混凝土电磁振动棒的研究.pdf
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1、混凝土电磁振动棒的研究 蒋萍, 高顶 , 王森, 郝锋 ( 中国矿业大学机 电工程学院) 关键词 : 电磁振动 ; 动力学分析 ; Ma t l a b S i mu l in k仿真 混凝土振动棒是通过机械振动对浇注混凝土进 行振动捣实的建筑机械 , 插入式是其主要形式。目前 常用的插人式振动棒主要有电机软轴式和电机 内装 式两种:前者是 由电机通过软轴驱动棒体内偏心块 产生机械振动实现捣实 , 其结构复杂 、 能耗高 、 故障 率较高, 使用范围受到限制; 后者是将电机直接装在 棒体 内, 操作和携带较方便 , 但造价 昂贵 , 推广应用 受到限制, 多用于大型混凝土工程 。 为了克服传统
2、插 入式振动棒的缺点 ,设计 了一种新型混凝土电磁振 动棒。 l 电磁振动原理 电磁振动结构利用电磁铁产生振动,把 电能转 换为机械能, 主要 由线圈和铁芯组成 , 铁芯包括静铁 芯 、 衔铁 ( 动铁 芯 ) 两部分 , 为了实现衔铁的 自动返 回, 还装有供铁芯返 回的弹簧。其原理如图 1 所示 。 电磁铁通电后产生的电磁吸力 F : 衔铁 图 1 电磁振动原理 图 1 0 - 7 0 1 6 l 2 式中 : 为电磁吸力 , N; 为绕组匝数 ; , 为通过绕组 的电流, A; S o 为磁极与衔铁间气隙的面积, m ; z 为 气隙长度 , 即衔铁和铁芯间的距离 , 最初的气隙长度 为
3、 Z 0 , IT I 。 式( 1 ) 表明电磁 吸力 F与气隙长度 的平方成反 比, 与 电流 , 的平方成正 比, 随着气 隙长度的减小 , 电磁吸力增大。为使铁芯能够产生足够的电磁吸力 吸引衔铁 , 可采用多磁极铁芯 , 各磁极上的线圈以异 极性串联 ,其对衔铁的电磁吸力可认为是若干个完 全相同的磁极对衔铁 的电磁吸力 。 2 电磁振动棒的结构及动力学分析 2 1 电磁振动棒的结构 电磁振动棒结构如图 2所示。图 2中, 序号 1 为 多磁极铁芯 , 序号 2为线圈 , 序号 3为返回弹簧 , 左 、 右衔铁架 4 、 5 通过焊接和衔铁 6 连接在一起 , 左 、 右 支架 7 、
4、8通过螺钉 固定连接在铁芯 1 上 ,配重块 9 固定在衔铁架上。 铁芯材料选用电工纯铁 , 含铁量在 9 9 5 以上 , 导磁性好 , 具有 良好的冷 、 热加工性能。由于铁芯结 构复杂, 通常采用铸造方法制造。 线圈选用高强度缩 醛漆包圆铜线 , 用 5 0 2胶胶结在铁芯内。 衔铁的材料 也选用电工纯铁 。 基金项目: 中国矿业大学科学研究基金资助项 目( 2 0 6 B 0 0 8 ) 作者简介: 蒋萍( 1 9 8 6 一 ) , 女, 江苏大丰人, 在读硕士, 研究方向: 机电一体化。 一 27 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 铁芯2 线圈3
5、弹簧4 左衔铁架5 右衔铁架6 衔铁7 左 支架8 右支架9 配重块 图 2 电磁振动棒结构 电源选用脉冲电源 , 当线圈通电时 , 电磁吸力大 于弹簧力, 衔铁克服弹簧的弹力被铁芯吸合; 当线圈 断电( 电流为零 ) 时, 弹簧将衔铁反弹回去。 铁芯对衔 铁 的吸引以及衔铁的反弹所产生的振动均会传到外 壳上。这样 , 在脉冲电流作用下 , 整个棒体就产生了 较大的振动。 设计 电磁振动棒时, 衔铁和铁芯倾斜一 定 的角度, 衔铁的右端较其左端远离铁芯 , 这样棒体 头部的振动幅度大于尾部 , 能够有效地捣实混凝土 , 而且振动棒一端位移比另一端位移大,有 自动进入 混凝土的作用 , 具有较好
6、的适应性。 2 2 振动棒的动力学分析 根据图 2所示的电磁振动棒结构,建立其系统 动力学模型 , 如图 3所示 。 图 3中, 为衔铁、 两个 衔铁架以及配重块质量的总和, m 为外壳 、 铁芯以及 两个支架的质量的总和, k , k 分别为左 、右弹簧的 刚度 , c 是由电磁振动棒运动时的表面干摩擦阻尼 转换得到的等效阻尼系数, k , C分别为混凝土的刚度 和阻尼系数 , F为铁芯对衔铁的电磁吸力 , y ) 是 由混 凝土内部结构引起 的电磁振动棒外壳的位移 , 为运 动体系的坐标。 图 3 电磁振动棒动力学模型 铁芯对衔铁的吸引以及衔铁的反弹所产生的振 动均会传到外壳上 , 所以在
7、工程实际中, 为了设计的 方便 , 在进行振动棒动力学分析时, 假设振动棒处于 空载状态, 只考虑在脉冲电流作用下衔铁的运动, 动 一 28一 力学模型得到进一步的简化, 如图 4所示。 图 4 简化模型 对简化模型进行分析 : 线圈通电时( , 0 ) , 衔铁 , n 的受力分析如图 5所示。衔铁和铁芯倾斜一定的 0 I 图 5 , 0时衔铁受力分析 角度, 衔铁 的右端较其左端远离铁芯 , 因此左弹簧的 压缩量 略大于右弹簧的压缩量 。依牛顿第二 定律 , 此时, 衔铁 m 的运动方程为 : m1 + 1 + 2 ) X 4 - C = F - k l l k 2 2 ( 2 ) 左、
8、右弹簧受力 : = 1 + ) , F k = 2 - + 2 ) 摩擦阻力: = c 初始条件 : ( 0 ) : 0 , ( 0 ) = 0 。 当线 圈断电 , 线圈中电流为零 时( , - 0 ) , 铁芯对 衔铁的电磁吸力为零, 弹簧将衔铁反弹回去, 衔铁 m 的受力分析见图 6 。此时, 衔铁 m 的运动方程为: 0 图 6 I = 0时衔铁受力分析 O + m 0 T t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ml + l + 后 2 ) 一 C e = 一 k l Al k 2 A2 ( 3 ) 初始条件 : ( 0 ) = Z 。 , ( 0 ) =
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