电磁振动夯实机的设计研究

电磁振动夯实机是基于振实和夯实压实理论设计制造的，它的运动机构既能在垂直方向对地面进行冲击和振实作业，又能在水平方向产生自移运动。
　　电磁振动夯实机采用电磁式激振器，其原理如图1所示，由铁心、电磁线圈、衔铁和弹簧等组成。

　　电磁式激振器的电磁激振力是周期变化的，静态实验测量的结果表明：电磁力F与气隙δ的平方成反比，与电流的平方近似成正比，因此本文采用调节供电电流的方式来改变夯实力的大小。根据大部分压实材料对最佳工作频率和振幅的要求，选用矩形波（方波的下半部分过零）、频率在15-80Hz范围可调的励磁方式对电磁夯实机进行供电与控制。频率的变化采用单片机控制主开关驱动电路，使开关元件定期触发，以达到变频和改变脉宽的目的。

　　图2为电磁振动夯实机的机械结构简图和三维结构模拟示意图，图中底板10中心部位上方设置电磁装置，该电磁由底板上的振铁9、“Ⅱ”字形导磁铁心6及绕制在该导磁铁心两立柱上的串联线圈7组成，振铁9与底板10采用焊接的方式连接为一个整体。电磁装置的上部设置有顶板5，而外周四角设置有4个圆柱弹簧1，弹簧套在连接顶板5与底板10的导向杆4上，套筒2与套筒座8焊接，而套筒座8焊接在底板10上，导向杆4可以沿套筒在垂直方向上移动一定的距离。弹簧1套在套筒2外，并直立于套筒座8上，这样导向杆4、套筒2及弹簧1就能实现夯实机在垂直方向上的运动。“Ⅱ”字形铁心的上部两侧以槽钢3万头夹持并连接于上盖板上，平面底板10上设置有与底板相连的振铁9，在安装时要保证铁心和振铁之间有合理的间隙。为了使夯实机能够自行，夯实机的底板做成向前2.5°倾角的坡度，夯实机可在电磁力水平分力的作用下实现自动向前行走。
　　当接通主机电源时，在铁心和振铁之间产生电磁力，铁心吸引底板上的振铁带动底板向上运动，弹簧呈压缩状态。当线圈失电时，电磁装置的磁场消失，在弹簧力的作用下振铁和底板下落，弹簧复位，利用夯实机本身自重和弹簧力对土壤等材料进行冲击和振实，如此周而复始地完成夯实作业。
　　根据电磁夯实机的使用条件与工作特点，可以通过调节弹簧刚度或调节电源频率来改变夯实机的振幅，以达到压实的最佳效果。
　　为了保证产品的可靠性，对电磁振动夯实机建立了三维模型，并对各个零件进行应力分析、模态分析和疲劳分析。
　　2、电磁振动夯实机的电源设计
　　根据电磁振动夯实机的工作参数设计了一种专用逆变电源，参照弧焊变压器大电流、低电压的模式，设定工作电压为80V，输入为220V工频交流电，输出为大功率、大电流、低电压，频率、脉宽可调的方波电源（方波的下半部过零）。
　　逆变电源电路主要包括主回路和控制回路两大部分。主回路主要包括前级逆变单元、高频储能式变压器、后级逆变单元、整流滤波单元；控制回路主要包括单片机控制芯片、主开关元件的驱动电路、脉宽调制电路（PWM）、电流的反馈电路及相关的保护电路等。前级逆变单元工作在高频，与高频变压器配合工作可实现在输出大功率的情况下大大减小电源的体积；后级逆变单元由单片机控制主开关的驱动电路实现对输出波形的频率和脉宽的控制。
　　根据对输出电流的稳定性要求，对电流进行负反馈控制，可以使输出电流值与电流给定值趋于一致，从而实现恒流输出特性。再根据需要输出的脉冲参数，在适当时间切换电流给定值基值电流和峰值电流，就可以获得稳定的脉冲方波电流。
　　以单片机为核心组成的闭环控制系统如图3所示。

　　3、夯实机性能参数测试
　　根据以上设计的机械部分和电源，对新型电磁振动夯实机进行样机试制，并参照行业标准JG/5013.3-1992《振动平板夯性能试验方法》、JG/5014.3-1992《振动冲击夯性能试验方法》和国家标准GB/T 18148-2000《压实机械压实性能试验方法》对样机进行性能参数测试，夯实机的性能参数见表1。

　　为了测试电磁振动夯实机的压实效果，参照标准JG/5013.3-1992和GB/T 18148-2000进行压实度试验，用环刀法对压实土壤表层进行采样。在实验条件下振动频率为30Hz时，经过4遍压实后的土壤压实度可达到88.67%，能够满足用户对路基、建筑物基础等进行压实的要求。
　　该产品目前还处于试制阶段，虽取得了一定成果，但机械的稳定性、可靠性和使用寿命等方面的研究有待进一步深入，机械结构和供电电源也有待进一步优化。