CN111570105A - 一种变质量动力离心机及实验方法 - Google Patents

Abstract

一种变质量动力离心机及实验方法，通过电磁力改变离心机系统质量分布，从而改变系统转动惯量，实现离心机转动角速度和角加速度的变化，在径向和切向两个方向上实现激振作用。动力离心机包含固定电磁装置，产生的电磁力作用于滑动质量块上，使滑动质量块按照一定规律径向移动，电磁力的大小、频率可调；另一方面滑动质量块大小可调，可根据具体实验需求对其进行增减。实验台上可设置多个实验舱，可同时开展同类型的实验件在激励频率相同但激励幅值不同的动力离心实验以及不同的实验件在同等激励环境下的对比实验，本发明避免了液压激振的不利影响，为多向激振提供了一种新的方法，可实现多种不同类型的激励，操作简便，便于控制。

Description

一种变质量动力离心机及实验方法

技术领域

本发明涉及动力离心机领域，具体涉及一种变质量动力离心机及动力离心实验方法。

背景技术

动力离心机在运行过程中除了提供离心力，还需要提供激振力。激振力的提供需要具有动力源与激振设备，由于动力离心机的强耦合非线性和本身实验条件的复杂性导致振动台的技术难度与运行要求非常高。

目前动力离心机主要通过振动台提供激振力，振动台的类型有压电式、电磁式、机械式、爆炸式和电液式。压电驱动的振动台需要的驱动电压高，损耗大，低频驱动困难；机械式振动台依靠弹簧机构驱动，驱动力小、提供的波形单一，受弹簧刚度系数影响频率可调范围低；爆炸式振动台，在模型箱中安置药室，利用压缩空气模拟振动环境，可重复性差，振幅难以控制；电磁式振动台体积重量大，电流大，驱动力小；电液伺服振动台是目前最常用的振动实验系统，可提供多方向上多频段的激振力，能够很好满足动力离心机实验要求，但需要在吊篮有限空间内设计电液伺服作动器和布置方式，造价高，结构复杂。

发明内容

本发明型针对目前动力离心机振动驱动能力有限，驱动结构复杂，驱动方式基本上依赖于振动台这种单一模式，提出了一种通用性强、结构简单，可实现多种激励的变质量动力离心机及实验方法。

为解决上述问题，本发明专利采用下述技术路线：

一种变质量动力离心机，包括滑动质量块1、转臂2、电磁装置3、实验台4、传动系统5、缓冲装置6和基座7；基座7与地面固结，基座7为锥形结构，在其内部布置有传动系统5；传动系统5中的圆柱阶梯形的主轴5.2穿过电磁装置3的中心，并与之固定在一起，电磁装置3为空心立方体结构，对应的四个边角处沿着其长度方向布置四个电磁线圈3.2，电磁线圈3.2内部含有电磁铁芯3.1；沿着电磁装置3长度方向上与电磁线圈3.2位置对应固定四根横向放置的空心圆柱的转臂2；实验台4为中间开有长方形的孔的圆盘结构，在长方形孔中安装有除了基座7、传动系统5之外其它的部件，在长方形孔的四个侧面上对称布置八个键槽，每个面上两个键槽，八个键槽分别与转臂2末端的四个键以及在电磁装置3的非磁化的两个面上的四个键固结，进而通过传动系统5带动实验台4转动，实验台4四周开有多个用于放置实验件的实验舱4.1；在同侧的两根转臂2上横跨安装有滑动质量块1，两个滑动质量块1左右对称布置，滑动质量块1的永磁承载装置1.1为横向放置的圆柱结构，圆柱结构外柱面与转臂2的内表面为光滑圆柱面接触，电磁装置3的电磁铁芯3.1与滑动质量块1的永磁1.2相互作用带动滑动质量块1沿着转臂2平动；滑动质量块1与电磁装置3以及实验台4接触的部位设有一层缓冲装置6；由于滑动质量块1位置的变化导致离心机的转动惯量发生变化，从而导致传动系统5的转动角速度与角加速度均发生改变，布置于实验台4中的实验件在传动系统5不同的转动规律下受到相应的惯性激励。

所述的滑动质量块1可根据实验要求改变其位置和质量，滑动质量块1的永磁承载装置1.1为空心圆柱结构，外柱面与空心转臂2的内柱面接触，永磁承载装置1.1内布置条形的永磁1.2与永磁线圈1.3；螺栓1.6上下对称安装，螺栓1.6顶端固结于永磁承载装置1.1中，螺栓1.6上对称添加有支撑架1.4和附加质量块1.5，并配合有螺母1.7进行固定；支撑架1.4侧面为圆角矩形，在两个圆角端开有圆形孔，其孔内表面与同侧的两根转臂2外表面接触，进而通过螺栓1.6以及支撑架1.4将同侧的两个永磁承载装置1.1连接在一起。

所述转臂2为空心圆柱结构形成中空导轨2.1，在其内部布置有连接弹簧2.2，连接弹簧2.2一端与电磁装置3固结，另一端与滑动质量块1固结；在中空导轨2.1曲面上下端与滑动质量块1中的螺栓1.6位置对称处开有导轨槽2.3，用于螺栓1.6随着固结的滑动质量块1一起沿着转臂2平动。

所述的电磁装置3是空心的立方体结构，在立方体的四个边角处均布置有条形电磁铁芯3.1与电磁线圈3.2，在立方体结构中部布置有电源装置3.3，将来自传动系统5的电压传递到与电源装置3.3连接的四个分支电路3.4，并通过四个分支电路3.4将电压传递到四个电磁线圈3.2。

所述实验台4由不同型号的实验舱4.1组成，根据实验件的尺寸选择适配的实验舱4.1，其中实验舱4.1为立方槽结构，在其径向和切向方向上均布置弹簧，实现双向激励，将同种实验件沿着径向布置能够同时开展同类型的实验件在激励频率相同但激励幅值不同的动力离心实验，将不同实验件沿周向布置能够实现不同的实验件在同等激励环境下的对比实验。

所述传动系统5中主轴5.2为圆柱空心阶梯轴，方便轴承以及电磁装置3的安装，同时在其内部布置电路传输系统5.1与电源装置3.3相连，上轴承5.3与下轴承5.4用于保证离心机的稳定性。

所述的变质量动力离心机的动力离心实验方法为：一方面通过改变施加于电磁装置3上电压的强弱、方向与频率不同，使其产生不同性质的磁化，电磁铁芯3.1与滑动质量块1中永磁1.2相互作用，从而改变滑动质量块1的位置，即公式(a)中的r；另一方面通过增减滑动质量块1上附加质量块1.5的质量，从而改变滑动质量块1的总质量即公式(a)中的m₁，使得离心机的转动惯量发生变化即式(d)的J_z；由于离心机力矩M_z不变，通过式(b)变换知传动系统5转动的角速度ω与角加速度α发生变化即式(c)，导致实验台4转动角速度与角加速度均发生变化，通过实验舱4.1中的弹簧使得质量为m的实验件受到在径向与切向的载荷作用即式(e)中F_r与F_τ，从而达到与动力离心机的振动台相同的功能。其中所述公式中除滑动质量块1以外系统的转动惯量为J₀，r_s为实验件质心距主轴的距离。

L_z＝J_zω＝[J₀+2m₁r²]ω (a)

其中：L_z为离心机的动量矩，J_z为离心机的转动惯量，ω为离心机转动角速度，m₁为滑动质量块的质量，r为滑动质量块沿着转臂的位置坐标，M_z为离心机的力矩，α为离心机转动角加速度，F_r与F_τ为对应的实验件在径向与切向受到的载荷作用，m为实验件的质量，r_s为实验件质心距主轴的距离。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所述离心机采用对称设计，滑动质量块1左右对称布置，附加质量块对称增减，实验舱对称布置，有利于系统稳定运转。转臂2与实验台4通过键进行连接结，连接方式简单可靠，实验台4根据实验需求还可以方便地进行更换。

2、该实验装置可通过调节滑动质量块1的位置变化，改变该系统的质量分布，实现系统转动惯量变化，从而达到改变加速度以及角速度的目的，装置结构紧凑、简单易行；滑动质量块的质量大小可根据实验需要进行增减，满足不同的载荷需求，操作简单方便。

3、中空的转臂2内部布置连接弹簧2.2，电磁铁芯3.1与永磁1.2直接发生作用，避免磁消耗。

4、电磁装置3可通过控制外加电压来控制电磁力的大小及其变化规律，从而达到控制滑动质量块的运动规律，实现预期的激振力，通过滤波、变频控制输入电压，产生相应的正余弦、梯形多种形式的加载。实现方式简单，能够提供多种不同的激振力，系统的运动通过电压来控制，响应迅速，启闭方便。

5、本发明装置提供多种类型的实验舱4.1，可以根据需要选择；可同时完成相同实验条件下不同物质特性的对比或是不同实验条件下相同物质特性的对比。

6、传动系统主轴5采用空心圆柱阶梯轴，一方面充分利用材料力学性能，另一方便内部空间用于电路布置，节省空间。

7、利用该实验方法避免了传统意义上振动台系统的耗能高，结构复杂等不利影响，提出一种基于变质量提供激振载荷的新方法。

附图说明

图1为一种变质量动力离心机装配体图。

图2为滑动质量1的零件图。

图3为转臂2的剖视图。

图4为滑动质量块1与转臂2装配图。

图5为电磁装置3的剖视图。

图6为实验台4的零件图。

图7为传动系统5的剖视图。

图8为工作原理图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明的结构和工作原理进一步做详细的说明。

本发明一种新型变质量离心机可开展多种工况的动力离心实验。如图1所示，一种变质量动力离心机，包括滑动质量块1、转臂2、电磁装置3、实验台4、传动系统5、缓冲装置6以及基座7。基座7与地面固结，为空心锥体结构，在其中心安装有传动系统5；传动系统5中的圆柱阶梯形的主轴5.2穿过电磁装置3的中心，并与之固定在一起，电磁装置3为空心立方体结构，沿着电磁装置3的长度方向在内部四个边角处布置四个条形的电磁线圈3.2，内部含有电磁铁芯3.1；沿着条形线圈磁化方向上对称有四个横向放置的空心圆柱转臂2与电磁装置3侧面固结；实验台4为中间开有长方形孔的大型圆盘结构，长方形孔用于将除传动系统5、基座7以外的其他部件布置其中，在长方形孔的四个面上开有八个键槽，分别与在转臂2的末端布置的四个花键2.4以及在电磁承载装置与磁化方向垂直的的两个对称面上安装的四个平键3.6相对应固结，从而实现实验台4与传动系统5固结；在同侧的两根转臂2上横跨布置滑动质量块1，当电磁装置3通电时，滑动质量块1中的永磁与电磁装置3中的电磁通过连接弹簧2.2相互作用，作用力的方向沿着转臂2的方向，从而带动滑动质量块1沿着转臂2平动，导致离心机的质量分布发生变化，转动惯量随之发生变化，最终引起离心机的角速度与角加速度均发生变化，该变化将会影响传动系统5的转动，由传动系统5通过电磁装置3、转臂2最终引起实验台4中的实验件在径向与切向产生对应的载荷激励作用。

优选的所述缓冲装置6是高聚合物的阻尼层和减振合金。

优选的所述基座7为锥形结构，保证系统稳定性。

如图2所示，滑动质量块1主要包括永磁承载装置1.1，永磁承载装置1.1为横向布置的空心圆柱结构，其内部放置有条形永磁1.2和永磁线圈1.3，条形永磁1.2和永磁线圈1.3布置方向与电磁装置3的电磁磁化方向一致，为了实现快速增减质量以适应不同工况，在电磁承载装置1.1上下对称固结有螺栓1.6，螺栓1.6连接有支撑架1.4和附加质量块1.5，通过螺母1.7进行固定。支撑架1.4侧面为圆角矩形状，在矩形与圆角处分别开有矩形孔与圆形孔，两个圆孔分别与同侧两个转臂2光滑曲面接触，矩形孔中为十字结构。

优选的所述永磁1.2为柱状稀土材料铈、镨、镧、钕等和钴形成的金属间化合物，保证磁能积能力强，温度系数低，磁性稳定。

优选的所述螺栓1.6牙型为三角形的细角螺栓，螺母1.7为DISC-LOCK防松螺母，使组合紧紧咬合。

如图3为空心圆柱结构形成中空导轨2.1，导轨2.1上对称开有导轨槽2.3，导轨槽2.3用于螺栓1.6沿着导轨2.1运动，导轨槽2.3的宽度尺寸大于螺栓1.6的直径，减少不必要的能量消耗；在中空导轨2.1中布置连接弹簧2.2，连接弹簧2.2一端与电磁装置3固结，另一端与滑动质量块1固结；转臂2的末端布置有四个的花键2.4，用于与实验台4中的键槽形成键连接。

优选的连接弹簧2.2为导磁性弹簧，降低能量消耗。

如图4所示为滑动质量块1与转臂2装配图，永磁承载装置1.1外曲面与导轨2.1的内曲面接触，导轨2.1的外曲面与支撑架1.4的内曲面接触，以上曲面摩擦系数较小，为光滑曲面接触，降低能量损耗，其整个面结构类似于“三明治”的夹层结构。导轨槽2.3用于固结于永磁承载装置1.1中的螺栓1.6通过，螺栓1.6的螺杆部分尺寸很长，便于增加足够数量附加质量块1.5。

如图5所示，电磁装置3中的电磁铁芯3.1，是通电产生电磁的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组即电磁线圈3.2。将电磁线圈3.2制成条形，以使电磁铁芯3.1更加容易磁化，电源装置3.3可用于提供多种形式的电压(直流、交流)设备，通过分支电路3.4作用于电磁线圈3.2中，从而使电磁铁芯3.1迅速磁化通过连接弹簧2.2与滑动质量块1发生作用，在电磁承载装置3.5的两个侧面布置四个平键3.6。

优选的电磁铁芯3.1采用消磁较快的的硅钢片制成，其铁芯为软磁体。

优选的电磁线圈3.2为并联线圈。

如图6实验台4是由实验平台4.2组成，其中实验平台4.2上可布置多种形式的实验舱4.1，实验舱4.1为立方槽结构，在其内部内沿着径向与切向布置弹簧，安装实验件；实验台4上面的键槽4.3与转臂2上面的键2.4为花键连接，键槽4.4与电磁承载装置3上的键3.6构成方头平键连接，从而实现传动系统5与实验台4同步运动。

如图7所示，传动系统5是整个离心机的动力源，该动力源为电路传输系统5.1，通过空心的主轴5.2传递提供给电磁装置3中的电源装置3.3，通过上轴承5.3与下轴承5.4保证离心机的稳态性。

优选的主轴5.2为空心圆柱阶梯轴结构，材料为非导磁材料。

如图8为本发明的原理图，本发明的工作过程是：当电磁承载装置3中的电源装置3.3通电后，电磁铁芯3.1会迅速磁化，与滑动质量块1中的永磁1.2发生作用，表现为相互吸引或排斥，由于磁化的大小与方向不同，对应产生的作用力就会发生变化，滑动质量块1的运动会随着发生变化，从而实现系统质量分布动态变化，通过质量分布变化实现传动系统5的角加速度和角速度的变化，依靠键连接的实验台4就会产生不同的切向与径向载荷作用，最终达到实验件多向加载的目的。图8中，m₁为滑动质量块1的质量，r为滑动质量块1沿着转臂的位置坐标，r_s为实验件质心距主轴5.2的距离。

本发明的工作原理是：在不改变系统驱动力矩的情况下，通过改变该系统的质量分布，从而改变系统的转动惯量，实现系统角加速度和角速度变化，变化的角速度和角加速度在实验件的径向和切向产生对应的惯性载荷，相当于在实验件上加载，从而实现对实验件的激振作用。

如式(a)，滑动质量块1在转臂2上的位置坐标用r表示。质量为m₁，其中m₁是可变的。除质量块1以外系统的转动惯量为J₀，总的转动惯量为J_z。运动过程中在电磁力驱动下r在变化。式(b)中，系统驱动力矩和阻力矩之和为M_z。

系统动量矩为：

L_z＝J_zω＝[J₀+2m₁r²]ω (a)

得到：

上式中：

当系统的驱动力矩与阻力矩相互平衡，系统动量矩守恒。滑动质量块m₁的运动规律改变系统转动惯量，由上面(c)、(d)两式即可得到系统的角加速度α，进而得到系统转动的角速度ω。角速度ω、角加速度α的变化规律由质量块1的运动规律决定。实验台传递给实验件的加速度对应的法向和切向惯性载荷分别为：

式(e)中的m对应实验件的质量，r_s为实验件质心距主轴的距离。

综合(c)、(d)、(e)，可以看出通过设置滑动质量块1的运动，可以达到对实验件双向驱动作用，从而使得图1所示离心机系统实现双向动力加载。

具体实施例：

离心振动环境下冲击载荷的实现：

附加质量块1.5足够，当较大的直流电压通过电路传输系统5.1传动给电源装置3.3，并由电源装置3.3通过四条分支电路3.4传递到电磁线圈3.2，此时在电磁铁芯3.1上感应出较大的电磁力，该力与永磁1.2相互作用，系统的转动惯量发生瞬态变化，由动量矩守恒知，对应的转动角加速度、角速度也随之发生变化；两个滑动质量块均向着(或远离)电磁装置3方向移动时，此时会产生瞬态加速度作用于实验件上，实现瞬态冲击载荷加载。

离心振动环境下交变载荷的实现：

电路传输系统5.1输入交变电压于电源装置3.3，并由电源装置3.3通过四条分支电路3.4传递到电磁线圈3.2，此时在电磁铁芯3.1上感应出变化的电磁力作用，与永磁1.2相互作用，导致滑动质量块1运动速度与方向时刻发生变化，此时产生的变化速度与加速度作用于实验件上。

多向载荷的实现

按照电源装置3.3施加的电压性质作用于电磁线圈3.2上，在电磁铁芯3.1中的力通过连接弹簧2.2与永磁1.2作用的最终使滑动质量块1按照一定规律运动，当系统的转动惯量发生变化，由于系统的动量矩守恒，使得主轴系统的转动角速度和角加速速度均发生变化，其中转动角速度改变将会引起径向载荷的变化，角加速度改变将会引起切向载荷的变化。

多实验平台

当需要多个实验同行进行对照时，可将不同实验件布置于同离心半径尺寸的实验舱中，或将相同的实验件布置于不同的离心半径下进行实验。同时，为了满足多实验条件的要求，实验台4可方便进行更换。

Claims (7)

1.一种变质量动力离心机，其特征在于：包括滑动质量块(1)、转臂(2)、电磁装置(3)、实验台(4)、传动系统(5)、缓冲装置(6)和基座(7)；基座(7)与地面固结，基座(7)为锥形结构，在其内部布置有传动系统(5)；传动系统(5)中的圆柱阶梯形的主轴(5.2)穿过电磁装置(3)的中心，并与之固定在一起，电磁装置(3)为空心立方体结构，对应的四个边角处沿着其长度方向布置四个电磁线圈(3.2)，电磁线圈(3.2)内部含有电磁铁芯(3.1)；沿着电磁装置(3)长度方向上与电磁线圈(3.2)位置对应固定四根横向放置的空心圆柱的转臂(2)；实验台(4)为中间开有长方形的孔的圆盘结构，在长方形孔中安装有除了基座(7)、传动系统(5)之外其它的部件，在长方形孔的四个侧面上对称布置八个键槽，每个面上两个键槽，八个键槽分别与转臂(2)末端的四个键以及在电磁装置(3)的非磁化的两个面上的四个键固结，进而通过传动系统(5)带动实验台(4)转动，实验台(4)四周开有多个用于放置实验件的实验舱(4.1)；在同侧的两根转臂(2)上横跨安装有滑动质量块(1)，两个滑动质量块(1)左右对称布置，滑动质量块(1)的永磁承载装置(1.1)为横向放置的圆柱结构，圆柱结构外柱面与转臂(2)的内表面为光滑圆柱面接触，电磁装置(3)的电磁铁芯(3.1)与滑动质量块(1)的永磁(1.2)相互作用带动滑动质量块(1)沿着转臂(2)平动；滑动质量块(1)与电磁装置(3)以及实验台(4)接触的部位设有一层缓冲装置(6)；由于滑动质量块(1)位置的变化导致离心机的转动惯量发生变化，从而导致传动系统(5)的转动角速度与角加速度均发生改变，布置于实验台(4)中的实验件在传动系统(5)不同的转动规律下受到相应的惯性激励。

2.根据权利要求1所述一种变质量动力离心机，其特征在于：每个滑动质量块(1)根据实验要求改变其位置和质量，滑动质量块(1)的永磁承载装置(1.1)为空心圆柱结构，外柱面与空心转臂(2)的内柱面接触，永磁承载装置(1.1)内布置条形的永磁(1.2)与永磁线圈(1.3)；螺栓(1.6)上下对称安装，螺栓(1.6)顶端固结于永磁承载装置(1.1)中，螺栓(1.6)上对称添加有支撑架(1.4)和附加质量块(1.5)，并配合有螺母(1.7)进行固定；支撑架(1.4)侧面为圆角矩形，在两个圆角端开有圆形孔，其孔内表面与同侧的两根转臂(2)外表面接触，进而通过螺栓(1.6)以及支撑架(1.4)将同侧的两个永磁承载装置(1.1)连接在一起。

3.根据权利要求1所述的一种变质量动力离心机，其特征在于：所述转臂(2)为空心圆柱结构形成中空导轨(2.1)，在其内部布置有连接弹簧(2.2)，连接弹簧(2.2)一端与电磁装置(3)固结，另一端与滑动质量块(1)固结；在中空导轨(2.1)曲面上下端与滑动质量块(1)中的螺栓(1.6)位置对称处开有导轨槽(2.3)，用于螺栓(1.6)随着固结的滑动质量块(1)一起沿着转臂(2)平动。

4.根据权利要求1所述的一种变质量动力离心机，其特征在于：所述的电磁装置(3)是空心的立方体结构，在立方体的四个边角处均布置有条形电磁铁芯(3.1)与电磁线圈(3.2)，在立方体结构中部布置有电源装置(3.3)，将来自传动系统(5)的电压传递到与电源装置(3.3)连接的四个分支电路(3.4)，并通过四个分支电路(3.4)分别将电压传递到四个电磁线圈(3.2)。

5.根据权利要求1所述一种变质量动力离心机，其特征在于：所述实验台(4)由不同型号的实验舱(4.1)组成，根据实验件的尺寸选择适配的实验舱(4.1)，其中实验舱(4.1)为立方槽结构，在其径向和切向方向上均布置弹簧，实现双向激励，将同种实验件沿着径向布置能够同时开展同类型的实验件在激励频率相同但激励幅值不同的动力离心实验，将不同实验件沿周向布置能够实现不同的实验件在同等激励环境下的对比实验。

6.根据权利要求1所述的一种变质量动力离心机，其特征在于：所述传动系统(5)中主轴(5.2)为圆柱空心阶梯轴，方便轴承以及电磁装置(3)的安装，同时在其内部布置电路传输系统(5.1)，与电源装置(3.3)相连，上轴承(5.3)与下轴承(5.4)用于保证离心机的稳定性。

7.权利要求1至6任一项所述的变质量动力离心机的动力离心实验方法，其特征在于：一方面通过改变施加于电磁装置(3)上电压的强弱、方向与频率不同，使其产生不同性质的磁化，电磁铁芯(3.1)与滑动质量块(1)中永磁(1.2)相互作用，从而改变滑动质量块(1)的位置，即公式(a)中的r；另一方面通过增减滑动质量块(1)上附加质量块(1.5)的质量，改变滑动质量块的总质量即公式(a)中的m₁，使得离心机的转动惯量J_z发生变化即式(d)；由于离心机的力矩M_z不变，通过式(b)变换知传动系统(5)转动的角速度与角加速度发生变化即式(c)，导致实验台(4)转动角速度与角加速度均发生变化，通过实验舱(4.1)中的弹簧使得实验件受到在径向与切向的载荷作用即式(e)中F_r与F，从而达到与动力离心机的振动台相同的功能；其中所述公式中除滑动质量块(1)以外系统的转动惯量为J₀，r_s为实验件质心距主轴的距离。

L_z＝J_zω＝[J₀+2m₁r²]ω (a)

其中：L_z为离心机的动量矩，J_z为离心机的转动惯量，为离心机转动角速度，m₁为滑动质量块的质量，r为滑动质量块沿着转臂的位置坐标，M_z为离心机的力矩，为离心机转动角加速度，F_r与F为对应的实验件在径向与切向受到的载荷作用，m为实验件的质量，r_s为实验件质心距主轴的距离。

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