電磁振動夯實機的設計研究

王虎

摘要：根據電磁振動及夯實原理研制了一種新型電磁振動夯實機。介紹了電磁振動夯實的機械結構和原理，以及電磁夯實機供電電源的設計方法。電磁夯實機以電磁力做功獲得夯實效果，通過運動機構在垂直方向上對地面進行沖擊和振動實現夯實。壓實試驗表明，該機在振動頻率為30Hz時，經過4遍壓實后的壓實度可達到88.67%，獲得了較好的壓實效果，具有一定的推廣價值。

關鍵詞：壓實平板夯電磁振動

1.電磁振動夯實的機械結構和原理

電磁振動夯實機是基于振實和夯實壓實理論設計制造的，它的運動機構既能在垂直方向對地面進行沖擊和振實作業，又能在水平方向產生自移運動。

電磁振動夯實機采用電磁式激振器，由鐵心、電磁線圈、銜鐵盒彈簧等組成。

電磁式激振器的電磁振力是周期變化的，靜態實驗測量的結果表明：電磁力F與氣隙δ的平方成反比，與電流的平方近似成正比，因此采用調節供電電流的方式來改變航實力的大小。根據大部分壓實材料對最佳工作頻率和振幅的要求，選用矩形波（方波的下半部分過零）、頻率在15-80Hz范圍可調的勵振方式對電磁夯實機進行供電與控制。頻率的變化采用單片機控制主開關驅動電路，使開關元件定期觸發，以達到變頻和改變脈寬的目的。電磁振動夯實機的機械結構底板中心部位上方設置電磁裝置，該電磁由底板上的振鐵、“II”字形導磁鐵心及繞制在該導磁鐵心兩立柱上的串聯線圈組成，振鐵與底板采用焊接的方式連接為一個整體。電磁裝置的上部設置有頂板，而外周四角設置有4個圓柱彈簧，彈簧套在連接頂板與底板的導向桿上，套筒與套筒座焊接，而套筒座焊接在底板上，導向桿可以沿套筒在垂直方向上移動一定的距離。彈簧套在套筒外，并直立于套筒座上，這樣導向桿、套筒及彈簧就能實現夯實機在垂直方向上的運動。“II”字形鐵心的上部兩側以槽鋼萬頭夾持并連接于蓋板上，平面底板上設置有與底板相連的振鐵，在安裝時要保證鐵心和振鐵之間有合理的間隙。為了使夯實機能夠自行，夯實機的底板做成向前2.5°傾角的坡度，夯實機可在電磁力水平分力的作用下實現自動向前行走。

2.電磁振動夯實機的電源設計

根據電磁振動夯實機的工作參數設計了一種專用的逆變電源，參照弧焊變壓器大電流、低電壓的模式，設定工作電壓為80V，輸入為220V工頻交流電，輸出為大功率、大電流、低電壓，頻率、脈寬可調的方波電源（方波的下半部過零）。

逆變電源電路主要包括主回路和控制回路兩大部分。主回路主要包括前級逆變單元、高頻儲能式變壓器、后級逆變單元、整流濾波單元；控制回路主要包括單片機控制芯片、主開關元件的驅動電路、脈寬調制電路（PWM）、電流的反饋電路及相關的保護電路等。前級逆變單元工作在高頻，與高頻變壓器配合工作可實現在輸出功率的情況下大大減小電源的體積；后級逆變單元由單片機控制主開關的驅動電路實現對輸出波形的頻率和脈寬的控制。

根據對輸出電流的穩定性要求，對電流進行負反饋控制，可以使輸出電流值與電流給定值趨于一致，從而實現恒流輸出特性。再根據需要輸出的脈沖參數，在適當時間切換電流給定值基值電流和峰值電流，就可以獲得穩定的脈沖方波電流。

3.夯實機性能參數測試

根據以上設計的機械部分和電源，對新型電磁振動夯實機進行樣機試制，并參照行業標準JG/5013.3-1992《振動平板夯性能試驗方法》、JG/5014.3-1992《振動沖擊夯性能試驗方法》和國家標準GB/T 18148-2000《壓實機械壓實性能試驗方法》對樣機進行性能參數測試，夯實機的性能參數見表1.

為了測試電磁振動夯實機的壓實效果，參照標準JG/5013.3-1992和GB/T 18148-2000進行壓實度試驗，用環刀法對壓實土壤表層進行采樣。在實驗條件下振動頻率為30Hz時，經過4遍壓實后的土壤壓實度可達到88.67%，能夠滿足用戶對路基、建筑物基礎等進行壓實的要求。

該夯實機克服了現有以柴油機、電動機為動力裝置而導致夯實機易出故障，工作壽命短、重量大的不足之處，將動力裝置改進為包括：“II”字形導磁鐵心、以及繞制在該導磁鐵心兩立柱上的并列線圈匝組成的電磁裝置，且該電磁裝置受控于主要以單片機控制可控硅變頻的電回路。電磁裝置的導磁鐵心在受控電回路的作用下，與平面底板產生有頻率的相吸與相脫而達到夯實目的。本實用新型可以調節夯實振動的頻率、振幅、沖擊力，故適應不同工況的施工，特別適用于公路、橋梁路基混凝土壓實及路面的養護。具有主機能量利用率高、無污染、結構簡單、故障率低、噪音小、整機重量小、轉場快捷輕便等優點。該產品目前還處于試制階段，雖然取得了一定成果，但機械的穩定性、可靠性和使用壽命等方面的研究有待進一步深入，機械結構和供電電源也有待進一步優化。