CN102128234B - 一种基于压电作动的液力主动隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于压电作动的液力主动隔振器。包括主油缸、密封端盖、输入活塞、压电片、输出活塞；输入活塞和输出活塞位于主油缸内，两个活塞之间连接有中部牵引弹簧；密封端盖上开有防尘气孔，密封端盖安装在主油缸上、用来封闭整个工作行程空间；压电片布置在输出活塞上表面中央位置，调控液压油的脉动压力；输入活塞上有阻尼孔；输入活塞和输出活塞之间充满液压油，构成阻尼器的能量耗散结构。与传统的压电堆相比，本发明取消了杠杆机构，固体和液体直接耦合传递控制力和输入力。与管流脉动主动控制装置相比，本发明多设计了一个输出活塞，将液体力再次转化为固体力，控制目标和控制算法均不同。

Description

一种基于压电作动的液力主动隔振器

技术领域

本发明涉及的是一种振动主动控制装置。

背景技术

在振动控制工程领域中，振动主动控制得到了广泛的研究并在工程中应用。目前常用的作动器按作动原理分为：电磁式、电动式、磁流变液、电流变液、磁致伸缩、压电式等。其中，压电式作动器具有出力大、变形小的特点，为了获得较大的作动位移，压电作动器一般做成压电堆，并借助杠杆机构放大位移。基于固体与固体的接触传力作用设计的压电堆已经应用与悬臂梁结构的振动主动控制中，例如：杨智春，王巍，谷迎松，李斌等.一种弯曲型压电堆作动器的设计及在振动控制中的应用[J]，(振动与冲击，2009，28(9)：130-134)；压电作动器在主动控制中的应用规律与效果评估也得到了较为系统深入的研究，例如：胡芳，张志谊，华宏星等.振动控制中压电作动器非线性的补偿方法研究[J]，(振动与冲击，2010，29(11)：55-60)；基于压电效应的液力作动器的原理和设计方案与管路流体压力脉动的抑制问题有着密切的关系。管路流体压力脉动控制的方法有很多种。有人设计了流固耦合振动的结构共振液压脉动滤波器应用于泵源液压系统的振动噪声控制并取得了良好效果。例如：何志勇，何清华，李自光等泵源液压系统压力脉动抑制方法研究[J]，(起重运输机械，2010(10)：24-26)；为了解决单点消振时寻找最佳消振位置比较困难的问题，一种分布式流体脉动主动控制方法也被设计并应用于飞机液压能源管路的压力脉动引发的流固耦合问题的解决中，例如：欧阳平超，焦宗夏，刘红梅等分布式液压流体脉动主动控制方法[J]，(北京航空航天大学学报，2007，33(9)：1060-1063)，具体方法是采用多个主动消振阀和压力传感器进行分布式控制；在管路脉动压力的多种抑制方法中，除了基于伺服阀的控制系统，运用压电材料和压电效应来实施控制有着非常明显的优点。例如：李树立，焦宗夏液压流体脉动主动控制研究现状与展望[J]，(机床与液压，2006(9)：243-246)；费仁元，尹善贞.管道有源消声控制技术的发展与动向[J]，(北京工业大学学报，2003，29(3)：257-262)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现固液耦合振动主动控制的基于压电作动的液力主动隔振器。

本发明的目的是这样实现的：

包括主油缸、密封端盖、输入活塞、压电片、输出活塞；输入活塞和输出活塞位于主油缸内，两个活塞之间连接有中部牵引弹簧；密封端盖上开有防尘气孔，密封端盖安装在主油缸上、用来封闭整个工作行程空间；压电片布置在输出活塞上表面中央位置，调控液压油的脉动压力；输入活塞上有阻尼孔；输入活塞和输出活塞之间充满液压油，构成阻尼器的能量耗散结构。

本发明还可以包括：

1、主油缸内靠近密封端盖的部位以及靠近地脚的部位分别设置上止点凸块限位器与下止点凸块限位器。

2、还包括主动控制器，压电片的电极从主油缸壁引出，与电压主动控制器连接。

3、输出活塞的下方安装输出活塞传感器，用来拾取误差信号，将误差信号引出油缸与主动控制器相连。

4、输出活塞下部设置底部支撑弹簧，底部支撑弹簧下方与一安装定位盘固连。

运用压电材料控制管路脉动压力的方法分为两种实现方式：一种是本发明人曾将压电材料布置于待控管路段的外壁，压电材料接收控制信号之后变形产生的控制力直接作用于管壁，再由管壁的微小变形对液体施加与液体脉动频率相等、相位相反的控制力(率志君.充液管道压力脉动有源控制实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，2006)；为了提高作动力的效率，本发明提出了另外一种方式，将压电材料布置于管路内部的流场中，流固耦合，控制力和激励力均直接在流固两态的物质之间传递。本发明提出的形式与前一种形式相比，压电作动器的形变输出力由于接触面积的增大而增加，提高了控制效率。本发明将被隔振设备的振动转化为液体的脉动压力，采用压电陶瓷环片控制液体的脉动压力，使得被隔设备向基础传递的振动最小。与基于压电作动器的管路脉动主动控制装置相比，多设计了一个输出活塞，将液体力再次转化为固体力，其目标是控制输出活塞所受的脉动液压力，此外控制方法也不同。

本发明所设计的隔振器是通过油缸内的液压油受活塞压缩流经节流孔产生的摩擦阻尼效应来输出阻尼力，这样可以降低系统在共振频率附近的振动幅值。通过在输出活塞的上壁面布置压电片产生变形进而产生轴向主动脉动力，由于隔振器中的流体运动具有延迟性，使得主动脉动压力在油缸中传播至输入活塞下表面后，部分流体流过阻尼孔，另一部分推动输入活塞产生振动，而作用在输出活塞的脉动力会使输出活塞产生振动，与被隔设备传递到该活塞的振动相抵消，使输出活塞的位移为零，达到了隔振的目的。

为了使压电片产生预期的脉动力(即与传递到输出活塞的振动幅值频率相等而相位相反)，系统配置有主动控制器，系统控制的目标函数是输出活塞的振动最小，可以由加速度传感器来测量。

与传统的压电堆相比，本发明的优点主要体现在：取消了杠杆机构，固体和液体直接耦合传递控制力和输入力。与管流脉动主动控制装置相比，本发明具有鲜明的特点，体现在：多设计了一个输出活塞，将液体力再次转化为固体力，控制目标和控制算法均不同。

附图说明

附图是本发明的基本构成原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

作动器封装在一体式的油缸内。其中主油缸2起到支撑被隔振机器、连接机器与台架、容纳液压油和活塞构成的运动部分并且提供工作行程空间的作用。由于运动部件往复运动的时候受到主油缸内空气的阻碍，所以主油缸上端面开有防尘气孔14将内部空间与大气连通，以确保封闭油缸内部运动部件能够顺畅运动。主油缸内靠近密封端盖的部位以及靠近地脚9的部位分别设置上止点凸块限位器3、上止点凸块限位器6，凸块结构充当限位器限制运动部分的行程范围。

输入活塞1是由顶杆连接的活塞结构。主油缸内的一端为活塞，起到密封运动部件、传递液压推力的作用。输入活塞上布置若干阻尼孔13，起到节流和缓冲的作用，用来提供阻尼特性。顶杆用来传递力的作用。主油缸外的一端为安装端，与机器机脚固连。

输出活塞11位于主油缸下部，其中央位置固定安装橡胶压电片12，将压电片的电极从缸壁引出，与电压主动控制器5连接。电极引出点可以采用微型孔胶塞确保油缸的密封性。输出活塞11的下方安装输出活塞传感器10用来拾取误差信号。将误差通道引出油缸与主动控制器5相连。

输入活塞1和输出活塞11之间注入液压油或硅油，与活塞一并构成作动器的运动部分。两个活塞均设有数道活塞环用于密封液压油。由于输入活塞阻尼孔结构的存在，液压油的表面将高于输入活塞所在面，这一设计是为了提供一定的阻尼特性。两个活塞之间靠刚度较大的中部牵引弹簧4保持相对空间并传递控制力与输入力。

设置底部支撑弹簧7对输出活塞11进行支撑和弹性限位。限位弹簧7下方与一安装定位盘8固连，作动器控制后的力通过限位弹簧和定位盘传递至作动器下方的台架或者基础。

Claims (4)

1.一种基于压电作动的液力主动隔振器，包括主油缸、密封端盖、输入活塞、压电片、输出活塞；其特征是：输入活塞和输出活塞位于主油缸内，两个活塞之间连接有中部牵引弹簧；密封端盖上开有防尘气孔，密封端盖安装在主油缸上、用来封闭整个工作行程空间；压电片布置在输出活塞上表面中央位置，调控液压油的脉动压力；输入活塞上有阻尼孔；输入活塞和输出活塞之间充满液压油，构成隔振器的能量耗散结构；输出活塞下部设置底部支撑弹簧，底部支撑弹簧下方与一安装定位盘固连。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电作动的液力主动隔振器，其特征是：主油缸内靠近密封端盖的部位以及靠近地脚的部位分别设置上止点凸块限位器与下止点凸块限位器。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于压电作动的液力主动隔振器，其特征是：还包括电压主动控制器，压电片的电极从主油缸壁引出且与电压主动控制器连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于压电作动的液力主动隔振器，其特征是：输出活塞的下方安装输出活塞传感器，用来拾取误差信号，将误差信号引出主油缸与电压主动控制器相连。

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