吸附式振动激励器的制作方法

本发明属于振动模态分析、故障诊断和探测及主动振动控制技术领域，具体涉及一种吸附式振动激励器。

背景技术

结构振动模态分析是用于设计和优化工程技术结构动态响应的重要实验手段，而结构振动模态分析成功的条件之一是能够在结构的关键部位激发振动而不影响结构本身的动态响应，这些要求往往对激振器的形状，质量和力的大小有特别的要求。

结构故障诊断和探测是工程资产管理的一项重要技术手段，它通过故障结构自身的振动，或用激振器产生的振动的影响来诊断和探测故障的特征。用激振器产生的振动来进行结构故障诊断和探测往往能取得更准确的结果，因为激振器的信号和结构振动响应的信号有很好的相干性，可以排除本底噪声的干扰。

振动主动控制是指在振动控制过程中，根据所检测到的振动信号应用一定的控制策略，经过实时计算进而驱动振动激励器对控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。实现振动的激励与主动控制需要一个易于控制的激励器，好的激振装置需要满足安装固定方便，响应速度快，响应力大等要求，这些直接关系到对结构振动的激励和控制效果。

现有的激振器主要有惯性质量激振器、电磁式激振器和电液式激振器，传统的惯性质量激振器利用通过给惯性质量施加加速度来产生惯性力，往往只在共振区域有效，较大的惯性质量也给安装带来困难；电磁式激振器运用交变电流在磁场中受的电磁力来产生激励，这种激振器在线圈运动位移较大时会出现非线性；电液式激振器结构复杂，工作频率很低。这些传统激振器一般都具有质量较大，安装复杂，需要外部支撑等缺点，而且只能产生单向激励力。

近年来智能材料获得快速发展和应用，特别是压电陶瓷和磁致伸缩材料，这种材料能够实现电磁能和机械能的相互转换，材料自身长度的伸长与压缩可以为外界提供推力和拉力，然而这种应用在激振器里较少，运用普通压电陶瓷的激振器产生力小，不适合用于许多工程结构的振动激发；由于材料科学和制造工艺的发展，(超)磁致伸缩材料和叠堆压电陶瓷的出现和应用给压电激振器的设计提供了新的思路和方法。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种吸附式振动激励器，结构简单，体积小，质量轻，激发力大，便于安装，能直接吸附固定在需要激发振动的结构上，为结构振动模态分析及故障诊断和探测提供更有效的激振手段。

一种吸附式振动激励器，包括支撑架、激振模块、一个中间吸附脚和两个侧翼吸附脚，所述支撑架上平行开有三个通孔且中间通孔为螺孔，激振模块一端与支撑架通过所述螺孔配合连接，另一端与中间吸附脚通过螺纹配合连接；所述侧翼吸附脚通过沉头螺栓穿过侧部通孔后与支撑架锁止连接；整个激励器通过三个吸附脚吸附于被激设备上，激振模块在外加电压作用下在中间吸附脚和侧翼吸附脚上产生驱动力，从而实现对所吸附结构的激振作用。

进一步地，所述激振模块包括壳体以及设置于壳体内的激振力源和传动杆，所述壳体以及传动杆的表面均设有螺纹，传动杆一端从壳体前端穿出并与中间吸附脚通过螺纹配合连接，传动杆另一端为帽状且顶面与激振力源一端固定连接，底面则通过弹簧片与壳体前端内壁活动连接；激振力源另一端与壳体后端内壁固定连接，激振力源的引线从壳体后端穿出并与外部电源连接，壳体则通过螺纹及螺孔与支撑架配合连接。

进一步地，所述激振力源采用叠堆压电陶瓷材料或(超)磁致伸缩材料。

进一步地，所述中间吸附脚包括钢壳体和钕铁硼磁铁块，钢壳体一侧开有凹槽，另一侧设有凸状螺孔，所述钕铁硼磁铁块即放置于该凹槽内，所述传动杆一端则通过螺纹与钢壳体的凸状螺孔配合连接。

进一步地，所述侧翼吸附脚包括钢壳体和开有沉头孔的钕铁硼磁铁块，所述钢壳体中间开有通孔，一侧开有凹槽，所述钕铁硼磁铁块即放置于该凹槽内，所述沉头螺栓依次穿过钕铁硼磁铁块、钢壳体、支撑架的侧部通孔后通过螺帽锁止。

进一步地，所述钕铁硼磁铁块与钢壳体凹槽内壁之间设有垫圈。

进一步地，所述支撑架与侧翼吸附脚之间段的沉头螺栓上套设有加长螺母。

进一步地，所述激振模块壳体上套设有普通螺母。

本发明振动激励器吸附固定在钢铁或贴有钢铁薄片的结构上，工作时装置在驱动电压的驱动下，沿着支架的轴线方向产生激发力，通过移动端和吸附脚的刚壳体以及钕铁硼磁铁作用于被吸附的结构上。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明结构简单，质量轻，吸附力强，安装方便。

(2)本发明不需要惯性质量和接地支撑。

(3)本发明采用压电或磁致伸缩新材料，具有驱动电压低，激振力大的特点。

(4)本发明通过外螺纹将激振器的传动杆和中间吸附脚钢壳体固定在一起，再经钕铁硼磁铁传递作用，可以同时实现压力和拉力激励，易于激发出所需要的激振效果和实现振动控制。

(5)本发明为结构的振动模态分析、故障诊断和探测以及主动振动控制领域提供了一种有效适用的激振力源，在大型钢铁结构件等机械的振动激励和控制中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明振动激励器的整体结构示意图。

图2为本发明振动激励器的爆炸结构示意图。

图3为本发明激振模块的结构示意图。

图4(a)为本发明支撑架的局部剖视图。

图4(b)为本发明支撑架的主视图。

图5为本发明中间吸附脚的局部剖视图。

图6为本发明侧翼吸附脚的局部剖视图。

图7(a)为本发明振动激励器在铁磁性材料表面的安装示意图。

图7(b)为本发明振动激励器在非铁磁性材料表面的安装示意图。

图8为本发明振动激励器工作时的受力分析示意图。

图中：1-沉头螺栓，2-引线，3-激振模块，4-普通螺母，5-螺帽，6-支撑架，7-中间吸附脚，8-加长螺母，9-侧翼吸附脚，10-钢壳体(中间吸附脚)，11-钕铁硼磁铁块(中间吸附脚)，12-钢壳体(侧翼吸附脚)，13-垫圈，14-钕铁硼磁铁块(侧翼吸附脚)，15-壳体(激振模块)，16-激振力源，17-传动杆，18-弹簧片，19-振动激励器，20-铁磁性材料结构，21-薄铁片，22-非铁磁性材料结构。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明吸附式振动激励器，包括激振模块3、支撑架6、中间吸附脚7和两个侧翼吸附脚9，其中激振模块3包括激振力源16、传动杆17、弹簧片18和壳体15，中间吸附脚7包括钢壳体10、垫圈13和钕铁硼磁铁11，侧翼吸附脚9包括钢壳体12、垫圈13和钕铁硼磁铁14。

激振模块3通过激振力源壳体15的外螺纹、普通螺母4和传动杆17的外螺纹分别与支撑架6以及中间吸附脚7的钢壳体10连接，支撑架6通过沉头螺栓1和螺帽5与两个侧翼吸附脚9连接。

如图3所示，激振力源16置于激振模块3壳体15内部，一端固定于壳体15一端，另一端与传动杆17相连，安装时通过弹簧片18给定一定的预紧力；整个激振模块3通过壳体15外螺纹和普通螺母4与支撑架6固定，传动杆17通过外螺纹与中间吸附脚7连接固定，激振力源16采用压电陶瓷材料或磁致伸缩材料。

激振力源16的工作原理为：使用能够实现电磁能和机械能相互转换功能的智能材料(如叠堆压电陶瓷和磁致伸缩材料)作为激振力源16，利用材料在外部电压激励下将电能转换成机械能的特性，产生拉伸和压缩力，对外界施加相应力的作用，从而实现对结构体的激振作用。叠堆压电陶瓷为共烧压电陶瓷，由陶瓷层和电极层堆叠共烧而成；采用叠堆压电陶瓷作为激振力源16具有优异的性能，输出力大；同样(超)磁致伸缩材料也具有能量密度大、耦合系数大的优点。

激振模块3装配时可以通过调节弹簧片18与传动杆17之间的预紧力来实现调节拉力大小：在弹簧片18和激振力源16合理的受力范围内，预紧力越大，本发明装置在工作时产生的拉力越大。

如图4(a)和图4(b)所示，支撑架6上中间部分有内螺纹孔，两侧有通孔，以便于与激振模块3和侧翼吸附脚9连接固定。支撑架6在装置工作时受到一定的弯力和弯矩作用，为了保证装置的稳定性，选用机械强度较大、刚度较强的材质。

如图5所示，中间吸附脚7包括钢壳体10和钕铁硼磁铁11，其中钢壳体10的凹槽用于放置钕铁硼磁铁块11，钢壳体10上表面有内螺纹与激振模块3的传动杆17外螺纹配合连接。通过以上的连接，将激振模块3中激振力源16产生的力通过传动杆17传递到中间吸附脚7上，再作用于中间吸附脚7吸附固定的被激振动。

如图6所示，侧翼吸附脚9包括钢壳体12和开有沉头孔的钕铁硼磁铁块14，通过沉头螺栓1和螺帽5将侧翼吸附脚9与支撑架6连接固定；侧翼吸附脚9与支撑架6的这种通过沉头螺栓1和螺帽5的间接连接方式出于零件标准化以及安装便利的考虑，实际并不仅限于此，可以直接进行焊接等。

钕铁硼磁铁块11和14的材料本身具有脆而硬的特点，在安装时产生的冲击力作用下易碎，所以在钕铁硼磁铁块11和14外圈分别与钢外壳10和12内圈处填充有垫圈13，整个钢外壳10和12分别与钕铁硼磁铁块11和14紧密吸附，整个吸附脚形成一个紧密的整体。

钕铁硼磁铁块11和14具有很强的垂直吸力和侧向吸力，能够保证本发明振动激励器牢牢吸附固定在激振结构上，且不会发生垂直接触面方向和侧向的移动，其吸力由直接接触的横截面积决定，根据被激振结构的尺寸和需要的激振效果选用不同直径规格的钕铁硼磁铁块，需要的吸力越大则选用直径和厚度更大的钕铁硼磁铁块。

本发明振动激励器的安装根据使用环境分为以下两种情况：

(1)当被激振结构为铁磁性材料时，直接将本发明振动激励器19吸附固定在合适的激振位置，通过中间吸附脚7和两个侧翼吸附脚9与铁磁性材料结构20吸附固定，如图7(a)所示，振动激励器19紧密吸附在铁磁性材料结构20上。

(2)当被激振结构为非铁磁性材料时，在被激振的非铁磁性材料结构22上固定薄铁片21，再把本发明振动激励器19吸附固定在薄铁片21上，如图7(b)所示。

工作时，激振模块3中的激振力源16由于外加电压的变化，产生张力和拉力，由于它的一端通过传动杆17、中间吸附脚7与被激振结构固定，另一端通过支撑架6、沉头螺栓1、螺帽5、加长螺母8和侧翼吸附脚9固定在被激振结构的另外两点上，中间吸附脚7和侧翼吸附脚9上产生力偶，实现激振作用。

工作时，本发明整个装置的受力情况如图8所示，振动激励器19对铁磁性材料结构20的力±f2与铁磁性材料结构20对振动激励器19的力方向相反，构成动态平衡。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。