电磁式振动台的设计.docx
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电磁式振动台的设计
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
Abstract
ThetaskofthegraduationdesigncomesfromQingdao******Co.,Ltd.relatedproductsvibrationtest,thepurposeoftheproductisthatthevibrationtesttodetectearlyfailureofproductsbysimulatingactualworkingconditionassessmentandstructuralstrengthtest,determinethedesign,manufacturetheproductitselfwithstandexternalvibrationorvibrationduringtransportanduseprocesswithouttobedestroyed,bydetectingthepreseneeorabseneeoffinishedorsemi-finishedconnectorloose,resonance,spotweldorsealingoff,poorcontactpinprintingplates,etc.,detectionvibration-resistantperformaneeoftheproduct,therebyenhancingproductreliability,toplayitsperformaneeandachievethelifeexpectancyoftheproduct.
Thisresearchprojectistodesignandmanufactureavibrationtable,onthebasisofdomesticandforeignresearchstatusvibratingtabledetailingthefulluseofvibrationtablesystemcharacteristicsanddesignrequirements,detailedsystemdesignprinciplesandspecificdesignmethodsandprocedures.
Thispaperdesignedvibrationtableusedelectromagnetasexciter,startingfromtheprincipleofsystemdesign,dynamicanalysisanddesign,toidentifythemajorcomponentsoftheselectionandparametermathematicalmodelofthesystemandsystemcharacterization,andbySolidworkssimulationmodeling,withthemaincomponentsSimulationdesignsimulationverification,improvetheperformaneeofthevibratingtable,basedviewsdesignedtoprovideatheoreticalbasis.
Inthispaper,thedesignandexperimentalresearchmethodofcombiningtheoreticalanalysiscarriedoutonthevibrationtabledesign,andfortheeontrol
ofthevibrationtablewerediscussed,conductprocessingonthebasisoftheoreticaldesign,finaldesignandmanufactureameetuserequirementsshaker,basedviewsdesignedtoprovidepracticalexperienee.
Keywords:
Vibrationtest;vibrationtable;Electromagneticvibrator;resonanceFrequencyconversioncontrol
ill
摘要I
AbstractIL
1绪论6..
1.1引言6
1.2课题来源7
1.3振动台的分类及国内外现状8
1.3.1振动台的分类8
1.3.2国内外发展现状10
2电磁振动台的理论设计13
2.1电磁振动台概述13
2.1.1振动现象对产品的影响13
2.1.1振动试验的目的13
2.1.2电磁振动台的设计要求14
2.1.3电磁振动台的结构概述15
2.1.4电磁振动台的工作原理16
2.2电磁振动台的动力学分析17
2.3电磁振动台的动力学参数的计算20
2.3.1质体1和质体2的计算质量与诱导质量20
2.3.2有载频率比和空载频率比22
2.3.3台面振幅与相对振幅的计算及工作频率的确定22
2.3.4主振弹簧刚度的计算23
2.3.5阻尼比与相位差角的计算24
2.3.6主谐波激振力、基本电磁力和最大电磁力的计算24
2.3.7电磁振动台功率的计算25
2.4电磁振动台的激磁方式26
2.5电磁振动台的电磁参数计算27
2.5.1选定气隙磁密,确定磁极面积27
2.5.2计算铁心磁密并求线圈匝数28
2.5.3决定电磁铁的平均工作气隙和安装气隙、;n29
2.5.5确定导线截面积30
3电磁振动台的结构设计31
3.1机械结构的设计准则31
3.2主体结构设计32
3.2.1电磁铁的设计选型32
3.2.2主振弹簧的设计选型35
3.2.3台面及台体的设计36
3.2.4试件试验工装的设计37
3.2.5隔振装置的设计37
4重点部位强度分析及校核39
4.1主振弹簧的校核分析39
4.2Simulation校核分析40
4.2.1Simulation简介40
4.2.1主振弹簧的Simulation分析校核41
4.2.1台面的Simulation分析校核44
5电气控制系统设计46
5.1电动振动台控制系统设计46
5.1.1变频系统、信号发生器和功率放大器简介46
5.1.2振动控制仪的选用48
5.2设备使用说明49
5.2.1设备使用前注意事项49
5.2.2设备使用条件50
5.2.3操作方法50
5.2.4注意事项51
6总结52
7参考文献53
8致谢54
1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0:
10kHz,大型振动台频率范围为0:
2kHz,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DataPhysics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SpectralDynamics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,需满足以下设计要求:
(1)振动台台面尺寸:
40X40cm2;
(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:
220VAC50Hz;
(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
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