一种变质量动力离心机及实验方法技术

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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种变质量动力离心机及实验方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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Jz；由于离心机力矩Mz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Fr与Fτ，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，rs为实验件质心距主轴的距离。Lz＝Jzω＝[J0+2m1r2]ω(a)其中：Lz为离心机的动量矩，Jz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，Mz为离心机的力矩，α为离心机转动角加速度，Fr与Fτ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，rs为实验件质心距主轴的距离。本专利技术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，响应迅本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚红，鲁文超，郑宜生，罗亚军，谢石林，路广霖，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61