偏心质量振荡器的设计

摘 要 偏心振荡器可以用来测试各种各样的结构，包括大坝、大型锅炉结构、核电站建筑和设备、基础、桥梁、海上石油开采平台、船只、烟窗、地面、办公建筑和大型储水箱等。据此本文设计一种频率范围在0.23Hz-20Hz之间，最大偏心力可达24KN的振荡器。

【关键词】偏心 振荡器 共振频率 阻尼 模型

1 引言

偏心质量振荡器是用于测试大尺寸结构物的动态响应特征的很好方式，通过给结构物施加一系列频率的正弦波偏心作用力，可以评估结构物的共振频率、阻尼模型形状以及其他的动态特征。结构物实际的动态特征可以用于评估和改进分析模型，找出单纯通过模型分析的不合理的地方，确定有隐患的振动源，发现结构物的损坏以及给结构和结构构件提供基本的动态研究数据。

2 工作原理

振荡器使用一个或者多个旋转的偏心重块来提供作用力，作用力的力值和偏心率以及旋转频率的平方成正比，有如下的计算公式：

F = E *W^2 （1）

其中：E指的是偏心率，即偏心质量块质心与旋转圆心的距离与质量块质量的乘积，单位为Kg*m，W是角速度，单位为弧度/秒。

单个偏心块提供一个全方位的旋转力值矢量，可以被分解为两个正交的90度相位差的正弦作用力。大部分的偏心重块是可以从零调整到满偏心率的，这样可以通过不同的旋转频率得到相同的测试力值。几乎所有的振荡器都可以提供水平作用力，有些还可以提供垂直作用力，但是需要更大的驱动器，以克服由于地心引力造成的扭转现象。

大部分振荡器通过可变速电机驱动，电机的选择取决于振荡器（内部摩擦，偏差）以及被测结构物测试过程中所需要的运动振幅大小。

3 结构设计

在低频激振的情况下，偏心质量块角速度小， 产生的激振力小， 要增大激振力，就得增加质量块的质量；相反地，在高频激振情况下，偏心质量块角速度大，产生的激振力就非常大， 为了减小激振力，就得减小激振力。为此本文针对面0.23HZ到20HZ，将振荡器设计成2个速度范围：0.23-3.8HZ和1.2-20HZ。改变一个速度范围到另一个速度范围需要通过机械调整，花费大概10分钟（同步皮带和皮带轮必须更换）。这包括更换2个驱动皮带轮和皮带。这个调整靠松动减速机组件和更换皮带轮，皮带。其结构如图1所示。

其中：1 主视图 ；2 侧视图；3偏心质量块；4同步带；5电机；6变速箱；7轴承座；8固定支架（有三块）。

图2 和图3分别为不同大小质量块同一个振荡器实物图。图中电机通过齿轮变速箱再经过皮带

轮及皮带带动两边偏心质量块按相反反向旋转，从而产生激振力。可调节两边偏心质量块的初始相位夹角，来改变激振力发生的最大方向。当这个夹角为0度时，最大激振力发生在竖直方向；当这个夹角为180度时，最大激振力将发生在水平方向。上文中的公式（1）将变成公式：

F = E *W^2*sin（φ+w*t） （2）

其中：F为偏心激振力，W为偏心率， 为两边偏心块的初始安装夹角，这个夹角是可调的，从而根据实际需要能在不同的方向产生最大激振力。激振力的测量可在两侧边的支架上贴应变片进行测量实现。

4 电机选择

选择8块大质量块的的偏心率为53kg*m，而8块小质量块的最大偏心率（可调）为24kg*m。地球重力会造成偏心质量块向下坠落。提升和驱动振动器传动轴所需的力矩是53kg*m×9.82m/s^2，大约600N*m（在0.23-3.8HZ区间的偏心率峰值是53kg*m），在1.2-20HZ范围（偏心率24kg*m）所需最大力矩是236N*m。

驱动电机以60HZ的最大速度工作，由减速箱减到1.2-20HZ范围（减速箱比例3：1，皮带轮比例1：1）或0.23-3.8HZ（减速箱3：1，皮带轮5.294：1），由此可得在0.23-3.8HZ范围结果内电机需要的力矩大约56N*m，而在1.2-20HZ范围内需要79N*m。

所选电机需克服重力产生的启动力矩，这个能量实际上在下降时以势能返还。平均下来所需能量几乎为零。为使振动系统长时间的保持振动，减少电机的功耗。这需要靠制动电阻和合适的驱动能量系统来完成。由公式：

（3）

其中T为扭矩，单位N*m；P为电机功率，单位为watt；N为电机转速，单位为rpm。

可知在0.23-3.8HZ范围，需要的能量是5KW，现提供的直流伺服电机能提供的最大能力是：7KW，最高转速60HZ， 最大扭矩可达169N*m，这足以满足以上设计需要。

电机控制由电机自带的控制器来实现，电机带有自锁及点动功能，方便调节质量块的安装夹角，同时带有可设的匀加速启动，及匀减速制动功能，可实现频率扫描功能。

5 结束语

本文设计的偏心振荡器对于调整改变潜艇结构，以减小海水涌动及潜艇发动机对潜艇本身的振动有着重要意义。偏心振荡器应用很广泛，希望本文设计的振荡器能为其它振荡器设计者提供参考。

参考文献

[1]罗应力.电机学 （第3版）[M]. 北京：机械工业出版社，2008（5）.

[2]阮毅.运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2006（9）.

作者简介

黄丽英（1982-），女，湖南省邵阳市人。硕士学位。现为广东工贸职业技术学院助教。主要研究方向为电气自动化。

作者单位

广东工贸职业技术学院电气自动化系 广东省广州市 510510