電磁振動夯實機的設(shè)計研究

王虎

摘要：根據(jù)電磁振動及夯實原理研制了一種新型電磁振動夯實機。介紹了電磁振動夯實的機械結(jié)構(gòu)和原理，以及電磁夯實機供電電源的設(shè)計方法。電磁夯實機以電磁力做功獲得夯實效果，通過運動機構(gòu)在垂直方向上對地面進行沖擊和振動實現(xiàn)夯實。壓實試驗表明，該機在振動頻率為30Hz時，經(jīng)過4遍壓實后的壓實度可達到88.67%，獲得了較好的壓實效果，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：壓實平板夯電磁振動

1.電磁振動夯實的機械結(jié)構(gòu)和原理

電磁振動夯實機是基于振實和夯實壓實理論設(shè)計制造的，它的運動機構(gòu)既能在垂直方向?qū)Φ孛孢M行沖擊和振實作業(yè)，又能在水平方向產(chǎn)生自移運動。

電磁振動夯實機采用電磁式激振器，由鐵心、電磁線圈、銜鐵盒彈簧等組成。

電磁式激振器的電磁振力是周期變化的，靜態(tài)實驗測量的結(jié)果表明：電磁力F與氣隙δ的平方成反比，與電流的平方近似成正比，因此采用調(diào)節(jié)供電電流的方式來改變航實力的大小。根據(jù)大部分壓實材料對最佳工作頻率和振幅的要求，選用矩形波（方波的下半部分過零）、頻率在15-80Hz范圍可調(diào)的勵振方式對電磁夯實機進行供電與控制。頻率的變化采用單片機控制主開關(guān)驅(qū)動電路，使開關(guān)元件定期觸發(fā)，以達到變頻和改變脈寬的目的。電磁振動夯實機的機械結(jié)構(gòu)底板中心部位上方設(shè)置電磁裝置，該電磁由底板上的振鐵、“II”字形導(dǎo)磁鐵心及繞制在該導(dǎo)磁鐵心兩立柱上的串聯(lián)線圈組成，振鐵與底板采用焊接的方式連接為一個整體。電磁裝置的上部設(shè)置有頂板，而外周四角設(shè)置有4個圓柱彈簧，彈簧套在連接頂板與底板的導(dǎo)向桿上，套筒與套筒座焊接，而套筒座焊接在底板上，導(dǎo)向桿可以沿套筒在垂直方向上移動一定的距離。彈簧套在套筒外，并直立于套筒座上，這樣導(dǎo)向桿、套筒及彈簧就能實現(xiàn)夯實機在垂直方向上的運動。“II”字形鐵心的上部兩側(cè)以槽鋼萬頭夾持并連接于蓋板上，平面底板上設(shè)置有與底板相連的振鐵，在安裝時要保證鐵心和振鐵之間有合理的間隙。為了使夯實機能夠自行，夯實機的底板做成向前2.5°傾角的坡度，夯實機可在電磁力水平分力的作用下實現(xiàn)自動向前行走。

2.電磁振動夯實機的電源設(shè)計

根據(jù)電磁振動夯實機的工作參數(shù)設(shè)計了一種專用的逆變電源，參照弧焊變壓器大電流、低電壓的模式，設(shè)定工作電壓為80V，輸入為220V工頻交流電，輸出為大功率、大電流、低電壓，頻率、脈寬可調(diào)的方波電源（方波的下半部過零）。

逆變電源電路主要包括主回路和控制回路兩大部分。主回路主要包括前級逆變單元、高頻儲能式變壓器、后級逆變單元、整流濾波單元；控制回路主要包括單片機控制芯片、主開關(guān)元件的驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路（PWM）、電流的反饋電路及相關(guān)的保護電路等。前級逆變單元工作在高頻，與高頻變壓器配合工作可實現(xiàn)在輸出功率的情況下大大減小電源的體積；后級逆變單元由單片機控制主開關(guān)的驅(qū)動電路實現(xiàn)對輸出波形的頻率和脈寬的控制。

根據(jù)對輸出電流的穩(wěn)定性要求，對電流進行負反饋控制，可以使輸出電流值與電流給定值趨于一致，從而實現(xiàn)恒流輸出特性。再根據(jù)需要輸出的脈沖參數(shù)，在適當時間切換電流給定值基值電流和峰值電流，就可以獲得穩(wěn)定的脈沖方波電流。

3.夯實機性能參數(shù)測試

根據(jù)以上設(shè)計的機械部分和電源，對新型電磁振動夯實機進行樣機試制，并參照行業(yè)標準JG/5013.3-1992《振動平板夯性能試驗方法》、JG/5014.3-1992《振動沖擊夯性能試驗方法》和國家標準GB/T 18148-2000《壓實機械壓實性能試驗方法》對樣機進行性能參數(shù)測試，夯實機的性能參數(shù)見表1.

為了測試電磁振動夯實機的壓實效果，參照標準JG/5013.3-1992和GB/T 18148-2000進行壓實度試驗，用環(huán)刀法對壓實土壤表層進行采樣。在實驗條件下振動頻率為30Hz時，經(jīng)過4遍壓實后的土壤壓實度可達到88.67%，能夠滿足用戶對路基、建筑物基礎(chǔ)等進行壓實的要求。

該夯實機克服了現(xiàn)有以柴油機、電動機為動力裝置而導(dǎo)致夯實機易出故障，工作壽命短、重量大的不足之處，將動力裝置改進為包括：“II”字形導(dǎo)磁鐵心、以及繞制在該導(dǎo)磁鐵心兩立柱上的并列線圈匝組成的電磁裝置，且該電磁裝置受控于主要以單片機控制可控硅變頻的電回路。電磁裝置的導(dǎo)磁鐵心在受控電回路的作用下，與平面底板產(chǎn)生有頻率的相吸與相脫而達到夯實目的。本實用新型可以調(diào)節(jié)夯實振動的頻率、振幅、沖擊力，故適應(yīng)不同工況的施工，特別適用于公路、橋梁路基混凝土壓實及路面的養(yǎng)護。具有主機能量利用率高、無污染、結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、噪音小、整機重量小、轉(zhuǎn)場快捷輕便等優(yōu)點。該產(chǎn)品目前還處于試制階段，雖然取得了一定成果，但機械的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命等方面的研究有待進一步深入，機械結(jié)構(gòu)和供電電源也有待進一步優(yōu)化。