電磁振動(dòng)夯實(shí)機(jī)的設(shè)計(jì)研究

王虎

摘要：根據(jù)電磁振動(dòng)及夯實(shí)原理研制了一種新型電磁振動(dòng)夯實(shí)機(jī)。介紹了電磁振動(dòng)夯實(shí)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和原理，以及電磁夯實(shí)機(jī)供電電源的設(shè)計(jì)方法。電磁夯實(shí)機(jī)以電磁力做功獲得夯實(shí)效果，通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在垂直方向上對(duì)地面進(jìn)行沖擊和振動(dòng)實(shí)現(xiàn)夯實(shí)。壓實(shí)試驗(yàn)表明，該機(jī)在振動(dòng)頻率為30Hz時(shí)，經(jīng)過(guò)4遍壓實(shí)后的壓實(shí)度可達(dá)到88.67%，獲得了較好的壓實(shí)效果，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：壓實(shí)平板夯電磁振動(dòng)

1.電磁振動(dòng)夯實(shí)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和原理

電磁振動(dòng)夯實(shí)機(jī)是基于振實(shí)和夯實(shí)壓實(shí)理論設(shè)計(jì)制造的，它的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)既能在垂直方向?qū)Φ孛孢M(jìn)行沖擊和振實(shí)作業(yè)，又能在水平方向產(chǎn)生自移運(yùn)動(dòng)。

電磁振動(dòng)夯實(shí)機(jī)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(lái)改變航實(shí)力的大小。根據(jù)大部分壓實(shí)材料對(duì)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(guò)零）、頻率在15-80Hz范圍可調(diào)的勵(lì)振方式對(duì)電磁夯實(shí)機(jī)進(jìn)行供電與控制。頻率的變化采用單片機(jī)控制主開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，使開(kāi)關(guān)元件定期觸發(fā)，以達(dá)到變頻和改變脈寬的目的。電磁振動(dòng)夯實(shí)機(jī)的機(jī)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(gè)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(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)夯實(shí)機(jī)在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)?！癐I”字形鐵心的上部?jī)蓚?cè)以槽鋼萬(wàn)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(shí)要保證鐵心和振鐵之間有合理的間隙。為了使夯實(shí)機(jī)能夠自行，夯實(shí)機(jī)的底板做成向前2.5°傾角的坡度，夯實(shí)機(jī)可在電磁力水平分力的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)向前行走。

2.電磁振動(dòng)夯實(shí)機(jī)的電源設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁振動(dòng)夯實(shí)機(jī)的工作參數(shù)設(shè)計(jì)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(guò)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(jí)逆變單元、高頻儲(chǔ)能式變壓器、后級(jí)逆變單元、整流濾波單元；控制回路主要包括單片機(jī)控制芯片、主開(kāi)關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路（PWM）、電流的反饋電路及相關(guān)的保護(hù)電路等。前級(jí)逆變單元工作在高頻，與高頻變壓器配合工作可實(shí)現(xiàn)在輸出功率的情況下大大減小電源的體積；后級(jí)逆變單元由單片機(jī)控制主開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形的頻率和脈寬的控制。

根據(jù)對(duì)輸出電流的穩(wěn)定性要求，對(duì)電流進(jìn)行負(fù)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(shí)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(dāng)時(shí)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(shí)機(jī)性能參數(shù)測(cè)試

根據(jù)以上設(shè)計(jì)的機(jī)械部分和電源，對(duì)新型電磁振動(dòng)夯實(shí)機(jī)進(jìn)行樣機(jī)試制，并參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/5013.3-1992《振動(dòng)平板夯性能試驗(yàn)方法》、JG/5014.3-1992《振動(dòng)沖擊夯性能試驗(yàn)方法》和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18148-2000《壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)性能試驗(yàn)方法》對(duì)樣機(jī)進(jìn)行性能參數(shù)測(cè)試，夯實(shí)機(jī)的性能參數(shù)見(jiàn)表1.

為了測(cè)試電磁振動(dòng)夯實(shí)機(jī)的壓實(shí)效果，參照標(biāo)準(zhǔn)JG/5013.3-1992和GB/T 18148-2000進(jìn)行壓實(shí)度試驗(yàn)，用環(huán)刀法對(duì)壓實(shí)土壤表層進(jìn)行采樣。在實(shí)驗(yàn)條件下振動(dòng)頻率為30Hz時(shí)，經(jīng)過(guò)4遍壓實(shí)后的土壤壓實(shí)度可達(dá)到88.67%，能夠滿足用戶對(duì)路基、建筑物基礎(chǔ)等進(jìn)行壓實(shí)的要求。

該夯實(shí)機(jī)克服了現(xiàn)有以柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力裝置而導(dǎo)致夯實(shí)機(jī)易出故障，工作壽命短、重量大的不足之處，將動(dòng)力裝置改進(jìn)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(jī)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(dá)到夯實(shí)目的。本實(shí)用新型可以調(diào)節(jié)夯實(shí)振動(dòng)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(shí)及路面的養(yǎng)護(hù)。具有主機(jī)能量利用率高、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低、噪音小、整機(jī)重量小、轉(zhuǎn)場(chǎng)快捷輕便等優(yōu)點(diǎn)。該產(chǎn)品目前還處于試制階段，雖然取得了一定成果，但機(jī)械的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命等方面的研究有待進(jìn)一步深入，機(jī)械結(jié)構(gòu)和供電電源也有待進(jìn)一步優(yōu)化。