电接地报警器、溢油静电保护器、人体静电释放报警仪三大系列产品。作为国内市场的佼佼者，澳波泰克集研发、生产、销售和服务于一身，为保障产品质量，提高产品的市场竞争力，在产品的生产过程中需要模拟现实的各种复杂环境对产品做振动试验。对产品进行振动试验的目的在于发现产品的早期故障，并通过模拟实际工况考核和结构强度试验，确定所设计、制造的产品在运输及使用过程中承受外界振动或者自身振动而不至被破坏，通过检测成品或半成品是否存在连接件松动、共振、焊点漏焊或脱焊、印刷板插脚接触不良等

17、情况，检测产品的耐振性能，从而增强产品可靠性，发挥其性能并达到产品的预期寿命。振动台可用于使用中有可能受到振动条件影响的元器件和设备，进行环境接收试验、品质鉴定试验、可靠性鉴定试验、耐久试验、振动模态分析、材料特性试验、疲劳试验和振动防治改善等。本课题研究的目的是设计并制造一个振动台，充分利用振动台系统特点及设计要求。本文详细介绍了系统设计的原理和具体的设计方法、步骤。从系统的原理设计、动力学分析设计开始到主要部件的选择和参数的确定，建立了系统的数学模型并进行系统特性分析，并通过Solidworks进行仿真建模，借助Simulation对设计中的主要部件进行仿真校核，以提高振动台的使用性能。本

18、文运用理论分析设计与试验研究相结合的方法，进行了对振动台的设计，并针对振动台的控制方面进行了论述，为本次设计提供了理论基础和实践经验。1.3振动台的分类及国内外现状1.3.1振动台的分类振动台从复现的信号、激振的原理和激振的方向上有多种分类方法。振动台从复现信号的类型上分为正弦振动台、随机振动台和正弦加随即振动台；从激振方向上分为单自由度振动台和多自由度振动台；从激振方式上主要分为机械式振动台、电液式振动台和电磁式振动台：（1）机械式振动台：主要分为直接作用式、离心式和机械共振式三类。 离心式（即不平衡重块式)振动台，是以偏心块旋转时产生的离心力产生振动来激振振动台台面，激振力的大小与不平衡力

19、矩和转速的平方成正比；直接作用式振动台是利用凸轮或曲柄连杆等机构直接驱动台面，振动台运动部分的位移取决于凸轮的偏心量或曲轴的臂长，激振力随试验部分的质量而变化；共振式振动台则是利用共振原理，通过调节支撑振动台的弹簧的刚度改变振动台的固有频率，即可使振动台在不同频率下产生振动。机械式振动台结构简单，运行费用低，并且振幅和频率变化无关；主要缺点是其能够产生的激振频率较低，加速度波形失真很大，运行行程小，波形失真大，并且只能进行正弦波试验，激振方向也只限于单向。总体来说，低频率，大负载，波形差但价格低廉，己经不能够满足目前的多数情况的使用要求，目前已经不太广泛使用。（2）电液式振动台：使用电液伺服阀

20、作为电控信号和液压动力的转换部件，通过油压（或气压）使传动装置产生周期性正弦振动或随机振动，可作大型结构或部件模拟和实物试验，其优点是易于自动控制和多台并激，结构牢固，抗横向负载能力强，容易实现大位移振动。振动波形为正弦、三角、矩形、随机，可做大冲程试验，与输出力（功率）相比，尺寸相对较小。具有阻尼小，推力大和位移比较大等优点，超低频，大激振力，其局限性在于其高频性能较差，上限工作频率低，波形失真较大，而且电液式振动台设备复杂，价格高，对基础要求较严，这种振动台因其大推力、大位移可以弥补电动振动台的不足，负载能力强可以用作大型设备的试验和模拟，并能够弥补电动台在这方面的不足，电液台的在未来的振

21、动试验中仍然发挥作用，在军事和航天领域仍具有比较广阔的应用，适用于船舶、车辆、运输行业等要求频率低，而体积较大、较重的部件或整机进行可靠性试验。（3）电磁式振动台：根据激振方式的不同，可分为电动式驱动与电磁式驱动两大类。电动式驱动振动台主要由直流电激磁的磁环或永磁环、中心磁极和通有交流电的可动线圈等组成，其中可动线圈与振动杆或振动机体相连接；而电磁式驱动振动台由铁心、电磁线圈、衔铁和主振弹簧等组成，其中铁心通常与台体（平衡质体）固接，而衔铁则与台面或振动机体固连。电磁式振动台是目前使用最广泛的一种振动试验设备，它的频率范围宽，能够较好的复现各种振动信号，小型振动台的振动频率范围为010kHz，

22、大型振动台频率范围为02kHz，电磁式振动台的振幅动态范围宽，易于实现手动或自动控制，加速度波形好，可得到很大的加速度，振动波形为正弦、三角、矩形，可以产生随机波，能进行高精度控制，只有较小的失真和噪声。电磁式振动台适用于航空航天、通讯电子和交通运输等行业中产品的质量体系认证的振动检验、科研和生产线上产品的品质鉴定试验、可靠性鉴定试验、耐振检查试、疲劳试验和零部件的振动模态分析、振动防治改善等。1.3.2国内外发展现状国外对振动台的研究始于20世纪，在经过二次世界大战之后，由于航空业的迅速发展，对于振动试验的要求日益提高，使得振动台的发展越来越受到各国的重视，从而迎来了一个快速发展的时期。国外

23、在振动台方面的研究逐渐形成产业化、系列化，许多研究所和高校也开始振动台方面的研究工作，振动台技术逐渐成熟，性能也有较大提高。日本的三菱公司、德国的力士乐公司在振动台的研究上处于比较领先的地位；美国的MTS是最早生产振动台的公司之一，其产品应用于材料试验、道路模拟、地震模拟和海浪模拟等领域；美国的TEAM公司也是振动台的主要生产商之一。此外主要的振动台生产商还有英国的Derrition公司、法国的 Prodera公司等，目前世界上在振动控制领域比较领先的公司有Data Physics，其产品种类齐全，涵盖了多轴控制器和单轴控制器。此外还有美国的Wyle公司，其在振动控制器的设计、制造等方面也处于

24、世界领先的地位，SD公司目前在多轴控制器的设计方面具有多项独有技术，其产品的功能也是最为丰富的。同时美国的MTS公司、STI公司和Spectral Dynamics等公司的产品也因为其产品的高品质和可靠性得到广泛的应用。国内对振动台研究较国外起步较晚，始于五十年代，当时主要使用的是机械和电动振动台，但是这两种振动台有明显的缺陷，如承载能力有限，复现信号的形式有限，不能满足在大负载、高精度情况下的应用要求。而液压振动台能够有效地弥补机械和电动振动台的不足，并且可以应用在模拟地震、路面颠簸、海浪和冲击等领域。六十年代中期，液压振动台的研究才逐步进入我国研究者的视线，中国航天科技集团公司第一研究院北

25、京强度环境研究所（702所）为满足航天产品振动试验的需要，开始了振动试验系统的设计开发和研究制造，研制出推力10N至100kN的液压振动台及各种振动测量仪表和传感器，但是当时开发研制的主要是单自由度的振动台。随着航天航空、军事科技和道路模拟的发展需要，液压振动台的发展在国内逐步加快，伴随着电液伺服控制技术和相关领域的技术发展，国内研制的振动台性能和水准在八十年代有了较快提高。八十年代以前，我国在振动控制领域与发达国家之间有很大差距，但是随着不断地研究和积累，我国在振动控制上也取得了一定的成绩，国内从事振动台方面研究工作的主要有北京航天大学、航天部702研究所、浙江大学和西安交通大学等。进入九十

26、年代后我国在振动控制领域有了比较快的发展，国内的许多学者在振动控制的理论方面取得比较重要的成果，提出了基于多抽样理论对频响函数进行估计的方法。目前，702所的振动试验设备不仅在航天领域发挥着重要作用，而且在其他行业的作用也举足轻重，另外，国内也有多所知名高校和研究机构也在进行振动台方面的研制，主要有哈尔滨工业大学、武汉理工大学、中国地震局工程力学研究所等。在振动台的控制方面，功率放大器发展到现在已经经历了三代，从电子管放大器到晶体管线性放大器，再到数字式开关放大器，电子管放大器在新兴的设备中己基本被淘汰，开关式放大器是近几年国外开发的，它利用了晶体管的开关特性，管耗很小，效率可高达90%，而普

27、通的线性放大器的效率只有50%左右。由于开关放大器本身发热较少，因此它的冷却系统就非常简单，输出功率几十千伏安的放大器仅通过很小的轴流风机就可以冷却下来，使设备的结构简单可靠，而同样的线性放大器必须要用水来冷却，结构复杂；数字式开关放大器在低功率输出时失真度相对较大，而且机壳需要较好的电磁屏蔽，否则会对周围设备造成电磁干扰；开关式放大器的另一项重要指标就是开关中心频率的高低，它一般要求大于振动台上限工作频率的1020倍，开关中心频率接近振动台上限工作频率，将给调制解调后的波形滤波电路带来困难，从而影响波形失真。2电磁振动台的理论设计2.1电磁振动台概述2.1.1振动现象对产品的影响现代机械产品

28、对功能的要求十分严格，对产品结构的动态特性和稳定性提出了更高的要求，而振动是影响机械产品性能的主要因素，因此了解振动现象对产品的影响显得尤为重要。（1）结构性损坏：这种破坏包括组成产品的各构件产生变形、弯区裂纹、断裂以及疲劳损坏等；（2）工作性能失灵：这种破坏一般指在振动的影响下，系统造成不稳定性能越差，有些系统甚至不能正常工作；（3）工艺性能破坏：这种破坏一般指产品的连接件松动，焊点脱焊，螺钉松动， 印刷板插脚接触不良等。无论哪种破坏都将导致产品的工作不稳定，甚至损坏。为了提高产品的可靠性需要通过振动试验来暴露产品的薄弱环节，改进产品设计，使产品在运输和使用过程中尽量减少故障率。这是振动试验

29、的最终目的。目前在实验室中进行振动试验的形式最常用的是正弦试验和随机振动试验。2.1.1振动试验的目的振动台试验是通过模拟振动环境，发现产品的早期故障，并通过模拟实际工况考核和结构强度试验，确定所设计、制造的产品在运输及使用过程中承受外界振动或者自身振动而不至被破坏，通过检测成品或半成品是否存在漏焊、虚焊、共振等情况，检测产品的耐振性能，从而增强产品可靠性，发挥其性能并达到产品的预期寿命。通过振动试验确定产品经受振动的能力，适用于航空航天、通讯电子和交通运输等行业中产品的质量体系认证的振动检验，科研和生产线上产品的品质鉴定试验、可靠性鉴定试验、耐振检查试、疲劳试验和零部件的振动模态分析、振动防

30、治改善等。振动台的用途很广泛，但归结起来大致有以下几个方面：（1）产品、构件、材料的耐振疲劳试验； （2）环境例行振动试验：包括检测产品或构件的共振频率，模拟产品或构件在运输及实际使用过程中遭受的振动，以便提高其可靠性；（3）动态特性试验：测试构件或材料对振动的物理效应（如应力变化等），为设计提供可靠数据；（4）确定产品的机械弱点和使用性能是否下降，以评定其结构的可靠性、耐振性和完好性。当然振动台的用途远不止这些，例如对各类传感器（如加速度计、速度计、位移计等）进行标定。利用振动也可对大型铸件和大件消除应力代替回火处理和时效处理等。2.1.2电磁振动台的设计要求为保证设计可以满足使用需求，需满

31、足以下设计要求：（1）振动台台面尺寸：40×40cm²；（2）最大负载：30kg；（3）振动方向：垂直；（4）振动幅度：0-5mm，振动幅度可调节；（5）电源：220V AC 50Hz；（6）能保证长时间连续稳定的工作，运行过程中保证不出现振动台损坏、跳动的情况。2.1.3电磁振动台的结构概述电磁式振动台一般由台体、台面、电磁铁、衔铁、主振弹簧、隔振装置及电气控制部分构成。电磁铁和衔铁作为振动台的激振器，是使台面及试件产生振动的能源部件，所以激振器的设计是本次设计的核心部分，其次，主振弹簧起着非常重要的作用，因此也是本次设计的重点。（1）电磁激振器：由电磁铁和衔铁组成，电磁

32、铁通电产生可以电磁力，在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，对其通入电流后的线圈像磁铁一样具有磁性，为了使电磁铁断电后能立即消磁，我们往往采用消磁较快的软铁或硅钢材料来制作，这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁性就随之消失，本次设计选用电磁铁做为；衔铁固定在电磁振动台台面上中被电磁铁吸上吸下，运动后和电磁铁构成闭合磁路，使工作回路闭合，一般由硅钢材料制作。（3）主振弹簧：联接台面和台体，当台面在电磁力作用下向下运动时储蓄势能，在电磁力消失时，弹性势能作用使得台面恢复到起始位置。（4）台面：激振力的主要作用面，用于被测试件的固定，将激振器产生的振动信号传递给试件。（5）台体：电磁振动台的主体

33、部分，用于电磁铁的固定、主振弹簧的固定和台面的固定。（6）隔振装置：为了减小振动台工作对周围设备的影响，采用橡胶底座将振动台与整个地基隔离起来，以减小动力的传递。（7）电气控制部分：主要包括变频系统、信号发生器和功率放大器，电磁铁所产生的电磁激振力取决于电磁铁线圈的激磁方式，供电线路的供电方式直接决定着电磁振动台的振动。控制部分产生各种振动试验要求的激励信号，如正弦信号、随机信号、正弦加随机信号、随机加随机等振动试验信号等，并能使振动台能够按照试验规范和相关国家标准调节振动参数和振动量级。图2.1 振动台的基本结构2.1.4电磁振动台的工作原理电磁激振器由电磁铁和衔铁组成，其工作原理如图2.1

34、所示，质体 由试件、台面和衔铁构成，质体由振动台台体和电磁铁等构成。两质体间用主振弹簧连接，形成一个双质体定向振动，整个系统通过隔振装置固定在固定架上。当电源接通后，电流经控制器部分产生半波整流后的脉动电流，只有正半周时有电流通过，此时在电磁铁与衔铁间产生一个脉冲电磁力，使向下运动，主振弹簧被压缩；而在负半周时，电磁力消失，主振弹簧的势能使得向上运动，从而使他们交替的吸引，就使衔铁产生了上下方向的垂直振动。振动质体和的质量与主振弹簧刚度的选择应使整个振动台系统的固有频率略高于强迫振动的频率，也就是说将该振动系统调整到近共振状态。在本次振动台的设计中，主振弹簧是很重要的部件，它的正确选择与否，除

35、了可以显著降低所需的电磁激振力外，还可以使振动台能够稳定的工作。另外，由于激振器产生的电磁力为周期变化的强迫作用力，振动台是一个以电磁力为周期干扰力的强迫振动系统，因此激振器的精确控制是提高电磁振动台性能的一个重要因素。2.2电磁振动台的动力学分析电磁振动台动力学分析的目的是：选择合适的工作点，使机体振幅有较好的稳定性。本次设计的振动台其机构简图及力学模型如图2.2所示：图2.2 系统动力学简图 （2-1）式中： ， 质体1和质体2的质量（kg）；质体1和质体2相对运动的阻力系数；隔振装置沿振动方向的刚度(N/m)；主振弹簧的刚度(N/m)；， 质体1和质体2沿振动方向的位移(m)；，质体1和

36、质体2沿振动方向的速度(m/s)；，质体1和质体2沿振动方向的加速度(m/s )；激振力的幅值(N); 角频率(rad/s);初位相角(); 作用时间(s)因为电磁振动台通常工作在主谐波力共振区附近，所以近分析共振区附近的振动。电磁式振动台隔振装置的弹性力通常比质体1和质体2的惯性力及主振弹簧的弹性力小得多，在精确计算时，可以把隔振装置的刚度归化到质量和中去。电磁式振动台一般采用近共振类，频率比1，为减小传给基础的动载荷，所以采用隔振式。正常工作时，质体1及质体2的计算质量为： （2-2） （2-3）式中：， 质体1和质体2的计算质量；振动台工作频率；物料质量结合系数；， 换算至，的弹簧质量结

37、合系数；振台上的负载质量（kg）；主振弹簧k的质量（kg）。对于大多数电振机，计算质量，绝对运动阻尼力对机体振动的影响并不明显，可忽略不计。在电磁振动台正常工作时，自由振动将会很快消失，余下只有电磁振动台的强迫振动，因此求得在平均电磁力作用下，质体1对质体2的相对静位移： （2-4） 其中： 式中：A电振机的特征数； 基本电磁力； 考虑不变电感系数影响时的基本磁通密度；不变电感系数； 空气磁导率，（H/m） ； 交流磁密相对于交流电源电压的相位差角；w 线圈匝数； ， 平均工作气隙时电路内漏感与总电感； 电磁铁铁心一个磁极的截面积（）； 交流电压有效值（V）。 2.3电磁振动台的动力学参数的计

38、算2.3.1质体1和质体2的计算质量与诱导质量为了减少传给基础的动载荷，电磁振动台通常采用双质体近共振的振动系统，并将隔振装置的刚度选得较小。隔振装置的刚度 为： （N/m） （2-5）式中： 隔振系统的固有频率，取=300 （r/min）。则： （N/m）空载时的质体1和质体2的计算质量 、： （2-6）式中：换算至的弹簧质量结合系数，取=0.4；换算至的弹簧质量结合系数，取=0.6；空载时的诱导质量： （2-7）则： （kg）（kg）（kg）有载时的质体1和质体2的计算质量 、 ： （2-8）式中： 物料结合系数，取=0.2 。有载时的诱导质量为： （2-9）则： （kg）（kg）（kg）

39、2.3.2有载频率比和空载频率比电磁式振动台的有载频率比，取=0.9 。根据有载情况下的频率比，可以计算出空载频率比为： （2-10）式中： 物料结合质量与质体1的计算质量之比，即；与之比，即。则： 。电磁振动台使用前，应将其工作点调整到所要求的空载频率比。由上式看出，愈大，应愈小。2.3.3台面振幅与相对振幅的计算及工作频率的确定振次 一般根据实际需要及电磁振动台的形式决定；质体1的振幅是根据试件的运动状态来决定的。根据本次设计要求，质体1对质体2的相对振幅 为5mm，则： （2-11） （2-12）式中：D抛掷指数，取D=3； 工作面倾角，取=； 振动方向线与工作面之间的夹角，取 =； 重

40、力加速度。则由（2-12）、（2-13）变形可得：（mm）（次/min）2.3.4主振弹簧刚度的计算主振弹簧刚度可以按空载频率比进行计算，即 （2-13）式中： 实际弹簧刚度变化的百分比，当定感系数 =0.2时，半波整流电振机的晶闸管触发角 = 的=0.083 。则（N/m）一般螺旋弹簧刚度的准确性较高，可取较大值。2.3.5阻尼比与相位差角的计算根据试件的质量与电磁振动台质量的比值，取阻尼比b=0.03。根据阻尼比b和实际频率比 ，可以计算出位移落后于主谐波激振力的相位角 ： （2-14）则对于频率比的情况，即工作频率小于固有频率的电磁振动台，通常为,一般是。故取值合理。2.3.6主谐波激振

41、力、基本电磁力和最大电磁力的计算主谐波激振力幅值，是根据所要求的振幅或相对振幅来决定的： （2-15）基本电磁力为： （2-16）式中：对交流激磁的电磁振动台， =0.5；对激振力为谐波形式的半波整流电磁振动台， ， 为发生最大磁密时的电磁振动台特征数；对激振力为非谐波形式的电磁振动台，的取值为则 （N）最大电磁力为： （2-17）式中：A电磁振动台特征数。则（N）2.3.7电磁振动台功率的计算电磁振动台的机械功率，即为激振力输出的功率： （2-18）最大功率为： （2-19）式中： 电磁铁效率，取=0.85。则：（kW）（kW）2.4电磁振动台的激磁方式电磁振动台的振动是通过电磁激振器产生的

42、周期变化的电磁力作为强迫作用力来维持的，其持久而稳定的振动取决于电磁激振器的精确控制。而电磁激振器所产生的电磁激振力，则取决于电磁铁线圈的激磁方式。因此，电磁铁线圈的激磁方式直接决定着电磁激振器的振动。同时，线圈不同的激磁方式，还直接影响到电磁激振器的结构、电磁振动台的整体结构以及电磁振动台的调节方式。因此，很好的选择与设计振动台电磁铁线圈的激磁方式，对电磁振动台的设计有重要的意义。基于本次设计要求，选用可控半波整流间歇触发激磁。这种激磁方式，晶闸管每间隔一个周期触发一次，所需的弹簧刚度和数量约为半波整流激磁方式的四分之一。对机体刚度的要求较低，这种激磁方式所采用的振幅较大，可满足本次设计要求

43、。但所需要的电磁铁气隙大，故漏磁较大，电流较大，功率因素也较低。2.5电磁振动台的电磁参数计算电磁式振动台电磁力的产生，可以简单的理解为：当电磁铁的激磁线圈通过电流以后，就要产生磁通，并经过电磁铁的铁心和衔铁形成闭合回路。由于电磁能的存在，在电磁激振器的铁心与衔铁之间产生电磁吸力。因为磁通或磁通密度是周期变化的，所以电磁振动台的电磁激振力也是周期变化的。从静态试验测量的结果表明：电磁力F与气隙的平方成反比，与电流的平方近似成正比。但电流过大时，电磁铁将逐渐达到磁饱和状态，电磁力的增大将缓慢。因此从理论上可以认为：铁心与衔铁之间的电磁力的大小，是由于电磁铁内磁能的变化而引起的。在磁通密度与磁动势

44、成直线关系的区段，电磁力与气隙磁通密度的平方及磁极截面积成正比。同时电磁力与电流平方成正比，与气隙平方成反比。2.5.1选定气隙磁密，确定磁极面积气隙基本磁密许用值是根据铁心硅钢片的许用值确定的，选择许用磁密的原则是既不浪费电磁铁又不致出现过饱和。出现过饱和会引起电流有效值增大，功率因数降低，功耗增加，电磁铁温度升高。对于本次设计，选定许用气隙基本磁密=0.65T。由主谐波激振力幅值 ，可求出磁极面积S为： （ ） （220）式中：电阻影响系数，取=0.96；磁力线边缘效应系数，取=1.1；空气磁导率，取H/m；电磁铁铁心一个磁极气隙的截面积， 。则 （）2.5.2计算铁心磁密并求线圈匝数铁心

45、中交流磁密幅值 为 （2-21）式中：硅钢片压紧程度系数，取=0.95；考虑涂漆层厚度的系数，取=0.95；漏磁系数，当安装气隙=2.56mm时，可取=1.151.50，取=1.50。则：（T）考虑、的影响，线圈匝数为： （2-22）式中：u交流电压有效值，V；综合影响系数，取=0.92；f电源频率，50Hz。则：（匝）2.5.3决定电磁铁的平均工作气隙和安装气隙 （2-23）式中：基本电磁力，N；k主振弹簧刚度，N/m；相对振幅，m；主振弹簧静变形，m；比振幅， ，通常取=0.70.8，取=0.8。则： mm2.5.4计算电流有效值基本电流为： （2-24）式中：考虑铁心磁阻的影响而引入的修

46、正系数，取=1.2。总电流有效值I为： （2-25）其中 式中：相对振幅与平均工作气隙 之比；位移落后于激振力的相位差角；电流系数。则 （A）（A）2.5.5确定导线截面积导线截面积 根据电流密度的许用值计算： （2-25）式中：I电流有效值，A；电流密度的许用值，对于小型电振机，取=2 。则：（）3电磁振动台的结构设计3.1机械结构的设计准则产品的质量基本上取决于设计质量。制造过程对产品质量所起的作用，本质上就在于实现设计时所规定的质量。因此，产品的机械机构的设计阶段是决定机器好坏的关键。为了保证所设计的机械结构能安全、可靠的工作，大体应满足以下设计准则：（1）对于由于损坏可能会对产品的安全

47、性和可靠性有较大不利影响的设备或零件，所用材料其环境适应性和耐久性必须建立在经验或试验的基础上，还要考虑环境的影响，如温度、湿度、振动和大气污染等；（2）产品的每个构件必须适当地加以防护，以防止因温湿度、腐蚀、老化、磨损等原因引起的损伤或机械强度降低；（3）产品中若相邻结构有较大温差，必须要注意热变形引起的过应力，从而防止设备或零件的损坏；（4）设计中应尽量减少应力集中点，减少或避免附加弯矩，控制复杂载荷的应力出现，避免不利的传力形式出现；（5）为了提高结构的抗疲劳能力，在设计中必须注意：合理的选材；减少应力集中（如断面的急剧变化、尖角、锐边、表面粗糙度等)；控制尺寸公差，以免负公差的累积导致

48、构件的断面厚度偏小；尽量釆用干涉配合的紧固件；局部关键部位应进行强化；在噪声疲劳部位（电磁铁附近)，应降低工作应力，或釆用夹层结构。为防止某个构件的损坏而引起其它构件的损坏，在设计时应釆用止裂措施、多路传力设计、多重元件设计。密封材料应具有良好的耐磨、耐压、耐油、耐高低温和抗老化的性能。3.2主体结构设计3.2.1电磁铁的设计选型（1）选择铁心型式及结构合理的选择铁心结构，不仅可以有效地利用硅钢片，减少加工工时，还可以减少漏磁，并有利于安装与调节。电磁铁的铁心结构主要有三种：型、型和H型。其中型铁心结构简单，漏磁少，但结构较不紧凑；型铁心的结构较紧凑，便于安装，其缺点是漏磁较大，一般用于小型电

49、磁振动台中；H型电磁铁的结构复杂，控制和调节困难，目前只在少数电磁振动台中采用。基于本次设计要求，设计选用型铁心。电气元件应用广泛，品类繁多，但由于其工作原理、使用场合不同，铁心的结构形式也各不相同。电流互感器、电磁磁放大器、零序互感器等釆用的是静止式铁心，起控制和放大电信号的作用；而接触器、继电器、电磁铁等釆用的是运动式铁心，把电信号转化为机械动作。运动式铁心由静铁心(磁轭）和动铁心（衔铁）组成，工作中处于频繁吸合与释放的状态，其极面可能要承受反复的接触碰撞。因此，要求铁心除具有良好的磁性外，还应具有一定的机械冲击韧性和耐磨性等，以保证设备的可靠运行。基于本次设计要求，设计选用运动式铁心。运

50、动式铁心按励磁电流的种类不同，可分为直流励磁铁心和交流励磁铁心。直流励磁铁心在稳定状态下通过恒定的磁通，没有涡流和磁滞损耗，为加工方便，常用整块低碳钢或电工纯铁等材料制成；而交流励磁铁心则通过交流磁通，产生涡流和磁通涡流，为减少涡流涡流常用涂有绝缘层，常使用厚度为0. 351mm，含碳量低于4. 5%的硅钢片叠压而成，一般称之为叠压式铁心。与励磁铁心相比，交流叠压式铁心机械强度不高，制造工艺复杂，但它能产生良好的磁通，易于实现其精确控制。基于本次设计要求，设计选用交流叠压式铁心。综上所述，结合本次设计的要求，选用型、交流叠压式运动铁心。（2）硅钢片的选择硅钢片按轧制方式可分为热轧和冷轧两类，按

51、硅钢片晶粒取向分为晶粒取向和晶粒无取向两大类。从励磁性能来看，热轧硅钢片的工作磁感应强度为1.01.2T，而冷轧硅钢片一般都可工作在1.51.6T，其硬度也比热轧硅钢片要高。由于冷轧硅钢片在性能上优于热轧硅钢片，其磁导率和磁密值比热轧硅钢片高1.31.5倍，故在电气行业中热轧硅钢片正在被淘汰。综合上述一些理由，本次设计选用冷轧无取向硅钢片。涡流产生的磁场会减弱主磁场，由于铁心的中部所交链的涡流回路数量最多，所以中心部分的去磁作用也就最明显，沿边缘的磁通多于中间的磁通，而釆用薄硅钢片，则可有效地减少涡流，硅钢片越薄，其效果越好，但是在铁心制造中，硅钢片越薄，加工工艺越复杂，加工越困难，成本越昂贵

52、。而且硅钢片间绝缘所占尺寸相对增加，使叠片系数下降，造成磁通密度增高。因此，硅钢片也不宜过薄。目前变压器采用的硅钢片厚度一般为0.230.50mm。本设计出于经济性和工艺性考虑，选用厚度为0.35mm的硅钢片。铁心的结构型式各异，但基本组成相同。常见的叠片式铁心由硅钢片、分磁环（短路环)、 铆钉、夹板等四部分组成。为保证单位时间内穿过的磁力线相等，取型硅钢片两边磁极的面积为中间磁极面积的一半，因为中间磁极与两边磁极的长度相等，所以两边磁极的宽度为中间磁极的一半，可以设定型硅钢片中间磁极的宽度为40mm，则两边磁极的的宽度为20mm，硅钢片的高度取为80mm。又由硅钢片的厚度为0.35mm,可以

53、计算出共需要75/0.35=214片硅钢片。（9）衔铁的设计衔铁即运动式铁心，与铁心共同组成电磁铁。衔铁由0.35mm一字形硅钢片迭装而成，用螺栓固定，并将其焊接固定到振动台面上，并与铁心保持一定的间隙。本次设计釆用冷轧无取向硅钢片作为衔铁材料，与铁心材料相同。由前一节的计算推导，可以计算出衔铁共需要214片硅钢片，衔铁的高度取为20mm。硅钢片的宽度是按照电磁铁的导磁面积所设计，这样保证电磁铁和衔铁的横截面积基本相同，从而形成一个电磁回路；为保证衔铁和台面能够稳定牢固联接，将衔铁与台面底部通过焊接方式联接。3.2.2主振弹簧的设计选型由于本次设计振幅较大，所以气隙较大，使得漏磁也相应增大，则

54、显著增大了线圈内的电流，造成功率因素降低。由于振幅大，弹簧应力增大，这时采用螺旋弹簧较为合适。由式（2-13）可知，取主振弹簧的总刚度k=1600000N/m，本次设计初步选用4个主振弹簧，则每个弹簧的刚度为400000N/m，即 =400N/mm。由已知条件，主振弹簧的自由高度为120mm，为保证衔铁和铁心不致相互碰撞冲击，取主振弹簧的压并高度为110mm，根据弹簧刚度，取弹簧的丝径为8mm，弹簧中径为55mm，主振弹簧设计见图3.1所示。图3.1 主振弹簧的设计3.2.3台面及台体的设计台体是各种机械部件联接的基本部件，它主要是起支承作用；设备的其他部件一般固定在台体上，有些部件是在台体的

55、上运动；台体起到基准的作用，以保证各部件间正确的相对装配位置，并且使整个设备组成一个整体。在其他部件及试件本身的重量和工作过程中的载荷（包括各种冲击力）作用下，台体要有足够的强度，并且变形不超过允许值。此外还应考虑机体的动刚度、阻尼、热变形、尺寸稳定性、疲劳强度等。台体是本次设计振动台中尺寸最大的部件，它往往与设备的整体布局，设备的造型美观， 操作方便，加工工艺性等都有很大关系。台体的尺寸除了应满足结构设计要求外，还必须按配重的要求来确定其重量，需要时外加配重进行调整。尽量做到既满足强度要求，又节省材料，设计经济合理。考虑到本次设计要求，台体主体采用10mmQ235-A材质的钢板，以满足本次设计需要。为防止电磁激振器由于上下振动，相互冲击造成的损坏，台体上设计四个限位装置，限位装置采用4*3.5*3.5