专利名称：单电机单向非周期振动产生方法及单向非周期振动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单向非周期振动产生方法，特别是一种利用单个电动机和传动系 统产生单向非周期振动的方法，本发明还涉及一种单向非周期振动装置。
背景技术：
压实机械是基础施工、水坝和港口建设、机场建设、矿山建设、林区建设等工程的 必备施工设备。有效的压实能显著改善填方、基础工程的承载能力和稳定性，减少或消除沉 陷带来的危害。自1862年世界上出现第一台自行式蒸汽式压路机以来，压路机已有一百多 年的发展历史。在这段时间里相继出现了静作用钢轮压路机、轮胎压路机、振动压路机、振 动平板夯、蛙式打夯机、快速冲击夯等压实机械。其中振动压实技术的出现是压实机械发展 过程中的革命。从此，压实效果的提高不再简单地依靠质量或静线压力的增大。随着减振 材料和振动压实理论的日趋完善，振动压路机在二十世纪六十年代迅速占领了世界压实机 械市场，机型也向大、中型发展。同时，在品种上出现了能适合于各种场合和施工要求的不 同系列、规格的产品，成为工程机械的重要组成部分。二十世纪三十年代德国最早利用振动压实土壤。随着电子和材料技术的发展，国 外压实技术主要发展方向为压实测量和控制系统的数字化，压实过程的自动控制，包括压 实工作参数(振动频率、振幅和压实速度)优化调整，同时，压实过程可以实现远距离调控。 我国是世界上最先制造和使用压实机械的国家。早在一千多年以前，我国已普遍制造和使 用了以人力或畜力为动力的石破、峨和夯。但由于我国基础工业落后，我国压实机械的发展 与国外仍然有一定差距。早期的技术都是由国外引进和仿制，近年来，自主研发了一些新技 术，逐步应用于压实机械，取得了比较好的效果。传统的振动压实机械的原理是利用固定在某物体上的振动器所产生的高频振动 传给被压材料，使其发生振动，颗粒间的摩擦力被减弱，小的颗粒充填到大颗粒的孔隙中， 材料处于容积尽量小的状态，压实度增加。振动压实机理可以从以下两个方面解释1、共振理论如果被压实土的固有频率 和激振机构振动频率相一致，则振动压实能得到最好的效果。2、内摩擦理论土的内摩擦因 振动而急剧减少，使剪切强度下降到只要很小的负荷就很容易进行压实。为此，就需要土的 振动频率、振幅与压实轮的频率、振幅相同，能得到最好的压实效果。由于被压实土壤的组分不同，不同的成分如砾石、沙、土和灰粉之间的自振频率各 不相同，而且差别很大，传统的周期振动压实机械，能够产生的共振频率范围有限，无法使 各种成分充分共振。为了得到更好的振动压实效果，长安大学冯忠绪教授等提出了双频振 动压实方法，并进行了工程化设计[1]。双频双幅振动压实比传统单一频率振动压实具有更 好的效果，原因是获得了两个频率范围的振动信号，能够产生这两个频率附近的共振。利用 混沌信号具有宽频谱的特点，中国农业大学龙运佳教授提出基于三连杆机构的混沌振动产 生方法[2]，设计了相应的机械，并与徐州等地的厂家合作进行了工程化应用，获得了更好 的压实效果，实践已经表明具有更低的能耗[3]。混沌振动在更宽的频谱范围内产生振动能量，能够引起不同组分的共振，减小颗粒之间的摩擦力，得到更好的压实效果。但是，该方法 利用复杂的机械结构产生混沌振荡，机构庞大，设计不够灵活，参数也难以在线调整。参考文献[1]钟春彬，冯忠绪等，双频双幅合成振动压实方法，长安大学学报(自然科学 版)，2009，Vol. 29(3) 102-106[2]龙运佳，杨勇，王聪玲，基于混沌振动力学的压路机工程，中国工程科学，2000， Vol. 2(9) 76-79[3]龙运佳，混沌振动压路机的能耗效益分析，中国工程机械学报，2008， Vol. 6(1) 111-11
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单电机的单向非周期振动产生方法，该方法简 单，振动周期范围、幅值调整灵活，具有更好的性能。本发明的另一目的在于提供一种单向非周期振动装置。本发明所采取的技术方案是，单电机单向非周期振动产生方法，具体按照以下方 法进行，1)选取电动机及控制器采用永磁同步电动机或异步电动机，采用适当的控制方法使电动机转速为非周期
信号；2)设计传动部分该传动部分包括一个主动锥齿轮、两个从动锥齿轮、两个主动皮带轮、四个从动皮 带轮和一个离合器，离合器的一端与电动机输出轴相连接，离合器的另一端与主动锥齿轮 相连，主动锥齿轮与两个从动锥齿轮相啮合，设置两个从动锥齿轮使电动机输出轴的转动 变成两个方向相反、速度相同的同轴线转动，两个主动皮带轮分别与两个从动锥齿轮同轴 设置，每个主动皮带轮分别带动前后两个从动皮带轮，两个主动皮带轮将获得的两个方向 相反、速度相同的同轴线转动分别传递给前后两组共四个从动皮带轮，获得两组从动皮带 轮的反向转动；3)设计对称的四个偏心轮和与被压实材料相接触的底座分别设置与两组从动皮带轮同轴相连的两组共四个偏心轮，两组从动皮带轮将获 得的反向等速转动传给偏心轮，实现两组偏心轮的反向等速转动，将上述的电动机及控制 器、传动部分以及偏心轮通过支架支撑、连接固定在底座上，使四个偏心轮在底座上左右、 前后对称布置。本发明所采取的另一技术方案是，一种单向非周期振动装置，包括与被压实面直 接作用的底座，底座上通过支架支撑固定有偏心轮、传动部分、电动机，传动部分由一个主 动锥齿轮、两个从动锥齿轮、两个主动皮带轮、四个从动皮带轮和一个离合器组成，主动锥齿轮通过离合器与电动机的输出轴相连接，从动锥齿轮a和从动锥齿轮b 相对布置并分别与主动锥齿轮相啮合，将电动机输出轴的转动变成两个方向相反、速度相 同的同轴线转动，从动锥齿轮a和从动锥齿轮b分别同轴设置有主动皮带轮a和主动皮带 轮b，主动皮带轮a通过皮带连接从动皮带轮a或从动皮带轮d，相应地选择主动皮带轮b
4通过皮带连接从动皮带轮b或从动皮带轮c，从动皮带轮a和从动皮带轮b同轴连接有偏心 轮a、偏心轮b，从动皮带轮c和从动皮带轮d同轴连接有偏心轮c和偏心轮d，并且四个偏 心轮和四个从动皮带轮前后、左右对称布置，四个同样的偏心轮和四个同样的皮带轮两两 同轴，两轴固定于底座上，偏心轮、皮带轮、轴和轴支座前后、左右对称布置。本发明的方法及装置以单个电动机作为动力源，噪声小；以双轴四偏心轮做转子， 产生单向振动，具有很好的对称性，各个轴的应力分配合理，配重简单，工作更平稳；产生可 调非周期振动，频谱宽，能够产生更好的物料共振，压实效率更高。
图1是传统的振动压实机械原理示意图；图2是本发明装置一种实施例的结构示意图，其中a是立体图，b是俯视图；图3是本发明装置的机壳示意图；图4是本发明装置中两偏心轮受力分析图；图5是本发明装置中永磁同步电动机驱动控制系统结构示意框图；图6是永磁同步电动机驱动系统速度波形图，其中，a为转速的时域图，b为转速的 频谱图；图7是本发明方法产生的单向非周期振动力的波形图。图中，1.振动器，2.被压材料，3.电动机，4.离合器，5.主动锥齿轮，6.从动锥齿 轮a，7.从动锥齿轮b，8.底座，9.支架，10.主动皮带轮a，11.主动皮带轮b，12.从动皮带 轮a，13.从动皮带轮b，14.从动皮带轮c，15.从动皮带轮d，16.偏心轮a，17.偏心轮b， 18.偏心轮c，19.偏心轮d，20.逆变器，21.控制器，22.三相全桥逆变器，23.调压器，24.三 相工频电源，25.外壳。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。传统的振动压实机械原理如图1所示，是利用固定在某物体上的振动器所产生的 高频振动传给被压材料，使其发生振动，小的颗粒充填到大颗粒的孔隙中，压实度增加。本发明方法是采用单电动机和传动系统实现单向非周期振动，具体方式为1)选取电动机及控制器采用永磁同步电动机或异步电动机，采用适当的控制方法，使电动机转速为非周 期信号；可以采用直接延迟反馈控制方法使电动机转速出现非周期运动，直接延迟反馈控 制方法可以采用在发明名称为《基于直接延迟反馈的混沌产生方法》的专利文本中(专利 号 ZL200610042885. 7，公开号 CN1885216,
公开日
2006. 12. 27)公开的技术。2)设计传动部分该传动部分包括一个主动锥齿轮、两个从动锥齿轮、两个主动皮带轮、四个从动皮 带轮和一个离合器，离合器的一端与电动机输出轴相连接，离合器的另一端与主动锥齿轮 相连，主动锥齿轮与两个从动锥齿轮相啮合，设置两个从动锥齿轮使电动机输出轴的转动 变成两个方向相反、速度相同的同轴线转动，两个主动皮带轮分别与两个从动锥齿轮同轴设置，每个主动皮带轮分别带动前后两个从动皮带轮，两个主动皮带轮将获得的两个方向 相反、速度相同的同轴线转动分别传递给前后两组(四个)从动皮带轮，获得两组从动皮带 轮的反向转动；3)设计对称的四个偏心轮和与被压实材料相接触的底座设置分别与每一个从动皮带轮同轴的偏心轮，两组从动皮带轮将获得的反向等速 转动传给偏心轮，实现两组偏心轮的反向等速转动，将上述的电动机及控制器、传动部分以 及偏心轮通过支架支撑、连接固定在底座上，使四个偏心轮在底座上左右、前后对称布置。 设置外壳固定在底板上，外壳的作用有两个一是将装置的转动机构与外界隔开，提高装置 的操作安全性；二是通过外壳对装置进行牵引，方便移动和转场。根据上述方法，本发明提出了一种单向非周期振动装置的实施例，其结构如图2a、 b所示。包括与被压实面直接作用的底座8，底座8将和被压实面直接作用，是压实机械的 工作面，可以采用方形，要求底面为圆角，方便水平移动。底座8上通过支架9支撑固定有 偏心轮、传动部分、电动机及控制器，传动部分由一个主动锥齿轮、两个从动锥齿轮、两个主 动皮带轮、四个从动皮带轮和一个离合器组成。支架9通过焊接固定在底座8上，6个垂直 支架用来支撑四个偏心轮，和四个从动皮带轮。设计四个从动皮带轮可以方便实现配重和 改变输出转动方向。一个两层的“吕”型框式(也可为封闭箱式)支架用来支撑电动机、离 合器和主动锥形齿轮。另外两个竖直支架和“吕”型框式支架一起用以支撑主动皮带轮和 从动锥形齿轮。传动部分的结构主动锥齿轮5通过离合器4与电动机3的输出轴相连接，从动锥 齿轮a6和从动锥齿轮b7相对布置并分别与主动锥齿轮5相啮合，将电动机输出轴的转动 变成两个方向相反、速度相同的同轴线转动，从动锥齿轮a6和从动锥齿轮b7分别同轴设置 有主动皮带轮alO和主动皮带轮bll，根据要求的偏心轮转向，选择主动皮带轮alO通过皮 带连接从动皮带轮al2或从动皮带轮dl5，相应地选择主动皮带轮bll通过皮带连接从动皮 带轮bl3或从动皮带轮cl4，从动皮带轮al2和从动皮带轮bl3同轴连接有偏心轮al6、偏 心轮bl7，从动皮带轮cl4和从动皮带轮dl5同轴连接有偏心轮cl8和偏心轮dl9，并且四 个偏心轮和四个从动皮带轮前后、左右对称布置。四个同样的偏心轮和四个同样的皮带轮 两两同轴，两轴固定于底座上，由于偏心轮、皮带轮、轴和轴支座对称布置，使得这部分的重 心位于通过底座几何中心的底座垂直线上。外壳25如图3所示，通过螺丝固定在底板上。 外壳25将装置内部的运动与外界隔离开来，同时，外壳25上设置方便牵引的借口，用来对 装置进行移动和转场。电动机3可以采用永磁同步电动机或异步电动机，可以采用直接延迟反馈控制方 法，使电动机转速出现非周期运动。这种运动通过传动机构带动偏心轮实现两组偏心轮的 相向等速转动。以下以本发明装置中的结构做受力分析来验证本发明的效果。如图4所示，两个偏心轮的相向等速转动可以按照图中两个偏心轮ewl和ew2来 分析，偏心轮转动时将产生偏心力，偏心力的大小可以用如下公式描述Fewl = Merco12Few2 = Mer 22其中Fewi，i = 1，2为偏心轮转动时的离心力，Me为偏心质量(所有偏心轮相同)，r为偏心距(所有偏心轮相同)，i = 1，2表示偏心轮角速度。可见两偏心轮χ方向合 力为Fex = Fewlx+Few2x = FewlCos θ rFew2cos θ 2y方向合力为FEy = Fewly+Few2y = FewlSin θ !+Few2Sin θ 2由此可见如果初始时刻，两偏心轮质心与轴心连线与水平方向垂直，并且转速方 向相反，大小相等，那么任意时刻有ω2 = CO1, O1 = e2，FSx = 0。而y方向的合力为 F^y =IMM =2Μβνω^ ηωλ ，因而只有单方向的振动。如果是四个偏心轮，两两分析 与上述情况类似，水平方向合力仍然为零，而竖直方向合力为& 二 AMjiy12SiniV，振动仍 为单向(沿y方向)的。可见，这种相向等速转动的结果是使得偏心轮离心力分解成的水 平分量为零，即无水平方向振动，而竖直分量为单个偏心轮离心力的竖直分量的4倍。从而 产生了单向振动。如果电动机恒速转动，即ω =NbCO1，其中ω为恒定的电动机转速，(O1 为偏心轮转速，Nb为传动机构变比，那么，上述机构产生了单向周期振动。如果电机转速按照下一步中方法产生的转速ω为非周期的，这时Fsy = 4Mer(ω/ Nb)2Sin(cot/Nb)也为非周期的。这样就产生了单向非周期振动。电动机3可以采用永磁同步电动机(此处其它类型电机也可，如异步电动机)及 其驱动控制器，使电动机的转速非周期变化。永磁同步电动机驱动控制系统结构框图如图5 所示，其中包括永磁同步电动机3、逆变器20和控制器21三个部分。永磁同步电动机型号 为ΙΤΤ606，带有2500线/转光电码盘作为速度和位置反馈装置。逆变器20包括调压器23 和三相全桥逆变器22 (包含驱动电路)。控制器21为数字控制器TMS320F2407，控制器21 完成如下功能通过两路A/D检测电机两相电流，通过PARK变换得到旋转坐标系反馈量，再 通过CLARK变换得到等效直轴和交轴电流反馈量，将两个电流的反馈量分别经过^和％ 时间的延时后，与原反馈信号分别相减，乘以各自的比例系数Kd和Kq得到直轴和交轴电流 控制量，该控制量通过逆PARK变换和空间矢量控制器(SVPWM)给出逆变器6个开关管所需 的控制脉冲，驱动逆变器给永磁同步电动机供电，适当调节四个参数&，、Td, %可以使 电动机的转速出现非周期运动。例如当参数Kd = 15,Kq = 15, Td = 0.28, Tq = 0. 49时， 得到电机转速的波形如图5所示，其中a为转速的时域图，b为转速的频谱图，可见该转速 中含有无穷多个周期分量，实际上为非周期信号。可以通过调节控制参数Kd,!^ τΛ，％使 得电动机出现不同频率和幅值范围的非周期运动，满足物料共振频率和幅值范围要求。进一步分析被压实物料的受力可知，被压实物料受力为Fc = Mmg+4Mer (ω /Nb) 2sin (ω t/Nb)其中Mm为压实装置总重，g为重力加速度。采用图6中的转速通过图2中的传动机构，得到压实力的波形如图7所示(其中 Mm = 450kg，Mer = 4kg*m)。由图7可见，单向振动的力为非周期信号。可以调节控制器参 数，和减速机构变比，使得偏心轮速度幅值，保持在要求的范围内，从而控制非周期振动力 的大小。而速度的频谱范围仍然很宽，为非周期信号。除此之外，如果减速比Nb和偏心距设置合理，在离合器将主动锥形齿轮与电动 机脱开后，在无外力作用情况下，自动保证偏心块质心与转动轴轴心的连线与地面垂直，满 足上述分析的初始状态。
权利要求
单电机单向非周期振动产生方法，其特征在于，具体按照以下方法进行，1)选取电动机及控制器采用永磁同步电动机或异步电动机，采用适当的控制方法使电动机转速为非周期信号；2)设计传动部分该传动部分包括一个主动锥齿轮、两个从动锥齿轮、两个主动皮带轮、四个从动皮带轮和一个离合器，离合器的一端与电动机输出轴相连接，离合器的另一端与主动锥齿轮相连，主动锥齿轮与两个从动锥齿轮相啮合，设置两个从动锥齿轮使电动机输出轴的转动变成两个方向相反、速度相同的同轴线转动，两个主动皮带轮分别与两个从动锥齿轮同轴设置，每个主动皮带轮分别带动前后两个从动皮带轮，两个主动皮带轮将获得的两个方向相反、速度相同的同轴线转动分别传递给前后两组共四个从动皮带轮，获得两组从动皮带轮的反向转动；3)设计对称的四个偏心轮和与被压实材料相接触的底座分别设置与两组从动皮带轮同轴相连的两组共四个偏心轮，两组从动皮带轮将获得的反向等速转动传给偏心轮，实现两组偏心轮的反向等速转动，将上述的电动机及控制器、传动部分以及偏心轮通过支架支撑、连接固定在底座上，使四个偏心轮在底座上左右、前后对称布置。
2.按照权利要求1所述的单电机单向非周期振动产生方法，其特征在于，所述的使电 动机转速为非周期运动的控制方法采用直接延迟反馈控制方法。
3.一种单向非周期振动装置，其特征在于，包括与被压实面直接作用的底座(8)，底座 (8)上通过支架(9)支撑固定有偏心轮、传动部分、电动机，所述的传动部分由一个主动锥 齿轮、两个从动锥齿轮、两个主动皮带轮、四个从动皮带轮和一个离合器组成，主动锥齿轮(5)通过离合器(4)与电动机(3)的输出轴相连接，从动锥齿轮a(6)和 从动锥齿轮b(7)相对布置并分别与主动锥齿轮(5)相啮合，将电动机输出轴的转动变成两 个方向相反、速度相同的同轴线转动，从动锥齿轮a(6)和从动锥齿轮b(7)分别同轴设置有 主动皮带轮a (10)和主动皮带轮b (11)，主动皮带轮a (10)通过皮带连接从动皮带轮a (12) 或从动皮带轮d(15)，相应地选择主动皮带轮b(ll)通过皮带连接从动皮带轮b (13)或从 动皮带轮c (14)，从动皮带轮a (12)和从动皮带轮b (13)同轴连接有偏心轮a (16)、偏心轮 b (17)，从动皮带轮c (14)和从动皮带轮d (15)同轴连接有偏心轮c (18)和偏心轮d (19)，并 且四个偏心轮和四个从动皮带轮前后、左右对称布置，四个同样的偏心轮和四个同样的皮 带轮两两同轴，两轴固定于底座上，偏心轮、皮带轮、轴和轴支座前后、左右对称布置。
4.按照权利要求3所述的单向非周期振动装置，其特征在于，所述的电动机(3)采用永 磁同步电动机或异步电动机，采用直接延迟反馈控制方法，并且使电动机转速为非周期运 动状态。
全文摘要
本发明的单电机单向非周期振动产生方法，选取电动机及控制器，采用直接延迟反馈控制方法，使电动机转速出现非周期运动；设计传动部分及对称的四个偏心轮和与被压实材料相接触的底座，实现四个偏心轮以相同的非周期转速反向转动。本发明的单向非周期振动装置，包括底座上通过支架支撑固定有偏心轮、传动部分、电动机，传动部分由一个主动锥齿轮、两个从动锥齿轮、两个主动皮带轮、四个从动皮带轮和一个离合器组成，实现两组偏心轮的反向等速转动。本发明的方法及装置以单个电动机作为动力源，以双轴四偏心轮做转子，产生单向非周期振动，振幅可调，频谱宽且可调，能够产生更好的物料共振，压实效率更高。
文档编号H02K7/116GK101997357SQ201010554850
公开日2011年3月30日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者任海鹏 申请人:西安理工大学