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第2节 轴向力加载设计
轴向力加载选用的是DJ-20型非接触式电磁激振器，最大能提供1000N的力，最大激振力为200N，工作频率范围为20—800Hz，激振器与被激构件间隙：0.5±0.01(mm)。它由激励线圈、铁芯、测力线圈、拾振器、支座五部分构成。与与电动式激振器、电液式激振器比较有以下特征：
(1)与被激物体间为非接触式，可用于研究旋转或平面运动的结构动态特性。
(2)单位力体积比电动式小，激振力比电动式大，没有附加质量的影响。 (3)频率范围比电液式激振器宽，工作频率为20-2000Hz，能满足一般大、中、小型机床试验之用。
(4)装有电容式拾振器，能进行非接触式的振动位移量测量。
直流电源 扼流线圈 信号发生器 交流功放 激振器 被激频 率 计 测力线圈 DJ型激振器测力表 物体 电容传感器 电容微调器 电容测微仪 记录仪 图3-4 电磁激振器工作原理图
其工作原理图如图3-4所示。激励线圈包括直流偏磁绕组和交流励磁绕组两部分，直流偏磁绕组产生一个预置偏磁力，交流励磁绕组产生交变激振力，实现动态加载。当激振铁芯中产生交变磁通时，测力线圈中产生感应电势，把该电势进行积分，得到积分电压，而力与积分电压成正比。经过适当标定，找出力与积分电压的比例关系，就能把积分电压值转换成力的量值。拾振器能拾取被激振系统的相对振动位移量。
交流励磁绕组可以通过编写相应程序，输入任意波形，实现对电主轴轴向力的动态加载。该激振器的加载面是一个120mm?90mm矩形平面，所以设计的导磁体圆盘部分直径设计为200mm，满足加载要求。由于电磁吸力随气隙的增大会急剧减小，所以安装时应保证激振面与导磁体的间隙为0.5±0.01(mm)。
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为了将非接触式激振器安装到加载力的位置，需要设计相应的支撑底座机构，而且支撑机构还要方便调节激振器的位置。设计的激振器加载部件如图3-5所示。
图3-5 激振器部件图
由于要保证激振器与导磁体的距离在0.5±0.01(mm)，所以支撑底座在受力状态下的变形量太大会影响激振器加力效果，所以对底座进行了仿真分析。底座采用HT250铸造，实际试验中底座受动态力，需要添加的轴向力最大为343.125N，故只需对底座在最大受力状态下的最大变形量即可。对底座在受343.125N拉力作用下的静力学分析的变形结果如3-6所示。从分析结果可以看出最大的变形为8.74μm，激振器允许的距离误差为10μm，所以可以看出底座的变形量不足以影响激振器的加载,况且底座的变形使激振器与导磁体之间的距离缩小，即气隙变小，漏磁更少，利于电磁力的加载。图3-7为底座的应力分析，从分析结果中可以看出底座受的最大拉应力为2.01Mpa，而HT250的抗拉强度为240Mpa，强度远远满足要求。
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图3-6 激振器底座变形图
图3-7 激振器底座应力分析图
第3节 径向力加载设计
电磁铁磁性的有无可以通过通断电流控制；磁性的大小可以用电流的强弱、线圈的匝数控制，也可以通过电流大小和方向来控制磁性大小和方向。电磁铁可以分为牵引电磁铁、框架电磁铁、磁保持式电磁铁、吸盘式电磁铁和管装式电磁铁。牵引式电磁铁的吸力较小只能达8~25Kg，管状式电磁铁即直动往返式电磁铁，动子往复运动，结构上不
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满足。磁保持式要求零气隙，不满足非接触式加载。吸盘式和框架式吸力能达到，但此时相应的结构尺寸也很大，且加载面和电磁激振器一样为平面，该实验的径向力加载，要求加载在轴上面，轴是一个曲面，气隙无法保证，故市场上现有的电磁铁很难满足实验要求。于是作者自行设计了一个最大吸力为1000N的?型直流电磁铁，其作用原理图4所示，它由铁芯、线圈、衔铁和两个气隙组成。平均磁路长度为lL，衔铁长度为la，铁芯截面面积为S，气隙为?，电流为I，线圈匝数为W，电磁力为F。由于磁路磁势大部分消耗在气隙里，所以气隙越小，在通相同电流的时候电磁吸力越大，故取气隙?为0.5mm。
图3-8 ?型电磁铁作用原理图
根据全电流定律知，如图4中磁路其磁化电流及励磁安匝数有如下关系式：
WI?2H???HLlL?Hala?2B???0?HLlL?Hal…………………………………………④
B?2SF?2?0……………………………….……….⑤ 麦克斯韦公式：
式中 H?、HL、Ha——分别为气隙中磁场强度、铁芯中磁场强度、衔铁中磁场强度；
B?、?0——分别为气隙中磁感应强度，真空导磁系数，其
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值为4??10亨/米。
直流电磁铁的磁路磁势绝大部分降落在气隙上，由于气隙为0. 5mm，可以忽略漏磁通，所以可以用气隙的磁势代替整个磁路的磁势进行设计，然后再进行力的标定，修正误差。则式④可以写成：
WI?2B???7?0………………………………………………………….⑥
2当设定最大磁力为1000N（每边吸力为F=500N），W为1000匝（每边500匝），U型铁芯的面积S=400mm（直径为22.6mm）时，可由⑤式求得：
2?0F2?4??10?7?5002 B?p===1.77W/m?4S400?102BP?2?1.77?5?10?4带入⑥式有I???1.41A
W?01000?4??10?7一般用于绕制电磁铁线圈的Q类漆包线1mm截面积可允许2.5安电流，所以选用直径为1mm，截面积为0.785mm的线能够承受1.41安的电流。设定框架长度为30mm，考虑到绕制线圈时线与线之间的间隙及带漆后1mm的线直径将变为1.07mm，另外防止击穿应乘以一个系
500?0.785?3=20mm30?2数（2~3），这里取3则单边线框宽度为。两铁芯
22间距离应该大于2倍线宽取66mm，高度取90mm。为了保证铁芯断面与
轴的气隙距离为0.5mm，将铁芯断面做成曲面，曲率半径与导磁体曲率半径相同。其结构如图5所示。
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