CN104033539A - 基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器 - Google Patents

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陈照波
张洋
焦映厚
李雨时
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Abstract

本发明提供基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器，由主动执行器和被动隔振装置两大部分组成，主动执行器包括外套筒、后挡块、压电陶瓷堆、力输出杆的、直线轴承、调整件组成；被动隔振装置与主动执行器公用一个外套筒，将丁基合成橡胶硫化在外套筒与被动隔振装置的力传递杆的杆径之间，力传动杆伸出外套筒一侧的外圆车螺纹。本发明的基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器结构简单、自身质量小，内部结构紧凑，解决压电陶瓷不能承受径向载荷的问题，整体尺寸较小，适合安装于各种隔振平台上，结构间隙极小，可达到较高控制精度，耐久性好，特别适用于航天航空环境和对隔振装置空间较小、控制精度要求较高的敏感仪器的隔振。

Description

基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器
技术领域：
本发明涉及振动控制技术领域，具体涉及一种基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器。
背景技术：
隔振技术是一种振动控制的方法，广泛应用于海陆空各种机械设备等领域，并且在快速的发展当中。被动隔振技术发展最早，目前理论最为成熟，应用最广泛，其具有结构简单，稳定性和可靠性高，不需外界提供能源的优点，但同时被动隔振在航天航空领域应用中存在局限性，对低频振动的隔离效果不理想，应用的频率范围不宽。其次，适应性较差，当工作中遇到随机性外扰时，被动结构无法做出相对应的主动对应变化，导致隔振效果不能满足要求。尤其在敏感设备工作精度越来越高的航空航天领域，纯被动隔振系统已经不能满足要求。主动隔振的性能主要集中在中低频，根据环境变化可随时改变控制算法，但需额外提供能源和相应的测量信息，另外控制系统会有不稳定现象，主动隔振一旦失效，整个系统就失去隔振性能。
随着航空航天等领域对隔振性能要求的提高，单纯的被动隔振和主动隔振都不能满足实际工程需要，故主被动一体化隔振的研究越发的重要。主被动一体化隔振技术兼顾了主动隔振和被动隔振技术主动隔振技术的优点，能够提供较宽频带的隔振，可靠性高、鲁棒性好，能达到最佳的隔振效果。
目前，现有的主被动混合隔振器普遍采用电磁执行器(CN1431757A)和磁致伸缩执行器(CN101144516A)，此种执行器在连续工作过程中易发热必须得到抑制或补偿，需设计配套的冷却系统，无疑增加隔振器质量、设计难度和控制难度。另外目前主被动混合隔振器结构尺寸较大，不易与隔振对象集成在一起，结构设计上紧凑度不足，难以达到较高的控制精度。
发明内容：
本发明的目的是发明一种工作频带宽、安全性能高、控制精度高、能耗低、空间布置方便、可在航空航天环境下应用的紧凑型主被动一体化隔振器。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器，由主动执行器和被动隔振装置两大部分组成，主动执行器包括外套筒，后挡块与外套筒之间通过贯穿外套筒管壁的六角头螺栓连接，后挡块的一侧凸起的半球形体与后调节件的锥形面相切，后调节件另一侧端面有沉孔，沉孔的尺寸与压电陶瓷堆的柱状外形相匹配，力输出杆的一侧凸起的半球形体与前调节件的锥形面相切，前调节件另一侧端面有沉孔，沉孔的尺寸与压电陶瓷堆的柱状外形相匹配，压电陶瓷堆放置与后调节件、前调解件之间，力输出杆的凸起的半球尾部的圆柱外部套有直线轴承，直线轴承外圆与外套筒内孔配合连接，直线轴承与前挡板之间套有限位弹簧，前挡板与外套筒螺纹连接，力输出杆中部凸起的环形台肩与前挡板之间套有预紧弹簧，力输出杆伸出前挡板的外圆柱端车有螺纹；
被动隔振装置与主动执行器公用一个外套筒，将丁基合成橡胶硫化在外套筒与被动隔振装置的力传递杆的杆径之间，力传递杆的杆径打磨粗糙，力传动杆靠近六角头螺栓一侧凸起一段圆柱台肩与外套筒内孔间隙配合连接，力传动杆伸出外套筒一侧的外圆车螺纹。
压电陶瓷堆是由8*8mm、厚度为1mm的PZT-5压电陶瓷片按照电学上并联、力学上串联的方式进行连接，压电片之间用导电片胶粘连接，最后在压电陶瓷堆外壁套一层环氧套管作为绝缘层。
压电陶瓷堆的电极从外套筒壁上的线孔引出，与外部压电陶瓷驱动电源和主动控制器连接。
所有金属部件采用1Cr18Ni不锈钢材料。
本发明具有如下有益效果：本发明的基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器结构简单、自身质量小，内部结构紧凑，结构上采用两个调节件正反向夹装压电陶瓷，调节件锥面与力输出杆球面相切配合，这样运用较小的结构解决压电陶瓷不能承受径向载荷的问题。整体尺寸较小，适合安装于各种隔振平台上，结构间隙极小，可达到较高控制精度，耐久性好，各部分结构物理化学性能稳定，不易受外界条件影响，特别适用于航天航空环境和对隔振装置空间较小、控制精度要求较高的敏感仪器的隔振。
附图说明：
图1本发明的结构示意图。
图中1-外套筒，2-前挡板，3-力输出杆，4-限位弹簧，5-预紧弹簧，6-直线轴承，71-后调整件，72-前调整件，8-后挡块，9-六角头螺栓，10-压电陶瓷堆，11-线孔。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由图1所示，基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器，由主动执行器和被动隔振装置两大部分组成，主动执行器包括外套筒1，后挡块8与外套筒1之间通过贯穿外套筒管壁的六角头螺栓9连接，后挡块8的一侧凸起的半球形体与后调节件71的锥形面相切，后调节件71另一侧端面有沉孔，沉孔的尺寸与压电陶瓷堆10的柱状外形相匹配，力输出杆3的一侧凸起的半球形体与前调节件72的锥形面相切，前调节件72另一侧端面有沉孔，沉孔的尺寸与压电陶瓷堆10的柱状外形相匹配，压电陶瓷堆10放置与后调节件71、前调解件72之间，力输出杆3的凸起的半球尾部的圆柱外部套有直线轴承6，直线轴承6外圆与外套筒1内孔配合连接，直线轴承6与前挡板2之间套有限位弹簧4，前挡板2与外套筒1螺纹连接，力输出杆3中部凸起的环形台肩与前挡板2之间套有预紧弹簧5，力输出杆3伸出前挡板2的外圆柱端车有螺纹；
被动隔振装置与主动执行器公用一个外套筒1，将丁基合成橡胶12硫化在外套筒与被动隔振装置的力传递杆3的杆径之间，力传递杆3左端打磨粗糙使丁基合成橡胶12易于粘合，力传动杆3靠近六角头螺栓9一侧凸起一段圆柱台肩与外套筒1内孔间隙配合连接，力传动杆3伸出外套筒1一侧的外圆车螺纹。
压电陶瓷堆10是由8*8mm、厚度为1mm的PZT-5压电陶瓷片按照电学上并联、力学上串联的方式进行连接，压电片之间用导电片胶粘连接，最后在压电陶瓷堆外壁套一层环氧套管作为绝缘层。
压电陶瓷堆10的电极从外套筒1壁上的线孔11引出，与外部压电陶瓷驱动电源和主动控制器连接。
所有金属部件采用1Cr18Ni不锈钢材料。
安装时，首先将橡胶硫化到外套筒1与力传递杆3之间，通过加入的固化剂比例不同可调节橡胶的刚度，硫化后提高橡胶的耐热性和强度，压电陶瓷堆10的压电片之间用导电片胶粘连接，最后在压电陶瓷堆10外壁套一层环氧套管作为绝缘层，导线引出两端电极，安装压电陶瓷作动器时先将后挡块8放置与外套筒1中，并用六角头螺栓9将后挡块8与外套筒1固定，然后将压电陶瓷堆10放置与两调节件71、72之间，其中两调节件71、72内侧放置压电陶瓷堆10的凹槽方向相反，此种方式可对压电陶瓷周向定位，使其无论在撞击、拆卸等任何情况下，不会发生周向的偏移，将夹装好的压电陶瓷堆10放置与外套筒1中，使其电极通过线孔导出，使用时控制信号由控制接线接入隔振器，进而控制压电陶瓷作动器提供所需的控制力或位移，夹装好的压电陶瓷堆10一端通过调节件71、72外侧设计的圆锥面与后挡块8半球面相切定位，另一端与力输出杆3的半球面相切，将直线轴承6套在力输出杆3粗端，将预紧弹簧5套在力输出杆3细端，将限位弹簧4放置与外套筒1中，最后将前挡板2即调力螺母与外套筒1螺纹配合，通过调节前挡板2可调整压电陶瓷堆10内预压力。
基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器可以根据不同的隔振需求，选择不同的布置安装方式，即压电陶瓷作动器安装在隔振对象与中间质量之间，即压电陶瓷作动器安装在中间质量与基础激励之间，在基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器工作时，所述的前挡板上可设有与压电陶瓷作动器的工作状态控制端相连的振动传感器，传感器采集信号并通过A/D转换后传给控制器，控制器通过运算将最后生成的控制信号通过D/A转换和功率放大器驱动压电陶瓷作动器工作，使用本发明的基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器，隔振频带将明显加宽，尤其中低频段的隔振效果明显提升；隔振器中的被动隔振装置可以在主动机构失效的情况下继续工作，保证一定的隔振效果，提高了被控对象的安全性。

Claims (4)

1.一种基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器，由主动执行器和被动隔振装置两大部分组成，其特征是：主动执行器包括外套筒(1)，后挡块(8)与外套筒(1)之间通过贯穿外套筒管壁的六角头螺栓(9)连接，后挡块(8)的一侧凸起的半球形体与后调节件(71)的锥形面相切，后调节件(71)另一侧端面有沉孔，沉孔的尺寸与压电陶瓷堆(10) 的柱状外形相匹配，力输出杆(3)的一侧凸起的半球形体与前调节件(72)的锥形面相切，前调节件(72)另一侧端面有沉孔，沉孔的尺寸与压电陶瓷堆(10) 的柱状外形相匹配，压电陶瓷堆(10)放置与后调节件(71)、前调解件(72)之间，力输出杆（3）的凸起的半球尾部的圆柱外部套有直线轴承(6)，直线轴承(6)外圆与外套筒(1)内孔配合连接，直线轴承(6)与前挡板(2)之间套有限位弹簧(4)，前挡板(2)与外套筒(1)螺纹连接，力输出杆(3)中部凸起的环形台肩与前挡板(2)之间套有预紧弹簧(5)，压电陶瓷(10)的导线通过线孔(11)导出，力输出杆(3)伸出前挡板(2)的外圆柱端车有螺纹；
被动隔振装置与主动执行器公用一个外套筒(1)，将丁基合成橡胶(12)硫化在外套筒与被动隔振装置的力传递杆(3)的杆径之间，力传递杆(3)的杆径打磨粗糙，力传动杆(3)靠近六角头螺栓(9)一侧凸起一段圆柱台肩与外套筒(1)内孔间隙配合连接，力传动杆(3)伸出外套筒(1)一侧的外圆车螺纹。
2.根据权利要求1所述的基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器，其特征在于：压电陶瓷堆(10)是由8*8mm、厚度为1mm的PZT-5压电陶瓷片按照电学上并联、力学上串联的方式进行连接，压电片之间用导电片胶粘连接，最后在压电陶瓷堆外壁套一层环氧套管作为绝缘层。
3. 根据权利要求1所述的基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器，其特征在于：压电陶瓷堆(10)的电极从外套筒(1)壁上的线孔(11)引出，与外部压电陶瓷驱动电源和主动控制器连接。
4. 根据权利要求1所述的基于压电作动的紧凑型主被动一体化隔振器，其特征在于：所有金属部件采用1Cr18Ni不锈钢材料。
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