CN102979851B - 基于曲面限位的晶片式压电液压减振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于曲面限位的晶片式压电液压减振器，属于减振器。缸体下腔内装有平衡弹簧、外壁上设有两个连接板,连接板上安装有壳体，壳体内装有多个压块，两相邻压块间压接有压电振子；压电振子与其相邻压块的限位曲面共同构成限位腔，同一压电振子两侧限位腔分别与缸体的上腔和下腔连通；截止阀通过管路与缸体的下腔及上腔连接，缸体下腔及上腔还分别与蓄能器连通。优点是多个双侧受系统背压作用、并通过曲面限位的压电振子通过流体耦合同步工作，可靠性高、发电能力强、振动控制效果好。

Description

基于曲面限位的晶片式压电液压减振器

技术领域

本发明属于振动控制技术领域应用的减振器，具体涉及一种基于曲面限位的晶片式压电液压减振器。

背景技术

液压及压电振动控制是目前应用较多的两类减振技术，控制方法上都包括被动、主动、及半主动等多种形式，其中：被动控制是利用耗能原理进行减振的，系统构成简单、成本低、技术较成熟，但控制效果及通用性较差；主动控制是通过输入外界能量产生的机械抗力来抑制振动的，控制效果好、环境适应性强，但需传感器、驱动器及信号处理器等设备，不仅系统体积庞大复杂、成本高，还降低了可靠和稳定性，最关键是持续、稳定、充足的外部能量供应实际中难以保证。此外，因系统构成及控制能力等原因，现有的主动液压及压电控制技术在应用上都存在一定的局限性：液压减振器通常由电机、泵及诸多控制阀构成，结构复杂、体积较大，仅适于大型机床、车辆等振动强度及振幅较大的场合；而压电主动控制通常采用压电体直接与振动主体相接触进行控制，系统结构简单、体积小，但因单体压电换能器形变能力有限，仅适于精密仪器、航空航天等微小系统的振动控制，且脆性的压电体易因振动强度过大而破碎。

鉴于现有压电及液压主动振动控制技术自身结构、控制能力以及依赖外界能量供应等所造成使用不便或应用局限性，人们提出了几种不同结构的自供能半主动减振器，即利用压电体与流体耦合作用回收能量并进行振动控制，如中国专利201110275849.6和201110275848.1等压电叠堆式液压减振器、中国专利201210183427.0等压电晶片式液压减振器。为使压电液压减振器具有较好的能量回收和控制效果，整个系统必须施加足够的背压，从而提高系统内流体刚度及其响应特性。在这种工作模式下，压电叠堆在非工作时就已承受了较大的流体作用力，从而降低其工作时的发电能力及控制能力；而采用压电晶片时，如其两侧所受流体作用相等，则非工作状态下并不产生弯曲变形。因现有压电晶片式液压减振器均未采用有效的方法限制压电晶片变形量，环境振动强度较大时将致使压电晶片碎裂而无法使用。

发明内容

本发明提供一种基于曲面限位的晶片式压电液压减振器，以解决现有压电液压减振器在大振幅、高强度振动环境下存在的可靠性和振动控制能力差的问题。

本发明采取的技术方案是：缸盖通过螺纹安装在缸体上，活塞将平衡弹簧压接在缸体的下腔内，质量块通过螺母固定在活塞杆上；缸体外壁上设有两个连接板,所述每个连接板上分别通过螺钉安装有壳体；在所述每个壳体内分别通过连接板依次压接有一个前压块、1-20个中间压块和一个后压块；所述前压块和中间压块上分别设有弯流道、直流道、以及导线管道；所述后压块上设有弯流道四和导线管道四；所述前压块及后压块的单侧、以及中间压块的两侧设有限位曲面；在所述每两个相邻压块间分别通过密封圈压接有压电振子；所述压电振子与其相邻压块的限位曲面共同构成限位腔，且所述同一个压电振子两侧的限位腔分别通过位于压块上的流体管道与缸体的上腔和下腔连通；截止阀通过管路与缸体的下腔及上腔连接，缸体下腔及上腔还分别通过管道与蓄能器一和蓄能器二连通；所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，所述位于同一壳体内两相邻压电振子极化方向相反，且所述位于同一壳体内的压电振子经导线组并联后与电控单元连接，所述电路板通过螺钉固定在缸体的侧壁上。

本发明中，限位腔的作用是限制压电振子的变形形状并吸纳或补充缸体的上腔及下腔所排出或吸入的流体，为使减振器具有最大的发电量、最大振动控制位移及最大的可靠性，限位曲面H的形状曲线w(r)、以及压电振子数n分别由下式确定：

$w\left(r\right)=\frac{(1-{\mathrm{\υ}}_c^2)}{2(3+{\mathrm{\υ}}_c)E_{c}h{R}^2}(\frac{5+{\mathrm{\υ}}_c}{1+{\mathrm{\υ}}_c}{R}^2-r^2)(R^2-r^2)T^{*}$ ；

$n=\frac{3E_c(3+{\mathrm{\υ}}_c)}{\mathrm{\π}(1-{\mathrm{\υ}}_c)(7+{\mathrm{\υ}}_c)}\frac{h}{R^4}\frac{H_{0}S}{T^{*}}$ ；

式中： $E_c=[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1+{\mathrm{\υ}}_p}{1+{\mathrm{\υ}}_m}][\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_p}{1-{\mathrm{\υ}}_m}]E_p/\left\{\frac{1}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}\right[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}\left]\right\}$ ， ${\mathrm{\υ}}_c=[\frac{1-2}{2}{\mathrm{\ξ\υ}}_m+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}{\mathrm{\υ}}_p]/[\frac{1-2}{2}\mathrm{\ξ}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}]$ ，α=h_p/h，ξ=E_m/E_p，h为压电振子总厚度，h_p为单层压电晶片厚度，υ_m、υ_p分别为基板和压电晶片材料的泊松比，E_m和E_p分别为基板和压电晶片材料的弹性模量，R为压电振子直径，T^*为压电晶片材料的许用拉应力，r为限位曲面上某一点到其对称中心的距离，H₀和S分别为活塞的最大振幅和横截面积。

安装调试过程中，截止阀开通，质量块通过活塞使平衡弹簧压缩，待活塞处于平衡位置后，将所述截止阀关闭，压电振子因两侧流体压力相同而不发生弯曲变形。进入稳态工作后，缸活塞随质量块的振动而上下运动，进而使系统内的流体压力、以及压电振子的受力状态发生变化，压电振子两侧所受流体压力不等时即产生弯曲变形、并将流体的压力能转换成电能；所生成的电压经电控单元换向后直接施加到所述压电振子的两端，从而抑制其因受外力作用而产生的弯曲变形。

比之与现有的自供能半主动压电液压减振器，本发明的优势及特点在于：①采用限位曲面控制晶片型压电振子的变形形状，从而确保压电振子不致因变形过大而损毁，故可靠性高；② 晶片型压电振子两侧同时受系统背压作用，非工作状态下不产生弯曲变形，故单个压电振子的发电能力及振动控制能力较强；③根据活塞最大振幅确定压电振子数量，故减振器的振动能量回收充分、振动强度适应能力及振动控制能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的结构剖面示意图；

图2是本发明一个较佳实施例图1的A-A剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例图1的B-B剖视图；

图4是本发明一个较佳实施例图1的C-C剖视图。

具体实施方式：

缸盖11通过螺纹安装在缸体1上，活塞32将平衡弹簧2压接在缸体1下腔C11内，质量块12通过螺母13固定在活塞杆31上；缸体1外壁上设有两个连接板101和101’,所述连接板一101和连接板二101’上分别通过螺钉安装有左侧壳体3和右侧壳体3’；在所述左侧壳体3及右侧壳体3’内通过分别连接板一101及连接板二101’依次压接有前压块4、中间压块一5、中间压块二6和后压块7；所述前压块4、中间压块一5和中间压块二6上分别设有弯流道一L41、弯流道二L51和弯流道三L61，直流道一L42、直流道二L52和直流道三L62，以及导线管道一L43、导线管道二L53和导线管道三L63；所述后压块7上设有弯流道四L71和导线管道四L73；所述前压块4及后压块7的单侧、以及中间压块一5及中间压块二6的两侧设有限位曲面H；在所述每两相邻压块间分别通过密封圈9压接有压电振子8；所述压电振子8与其相邻压块的限位曲面共同构成限位腔，且所述同一个压电振子8两侧的限位腔分别通过位于压块上的流体管道与缸体1的上腔C12和下腔C11连通，即：限位腔一C1、限位腔四C4和限位腔五C5通过前压块4上的弯流道L41、中间压块二6上弯流道L61以及中间压块一5上的直流道L52相连通，再与缸体1的上腔C12相连通；限位腔二C2、限位腔三C3和限位腔六C6通过中间压块一5上的弯流道L51、后压块7上弯流道L71以及前压块4上的直流道L42和中间压块二6上的直流道L62相连通，再与缸体1的下腔C11相连通；截止阀18通过管路一17及管路二19分别与缸体下腔C11和上腔C12连接，缸体下腔C11及上腔C12还分别通过管道与蓄能器一20和蓄能器二21连通；所述压电振子8由金属基板801和压电晶片802粘接而成，左侧壳体3或右侧壳体3’内两个相邻压电振子8的极化方向相反；左侧壳体3内的各压电振子8经导线组一15并联后再与电控单元14连接，右侧壳体3’内的各压电振子8经导线组二16并联后与电控单元14连接；所述电路板14通过螺钉固定在缸体1的侧壁101上。

本发明中的中间压块还可以是1或20个。

本发明中，限位腔的作用是限制压电振子的变形形状并吸纳或补充缸体1上腔C12及下腔C11所排出或吸入的流体，为使减振器具有最大的发电量、最大振动控制位移及最大的可靠性，限位曲面H的形状曲线w(r)、以及压电振子数n分别由下式确定：

$w\left(r\right)=\frac{(1-{\mathrm{\υ}}_c^2)}{2(3+{\mathrm{\υ}}_c)E_{c}h{R}^2}(\frac{5+{\mathrm{\υ}}_c}{1+{\mathrm{\υ}}_c}{R}^2-r^2)(R^2-r^2)T^{*}$ ；

$n=\frac{3E_c(3+{\mathrm{\υ}}_c)}{\mathrm{\π}(1-{\mathrm{\υ}}_c)(7+{\mathrm{\υ}}_c)}\frac{h}{R^4}\frac{H_{0}S}{T^{*}}$ ；

式中： $E_c=[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1+{\mathrm{\υ}}_p}{1+{\mathrm{\υ}}_m}][\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_p}{1-{\mathrm{\υ}}_m}]E_p/\left\{\frac{1}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}\right[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}\left]\right\}$ ， ${\mathrm{\υ}}_c=[\frac{1-2}{2}{\mathrm{\ξ\υ}}_m+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}{\mathrm{\υ}}_p]/[\frac{1-2}{2}\mathrm{\ξ}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}]$ ，α=h_p/h，ξ=E_m/E_p，h为压电振子总厚度，h_p为单层压电晶片厚度，υ_m、υ_p分别为基板和压电晶片材料的泊松比，E_m和E_p分别为基板和压电晶片材料的弹性模量，R为压电振子直径，T^*为压电晶片材料的许用拉应力，r为限位曲面上某一点到其对称中心的距离，H₀和S分别为活塞的最大振幅和横截面积。

安装调试过程中，截止阀18开通，质量块12通过活塞32使平衡弹簧2压缩，待活塞32处于平衡位置后，将所述截止阀18关闭，压电振子8因两侧流体压力相同而不发生弯曲变形。进入稳态工作后，缸活塞32随质量块12的振动而上下运动，进而使系统内的流体压力、以及压电振子8的受力状态发生变化，压电振子8两侧所受流体压力不等时即产生弯曲变形、并将流体的压力能转换成电能，故压电振子8也具有振动检测传感器的功能；压电振子8弯曲变形所生成的电能经电控单元14换向处理后再直接施加到所述压电振子8的两端，从而抑制其因受外力作用而产生的弯曲变形。

当活塞32受外力作用向下运动时，缸体1下腔C11及与其连通的限位腔二C2、限位腔三C3和限位腔六C6内的流体压力增加，缸体1上腔C12及限位腔一C1、限位腔四C4和限位腔五C5内的流体压力降低，从而使得左侧的壳体3内从右至左的第一及第三个压电振子8向右弯曲、第二个压电振子向左弯曲；同时，右侧壳体3’内从左至右的第一及第三个压电振子8向左弯曲、第二个压电振子向右弯曲；各压电振子8左右弯曲变形时即将机械能转换成电能，所生成的电压经电控单元14进行换向处理后再直接施加到所述压电振子8的两端，从而抑制其因受外力作用而产生的弯曲变形，从而阻碍活塞32向下运动。

当活塞32受外力作用向上运动时，缸体1上腔C12及与其连通的限位腔一C1、四C4和五C5内的流体压力增加，缸体1下腔C11及限位腔二C2、三C3和六C6内的流体压力降低，从而使得左侧的壳体3内从右至左的第一及第三个压电振子8向左弯曲、第二个压电振子向右弯曲；同时，右侧壳体3’内从左至右的第一及第三个压电振子8向右弯曲、第二个压电振子向左弯曲；各压电振子8左右弯曲变形时即将机械能转换成电能，所生成的电压经电控单元14进行换向处理后再直接施加到所述压电振子8的两端，从而抑制其因受外力作用而产生的弯曲变形，从而阻碍活塞32向上运动。

Claims (2)

1.一种基于曲面限位的晶片式压电液压减振器，其特征在于：缸盖通过螺纹安装在缸体上，活塞将平衡弹簧压接在缸体的下腔内，质量块通过螺母固定在活塞杆上；缸体外壁上设有两个连接板,所述每个连接板上分别通过螺钉安装有壳体；在所述每个壳体内分别通过连接板依次压接有一个前压块、1-20个中间压块和一个后压块；所述前压块和中间压块上分别设有弯流道、直流道、以及导线管道；所述后压块上设有弯流道四和导线管道四；所述前压块及后压块的单侧、以及中间压块的两侧设有限位曲面H；在所述每两个相邻压块间分别通过密封圈压接有压电振子；所述压电振子与其相邻压块的限位曲面共同构成限位腔，且所述同一个压电振子两侧的限位腔分别通过位于压块上的流体管道与缸体的上腔和下腔连通；截止阀通过管路与缸体的下腔及上腔连接，缸体下腔及上腔还分别通过管道与蓄能器一和蓄能器二连通；所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，所述位于同一壳体内两相邻压电振子极化方向相反，且所述位于同一壳体内的压电振子经导线组并联后与电控单元连接，电路板通过螺钉固定在缸体的侧壁上。

2.根据权利要求1所述一种基于曲面限位的晶片式压电液压减振器，其特征在于：限位曲面H的形状曲线w(r)、以及压电振子数n分别由下式确定：

$w\left(r\right)=\frac{(1-{\mathrm{\υ}}_c^2)}{2(3+{\mathrm{\υ}}_c)E_c{\mathrm{hR}}^2}(\frac{5+{\mathrm{\υ}}_c}{1+{\mathrm{\υ}}_c}{R}^2-r^2)(R^2-r^2)T^{*};$

$n=\frac{{3E}_c(3+{\mathrm{\υ}}_c)}{\mathrm{\π}(1-{\mathrm{\υ}}_c)(7+{\mathrm{\υ}}_c)}\frac{h}{R^4}\frac{H_{0}S}{T^{*}};$

式中： $E_c=[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1+{\mathrm{\υ}}_P}{1+{\mathrm{\υ}}_m}][\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_P}{1-{\mathrm{\υ}}_m}]E_P/\left\{\frac{1}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}\right[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_P^2}{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}\left]\right\},$ ${\mathrm{\υ}}_c=[\frac{1-2\mathrm{\α}}{2\mathrm{\α}}\mathrm{\ξ}{\mathrm{\υ}}_m+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_P^2}{\mathrm{\υ}}_P]/[\frac{1-2\mathrm{\α}}{2\mathrm{\α}}\mathrm{\ξ}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_P^2}],$ α=h_p/h，ξ=E_m/E_p，h为压电振子总厚度，h_p为单层压电晶片厚度，υ_m、υ_p分别为基板和压电晶片材料的泊松比，E_m和E_p分别为基板和压电晶片材料的弹性模量，R为压电振子直径，T^*为压电晶片材料的许用拉应力，r为限位曲面上某一点到其对称中心的距离，H₀和S分别为活塞的最大振幅和横截面积。