偏心距径向可调式惯性激振器及其应用的制作方法

本发明属于机械工程技术领域，具体涉及在机械工程、机械试验等过程中需要施加精密载荷或者一定频率载荷的机械装置中，为其施加一种周期性圆周交变激振力、单向的激振力、激振扭矩的偏心距径向可调式惯性激振器及其应用。

背景技术：

现代工业生产和科学研究中，在机械加工制造、道路桥梁领域往往需要获得准确大小和方向的激振力，或者需要一定频率的激振力来确保产品的质量、性能和试验过程的准确性。所采用的方法就是利用惯性激振器给被激的试件施加一定形式和大小的振动量。在工程试验中，需要获得准确的激振效果，或者需要测得试件在不同的大小和频率的激振力作用下的应力或者强度，因此对于激振器施加的激振力的大小和频率有定性的要求，所以激振器自身要具备频率和惯性力大小的可调性。

激振器是附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置，是利用机械振动的重要部件。激振器能够给被激的试件施加一定的形式和大小的振动量，从而可以对物体进行振动和强度试验。目前，工程上应用的激振器按照激励形式的不同，可分为惯性式、电动式、电磁式、电液式、气动式和液压式等。

现有惯性激振器大多利用偏心块回转来调节偏心距，进而获得不同的激振力。单向激励惯性激振器一般由两根转轴和一对速度比为1的齿轮组成。两根转轴通过等速反向回转，回转轴上两个偏心块在Y向产生惯性力的合力。但是齿轮传动噪声大，磨损快，制造精度和安装精度要求很高，一旦有磨损就会产生传动失稳现象，同时齿轮传动机构必须要有密封装置，需要润滑，传动过程发热严重，拆卸不方便。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种偏心距径向可调式惯性激振器及其应用，实现了在径向方向上无级连续调节质量块的偏心距，进而调节激振力的大小；同时 激振器的组合使用可以获得不同的激振效果，如单向的交变激振力，交变的扭矩。

为实现上述目的，本发明的偏心距径向可调式惯性激振器包括：回转动力源、激振器壳体和回转体；所述回转动力源的动力输出轴和所述回转体的动力输入轴固定连接，所述激振器壳体安装在所述回转体外侧；

所述回转体内部包括支撑板、步进电机、丝杠、螺母和质量块；所述步进电机固定在支撑板上，支撑板安装在回转体内壁，所述步进电机输出轴和所述丝杠的一端同轴固定连接，所述丝杠的另一端和回转体连接，所述丝杠和所述螺母消隙后形成丝杠螺母副，所述质量块和所述螺母固定连接；所述丝杠中心轴线和回转体的回转轴中心线正交，并沿径向方向布置。

所述回转体内部还包括导向板、滑块、导轨和连接块；所述质量块沿X轴方向两侧分别和一个导向板的一端固定连接，两个导向板的另一端通过连接块固定连接，所述两个导向板的外侧均固定有一个滑块，两个所述导轨分别固定在所述回转体轴向两端的侧壁上，并与丝杠的轴向平行，两个滑块分别和两个导轨滚动配合。

所述导向板为菱形结构，质量块沿X轴方向两侧分别和一个导向板的一个角处固定连接，两个导向板竖直方向上和质量块相对位置通过连接块连接。

所述步进电机沿X轴方向的中心线和所述回转体的回转轴线重合，所述质量块的质心分布在丝杠的轴线上。

所述步进电机输出轴和所述丝杠的一端通过联轴器连接，所述丝杠的另一端通过轴承和所述回转体连接。

所述回转体为一端设置有端盖的圆筒状结构，回转体的另一端和回转体盖连接，所述端盖和回转体盖外侧中心位置均设置有空心回转轴，回转体的外伸空心回转轴作为动力输入轴，回转体盖的外伸空心轴回转轴作为接线轴；所述回转体的动力输入轴和接线轴分别通过一对角接触球轴承和激振器壳体连接，所述角接触球轴承外侧设置有轴承端盖，所述回转动力源的动力输出轴和所述动力输入轴固定连接。

所述激振器还包括固定在激振器壳体上的激振器后罩和设置在激振器后罩 内的接线结构，所述接线结构包括导电滑环、垫片、拧紧螺母、接线柱和接线柱支架；所述导电滑环套在接线轴上，轴向外侧依次设置有垫片和拧紧螺母，所述拧紧螺母和所述空心回转轴螺纹连接，所述接线柱通过接线柱支架固定在激振器壳体上，所述接线柱和所述导电滑环相连。

所述偏心距径向可调式惯性激振器还可以组合应用，两个激振器的回转轴线和回转动力源的输出轴线两两平行放置，所述回转动力源的输出轴和两个激振器的动力输入轴通过同步带装置连接实现同步运动。

两个偏心距径向可调式惯性激振器组合使用的具体结构还包括支座、安装板和后板，所述后板和所述支座平行设置，上端通过安装板连接，两个激振器固定在支座上，轴线平行，质量块初始相位相同，激振器回转轴穿过所述支座，另一端和所述后板接触，所述回转动力源固定在所述安装板上，输出轴穿过所述支座，所述回转动力源的动力输出轴和两个激振器的动力输入轴上分别安装一个胀套，胀套上安装有同步带轮，同步带轮外侧安装一偏心的张紧轮，三个同步带轮和张紧轮通过双面齿同步带连接，使两个激振器同步反向回转。

两个偏心距径向可调式惯性激振器组合使用的具体结构还包括支座、安装板和后板，所述后板和所述支座平行设置，上端通过安装板连接，两个激振器固定在支座上，轴线平行，质量块初始相位相差180°，激振器回转轴穿过所述支座，另一端和所述后板接触，，所述回转动力源固定在所述安装板上，输出轴穿过所述支座，所述回转动力源的动力输出轴和两个激振器的动力输入轴上分别安装一个胀套，胀套上安装有同步带轮，三个同步带轮通过双面齿同步带连接，使两个激振器同步同向回转，三个同步带轮外侧还设置有张紧轮，所述张紧轮通过张紧回转轴设置在所述支座上。

本发明的有益效果为：本发明的偏心距径向可调式惯性激振器采用步进电机和滚珠丝杆径向调节质量块的偏心距，保证了偏心距的精确调节，并且激振力调节范围大，在一些需要施加精密激振力的工程机械中有很大的应用前景。调节激振力，只需改变电机转速或者调节质量块偏心距即可，操作方便。同时该激振器结构简单，性价比高，可靠性高，工作过程耗能少。利用双面齿同步带实现了两激振器的同步反转或者同步同向回转，带传动机构结构简单，易于 安装，机构传动过程噪声小，易于维修，同时同步带传动制造成本低，本发明在正常工作时，可通过控制步进电机对质量对位置进行调整，实现动态调幅加载。

附图说明

图1为本发明的偏心距径向可调式惯性激振器整体结构示意图；

图2为本发明的偏心距径向可调式惯性激振器结构剖视图；

图3为图2的C-C剖视图；

图4为本发明的偏心距径向可调式惯性激振器中回转体结构示意图；

图5为图4的B-B剖视图；

图6为图4的A-A剖视图；

图7为本发明的偏心距径向可调式惯性激振器组合应用时结构示意图；

图8为本发明的偏心距径向可调式惯性激振器组合应用时带轮分布图；

图9为本发明的偏心距径向可调式惯性激振器组合应用时内部剖视图；

图10为本发明的偏心距径向可调式惯性激振器组合应用时获得单向激振力的力学分析简图；

图11为获得垂向单向激振力时同步带轮和张紧轮位置示意图；

图12为本发明的偏心距径向可调式惯性激振器组合应用时获得回转扭矩的力学分析简图；

图13为获得扭振效果时同步带轮的连接方式示意图；

其中：1、角接触球轴承，2、导向板，3、联轴器，4、螺母，5、质量块，6、丝杠，7、激振器后罩，8、导电滑环，9、拧紧螺母，10、接线柱，11、接线柱支架，12、回转体盖，13、激振器壳体，14、回转体，15、支撑板，16、步进电机，17、滑块，18、导轨，19、电动机A，20、电动机B，21、安装板，22、支座，23、同步带轮，24、胀套，25、双面齿同步带，26、张紧轮，27、张紧回转轴，28、后板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1、附图2、附图3、附图4、附图5和附图6，本发明的偏心距径 向可调式惯性激振器包括：电动机A19、激振器壳体13和回转体14；所述电动机A19固定在激振器壳体13上，动力输出轴和所述回转体14的动力输入轴固定连接，所述激振器壳体13安装在所述回转体14外侧；

所述回转体14内部包括支撑板15、步进电机16、丝杠6、螺母4和质量块5；所述步进电机16固定在支撑板15上，支撑板15安装在回转体14内壁，所述步进电机16输出轴和所述丝杠6的一端同轴固定连接，丝杠6和步进电机16转轴设计为自锁机构，防止质量块出现非控制滑动，所述丝杠6的另一端和回转体14连接，所述丝杠6和所述螺母4消隙后形成丝杠螺母副，所述质量块5和所述螺母4固定连接；所述丝杠6中心轴线和回转体14的回转轴中心线正交，并沿径向方向布置。回转体14的质心位置始终处于丝杠6的中心线上，也即处于回转体14的径向方向。质量块5在丝杠6的带动下沿固定在回转体14上的导轨18做直线运动，从而改变回转体14的偏心距e的大小，达到改变离心力的目的。

所述回转体14内部还包括导向板2、滑块17、导轨18和连接块；所述质量块5沿X轴方向两侧分别和一个导向板2的一端固定连接，两个导向板2的另一端通过连接块固定连接，所述两个导向板2的外侧均固定有一个滑块17，两个所述导轨18分别固定在所述回转体14轴向两端的侧壁上，并与丝杠6的轴向平行，两个滑块17分别和两个导轨18滑动配合，滑块17和导轨18要进行预紧安装，一方面消除了质量块5在径向运动时可能产生的摆动偏差，避免振动过程产生失稳；另一方面保证质量块5实现在同一方向内的运动，保证了激振力始终在同一平面内。

所述导向板2在径向运动过程中不能与激振器壳体13发生干涉，需要对导向板2形状进行规范，可以做成如图所示的菱形结构，质量块5沿X轴方向两侧分别和一个导向板2的一个角处固定连接，两个导向板2竖直方向上和质量块5相对位置通过连接块连接。

所述步进电机16沿X轴方向的中心线和所述回转体14的回转轴线重合，这样安装的目的是减小步进电机16在激振器工作时所受的离心力，保障步进电机16在高转速下的正常工作；所述质量块5的质心分布在丝杠6的轴线上。

所述步进电机16输出轴和所述丝杠6的一端通过联轴器3连接，所述丝杠6的另一端通过轴承和所述回转体14上连接。

所述回转体14为一端设置有端盖的圆筒状结构，回转体14的另一端和回转体盖12连接，所述端盖和回转体盖12外侧中心位置均设置有空心回转轴，回转体14的外伸空心回转轴作为动力输入轴，回转体盖12的外伸空心轴回转轴作为接线轴；所述回转体14的动力输入轴和接线轴分别通过一对角接触球轴承1和激振器壳体13连接，所述角接触球轴承1外侧设置有轴承端盖，所述电动机A19的动力输出轴和所述动力输入轴固定连接。

所述激振器还包括固定在激振器壳体13上的激振器后罩7和设置在激振器后罩7内的接线结构，所述接线结构包括导电滑环8、垫片、拧紧螺母9、接线柱10和接线柱支架11；所述导电滑环8套在接线轴上，轴向外侧依次设置有垫片和拧紧螺母9，所述拧紧螺母9和所述空心回转轴螺纹连接，所述接线柱10通过接线柱支架11固定在激振器壳体13上，所述接线柱10和所述导电滑环8相连，作为接线轴的空心回转轴是步进电机16的外接电线线路，外界电源接线到接线柱10上，连接步进电机16的电线经回转体14改的空心回转轴的轴心和回转体盖12上的接线管道给步进电机16供电，这种结构设计，避免了外接电线随着回转体14绕线的问题，简化了接线电路。

参见附图7，所述偏心距径向可调式惯性激振器还可以组合应用，两个激振器的回转轴线和电动机B20输出轴线两两平行放置，所述电动机B20输出轴和两个激振器的回转轴通过同步带装置连接实现同步运动。

这种径向调节偏心块偏心距惯性激振器，它的特征是实现了质量块5的偏心距e的径向精确调节。本发明使用了步进电机16和丝杠6结构实现质量块5的位置调节。步进电机16固定在支撑板15上，支撑板15和回转体14用螺栓连接固连为一体，然后步进电机16轴通过联轴器3和丝杠6相连；质量块5通过螺钉固定在丝杠螺母4上，而丝杠6的另一端通过轴承连接在回转体14的上；同时质量块5和导向板2用螺栓连接，导向板2用螺钉固定在滑块17上，滑块17和导轨18滚动配合，导轨18用螺栓固连在回转体14，之所以选择步进电机16作为调节偏心距e的动力源，是因为步进电机16响应仅由数字输入脉冲确定， 因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本。选取丝杠6结构，当丝杠6作为主动体时，丝杠螺母4就会随丝杠6的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，质量块5可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。丝杠6传动效率高，摩擦损失小，可以在一定程度上节约电量。同时丝杠6安装时要进行预紧安装，通过预紧安装消除了丝杠6的轴向间隙，提高了丝杠6的刚度，避免了丝杠6产生轴向撺动，使丝杠6的传递变的更加准确，丝杠螺母副的精度高，保证了偏心距e的精确调节。步进电机16回转的角度和脉冲数是成比的，可以实现对偏心距的精确调节。步进电动机每输出一个脉冲，丝杠6就会带动质量块5移动一定的距离。由于步进电机16具有优秀的启停和反转响应和丝杠螺母4副传递的高精度，实现了质量块5的精确偏心调节。

偏心距调节过程，S＝np，S为质量块5的移动距离，n为步进电机16的转速，p为丝杠6的导程。

参见附图8和附图9，两个偏心距径向可调式惯性激振器组合使用的具体结构还包括支座22、安装板21和后板28，所述后板28和所述支座22平行设置，上端通过安装板21连接，两个激振器固定在支座22上，轴线平行，质量块5初始相位相同，激振器回转轴穿过所述支座22，另一端和所述后板28接触，所述电动机B20固定在所述安装板21上，输出轴穿过所述支座22，所述电动机B20的动力输出轴和两个激振器的动力输入轴上分别安装一个胀套24，胀套24上安装有同步带轮23，同步带轮23外侧安装一偏心的张紧轮26，三个同步带轮23和张紧轮26通过双面齿同步带25连接，使两个激振器同步反向回转；此时张紧轮26起到张紧作用的同时还保证了双面齿同步带25在两个激振器的回转轴上设置的同步带轮23之间连接，保证两个激振器同步反向回转。本发明采用双面齿同步带25和同步带轮23实现了两个激振器之间的同步反向回转，同步带传动可以实现两轴中心距较大的传动，满足了激振器偏心距的径向调节；同时同步带有一定的弹性，可以缓和冲击和振动载荷，运动平稳，噪声小；同时带传动结构简单，设备费用低，制造成本低，安装更换方便，维修便利。

参见附图10和附图11，两个偏心距径向可调式的激振器回转轴平行放置， 由于激振器工作时，两轴转速很大，因此两轴的横向距离不能太近，激振器回转体14之间的距离保证两回转体之间不发生干涉即可，同时按照质量块5和丝杠结构在激振器回转到竖直面内时，两丝杠机构要径向同向平行，由于两轴同步反向运动，在任意时刻，激振器产生的激振力，水平方向力大小相等，方向相反，相互抵消，而竖直面内的激振力则同向等大，成简谐式变化。

力学分析，两个激振器的质量块5初始相位差为零，同步反向绕旋转轴做旋转运动。偏心距为r，质量块5质量为m，角频率为ω，转动时间为t，当质量块5绕旋转轴旋转角度为ωt时，激振力大小F＝m*r*ω²，单个激振器激振力在水平方向的分力大小为F₁＝m*r*ω²*cos ωt，两个激振器水平力方向相反，大小相等，且作用在同一直线上，合力为零；在竖直方向上，单个激振器的激振力的分力大小为F₂＝m*r*ω²*sin ωt，两个激振器在竖直方向上的激振力大小相等，方向相同，因此竖直面内激振力大小为F_合＝2*m*r*ω²*sin ωt。

参见附图12和附图13，两个偏心距径向可调式惯性激振器组合使用的具体结构还包括支座22、安装板21和后板28，所述后板28和所述支座22平行设置，上端通过安装板21连接，两个激振器固定在支座22上，轴线平行，质量块5初始相位相差180°，激振器回转轴穿过所述支座22，另一端和所述后板28接触，所述电动机B20固定在所述安装板21上，输出轴穿过所述支座22，所述电动机B20的动力输出轴和两个激振器的动力输入轴上分别安装一个胀套24，胀套24上安装有同步带轮23，三个同步带轮23通过双面齿同步带25连接，使两个激振器同步同向回转，三个同步带轮23外侧还设置有张紧轮26，所述张紧轮26通过张紧回转轴27设置在所述支座22上。

力学分析，初始位置时，在竖直面，两个丝杠6平行，两个激振器的质量块5初始相位差为180度，同步同向绕旋转轴做旋转运动，偏心距为r，质量块5质量为m，角频率为ω，转动时间为t，激振力大小F＝m*r*ω²，两个激振器激振力方向相反，大小相等，L为两激振器回转体14的回转轴线在水平方向的的距离；当质量块5绕旋转轴旋转角度为ωt时，力偶矩M₁＝m*r*ω²*L*cosωt，可获得简谐式的扭振效果。

利用本发明的偏心距径向可调式惯性激振器及其应用施加激振力的具体过程为：根据机械工程中所需要的激振力大小，算出质量块5的偏心距e，给定步进电机16相应的脉冲，步进电机16回转带动滚珠丝杠6进攻转动，丝杠螺母4带动质量块5径向移动相应的偏心距e，从而实现了对质量块5偏心距在径向方向的无级连续调节；给电动机A19通电，电动机A19带动回转体14回转，从而施加激振力。当把两个激振器平行放置组合后，激振器质量块5的初始相位相同，电动机B20用双面齿同步带25带动激振器转轴回转，实现两激振器的同步反向回转，由于此时水平方向的离心力合力为零，竖直方向获得同向的简谐式交变激振力；当把两个激振器平行放置，而激振器质量块5的初始相位差为180°，此时电动机B20利用同步带带动激振器转轴的同步同向回转，可以得到回转扭矩，为试件施加一定的扭振效果。