Page 217 - 《振动工程学报》2026年第2期

第 2 期 张春光，等：双侧磁力驱动式双体振贯采样器设计与分析 533

产生磁力吸引衔铁并引发冲击运动。采样器整体结
构分为振动组 I 和Ⅱ 。其中，振动组 I 由防撞套、线
圈骨架、线圈、中心柱及机具 A 组成；振动组Ⅱ 由传
感器支架、上/下端盖、外壳、衔铁、上/下弹簧及机
具 B 组成。采样器整体结构如图 2 所示。

上端盖
线圈
内骨架
上衔铁
线圈
振 外壳 振
动 线圈 动
组 外骨架 下衔铁 组
Ⅰ Ⅱ
中心柱 下端盖

1624.5 Max
机具A 机具B 1444
1263.5

1083
图 2 采样器整体结构 902.49
721.99
Fig. 2 Overall structure of sampler 541.5
361
180.5
为了使线圈骨架有更好的导磁性能，材料选用 0 Min
电工软铁（DT4）；衔铁材料同样选用导磁性能较好
343.63 Max
的电工软铁（DT4）。防撞套等零件选用的材料是不 305.5
257.91
具备导磁性能的聚四氟乙烯。外壳、上下端盖、中 229.12
190.94
心柱及套筒选用不具备导磁性能且密度小的 7075 152.75
114.55
75.375
铝合金。采样器的总质量为 0.878 kg，振动组Ⅰ 和Ⅱ 38.107
−13
3.5518×10 Min
的质量分别为 0.446 和 0.432 kg。

图 3 支撑单元及板弹簧应力云图
2.2 支撑单元设计
Fig. 3 Stress nephogram of support unit and plate spring
如图 3 所示，双体振贯采样器支撑单元依靠两个 大，线圈选用 0.38 mm 直径铜线圈，线圈通电时，线
板弹簧柔性支撑。板弹簧的体积小，能够极大地减少 圈骨架会与衔铁相互吸引，形成冲击。
使用空间。板弹簧的径向刚度大，可以更好地限制振

动组Ⅰ 与Ⅱ 的径向相对位移。上下板弹簧通过上下端盖
固定在采样器外壳上，柔性支撑中心柱及其线圈骨架。
板 弹 簧 选 用 的 材 料是 A286 铁 基 沉 淀 硬 化 合
金。该合金弹性性能较好，并且能够在极端低温情
况下很好地保持其结构及特性。设计对比分析两种
板弹簧（涡旋线板弹簧、卍字板弹簧），通过有限元
软件进行仿真模拟。当中心处轴向位移为 1.5 mm
时，卍字板弹簧的应力集中较明显，且最大应力为
1624.5 MPa，超过了 A286 材料的屈服强度（590 MPa）， 图 4 驱动装置
而涡旋线板弹簧应力分布相对较分散，最大的应力 Fig. 4 Driving device

为 343.7 MPa，未超过其抗拉强度。两种板弹簧的应
运用 Maxwell 仿 真 软 件 对 其 进 行 仿 真 分 析 ， 如
力分布云图如图 3 所示。采样器选用涡旋线板弹簧，
图 5 所示，仿真模型选用二维旋转模型。设定软铁
厚度为 1.5 mm，上、下弹簧的刚度总和为 22.1 N/mm，
为 Iron，输入电工软铁（DT4）的 B-H 曲线，电磁线圈
涡旋线板弹簧的疲劳寿命为 605000 次。

的材料为 Cooper，输入理论匝数为 504 匝，电流分别
2.3 驱动单元设计 为 1、1.5 和 2 A。
有效电流激励为 2 A，气隙为 1.5 mm 时的磁力线
驱动单元如图 4 所示，衔铁通过压盖固定在外
壳上，衔铁与线圈骨架之间的气隙为 1.5 mm，即采样 （磁矢势 A 的等值线）与磁感应强度 B 如图 6 所示。
器的掘进振幅为 1.5 mm。线圈骨架与衔铁的接合处 电磁铁与衔铁之间的磁力线基本完全闭合，避免出
设计为梯形结构，以增大接触面积，提高衔铁与电磁 现漏磁现象，具有很高的电磁效率。电磁铁的磁感
铁的吸力，提高采样器的掘进力。为使电磁力足够 应强度 B 普遍在 1.2 T 附近，没有产生磁饱和。