电磁振动夯实机的设计研究

王虎

摘要：根据电磁振动及夯实原理研制了一种新型电磁振动夯实机。介绍了电磁振动夯实的机械结构和原理，以及电磁夯实机供电电源的设计方法。电磁夯实机以电磁力做功获得夯实效果，通过运动机构在垂直方向上对地面进行冲击和振动实现夯实。压实试验表明，该机在振动频率为30Hz时，经过4遍压实后的压实度可达到88.67%，获得了较好的压实效果，具有一定的推广价值。

关键词：压实平板夯电磁振动

1.电磁振动夯实的机械结构和原理

电磁振动夯实机是基于振实和夯实压实理论设计制造的，它的运动机构既能在垂直方向对地面进行冲击和振实作业，又能在水平方向产生自移运动。

电磁振动夯实机采用电磁式激振器，由铁心、电磁线圈、衔铁盒弹簧等组成。

电磁式激振器的电磁振力是周期变化的，静态实验测量的结果表明：电磁力F与气隙δ的平方成反比，与电流的平方近似成正比，因此采用调节供电电流的方式来改变航实力的大小。根据大部分压实材料对最佳工作频率和振幅的要求，选用矩形波（方波的下半部分过零）、频率在15-80Hz范围可调的励振方式对电磁夯实机进行供电与控制。频率的变化采用单片机控制主开关驱动电路，使开关元件定期触发，以达到变频和改变脉宽的目的。电磁振动夯实机的机械结构底板中心部位上方设置电磁装置，该电磁由底板上的振铁、“II”字形导磁铁心及绕制在该导磁铁心两立柱上的串联线圈组成，振铁与底板采用焊接的方式连接为一个整体。电磁装置的上部设置有顶板，而外周四角设置有4个圆柱弹簧，弹簧套在连接顶板与底板的导向杆上，套筒与套筒座焊接，而套筒座焊接在底板上，导向杆可以沿套筒在垂直方向上移动一定的距离。弹簧套在套筒外，并直立于套筒座上，这样导向杆、套筒及弹簧就能实现夯实机在垂直方向上的运动。“II”字形铁心的上部两侧以槽钢万头夹持并连接于盖板上，平面底板上设置有与底板相连的振铁，在安装时要保证铁心和振铁之间有合理的间隙。为了使夯实机能够自行，夯实机的底板做成向前2.5°倾角的坡度，夯实机可在电磁力水平分力的作用下实现自动向前行走。

2.电磁振动夯实机的电源设计

根据电磁振动夯实机的工作参数设计了一种专用的逆变电源，参照弧焊变压器大电流、低电压的模式，设定工作电压为80V，输入为220V工频交流电，输出为大功率、大电流、低电压，频率、脉宽可调的方波电源（方波的下半部过零）。

逆变电源电路主要包括主回路和控制回路两大部分。主回路主要包括前级逆变单元、高频储能式变压器、后级逆变单元、整流滤波单元；控制回路主要包括单片机控制芯片、主开关元件的驱动电路、脉宽调制电路（PWM）、电流的反馈电路及相关的保护电路等。前级逆变单元工作在高频，与高频变压器配合工作可实现在输出功率的情况下大大减小电源的体积；后级逆变单元由单片机控制主开关的驱动电路实现对输出波形的频率和脉宽的控制。

根据对输出电流的稳定性要求，对电流进行负反馈控制，可以使输出电流值与电流给定值趋于一致，从而实现恒流输出特性。再根据需要输出的脉冲参数，在适当时间切换电流给定值基值电流和峰值电流，就可以获得稳定的脉冲方波电流。

3.夯实机性能参数测试

根据以上设计的机械部分和电源，对新型电磁振动夯实机进行样机试制，并参照行业标准JG/5013.3-1992《振动平板夯性能试验方法》、JG/5014.3-1992《振动冲击夯性能试验方法》和国家标准GB/T 18148-2000《压实机械压实性能试验方法》对样机进行性能参数测试，夯实机的性能参数见表1.

为了测试电磁振动夯实机的压实效果，参照标准JG/5013.3-1992和GB/T 18148-2000进行压实度试验，用环刀法对压实土壤表层进行采样。在实验条件下振动频率为30Hz时，经过4遍压实后的土壤压实度可达到88.67%，能够满足用户对路基、建筑物基础等进行压实的要求。

该夯实机克服了现有以柴油机、电动机为动力装置而导致夯实机易出故障，工作寿命短、重量大的不足之处，将动力装置改进为包括：“II”字形导磁铁心、以及绕制在该导磁铁心两立柱上的并列线圈匝组成的电磁装置，且该电磁装置受控于主要以单片机控制可控硅变频的电回路。电磁装置的导磁铁心在受控电回路的作用下，与平面底板产生有频率的相吸与相脱而达到夯实目的。本实用新型可以调节夯实振动的频率、振幅、冲击力，故适应不同工况的施工，特别适用于公路、桥梁路基混凝土压实及路面的养护。具有主机能量利用率高、无污染、结构简单、故障率低、噪音小、整机重量小、转场快捷轻便等优点。该产品目前还处于试制阶段，虽然取得了一定成果，但机械的稳定性、可靠性和使用寿命等方面的研究有待进一步深入，机械结构和供电电源也有待进一步优化。