一种新型机械式激振器的研究

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(石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043)

一种新型机械式激振器的研究

刘丹,邢海军,申永军

(石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043)

提出了一种由传动装置、驱动装置、偏心装置、花键轴及箱体等组成的新型机械式激振器，论述了其结构组成，推导了激振力的计算方程，并运用Matlab软件编制了相应的计算程序求解该方程。计算结果表明，当激振器从低频到高频变化时，激振力的最大幅值在较小范围内波动。

新型机械式激振器；偏心装置；激振力；激振频率；Matlab

0 引言

振动试验作为现代工程技术领域的一项基本试验，广泛应用于许多重要的工程领域，如导弹、火箭的环境试验，汽车、行走机械的道路模拟试验，工程材料试验，水坝、高层建筑的抗震试验等[1-4]。现代工业中所涉及到的大多数振动机械的振动来源主要是依靠激振器来提供的[5]。激振器工作时，由一对或多对偏心轮高速旋转产生垂直方向上的离心力，从而使振动物体在垂直方向上连续运动[6]。早期的激振器主要由单个偏心轮构成，在整个工作过程中，激振器将会全频率输出振动，这种情况下将会引起设备的共振[7]。目前常规的偏心式激振器虽然结构简单，安装拆卸方便，但由激振力的计算公式F(t)=meω2sinωt可知[8]，由于偏心块的质量m和偏心距e的大小固定不变，激振力的最大幅值F的大小随激振频率ω的增大以ω2的比例增加，以至于当ω较小时，F较小，起不到激振效果，而当ω较大时，较大的F有可能导致被测试件的损坏。为了能够有效地解决上述不足，本文介绍了一种新型机械式激振器，论述了其结构组成，推导了激振力的计算方程，最后运用MATLAB软件编制相应的计算程序对该方程进行了求解，实现当激振器从低频到高频变化时，激振力的最大幅值在较小范围内波动的效果。

1 新型机械式激振器

新型机械式激振器的结构(俯视图)如图1所示，包括箱体、驱动装置、传动装置、花键轴一、花键轴二、安装在花键轴一上的第一激振机构和安装在花键轴二上的第二激振机构。其中驱动装置固定安装在箱体外侧，花键轴一和花键轴二平行安装于箱体内，第一激振机构和第二激振机构的结构相同且前后对称安装，第一激振机构包括安装在花键轴一上的偏心装置一和偏心装置二，第二激振机构包括安装在花键轴二上的偏心装置三和偏心装置四。

偏心装置是新型机械式激振器的重要结构，该结构包括安装在花键轴一上的偏心装置三和偏心装置四和安装在花键轴二上的偏心装置一和偏心装置二，偏心装置一与偏心装置二左右对称，偏心装置一、偏心装置二与偏心装置四、偏心装置三前后对称。偏心装置一的结构如图2所示，该结构包括连杆固定套、弹簧、导向套筒、花键套、偏心块、平键、弹性挡圈、滚珠花键、连杆一、质量块及连杆二。

当新型机械式激振器的两根花键轴以ω的激振频率反向旋转时，水平方向产生的激振力相互抵消，质量块在竖直方向上产生的激振力对偏心块M在垂直方向上产生的激振力部分抵消，整个激振器产生的激振力在竖直方向上相互叠加。

此方案中整个偏心装置采用对称结构，不仅方便更换以及维修，还能通过改变偏心块的质量、弹簧刚度以及偏心块的起始位置等参数，产生不同的激振力以满足不同工况的需要。整个装置所采用的滚珠花键及滚珠花键轴之间的摩擦为滚动摩擦，因此阻力很小，而且整个装置操作简单，体积小，容易维修，制作成本低。

图1 新型机械式激振器

图2 偏心装置一

2 新型机械式激振器的激振力计算

整个装置的激振力由偏心装置产生，由于整个偏心装置采用对称结构，因此只对偏心装置一进行分析即可。偏心装置一的结构简图如图3所示，其中AB的长度为l，BC的长度为al，BD的长度为l，弹簧原长为2l，弹簧刚度为k，偏心块M和质量块m所对应的偏心距分别为E和e，其中偏心距E与偏心距e反向布置，连杆AC和弹簧之间的夹角为φ。根据激振力的计算公式F(t)=meω2sinωt，可以得到偏心装置一在垂直方向上产生的激振力的最大幅值为

(1)

根据偏心装置一的结构简图，对偏心块M进行受力分析，如图4所示。

图3 偏心装置一的结构简图

图4 偏心块M的受力分析图

初始位置时，偏心块M在水平方向上受力平衡，有

(2)

整理式(2)后，得

(3)

连杆AC上的力在A点的力矩平衡，有

(4)

将式(3)代入式(4)整理后，得

(5)

(6)

将式(6)代入式(1)整理后，得

(7)

因此，整个装置产生的激振力的最大幅值为

(8)

3 算例分析

图5 激振力的最大幅值随激振频率ω的变化情况

根据推导得到的新型机械式激振器激振力的计算方程，用Matlab语言编制了求解激振力计算方程的程序，仿真分析了新型机械式激振器从低频到高频变化时，激振力的最大幅值的变化情况。仿真计算时新型机械式激振器的结构参数取为a=1.2，l=0.1 m，E=0.03 m，M=1 kg，m=0.5 kg，k=500 N/mm,ω=22.5～125 rad·s-1。计算结果见图5。

图5为新型机械式激振器激振力的最大幅值F随激振频率ω的变化情况，当激振频率ω从22.5rad·s-1不断增大至125rad·s-1时，激振力的最大幅值先增大后减小，但在较小范围内变化。传统机械式激振器，由于质量m和偏心距e固定不变，当激振频率ω从低频到高频变化时，激振力的大小以ω2的倍数增加，以至于激振力过大而损坏试件。与传统机械式激振器相比，新型机械式激振器的研究避免了以上情况的发生，达到了预期的效果。

4 结论

论述了新型机械式激振器的结构组成，对激振器的偏心装置进行了受力分析，推导出了新型机械式激振器激振力的计算方程，并运用MATLAB软件编制了相应的程序对该方程进行了求解，主要目的是实现当激振器从低频到高频变化时，偏心块m产生的反向激振力对偏心块E在垂直方向上产生的激振力部分抵消，整个装置产生的激振力的最大幅值在较小范围内变化的效果。计算结果表明采用新型机械式激振器结构达到了预期的目的。

[1]张巧寿.振动试验系统现状与发展[J].情报研究，2000(8):118-121.

[2]赵淳生.高能激振器研究及其在工程中的应用[J].测控技术，1996(3):8-11.

[3]申长国.双索面弯塔宽幅斜拉桥抗震分析[J].石家庄铁道大学学报：自然科学版,2016,29(2):17-21.

[4]王杰,李建中.不同纵向约束体系对三塔悬索桥地震反应影响研究[J].石家庄铁道大学学报：自然科学版,2016,29(2):1-5,11.

[5]张杰,杜宇波,杨明亮.一种内凸轮摇块式激振器原理与运动分析[J].陕西工学院学报，2002,18(3):1-3.

[6]冯海峰，谢建刚.无自振激振器偏心轮的力学性能分析[J].设备设计/诊断维修/再制造，2012(6):116-119.

[7]唐经世.工程机械[M]. 北京：中国铁道出版社，1980.

[8]倪振华.振动力学[M]. 西安：西安交通大学出版社，1989.

ResearchonaNew-typeofMachineVibrator

LiuDan,XingHaijun,ShenYongjun

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

A new-type of machine vibrator which includes gearing，driving device, eccentrics, spline shaft, box and so on is presented. The structure composition is introduced and the equation of the exciting force is derived. Then the corresponding calculation program is compiled to solve the equation with Matlab. Calculation result shows that the maximum amplitude of the exciting force fluctuates within a narrow range when the vibrator is changed from low frequency to high frequency.

new-type machine vibrator;eccentric device;exciting force;excited frequency;Matlab

TH122；O241

： A

： 2095-0373(2017)03-0062-04

2016-06-18责任编辑:刘宪福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.03.12

河北省科技计划项目(14212202D)

刘丹(1990-)，女，硕士研究生，研究方向为机械设计及理论。E-mail:983305096@qq.com

邢海军，(1967-)，男，博士，教授，研究方向为振动控制、结构分析。E-mail:xinghj@stdu.edu.cn 刘丹,邢海军,申永军.一种新型机械式激振器的研究[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2017,30(3):62-64.