CN110987341A - 可调振幅和频率的水平单向振动台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的可调振幅与频率的水平单向振动台,涉及振动试验设备技术领域。所述振动台包括支架、振动台面以及驱动机构,振动台面和固定在台面上的试件在驱动机构驱动下于支架上水平往复振动;驱动机构包括可调转速以控制振动频率的变频电机、减速箱以及控制振幅的偏心调节机构;所述偏心调节机构包括固定在台面下的Π形滑槽、和减速箱输出轴相连的U形滑槽以及偏心轴,偏心轴包括偏心轴滑块和设置于偏心轴滑块一端上方的偏心轴销,偏心轴滑块可在U形滑槽内滑动并锁定,以调整偏心轴销的偏心距,偏心轴销则插入Π形滑槽内,在偏心轴转动过程中,偏心轴销在水平面内做圆周运动并带动Π形滑槽和振动台面水平往复振动。
Description
技术领域
本发明涉及振动试验设备技术领域,具体涉及一种可调振幅与频率的水平单向振动试验使用的振动台。
背景技术
机械及土木工程领域进行动力试验时往往需要使用振动台这种试验设备。目前市场上比较成熟的试验用振动台有两大类:电磁式和液压式。电磁式振动台利用通电线圈在磁场中产生的电磁力进行激振,其优点是:设备体积小、控制方便;缺点是:试验的试件质量小、振动频率高。因此,电磁式振动台一般比较适合小型试件的高频振动试验。液压式振动台采用液压作动器进行激振,其优点是:试验的试件质量大,振动模式多,控制方便;缺点是:设备复杂、体积大、振动频率较低。因此,液压式振动台比较适合大型试件的低频振动试验。这两种振动台的造价都较高,很多试验室由于资金限制未能配置这两类振动台试验设备,给动力试验带来困难。
针对这一问题,人们提出了机械式振动台,采用电动机驱动,利用机械装置将电动机的转动转化为振动台台面的往复运动从而进行激振。机械式振动台试验的试件质量和振动频率介于电磁式振动台和液压式振动台之间,适用范围广泛,其缺点是:振动模式较单一,通常只能进行单向简谐振动,且对振动的控制不如电磁式和液压式方便、精准。但机械式振动台设备简单,工作可靠,造价低廉,完全能够胜任简单的单向振动试验。因此,对振动模式简单的试验,机械式振动台是一个较好的选择,其在普及入门式振动试验设备方面有不可替代的优势。但同时,机械式振动台目前技术尚不完善,成熟的市场产品很少。
中国发明专利CN209416637U公开的一种适用于馆藏文物的简易模拟振动台,采用电动机驱动一个曲柄连杆机构,再由曲柄连杆带动振动台台面进行水平往复运动。该专利公开的振动台存在的缺点是:1)振动台的振幅和频率均是定值,不可调节;2)采用曲柄连杆机构将电机转动转化为台面往复运动,驱动机械装置复杂,工作可靠性差,驱动效率低。
中国发明专利CN106918431A公开的一种低频大位移水平运动振动台,采用变频器控制的电动机驱动,电动机通过减速箱减速后再通过皮带驱动转动主轴旋转,转动主轴上安装有偏心调节装置,利用偏心调节装置驱动振动台台面往复运动,同时,可以通过偏心调节装置对振幅进行调整。该专利公开的振动台存在的缺点是:1)申请书中未说明振动台的核心部件,偏心调节装置的具体结构以及振幅调节的具体实现方法,振幅调节功能难以实现;2)电机通过减速箱、皮带、转动主轴传递动力,传力机械装置复杂、可靠性差、效率低;3)申请书中虽然说明了通过变频电机调速来调整振动频率,但未说明电机功率这个关键参数如何选取,在实际操作上难以实现该发明;4)振动台的质量如果不足够大,试验时由于台面振动振动台可能发生强烈自振而无法进行试验,该申请书中并未说明振动台质量和试件质量的关系。
因此,鉴于以上问题,有必要提出一种可方便调整振动台的振幅与频率、能够进行水平单向简谐振动的机械式振动台,以解决现有技术所存在的问题。
发明内容
根据本发明的目的提出的可调振幅与频率的水平单向振动台,包括支架、振动台面以及驱动机构,所述振动台面设置于支架上方,在驱动机构的驱动下于支架上水平往复运动;所述驱动机构包括变频电机、减速箱以及偏心调节机构;所述偏心调节机构包括形滑槽、U形滑槽以及偏心轴;所述形滑槽固定连接于振动台面底面中心处,其滑槽延伸方向平行于振动台面且垂直于振动台面运动方向;所述U形滑槽通过联轴器连接于竖直布置于振动台面中心下方的减速箱输出轴的端部;所述偏心轴包括偏心轴滑块和圆柱形偏心轴销,所述偏心轴滑块设置于U形滑槽内,与U形滑槽内壁形状相匹配,并可于U形滑槽内滑动,根据所需振幅调整其于U形滑槽内的位置并锁定;所述偏心轴销垂直设置于偏心轴滑块一端部上方,用于插入形滑槽内,在偏心轴转动过程中带动振动台面水平往复运动。
优选的,所述偏心轴滑块一侧面沿其滑动方向成型有多个凹槽,所述U形滑槽与之相对应的侧壁上成型有设置高度与凹槽相匹配的螺钉孔,所述螺钉孔内成型有内螺纹,螺钉穿过螺钉孔,端部嵌入凹槽以锁定偏心轴滑块。
优选的,所述凹槽为半球凹槽,其个数为偶数,每两个为一组,多组凹槽交错分布,每组中两个凹槽之间的间距相等,相邻两组凹槽之间的间距相等;所述螺钉孔为沿偏心轴滑块滑动方向设置的两个,两个螺钉孔之间的间距与同组两个凹槽之间的间距相等;所述螺钉端部为与半球凹槽相匹配的半球形。
优选的,所述偏心轴滑块另一侧面沿其滑动方向还成型有一水平凸键,所述U形滑槽与之相对应的侧壁上成型有与水平凸键相匹配的水平凹槽。
优选的,所述偏心调节机构还包括一润滑机构,所述润滑机构包括分别设置于形滑槽两侧的两个储油腔以及与储油腔对应连通、分别设置于形滑槽两侧壁上的两个出油孔;所述储油腔内灌注润滑油,当偏心轴销于形滑槽内滑动时,摩擦出油,润滑形滑槽;每个储油腔外壁上均设置有注油孔,所述注油孔与储油腔内部连通。
优选的,电机功率的计算公式为:其中,Pmax为变频电机最大功率(W);m为振动台面、形滑槽和最大试验试件质量之和(kg);A为振动台面最大振幅(m);f为试验所需最大频率(Hz);1.2为机械效率系数;所述振动台所用变频电机的最大功率大于等于该计算值。
优选的,所述支架为长方体,包括四个立柱、两个上横梁、两个下横梁、两个上纵梁以及两个下纵梁;四个立柱的下端均设置有柱脚,柱脚上设置有用于与螺栓配合、固定支架的螺栓孔;所述支架顶面沿上横梁延伸方向设置有两条平行的滑轨梁,每一所述滑轨梁上固定连接有滑轨;所述振动台面下表面固定连接有与滑轨配合设置的滑块,所述滑块于滑轨上滑动,带动振动台面相对于支架水平往复运动;所述振动台面上设置有多个通孔,每一所述通孔内设置有内螺纹,所述通孔在水平面内呈矩阵整齐排列。
优选的,所述支架还包括上横板和下横板,所述上横板两侧分别固定连接于两个对称设置的上横梁的上表面,所述下横板两侧分别固定连接于两个对称设置的上横梁的下表面;所述上横板中心开第一圆孔,所述第一圆孔内固定连接有轴承,所述轴承内壁与U形滑槽下方的联轴器相匹配;所述下横板中心开第二圆孔,所述第二圆孔的直径大于联轴器外径;所述变频电机和减速箱固定连接于下横板上。
与现有技术相比,本发明公开的可调振幅与频率的水平单向振动台的优点是:
(1)本发明公开的振动台可提供水平单向简谐振动,通过设置偏心调节机构,调整偏心轴在U形滑槽内的位置,并用螺钉锁定,可实现偏心轴不同偏心距的设置,进而根据试验要求方便的调整振动台振幅。
(2)本发明公开的振动台使用变频电机驱动振动台面,可方便的调整电机转速,进而根据试验要求调整振动频率。同时提出了根据振动台面、形滑槽和最大试验试件质量之和,振动台面最大振幅以及试验所需最大频率计算试验所需电机功率,合理选择试验所需电机,有效的提高振动台的性能指标。
(3)本发明公开的振动台设置有配重块,并根据装置质量合理选择配重块质量,可有效避免试验时振动台发生强烈自振。
(5)本发明公开的振动台相比于电磁式和液压式振动台设备简单、造价较低,便于振动台试验设备的普及应用。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍,显而易见的,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域中的普通技术人员来说,在不付出创造性劳动的前提下,还可根据这些附图获得其他附图。
图1为支架主视图。
图2为支架左视图。
图3为图1中A-A向剖视图。
图4为图1中B-B向剖视图。
图5为振动台俯视图。
图6为图5中C-C向剖视图。
图7为图5中D-D向剖视图。
图8为驱动机构分解图一。
图9为驱动机构分解图二。
图中的数字或字母所代表的零部件名称为:
1-支架;11-立柱;111-柱脚;12-上横梁;13-下横梁;14-上纵梁;15-下纵梁;16-滑轨梁;17-滑轨;18-上横板;181-轴承;19-下横板;191-第二圆孔;2-振动台面;21-通孔;22-滑块;3-驱动机构;31-变频电机;311-变频控制器;32-减速箱;321-减速箱输出轴;33-偏心调节机构;331-形滑槽;3311-出油孔;332-U形滑槽;3321-螺钉孔;3322-螺钉;3323-水平凹槽;333-偏心轴;3331-偏心轴滑块;33311-凹槽;33312-水平凸键;3332-偏心轴销;34-联轴器;4-配重块;5-储油腔;51-注油孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,均属于本发明保护的范围。
图1-图9示出了本发明较佳的实施例,分别从不同的角度对其结构进行了详细的剖析
一种可调振幅与频率的水平单向振动台,包括支架、振动台面以及驱动机构。
如图1、2所示,支架1由坚硬的金属材料制作而成,包括四个立柱11、两个上横梁12、两个下横梁13、两个上纵梁14以及两个下纵梁15的长方体,用于为振动台面2和驱动机构3提供支座。四个立柱11的下端均设置有柱脚111,柱脚111上设置有用于与螺栓配合、固定支架1的螺栓孔。试验过程中,可通过柱脚111螺栓孔将支架1固定在地面或基础上,稳定支架1。
为了进一步增加振动台静止部分的质量,减少试验时振动台的振动,当支架1采用钢管等空心材料制作时,可以在钢管内灌注钢砂、黄砂、混凝土等材料。同时,于支架1下横梁13上安装有配重块4,配重块4采用高密度材料制作而成,并与支架1固定连接。通过振动台样品的试制和振动测试发现:当振动台静止部分的质量大于振动部分质量的20倍以上时,可以保证振动台在试验时的振动较小,因此本发明对配重块4的质量进行了规定,即配重块4的质量大于等于振动台面2、试验试件以及形滑槽331质量之和的20倍。
支架1顶面沿上横梁12延伸方向设置有两条平行的滑轨梁16,每一滑轨梁16上固定连接有滑轨17。振动台面2下表面固定连接有与滑轨17配合设置的滑块22,滑块22于滑轨17上滑动,带动振动台面2相对于支架1以较小的摩擦力水平往复运动。
如图5所示,振动台面2设置于支架1上方,为试件提供支座。该振动台面2长度小于支架1长度,在驱动机构3的驱动下于支架1上水平往复运动。振动台面2上设置有在水平面内呈矩阵布置的多个通孔21,每一通孔21内设置有内螺纹,方便试件用螺栓固定于振动台面2上。该振动台面2采用坚硬且密度较小的金属材料制作而成,以减小运振动部件的质量。
如图6、7、8、9、10所示,驱动机构3包括变频电机31、减速箱32以及偏心调节机构33。
变频电机31的设置,可通过变频控制器311控制变频电机31的启停和转速改变,从而实现振动频率的调整。减速箱32的设置,对电机输出扭矩进行放大,增大了驱动扭矩。变频电机31和减速箱32一体制造,有利于减小设备体积,增加设备的可靠性。
振动台运行时需要一定的驱动力驱动振动台面2和试件振动,所需驱动力的大小和试件质量、振幅及频率有关,试件质量、振幅及频率越大则所需的驱动力也越大,因此为了能够达到振动台设备性能指标,必须合理的选择变频电机31的功率。具体的,振动台面2为简谐振动,其位移为x=Asin(ωt),速度为加速度为振动部分的惯性力为从而得出振动台变频电机31所需的功率为变频电机31所需的最大功率:
由于存在摩擦,驱动的机械效率小于100%,根据样品试制和试验实测的结果,实际变频电机31所需最大功率要乘以1.2的机械效率系数,因此,实际变频电机31所需最大功率计算公式为:其中,P为变频电机31所需功率(W);Pmax为变频电机31最大功率(W);m为振动台面2、形滑槽331和最大试验试件质量之和(kg);A为振动台面2最大振幅(m);ω为振动台面2角速度(rad/s);f为试验所需最大频率(Hz)。实际使用过程中振动台所需变频电机31的最大功率应大于等于该计算电机功率。
形滑槽331断面为形,固定连接于振动台面2底面中心处,其滑槽延伸方向平行于振动台面2且垂直于振动台面2运动方向。具体的,形滑槽331长度大于振动台面2最大设计振幅的两倍,内槽宽度等于偏心轴销3332的外径,内槽深度大于偏心轴销3332的高度。
U形滑槽332断面形状为U形,通过联轴器34连接于减速箱输出轴321的端部,联轴器34位于U形滑槽332下部中间位置,其轴线与U形滑槽332轴线在同一平面内且垂直。减速箱输出轴321竖直布置于振动台面2中心下方。
偏心轴333包括偏心轴滑块3331和圆柱形偏心轴销3332,偏心轴滑块3331设置于U形滑槽332内,与U形滑槽332内壁形状相匹配,并可于U形滑槽332内滑动,根据所需振幅调整其于U形滑槽332内的位置并锁定。偏心轴销3332垂直设置于偏心轴滑块3331一端部上方,用于插入形滑槽331内。由于振动台面2只能沿滑轨17方向运动,当U形滑槽332在减速箱32的带动下做水平面内转动时,带动偏心轴滑块3331转动,从而带动偏心轴销3332在水平面内做圆周运动,同时,偏心轴销3332于形滑槽331内滑动,带动振动台面2水平往复运动。而减速箱32直接驱动偏心轴333旋转,结构紧凑,驱动效率高,提高了设备的可靠性。
具体的,偏心轴滑块3331断面形状为矩形,其中一侧面沿其滑动方向成型有偶数个半球凹槽33311,每两个为一组,多组凹槽33311交错分布,每组中两个凹槽33311之间的间距相等,相邻两组凹槽33311之间的间距相等。U形滑槽332与之相对应的侧壁上成型有高度与凹槽33311相匹配、沿偏心轴滑块3331滑动方向设置的两个螺钉孔3321,两个螺钉孔3321之间的间距与同组两个凹槽33311之间的间距相等。螺钉孔3321内成型有内螺纹,螺钉3322穿过螺钉孔3321,端部嵌入半球凹槽33311可锁定偏心轴滑块3331。螺钉3322端部为与半球凹槽33311相匹配的半球形。使用过程中,根据所需振幅,水平移动偏心轴滑块3331,使得螺钉3322嵌入不同组别的半球凹槽33311内,以调整偏心轴333偏心距的大小。
偏心轴滑块3331另一侧面沿其滑动方向还成型有一水平凸键33312,该水平凸键33312与偏心轴滑块3331等长,U形滑槽332与之相对应的侧壁上成型有与水平凸键33312相匹配的水平凹槽3323。
进一步的,如图8、9所示,偏心调节机构33还包括一润滑机构,润滑机构包括分别设置于形滑槽331两侧的两个储油腔5以及与储油腔5对应连通、分别设置于形滑槽331两侧壁上的两个出油孔3311。储油腔5内灌注润滑油,当偏心轴销3332于形滑槽331内滑动时,由于摩擦作用不断从出油孔3311带出新的润滑油,润滑形滑槽331,这样就实现了振动台运行时形滑槽331与偏心轴销3332的自动润滑,减小摩擦。每个储油腔5外壁上均设置有用于补充润滑油的注油孔51,注油孔51与储油腔5内部连通。
进一步的,如图3、4所示,支架1还包括上横板18和下横板19,上横板18两侧分别固定连接于两个对称设置的上横梁12的上表面,下横板19两侧分别固定连接于两个对称设置的上横梁12的下表面。上横板18中心开第一圆孔,第一圆孔内固定连接有轴承181,轴承181内壁与U形滑槽332下方的联轴器34相匹配。下横板19中心开第二圆孔191,第二圆孔191的直径大于联轴器34外径,以便让联轴器34通过。一体化制造的减速箱32和变频电机31通过螺栓固定连接于下横板19上。
振动台使用方法:
(1)制作试验试件,并将试件用螺栓固定在振动台面2上。
(2)根据试验所需的振幅调整偏心轴滑块3331在U形滑槽332内的位置,并用螺钉3322将偏心轴333与U形滑槽332位置锁定。
(3)通过变频控制器311启动变频电机31,调整变频电机31转速到设定值,使振动台按设定频率振动。
综上所述,本发明公开的可调振幅与频率的水平单向振动台可提供水平单向简谐振动,通过设置偏心调节机构,调整偏心轴在U形滑槽内的位置,并用螺钉锁定,可实现偏心轴不同偏心距的设置,进而根据试验要求方便的调整振动台振幅。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下,在其他实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种可调振幅与频率的水平单向振动台,包括支架(1)、振动台面(2)以及驱动机构(3),所述振动台面(2)设置于支架(1)上方,在驱动机构(3)的驱动下于支架(1)上水平往复运动;其特征在于,所述驱动机构(3)包括变频电机(31)、减速箱(32)以及偏心调节机构(33);所述偏心调节机构(33)包括Π形滑槽(331)、U形滑槽(332)以及偏心轴(333);所述Π形滑槽(331)固定连接于振动台面(2)底面中心处,其滑槽延伸方向平行于振动台面(2)且垂直于振动台面(2)运动方向;所述U形滑槽(332)通过联轴器(34)连接于竖直布置于振动台面(2)中心下方的减速箱输出轴(321)的端部;所述偏心轴(333)包括偏心轴滑块(3331)和圆柱形偏心轴销(3332),所述偏心轴滑块(3331)设置于U形滑槽(332)内,与U形滑槽(332)内壁形状相匹配,并可于U形滑槽(332)内滑动,根据所需振幅调整其于U形滑槽(332)内的位置并锁定;所述偏心轴销(3332)垂直设置于偏心轴滑块(3331)一端部上方,用于插入Π形滑槽(331)内,在偏心轴(333)转动过程中带动振动台面(2)水平往复运动。
2.根据权利要求1所述的可调振幅与频率的水平单向振动台,其特征在于,所述Π形滑槽(331)长度大于振动台面(2)最大设计振幅的两倍,内槽宽度等于偏心轴销(3332)的外径,内槽深度大于偏心轴销(3332)的高度。
3.根据权利要求1所述的可调振幅与频率的水平单向振动台,其特征在于,所述偏心轴滑块(3331)一侧面沿其滑动方向成型有多个凹槽(33311),所述U形滑槽(332)与之相对应的侧壁上成型有设置高度与凹槽(33311)相匹配的螺钉孔(3321),所述螺钉孔(3321)内成型有内螺纹,螺钉(3322)穿过螺钉孔(3321),端部嵌入凹槽(33311)以锁定偏心轴滑块(3331)。
4.根据权利要求3所述的可调振幅与频率的水平单向振动台,其特征在于,所述凹槽(33311)为半球凹槽,其个数为偶数,每两个为一组,多组凹槽(33311)交错分布,每组中两个凹槽(33311)之间的间距相等,相邻两组凹槽(33311)之间的间距相等;所述螺钉孔(3321)为沿偏心轴滑块(3331)滑动方向设置的两个,两个螺钉孔(3321)之间的间距与同组两个凹槽(33311)之间的间距相等;所述螺钉(3322)端部为与半球凹槽(33311)相匹配的半球形。
5.根据权利要求3所述的可调振幅与频率的水平单向振动台,其特征在于,所述偏心轴滑块(3331)另一侧面沿其滑动方向还成型有一水平凸键(33312),所述U形滑槽(332)与之相对应的侧壁上成型有与水平凸键(33312)相匹配的水平凹槽(3323)。
6.根据权利要求1所述的可调振幅与频率的水平单向振动台,其特征在于,所述偏心调节机构(33)还包括一润滑机构,所述润滑机构包括分别设置于Π形滑槽(331)两侧的两个储油腔(5)以及与储油腔(5)对应连通、分别设置于Π形滑槽(331)两侧壁上的两个出油孔(3311);所述储油腔(5)内灌注润滑油,当偏心轴销(3332)于Π形滑槽(331)内滑动时,摩擦出油,润滑Π形滑槽(331);每个储油腔(5)外壁上均设置有注油孔(51),所述注油孔(51)与储油腔(5)内部连通。
8.根据权利要求1所述的可调振幅与频率的水平单向振动台,其特征在于,所述支架(1)为长方体,包括四个立柱(11)、两个上横梁(12)、两个下横梁(13)、两个上纵梁(14)以及两个下纵梁(15);四个立柱(11)的下端均设置有柱脚(111),柱脚(111)上设置有用于与螺栓配合、固定支架的螺栓孔;所述支架(1)顶面沿上横梁(12)延伸方向设置有两条平行的滑轨梁(16),每一所述滑轨梁(16)上固定连接有滑轨(17);所述振动台面(2)下表面固定连接有与滑轨(17)配合设置的滑块(22),所述滑块(22)于滑轨(17)上滑动,带动振动台面(2)相对于支架(1)水平往复运动;所述振动台面(2)上设置有多个通孔(21),每一所述通孔(21)内设置有内螺纹,所述通孔(21)在水平面内呈矩阵整齐排列。
9.根据权利要求8所述的可调振幅与频率的水平单向振动台,其特征在于,所述支架(1)下横梁(13)上还安装有配重块(4),所述配重块(4)的质量大于等于振动台面(2)、试验试件以及Π形滑槽(331)质量之和的20倍。
10.根据权利要求8所述的可调振幅与频率的水平单向振动台,其特征在于,所述支架(1)还包括上横板(18)和下横板(19),所述上横板(18)两侧分别固定连接于两个对称设置的上横梁(12)的上表面,所述下横板(19)两侧分别固定连接于两个对称设置的上横梁(12)的下表面;所述上横板(18)中心开第一圆孔,所述第一圆孔内固定连接有轴承(181),所述轴承(181)内壁与U形滑槽(332)下方的联轴器(34)相匹配;所述下横板(19)中心开第二圆孔(191),所述第二圆孔(191)的直径大于联轴器(34)外径;所述变频电机(31)和减速箱(32)固定连接于下横板(19)上。
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