Устройство и принцип действия электродинамического вибратора.

Виброиспытательные системы, действие которых основано на использовании рассмотренных методов испытаний, представляют собой сложные комплексы, включающие подсистемы задания, воспроизведения, управления и измерения, анализа и регистрации параметров вибрации. Основным звеном испытательных систем является вибровозбудитель (вибратор) – исполнительный элемент, предназначенный для воспроизведения заданных колебаний. В зависимости от принципа действия вибровозбудитель в системе используют различные способы задания испытательного режима. Самое широкое распространение получили электродинамические, электрогидравлические и механические вибраторы. Первые два типа вибраторов применяют в вибрационных системах, реализующих все современные методы испытаний. В этом случае в качестве задающего устройства используют генераторы электрических сигналов.

Электродинамические вибровозбудители позволяют создавать колебания более высокочастотные (5 - 10000 Гц), чем элекгрогидравлические (0 - 1000 Гц). Механические вибраторы применяют в системах, предназначенных для испытания методом фиксированных частот.

Электродинамические вибровозбудители

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует электродинамическая сила

где В – магнитная индукция; l – общая длина проводника; i(t) – сила тока.

Присоединение проводника к упругой механической системе позволяет воспроизводить вибрацию различной частоты. Электродинамические вибровозбудигели широко применяют для вибрационных испытаний различных видов. С их помощью испытывают образцы материалов, деталей, узлов машин и приборов, производят натурные испытания агрегатов, машин, транспортных средств, а также исследуют свойства сыпучих сред, поведение биологических объектов. В радиоэлектронике и акустике электродинамические вибровозбудители применяют для возбуждения колебаний звукового диапазона.

Сравнительно редко электродинамические вибровозбудители используют для выполнения технологических операций.

Основными частями электродинамического вибровозбудителя являются магнитная система; подвижная система; упругие элементы; система питания, управления и контроля. В зависимости от назначения вибровозбудителя, его мощности, частотного диапазона вибрации и других факторов в его конструкцию могут быть включены система охлаждения, устройства для изменения направления вибрации, усилительные и согласующие системы. Рассмотрим основные части вибровозбудителя (рис. 23., а). Магнитная система представляет собой постоянный магнит или электромагнит 1 с обмоткой возбуждения (подмагничивания) 5. В мощных вибровозбудителях обычно применяют электромагниты; при этом сила тока в обмотке возбуждения в случае необходимости может быть регулируемой. Обмотку возбуждения выполня-ют без охлаждения, а также с воздушным или жидкостным охлаждением. Наиболее выгодными по магнитным и технологическим свойствам являются электромагниты цилиндрической формы; при этом рабочий воздушный зазор магнитопровода имеет кольцевую форму. Подвижная система состоит из подвижной обмотки 2, каркаса обмотки, соединительных час-тей и стола 3, платформы, стержня или другого устройства, служащего для передачи движения от вибровозбудителя на объект испытаний. При проектировании возбудителя особое внимание должно быть обращено на увеличение жесткости подвижной системы в направлении передачи вибрации. Подвижную обмотку, так же как и обмотку возбуждения, часто выполняют с воздушным или жидкостным охлаждением. Упругие элементы 4 необходимы для возвращения подвижной системы в положение равновесия, определяемое симметричным расположением подвижной обмотки в рабочем зазоре магнитопровода. При закреплении изделий на столе вибровозбудителя применяют дополнительные устройства для компенсации прогиба от силы тяжести. Упругие элементы выполняют в виде плоских пружин, мембран, пневматических элементов или специальных компенсационных обмоток, расположенных в магнитном поле.

Система питания, управления и контроля обеспечивает поддержание и регулировку основных параметров, определяющих воспроизводимую вибрацию; в простейших случаях – это изменение частоты и амплитуды переменного тока в подвижной катушке; в более сложных случаях – обеспечение возбуждения вибрации по заданной программе. Для питания вибровозбудителей малой мощности применяют генераторы электрических колебаний звукового диапазона частот, непосредственно управляющие током в подвижной обмотке. Во многих случаях необходимо дополнительно применять усилители мощности и согласующие трансформаторы, включенные между усилителем и вибровозбудителем. На рис. 24. представлена структурная схема установки с электродинамическим вибровозбудителем в случае применения замкнутой системы управления возбудителем.

Диапазоны параметров воспроизводимой вибрации различаются большой широтой. Основными показателями вибровозбудителя являются частотный диапазон и амплитуда вынуждающей силы при гармонической вибрации. Наиболее характерный частотный диапазон для электродинамических вибровозбудителей средней мощности 5 – 3000 Гц. В отдельных конструкциях предусмотрено проведение испытаний на частотах до 15 000 – 30 000 Гц. Специальные усилительные устройства позволяют использовать вибровозбудители на частотах ниже 1 Гц.

В этом случае подвеску подвижной системы выполняют в виде аэродинамической опоры с роликовыми направляющими. Однако введение направляющих приводит к снижению верхнего диапазона рабочих частот вибровозбудителя. При присоединении вибровозбудителя к изделию, представляющему собой упругую механическую систему, диапазон частот вибровозбудителя определяется также динамическими свойствами этой системы. Амплитуда силы, создаваемой при гармоническом возбуждении, может широко изменяться в зависимости от мощности и конструкции вибровозбудителя. Существуют малые вибровозбудители (амплитуда вынуждающей силы менее 0,1 кгс) и отдельные конструкции, в которых амплитуда вынуждающей силы достигает 5-104 кгс. Электродинамические вибровозбудители позволяют воспроизводить случайную вибрацию и вести вибрационные испытания по заданной программе. К недостаткам электродинамических вибровозбудителей следует отнести относительную сложность конструкции (для мощных вибровозбудителей), чувствительность к тяжелым условиям

эксплуатации (вредное воздействие внешней среды), наличие в некоторых конструкциях значительных магнитных полей рассеяния. Некоторые принципиальные схемы вибровозбудителей, отличающиеся расположением и формой магнитной системы, числом подвижных катушек, расположением упругих элементов, представлены на рис. 23.

Схема, показанная на рис. 23,а широко распространена и является одной из наиболее простых схем для разработки конструкций вибровозбудителей. К достоинствам этой схемы следует отнести большую жесткость подвижной системы в осевом направлении. Это позволяет воспроизводить заданную вибрацию в широком диапазоне частот.

Монтаж и эксплуатация возбудителя являются относительно простыми. Однако при этой схеме трудно создать хорошую направленность колебаний в осевом направлении. Применяют два ряда подвесок (на схеме не показаны), но из-за малой длины подвижной системы поперечная вибрация трудно устранима. Особенностью схемы являются большие магнитные поля рассеяния вблизи рабочего стола вибровозбудителя. В современных конструкциях применяют специальные компенсационные катушки и экраны, резко уменьшающие поля рассеяния. Схема на рис. 23, б представляет собой сдвоенную предыдущую систему. В ней вибровозбудитсль имеет два рабочих зазора в магнитопроводе и две подвижные обмотки. При этом направленность вибрации можно улучшить, так как ряды подвесок разнесены далеко. Испытания на высоких частотах затруднены из-за малой жесткости подвижной системы в осевом направлении.

В схеме на рис. 23, в стол возбудителя и подвижная катушка расположены вблизи противоположных торцов магнитопровода. При этом магнитные поля рассеяния вблизи стола практически отсутствуют, что является основным достоинством рассматриваемой схемы. Остальные особенности соответствуют схеме на рис. 23, б. Схема на рис. 23, г позволяет получить более жесткую подвижную систему и хорошую направленность вибрации. Схема на рис.23, д. имеет более совершенную магнитную систему. В ней применены две одинаковые обмотки возбуждения, выполненные гак, что магнитодвижущие силы двух обмоток равны и направлены навстречу друг другу. При этом магнитные потоки обмоток в рабочем зазоре складываются и оказывают совместное действие на подвижную обмотку. Поток рассеяния" будет почти в 2 раза меньше, чем в схеме на рис. 23, б. Это приводит к уменьшению массы подвижной обмотки при заданных размерах и магнитной индукции в зазоре.

Поля рассеяния магнитного потока практически отсутствуют. Существенным недостатком схемы является сложность конструкции (необходимы пазы в магнитопроводе для прохождения подвижной системы) и недостаточная жесткость подвижной системы в осевом направлении. Применяют также схемы, в которых подвижная катушка представляет собой короткозамкнутый виток, трансформаторно связанный с неподвижной обмоткой переменного тока. Общие потери в схемах

с короткозамкнутым витком значительно выше. Резкое проявление поверхностного эффекта и связанный с ним перегрев ограничивают применение этих схем при высоких частотах.

Дата добавления: 2015-11-16