CN104931217B - 电子机械式连续无极调幅直线作动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及试验机技术领域，具体是一种电子机械式连续无极调幅直线作动器。该作动器包括机体、主动力源传动机构、主、左、右曲柄滑块机构、楔形块牵引机构和牵引动力源传动机构，主动力源传动机构和牵引动力源传动机构与机体连接；主动力源传动机构中的方形轴与机体轴承连接；主、左、右曲柄滑块机构中的主、左、右偏心圆盘均开有方形轴穿过的内孔；楔形块牵引机构与右曲柄滑块机构和牵引动力源传动机构连接；牵引动力源传动机构固定在机体上。本发明采用由控制电动机驱动的机构运动直接作用于试件，输出载荷大，工作频率高；免维护、效率高、节能显著。本发明的设计减轻了主曲柄滑块机构引起的振动，并实现了曲柄长度连续可调。

Description

电子机械式连续无极调幅直线作动器

技术领域

本发明涉及试验机技术领域，具体的说是一种电子机械式连续无极调幅直线作动器。

背景技术

工业生产中和科学研究中，对产品构成中的零部件、甚至产品整体，反复施加力载荷，以获得零部件疲劳特性，是确保产品质量与性能必不可少的重要手段。为保证产品的可靠性，对构件、产品整体施行振动试验也是最常用的手段。在疲劳试验、振动试验过程中直线作动器技术是试验装备保证试验功能和性能的核心技术之一。

直线作动器，即直接产生直线往复运动与作用力的驱动机构，是实现力负荷疲劳试验的动力装置，也是振动试验的激振装置。目前，作动器大致可以分为液压油缸、电动缸、电磁作动器、直线电机作动器，控制形式有电液伺服、电子伺服等。迄今在疲劳试验领域以电液伺服控制的液压油缸驱动应用最为普遍，它载荷大(兆牛级)、振幅大、频率高(可达300Hz)、控制效果好，但耗能巨大，价格昂贵；电磁作动器具有频率高的特点(可达500Hz)，运用电子控制技术可以达到节能的目的，但振幅较小(最大12mm)，振幅控制较难。直线电机作动器具有各项参数控制性能好的特点(频率可达100Hz)，也可以实现节能的效果，但载荷较小(最大10kN)，价格昂贵；电动缸式作动器具有振幅大、易于控制等特点，但载荷小(最大20kN)，频率低(最高30Hz)。以单向液压缸为作动器的脉动疲劳试验技术，具有载荷大、节能、控制简单、价格低廉等优点，但是它无法实现双向交变加载，无法实现实时改变振幅，工作频率太低(最高不过8Hz)。

为实施疲劳试验，目前市场上提供的试验设备基本上为采用了电液伺服技术的疲劳试验机。受电液和液压技术的局限，电液伺服疲劳试验机的动力系统(即液压泵)，一般采用定量、定压工作方式，试验机工作时基本上为满功率输出，耗能巨大。以一台500kN规格的试验机为例，当试验机以10Hz频率、5mm振幅工作时，若机械工作效率为0.9，则功率消耗达180kW。疲劳试验机一般为长期连续工作方式，因而形成很大的电能消耗，使得生产商承担着巨大的生产成本。随着试验技术应用需求的不断增长，试验过程的电能消耗成为了制约生产技术发展、产品质量提高、产品成本降低的瓶颈问题之一。

对于试验机而言，它的负载基本上都是弹性位能负载，即力的大小与试件的弹性变形(即振幅)成正比，力的方向随变形方向改变而改变。当对试件施加载荷促使其产生变形过程中，负载力与运动速度方向相反，试验机对试件做功；而当试件的弹性变形恢复过程中，负载力与运动速度方向相同，试件对试验机做功。试件变形过程和变形恢复过程所做功的量值相等，符号相反，因此理论上总功率为零。由此可知，采用电液伺服疲劳试验机试验过程中液压泵消耗的功率基本上是浪费。如果能够找到合适的技术措施，将变形回复过程所做功再用于变形过程，这样在理论上就可以不需要外部提供能量了，极大节省能源。

运用电力电子技术，回收利用变形回复过程的再生能源是已经应用成熟的技术。但需要合适的作动器。

发明内容

本发明提供了一种配合电力电子技术来吸收变形回复过程的能源，从而实现节能的目的电子机械式连续无极调幅直线作动器。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种电子机械式连续无极调幅直线作动器，该作动器5包括机体8、主动力源传动机构、主曲柄滑块机构、左曲柄滑块机构、右曲柄滑块机构、楔形块牵引机构和牵引动力源传动机构，其中所述的主动力源传动机中构的二号电动机43和牵引动力源传动机构中的一号电动机19通过螺栓与机体8连接；所述的主动力源传动机构中的方形轴10与机体8通过方形轴轴承11连接；所述的左曲柄滑块机构、右曲柄滑块机构分别对称设置在主曲柄滑块机构的两侧；所述的主曲柄滑块机构中的主偏心圆盘7、左曲柄滑块机构中的左偏心圆盘31、右曲柄滑块机构中的右偏心圆盘32均开有内孔，主动力源传动机构中的方形轴10穿过内孔，方形轴10的四个外表面与内孔面互相贴合；所述的机体8与主曲柄滑块机构之间设置有限制主曲柄滑块机构左、右移动的一号直线轴承23、二号直线轴承45；所述的机体8与左曲柄滑块机构之间设置有限制左曲柄滑块机构左、右移动的三号直线轴承46、四号直线轴承47；所述的机体8与右曲柄滑块机构之间设置有限制右曲柄滑块机构左、右移动的五号直线轴承48、六号直线轴承49，所述的楔形块牵引机构的左侧通过螺钉13与所有楔形块固定连接；另一侧通过丝杠螺母副与牵引动力源传动机构连接；牵引动力源传动机构中的一号电动机19固定在机体8上；牵引动力源传动机构中的丝杠20通过丝杠轴承17与机体8相连。

所述的主动力源传动机构还包括二号皮带轮41、三号皮带轮42；所述的二号电动机43通过螺栓固定在机体8上；二号皮带轮41设置在二号电动机43上；三号皮带轮42设置在方形轴10上；所述的二号皮带轮41和三号皮带轮42形成传递动力的带轮传动。

所述的主曲柄滑块机构包括一号楔形块9、二号楔形块12、主偏心圆盘7、主偏心圆盘轴承26、主连杆25、主销轴29、主销轴轴承27、主滑块24；所述的主偏心圆盘7中间开有方形斜孔；所述的一号楔形块9设置在方形轴10的上端，所述的二号楔形块12设置在方形轴10的下端，一号楔形块9、二号楔形块12的上下两个斜面的倾斜角相同并且与主偏心圆盘7贴合；所述的主连杆25的小头开有销孔，大头开有大圆孔；所述的主销轴29插入主连杆25的销孔，主销轴29与主滑块24之间有主销轴轴承27；主连杆25大圆孔内部放置有主偏心圆盘轴承26，主偏心圆盘轴承26的内表面放置有主偏心圆盘7。

所述的左曲柄滑块机构包括四号楔形块33、五号楔形块34、左偏心圆盘31、左偏心圆盘轴承40、左连杆39、左销轴轴承37、左销轴38和左滑块36；所述的左偏心圆盘31中间开有方形斜孔；所述的四号楔形块33设置在方形轴10的上端，所述的五号楔形块34设置在方形轴10的下端；四号楔形块33、五号楔形块34的上下两个斜面的倾斜角相同且与左偏心圆盘31贴合；所述的左连杆39的小头开有销孔，大头开有大圆孔；所述的左销轴38插入左连杆39的销孔，左销轴38与左滑块36之间有左销轴轴承37；左连杆39大圆孔内部放置有左偏心圆盘轴承40，左偏心圆盘轴承40的内表面放置有左偏心圆盘31。

所述的右曲柄滑块机构包括三号楔形块30、六号楔形块35、右滑块44、右偏心圆盘32、右偏心圆盘轴承51、右连杆52、右销轴轴承53和右销轴54；所述的右偏心圆盘32中间开有方形斜孔；所述的三号楔形块30设置在方形轴10的上端，所述的六号楔形块35设置在方形轴10的下端；所述的三号楔形块30、六号楔形块35的上下两个斜面的倾斜角相同且与右偏心圆盘32贴合；所述的右连杆52的小头开有销孔，大头开有大圆孔；所述的右销轴54插入右连杆52的销孔，右销轴54与右滑块44之间有右销轴轴承53；所述的右连杆52大圆孔内部放置有右偏心圆盘轴承51，右偏心圆盘轴承51的内表面放置有右偏心圆盘32。

所述的一号楔形块9、三号楔形块30、四号楔形块33为一体；二号楔形块12、五号楔形块34、六号楔形块35为一体。

所述的楔形块牵引机构包括滑套14、推力轴承15、径向轴承16、圆环22；所述的楔形块牵引机构的左侧通过螺钉13将一号楔形块9、三号楔形块30、四号楔形块33、二号楔形块12、五号楔形块34、六号楔形块35以及滑套14连接形成一个组合体；滑套14开有方形中心孔；所述的圆环22内壁有推力轴承15、径向轴承16；所述的滑套14的外缘通过径向轴承16和推力轴承15与一个圆环22的内壁连接，圆环22的一外侧端面周向对称固定两个导程和头数及旋向相同的螺母21，螺母21的轴线与方形轴10的轴线平行。

所述的牵引动力源传动机构还包括二号同步带轮50、一号同步带轮18、丝杠20；所述的丝杠20的一端固定安装有同步带轮18，一号电动机19固定安装在机体8上，而一号电动机19上的二号同步带轮50则与丝杠20右端的一号同步带轮18形成带轮传动；一对所述的丝杠20与螺母21配合；所述的丝杠20的一端固定安装有同步带轮18，并通过丝杠轴承17与机体8连接；所述的一号电动机19经过同步带轮18通过带轮传动驱动两个丝杠20同步转动，从而带动螺母21、圆环22、滑套14以及所有楔形块沿方形轴10只能轴线移动而不转动。

本发明的有益效果为：本发明采用由控制电动机驱动的机构运动直接作用于试件上，输出载荷可以较大，工作频率也可以较高，且免去常见的复杂电液伺服系统，结构简单、工作免维护、效率高。节能效果非常显著，同目前市场上主流的电液伺服系统相比，此作动器工作过程中借助电力电子控制技术，电动机理论上不消耗能量，只需克服机构运动的摩擦等损耗，实现了低能耗。无需专门配置冷却系统，通过机器自身配置实现热平衡。这样既节约了成本，也减小了空间。本发明采用了合理的技术手段，极大的降低了作动器的内部振动。

附图说明

图1为本发明安装在疲劳试验机上的结构示意图；

图2为本发明主曲柄滑块机构的工作原理示意图；

图3为本发明主曲柄滑块机构的结构示意图；

图4为图3的C—C处剖视图；

图5为本发明楔形块牵引机构的结构示意图；

图6为图5的A-A处剖视图；

图7为图5的B-B处剖视图；

图8为本发明振动平衡方案的原理图；

图9为本发明中振动源抑制与消除的原理图；

图10为位移曲线、负载作用力曲线以及负载转矩曲线图；

图11为交变工作方式下的负载功率曲线图；

图12为本发明整体结构示意图；

具体实施方式

参阅图1，本发明是一种电子机械式连续无极调幅直线作动器，该作动器5以及动横梁及其升降移动机构1、位置固定与锁紧机构2、试件夹持装置4、试件3共同构成疲劳机主机。而疲劳机主机通过和电控柜6的组合，来实现节能技术。运用电力电子技术设计的电控柜6来回收试件3变形回复过程中的能量。

参阅图12，该作动器5包括机体8、主动力源传动机构、主曲柄滑块机构、左曲柄滑块机构、右曲柄滑块机构、楔形块牵引机构和牵引动力源传动机构，其中所述的主动力源传动机构中的二号电动机43和牵引动力源传动机构中的一号电动机19通过螺栓与机体8连接；所述的主动力源传动机构中的方形轴10与机体8通过方形轴轴承11连接；所述的左曲柄滑块机构、右曲柄滑块机构分别对称设置在主曲柄滑块机构的两侧；所述的主曲柄滑块机构中的主偏心圆盘7、左曲柄滑块机构中的左偏心圆盘31、右曲柄滑块机构中的右偏心圆盘32均开有内孔，主动力源传动机构中的方形轴10穿过内孔，方形轴10的四个外表面与内孔面互相贴合；所述的机体8与主曲柄滑块机构之间设置有限制主曲柄滑块机构左、右移动的一号直线轴承23、二号直线轴承45；所述的机体8与左曲柄滑块机构之间设置有限制左曲柄滑块机构左、右移动的三号直线轴承46、四号直线轴承47；所述的机体8与右曲柄滑块机构之间设置有限制右曲柄滑块机构左、右移动的五号直线轴承48、六号直线轴承49，所述的楔形块牵引机构的左侧通过螺钉13与所有楔形块固定连接；另一侧通过丝杠螺母副与牵引动力源传动机构连接；牵引动力源传动机构中的一号电动机19固定在机体8上；牵引动力源传动机构中的丝杠20通过丝杠轴承17与机体8相连。

参阅图12，所述的主动力源传动机构还包括二号皮带轮41、三号皮带轮42；所述的二号电动机43通过螺栓固定在机体8上；二号皮带轮41设置在二号电动机43上；三号皮带轮42设置在方形轴10上；所述的二号皮带轮41和三号皮带轮42形成传递动力的带轮传动。

参阅图2—图7、图12，所述的主曲柄滑块机构包括一号楔形块9、二号楔形块12、主偏心圆盘7、主偏心圆盘轴承26、主连杆25、主销轴29、主销轴轴承27、主滑块24；所述的主偏心圆盘7中间开有方形斜孔；所述的一号楔形块9设置在方形轴10的上端，所述的二号楔形块12设置在方形轴10的下端，一号楔形块9、二号楔形块12的上下两个斜面的倾斜角相同并且与主偏心圆盘7贴合；所述的主连杆25的小头开有销孔，大头开有大圆孔；所述的主销轴29插入主连杆25的销孔，主销轴29与主滑块24之间有主销轴轴承27；主连杆25大圆孔内部放置有主偏心圆盘轴承26，主偏心圆盘轴承26的内表面放置有主偏心圆盘7。主曲柄滑块机构中的曲柄的功能实际是由一个主偏心圆盘7，一根方形轴10，一号楔形块9，二号楔形块12构成的组合体来充当，曲柄的长度e即为主偏心圆盘7与方形轴10中心线的距离。其中曲柄的长度e与主连杆25的长度L的比值小于1:20。方形轴10的中心作为曲柄滑块机构曲柄的回转中心。

参阅图3，一号楔形块9的两个面分别与方形轴10的一个面和主偏心圆盘7上所开出的方孔的一个面贴合；在方形轴的10对称面上与二号楔形块12的一面贴合，二号楔形块12的另一个面与主偏心圆盘7所开方形斜孔的另一个面贴合。

参阅图3，方形轴10、一号楔形块9、二号楔形块12、主偏心圆盘7按上述办法组合后，主偏心圆盘7的中心线与方形轴10的轴线平行；上下两个楔形块的夹角相等，在方形轴10上安装后构成的两个斜面平行；两个楔形块可以沿着方形轴10的平面同步作轴向滑动运动，而与一号楔形块9和二号楔形块12贴合的主偏心圆盘7是不能进行轴向运动的。所以当一号楔形块9和二号楔形块12沿着方形轴轴向移动的时候，将带动主偏心圆盘7沿着二号直线轴承45上下移动，达到改变主偏心圆盘7与方形轴10的中心距(也就是偏心距e)的目的，这也正是本发明连续调幅的实现方式。

参阅图12，所述的左曲柄滑块机构包括四号楔形块33、五号楔形块34、左偏心圆盘31、左偏心圆盘轴承40、左连杆39、左销轴轴承37、左销轴38和左滑块36；所述的左偏心圆盘31中间开有方形斜孔；所述的四号楔形块33设置在方形轴10的上端，所述的五号楔形块34设置在方形轴10的下端；四号楔形块9、五号楔形块12的上下两个斜面的倾斜角相同且与左偏心圆盘31贴合；所述的左连杆39的小头开有销孔，大头开有大圆孔；所述的左销轴38插入左连杆39的销孔，左销轴38与左滑块36之间有左销轴轴承37；左连杆39大圆孔内部放置有左偏心圆盘轴承40，左偏心圆盘轴承40的内表面放置有左偏心圆盘31。当四号楔形块33与五号楔形块34左右同步移动时，左偏心圆盘31会沿四号直线轴承47上下移动。

参阅图12，所述的右曲柄滑块机构包括三号楔形块30、六号楔形块35、右滑块44、右偏心圆盘32、右偏心圆盘轴承51、右连杆52、右销轴轴承53和右销轴54；所述的右偏心圆盘32中间开有方形斜孔；所述的三号楔形块30设置在方形轴10的上端，所述的六号楔形块35设置在方形轴10的下端；所述的三号楔形块30、六号楔形块35的上下两个斜面的倾斜角相同且与右偏心圆盘32贴合；所述的右连杆52的小头开有销孔，大头开有大圆孔；所述的右销轴54插入右连杆52的销孔，右销轴54与右滑块44之间有右销轴轴承53；所述的右连杆52大圆孔内部放置有右偏心圆盘轴承51，右偏心圆盘轴承51的内表面放置有右偏心圆盘32。当三号楔形块30与六号楔形块35左右同步移动时，右偏心圆盘32会沿六号直线轴承49上下移动。

所述的左曲柄滑块机构、右曲柄滑块机构的质量均为主曲柄滑块机构质量的一半，主、左、右曲柄滑块机构的偏心距e相同；主连杆25、左连杆39、右连杆52长度相同；左连杆39、右连杆52开孔直径与主连杆25开孔直径相同，用以安装左偏心圆盘轴承40和右偏心圆盘32；主、左、右曲柄滑块机构中的一号滑块24、二号滑块36、三号滑块44的滑动位移方向平行。左偏心圆盘31和右偏心圆盘32的偏心方向一样，它们都和与主偏心圆盘7的偏心方向相反。左、右曲柄滑块机构是对称的，其结构组成、工作原理、偏心距e、连杆长度、滑块的运动位移大小均相同。主曲柄滑块机构是本作动器对外输出动力的装置，而左、右曲柄滑块机构仅作为平衡主曲柄滑块机构振动的装置，并不对外输出动力。

左、右曲柄滑块机构中的楔形块与方形轴10贴合安装后形成的两个平行斜面方向是主曲柄滑块机构两个楔形块平行斜面的镜像方向。通过这种布置方式，当主滑块24在最低点的时候，左滑块36、右滑块44均在最高点。

参阅图5，所述的楔形块牵引机构包括滑套14、推力轴承15、径向轴承16、圆环22；所述的楔形块牵引机构的左侧通过螺钉13将一号楔形块9、三号楔形块30、四号楔形块33、二号楔形块12、五号楔形块34、六号楔形块35以及滑套14连接形成一个组合体，通过这样的方式，上述组合体可与方形轴10滑动配合，它可以沿着方形轴作直线滑动运动。；滑套14开有方形中心孔；所述的圆环22内壁有推力轴承15、径向轴承16；所述的滑套14的外缘通过径向轴承16和推力轴承15与一个圆环22的内壁连接，圆环22的一外侧端面周向对称固定两个导程和头数及旋向相同的螺母21，螺母21的轴线与方形轴10的轴线平行。由于圆环22内壁有径向轴承16和推力轴承15，所以方形轴10带动所有楔形块、偏心圆盘、滑套转动时，滑套14在滑环内壁转动的同时，并不影响圆环22带动滑套14和所有楔形块在轴向的移动，所有的楔形块由于受到牵引力，会沿着方形轴10轴向移动，从而带动主偏心圆盘7、左偏心圆盘31、右偏心圆盘32作竖直方向的移动，从而同时改变了主、左、右曲柄滑块机构的偏心距e。

参阅图5，所述的牵引动力源传动机构还包括二号同步带轮50、一号同步带轮18、丝杠20；所述的丝杠20的一端固定安装有同步带轮18，一号电动机19固定安装在机体8上，而一号电动机19上的二号同步带轮50则与丝杠20右端的一号同步带轮18形成带轮传动；所述的一对丝杠20与螺母21配合；所述的丝杠20的一端固定安装有同步带轮18，并通过丝杠轴承17与机体8连接；所述的一号电动机19通过带轮传动驱动两个丝杠20同步转动，从而带动螺母21、圆环22、滑套14以及所有楔形块沿方形轴10只能轴线移动而不转动。

方形轴10的回转运动是采用二号电动机43驱动的，配合电子控制装置具有能量回收功能。二号电动机43工作时，负载正功率部分，电动机给负载提供能量；负载负功率部分，负载推动电机工作发电，通过电控柜6将电能储存。所以理论上试验过程中不消耗能量，系统为节能型工作装置。

本发明的工作运动原理如下：

参阅图2，二号电动机43通过方形轴10驱动主偏心圆盘7转动，经过主连杆25带动主滑块24作直线运动。以机构输出交变位移克服弹性位能负载方式工作为例，进行运动和动力分析如下：

①位移(振幅)

其中，x为主滑块24的位移，单位为m；L为主连杆25的长度，单位为m；ω为方形轴10的回转角速度单位为rad/s；e为偏心距，单位为m；t为时间，单位为s。

②负载作用力

设负载是线弹性的

F＝kx

其中，k是线弹性负载的刚度，单位为N/m；x为主滑块24的位移，单位为m。

③负载转矩

计算得

参阅图10为位移曲线、负载作用力曲线以及负载转矩曲线图，

④负载功率

1)总功率

2)一个周期内功率的平均值

3)功率绝对值的平均

4)极值

P′≈d(cosωt·sinωt)/dωt＝

-ω·k·e²·(-ωsin²ωt+ωcos²ωt)＝ω²·k·e²·(sin²ωt-cos²ωt)

令P′＝0

sin²ωt-cos²ωt＝0

P≈-ω·k·e²·cosωt·sinωt

最大值

最小值

即可得出如图11所述的此变交工作方式下的负载功率曲线。

基于上述我们可以得出：

(1)理论上负载功率的平均值为零，即基于图2所示的工作机构对线弹性负载施加交变载荷可以无需输入功率，功率曲线见图11。二号电动机43工作时，负载正功率部分，电动机给负载提供能量；负载负功率部分，负载推动电机工作发电，通过电控柜6将电能储存。所以理论上试验过程中不消耗能量，系统为节能型工作装置。

(2)但考虑到机械和电气系统的损耗，仍会有部分能量耗散。假设系统的效率为η，系统的损耗功率为|Pj|*(1-η)。假设损耗功率全部产生于机械系统上，并变成热量，因此损耗功率即为需要散热的功率。在机械系统效率较高的状况下，其自身可以实现热平衡，因而可无需专门设置散热装置。

(3)举例分析

以100kN规格装置为例，设主曲柄滑块机构的转速为600rpm(也即ω＝20πrad/s)，e_max＝10mm，系统的最大负载功率计算得Pmax＝31.4kW，最小功率为Pmin＝-31.4kW(注意计算时取k*e_max＝100kN)。经过计算，功率绝对值的平均值为|Pj|＝20kW，于是系统的损耗功率|Pj|*(1-η)＝0.1*10kW＝2kW(这里取η＝0.9)。

结构组成

建立在图2机构模型基础上，设计机械结构如图3和图4。主偏心圆盘7固定在方形轴10上，二者轴线平行。主偏心圆盘7外缘通过主偏心圆盘轴承26与主连杆25连接，主连杆25的另一端通过主销轴29和主销轴轴承27与主滑块24连接。主滑块24经直线轴承23与机体8连接。当方形轴10以角速度ω旋转时，主滑块24则作直线往复运动。

根据公式(1)，位移x的幅值与e成正比，因此改变偏心距e可以改变运动的幅值。连续和实时调节偏心距e也就调节了位移x的幅值。在图5、图6、图7中可以看出，正方形断面的方形轴10，上下面分别与一号楔形块9和二号楔形块12的两个面配合接触，一号楔形块9和二号楔形块12两个面的夹角小相等，相对于方形轴10的轴线倾斜方向相同。方形轴10、一号楔形块9和二号楔形块12组合后的整体穿过主偏心圆盘7，并与其按间隙配合规则接触后，保证主偏心圆盘7的轴线与方形轴10的轴线垂直。一号楔形块9和二号楔形块12的右端分别与滑套14通过螺钉13紧固。滑套14的外缘通过推力轴承15和径向轴承16与圆环22连接，圆环22的右端对称固定两个导程和头数相等的螺母21。相同导程和头数的丝杠20与螺母配合。丝杠20的右端固定安装同步带轮18，并经轴承17与机体8连接，确保丝杠和带轮在机体上定位，且只允许转动。上下两套丝杠螺母副导程的头数相等，旋向也相同。一号电动机19通过同步带系统驱动丝杠转动，从而带动螺母21及圆环22作直线运动，同时经推力轴承15和径向轴承16带动滑套14与所有楔形块作直线运动。与此同时，主偏心圆盘7作径向运动，产生偏心距e。设楔形块作直线运动位移为S，单位为m。

则：

e＝S tanθ (8)

其中，e为主偏心圆盘7的偏心距，单位为m；θ为楔形块斜面的倾斜角，单位为rad；S为楔形块直线运动位移，单位为m。

由于滑套14沿方形轴10向作直线运动不受驱动轴回转与否的限制，因而可以实现实时连续调节偏心距e，进而达到调节滑块运动幅值的目的。

振动来源分析

本作动器基于图2的机构模型，主曲柄滑块机构是作动器对外的执行机构，然而工作时三个构件(主偏心圆盘7、主连杆25、主滑块24)以及方形轴10均会产生振动，因此，必须采取合适的方式来抑制或者消除振动。

如果没有左、右曲柄连杆机构，那么振动会比较剧烈，振动源主要有：主偏心圆盘7的离心力，主连杆25的离心力，主连杆25的惯性力矩，主滑块24的惯性力。

1、曲柄(即主偏心圆盘7)的离心力T，

T＝mω²r＝4π²f²·m·r (9)

其中m为主偏心圆盘7的质量，单位为kg；r为主偏心圆盘7的质心到回转原点的半径，单位为m；f为其回转频率，单位为Hz；ω为其回转的角速度，单位为rad/s。

2、主连杆25在摆动角速度为ω1时产生的离心力T1，

T₁＝mω₁ ²r₁＝4π²f₁ ²·m₁·r₁ (10)

其中m₁为主连杆25的质量，单位为kg；r₁为其质心到回转原点的半径，单位为m；f₁为其回转频率，单位为Hz；ω₁为其回转的角速度，单位为rad/s。

3、主连杆25在摆动时候由于摆动速度的改变，会产生惯性力矩J₁dw₁/dt

其中J₁为主连杆25的转动惯量，单位为kg·m²；ω₁为其角速度，单位为rad/s。

4主滑块24的惯性力F_h，

F_h＝m₂·x″ (11)

其中m₂为主滑块24的质量，单位为kg；x″为主滑块24的位移，单位为m。

鉴于实际结构设计时可以使e/L很小，一般小于1:20，因此略去主滑块二阶以上惯性力。又设方形轴10刚度较大，故忽略方形轴10的扭转振动。

振动源的平衡方案

按图12的方法布置曲柄滑块机构，即在一根方形轴10上布置三个曲柄滑块机构。为使得振动平衡，左、右曲柄滑块组件分别位于主曲柄滑块组件两侧几何对称布置。主偏心圆盘7的转动惯量与左偏心圆盘31和右偏心圆盘32(见图8和图9)的转动惯量之和相等，偏心距相等，主滑块24的质量同左滑块36和右滑块44的质量之和相等，所有连杆的长度相等。如图9所示，主曲柄滑块组件和左、右曲柄滑块组件的偏心方向相反，主滑块24的运动方向同左滑块36和右滑块44的运动方向相反，所有滑块安装于同一侧。图9中可以看出曲柄离心力的合力T-T为0。由于e/L非常小，故在忽略高阶惯性力以后，滑块的惯性力的合力ma-ma也为0。连杆摆动的惯性力矩的和J₁dω₁/dt-J₁dω₁/dt＝0。也就是说振动源中，曲柄离心力，连杆惯性力矩，滑块惯性力都已经得到抑制或消除。如图9所示，接来下分析所有连杆摆动产生的离心力的矢量和，即为

所有连杆摆动时候的离心力之和其作用线与惯性力ma的作用线重合，但作为振动源存在于机构中。根据运动学原理，计算可得连杆的摆动角速度最大值出现在连杆与滑块、曲柄处于同一铅垂线上时，其最大值符合下述关系

可见只要e/L足够小，可以大大缩小。

上述情况中鉴于e/L足够小，因而的作用可以认为很小，所以作为振动源可以略去不计，尤其是频率较低时。

设工作频率为50Hz，振幅为e＝10mm，主连杆24的长度L＝230mm，其质量m＝10kg，计算得最大离心力T1max＝99N。若振幅和频率均降低一倍，则最大离心力为6N，故在工程中可以忽略不计。

至此本作动器实现了振动的抑制与消除。

主曲柄滑块组件中主偏心圆盘7的结构与偏心距调节见图12。左右曲柄滑块组件中的左偏心圆盘31和右偏心圆盘32的结构与偏心距调节方法及过程同主机构一样。差别是四号楔形块33与一号楔形块9的斜面倾斜方向相反，五号楔形块34与二号楔形块12的斜面倾斜方向相反。但左、右曲柄滑块组件的楔形块斜面倾斜方向相同,见图12。上面三个和下面三个楔块紧固连接在一起，可沿方形轴10做轴向移动。

应用举例

上述电子机械式实时连续无级调幅作动器，可以用作施加交变载荷，力和位移的波形为正弦波。设计一100kN疲劳试验机,见图1。它由主机和控制器组成。主机包括电子机械式实时连续无级调幅作动器5、动横梁及其升降移动机构1、位置固定与锁紧机构2、试件夹持装置4等。控制器的主要核心部件是具有再生能量回收功能的驱动电动机的电子驱动控制装置，它可以为作动器提供运动和动力，并可以根据需要实时调节转速，达到调节作动器输出往复直线运动频率的目的。同时包含楔形块牵引机构，该机构可以实现调幅。两种装置的配合使用，实现疲劳试验机的实时调幅、调频控制。

试验机的主要技术参数

1)额定输出载荷：+-100kN

2)振幅：-10mm～+10mm

3)最高许用频率：20Hz

4)主电机功率：22kW(设效率为0.8,则平均功率消耗小于4.4kW)。

5)振幅控制灵敏度：0.05mm

6)频率调整灵敏度：0.01Hz

7)工作空间：宽600mm*高(含夹头)850mm

8)设备重量：2t(约)

9)主机外形尺寸：高2251*宽1237*厚915mm3。

Claims (8)

1.一种电子机械式连续无极调幅直线作动器，其特征在于，该作动器(5)、包括机体(8)、主动力源传动机构、主曲柄滑块机构、左曲柄滑块机构、右曲柄滑块机构、楔形块牵引机构和牵引动力源传动机构，其中所述的主动力源传动机构中的二号电动机(43)和牵引动力源传动机构中的一号电动机(19)通过螺栓与机体(8)连接；所述的主动力源传动机构中的方形轴(10)与机体(8)通过方形轴轴承(11)连接；所述的左曲柄滑块机构、右曲柄滑块机构分别对称设置在主曲柄滑块机构的两侧；所述的主曲柄滑块机构中的主偏心圆盘(7)、左曲柄滑块机构中的左偏心圆盘(31)、右曲柄滑块机构中的右偏心圆盘(32)均开有内孔，主动力源传动机构中的方形轴(10)穿过内孔，方形轴(10)的四个外表面与内孔面互相贴合；所述的机体(8)与主曲柄滑块机构之间设置有限制主曲柄滑块机构左、右移动的一号直线轴承(23)、二号直线轴承(45)；所述的机体(8)与左曲柄滑块机构之间设置有限制左曲柄滑块机构左、右移动的三号直线轴承(46)、四号直线轴承(47)；所述的机体(8)与右曲柄滑块机构之间设置有限制右曲柄滑块机构左、右移动的五号直线轴承(48)、六号直线轴承(49)，所述的楔形块牵引机构的左侧通过螺钉(13)与所有楔形块固定连接；另一侧通过丝杠螺母副与牵引动力源传动机构连接；牵引动力源传动机构中的一号电动机(19)固定在机体(8)上；牵引动力源传动机构中的丝杠(20)通过丝杠轴承(17)与机体(8)相连。

2.根据权利要求1所述的一种电子机械式连续无极调幅直线作动器，其特征在于，所述的主动力源传动机构还包括二号皮带轮(41)、三号皮带轮(42)；所述的二号电动机(43)通过螺栓固定在机体(8)上；二号皮带轮(41)设置在二号电动机(43)上；三号皮带轮(42)设置在方形轴(10)上；所述的二号皮带轮(41)和三号皮带轮(42)形成传递动力的带轮传动。

3.根据权利要求1所述的一种电子机械式连续无极调幅直线作动器，其特征在于，所述的主曲柄滑块机构包括一号楔形块(9)、二号楔形块(12)、主偏心圆盘(7)、主偏心圆盘轴承(26)、主连杆(25)、主销轴(29)、主销轴轴承(27)、主滑块(24)；所述的主偏心圆盘(7)中间开有方形斜孔；所述的一号楔形块(9)设置在方形轴(10)的上端，所述的二号楔形块(12)设置在方形轴(10)的下端，一号楔形块(9)、二号楔形块(12)的上下两个斜面的倾斜角相同并且与主偏心圆盘(7)贴合；所述的主连杆(25)的小头开有销孔，大头开有大圆孔；所述的主销轴(29)插入主连杆(25)的销孔，主销轴(29)与主滑块(24)之间有主销轴轴承(27)；主连杆(25)大圆孔内部放置有主偏心圆盘轴承(26)，主偏心圆盘轴承(26)的内表面放置有主偏心圆盘(7)。

4.根据权利要求3所述的一种电子机械式连续无极调幅直线作动器，其特征在于，所述的左曲柄滑块机构包括四号楔形块(33)、五号楔形块(34)、左偏心圆盘(31)、左偏心圆盘轴承 (40)、左连杆(39)、左销轴轴承(37)、左销轴(38)和左滑块(36)；所述的左偏心圆盘(31)中间开有方形斜孔；所述的四号楔形块(33)设置在方形轴(10)的上端，所述的五号楔形块(34)设置在方形轴(10)的下端；四号楔形块(33)、五号楔形块(34)的上下两个斜面的倾斜角相同且与左偏心圆盘(31)贴合；所述的左连杆(39)的小头开有销孔，大头开有大圆孔；所述的左销轴(38)插入左连杆(39)的销孔，左销轴(38)与左滑块(36)之间有左销轴轴承(37)；左连杆(39)大圆孔内部放置有左偏心圆盘轴承(40)，左偏心圆盘轴承(40)的内表面放置有左偏心圆盘(31)。

5.根据权利要求4所述的一种电子机械式连续无极调幅直线作动器，其特征在于，所述的右曲柄滑块机构包括三号楔形块(30)、六号楔形块(35)、右滑块(44)、右偏心圆盘(32)、右偏心圆盘轴承(51)、右连杆(52)、右销轴轴承(53)和右销轴(54)；所述的右偏心圆盘(32)中间开有方形斜孔；所述的三号楔形块(30)设置在方形轴(10)的上端，所述的六号楔形块(35)设置在方形轴(10)的下端；所述的三号楔形块(30)、六号楔形块(35)的上下两个斜面的倾斜角相同且与右偏心圆盘(32)贴合；所述的右连杆(52)的小头开有销孔，大头开有大圆孔；所述的右销轴(54)插入右连杆(52)的销孔，右销轴(54)与右滑块(44)之间有右销轴轴承(53)；所述的右连杆(52)大圆孔内部放置有右偏心圆盘轴承(51)，右偏心圆盘轴承(51)的内表面放置有右偏心圆盘(32)。

6.根据权利要求5所述的一种电子机械式连续无极调幅直线作动器，其特征在于，所述的一号楔形块(9)、三号楔形块(30)、四号楔形块(33)为一体；二号楔形块(12)、五号楔形块(34)、六号楔形块(35)为一体。

7.根据权利要求6所述的一种电子机械式连续无极调幅直线作动器，其特征在于，所述的楔形块牵引机构包括滑套(14)、推力轴承(15)、径向轴承(16)、圆环(22)；所述的楔形块牵引机构的左侧通过螺钉(13)将一号楔形块(9)、三号楔形块(30)、四号楔形块(33)、二号楔形块(12)、五号楔形块(34)、六号楔形块(35)以及滑套(14)连接形成一个组合体；滑套(14)开有方形中心孔；所述的圆环(22)内壁有推力轴承(15)、径向轴承(16)；所述的滑套(14)的外缘通过径向轴承(16)和推力轴承(15)与一个圆环(22)的内壁连接，圆环(22)的一外侧端面周向对称固定两个导程和头数及旋向相同的螺母(21)，螺母(21)的轴线与方形轴(10)的轴线平行。

8.根据权利要求7所述的一种电子机械式连续无极调幅直线作动器，其特征在于，所述的牵引动力源传动机构还包括二号同步带轮(50)、一号同步带轮(18)、丝杠(20)；所述的丝杠(20)的一端固定安装有同步带轮(18)，一号电动机(19)固定安装在机体(8)上，而一号电动机(19)上的二号同步带轮(50)则与丝杠(20)右端的一号同步带轮(18)形成带轮传动；一对所述的丝杠(20)与螺母(21)配合；所述的丝杠(20)的一端固定安装有同 步带轮(18)，并通过丝杠轴承(17)与机体(8)连接；所述的一号电动机(19)经过同步带轮(18)通过带轮传动驱动两个丝杠(20)同步转动，从而带动螺母(21)、圆环(22)、滑套(14)以及所有楔形块沿方形轴(10)只能轴线移动而不转动。