CN105485246A - 一种基于压电堆的主被动双层隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于压电堆的主被动双层隔振器，由压电堆作动器、电磁阻尼器等组成。工作时，压电堆作动器的输出杆通过螺栓连接顶在中间质量上，作动器尾部和隔振对象通过连接螺栓固定在一起以传递反作用力。与此同时，线圈通直流电后在初级铁心和背铁之间形成磁通回路。中间质量带动下端圆柱壳式导体板和背铁在磁场中运动，进而，导体板中产生涡流。最终，振动产生的机械能将由涡流产生的热量耗散到空气中。本发明可以在较宽的频域范围内减少设备向基础的振动传递，有效弥补了传统被动隔振器频域控制范围小和压电堆作动器低频效果不佳的情况。

Description

一种基于压电堆的主被动双层隔振器

技术领域

本发明涉及的是一种减振装置，具体地说是主被动一体化的减振装置。

背景技术

随着科学技术的发展，以及人们对振动环境，产品和结构振动特性越来越高的要求，被动隔振已经难以满足实际要求。考虑通过引入主动元件来进行有源控制越来越受到重视。

作动器是整个控制系统的执行机构，其作用是按照一定的控制率对被控对象施加力来改变系统的振动响应。压电堆作动器利用逆压电效应原理进行工作，即在压电晶体上施加交变电场，压电晶体就会在某一方向产生交变电的机械应变。压电作动器具有能耗低，机械定位精度高，输出力大，响应快等优点。由于本身不产生磁场并且不受磁场的干扰，所以能在恶劣的环境下正常运转。

电磁涡流阻尼器，通过运动的导体在磁场中产生涡流热效果来消耗振动能量。其优点是本身不需要减震器液，减少了额外污染，机构简单，阻尼力随着振动速率的提高而增大。半主动涡流阻尼器，将线圈绕组代替了传统的永磁体，进一步地通过改变线圈中的电流改变磁场强度，从而实现半主动控制。

随着冶金技术和制造工艺的提高，舰船动力装置的低刚度和柔性化是一个重要的发展趋势。在这种情况下，采用单一的振动被动控制或主动控制方法都难以满足实际需要。

发明内容

本发明的目的在于提供能在较宽频域上对隔振对象实现振动控制的一种基于压电堆的主被动双层隔振器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于压电堆的主被动双层隔振器，其特征是：包括Y型质量块、压电堆作动器、电磁阻尼器，所述压电堆作动器包括压电堆、力输出杆、压电堆外壳，Y型质量块的内部为中空结构，压电堆外壳安装在Y型质量块的中空结构里，力输出杆的上部设置在压电堆外壳里，力输出杆的下部穿过压电堆外壳与压电堆外壳外部的Y型质量块相连，压电堆安装在压电堆外壳里并位于压电堆外壳和力输出杆之间，所述电磁阻尼器包括下壳体、初级铁心、圆柱壳式导体、PVC中轴、圆柱壳式背铁，圆柱壳式导体和圆柱壳式背铁的内部均为中空结构，圆柱壳式背铁安装在圆柱壳式导体的中空结构中，PVC中轴安装在圆柱壳式背铁的中空结构中，圆柱壳式背铁与圆柱壳式导体以及PVC中轴无缝粘结在一起，初级铁心为中间加工有通孔的柱体结构，在柱体结构上设置环形的线圈带，初级铁心的外壁与下壳体的内壁相固定，线圈带上缠绕线圈，圆柱壳式背铁伸入至初级铁心的通孔中，圆柱壳式背铁、圆柱壳式导体以及PVC中轴的顶部与Y型质量块相连，Y型质量块的外部设置橡胶元件，橡胶元件与下壳体相连。

本发明还可以包括：

1、压电堆外壳里安装预紧弹簧，预紧弹簧套于力输出杆上，预紧弹簧的两端分别与力输出杆和压电堆外壳相连。

2、初级铁心与圆柱壳式导体之间保留1±0.1毫米距离。

本发明的优势在于：本发明一种基于压电堆的主被动双层隔振器的压电堆作动器能在较低功耗下提供较大输出力，中间质量上下端分别和压电堆作动器及橡胶元件和电磁阻尼器相连，整体构成双层隔振系统，能大幅降低舰船动力装置振动向基础和环境的传递，是隔离振动和噪声的有效措施。下层的电磁阻尼器，将线圈绕组代替了传统的永磁体，可以通过连接外部的电流放大器和控制器对磁场强度进行控制，振动产生的机械能将以热能的方式耗散到空气中。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原理简图；

图3为本发明的流程原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～3，如图1所示，本发明一种基于压电堆的主被动隔振器，包括上下壳体，顶杆7，压电堆作动器，中间质量，橡胶元件2及电磁阻尼器。

压电堆作动器由外壳8、压电堆9、预紧弹簧10及力输出杆11组成。压电堆由数片(可根据实际需要调整数量)压电陶瓷片通过粘结层堆叠而成，中间有叉指电极，电路为并联连接方式。单层压电片在电场中产生位移，通过多层叠加使得输出位移增大。因为压电堆不能承受较大的拉应力，因此需要在压电堆顶部装上预紧弹簧10,预紧弹簧10另一端则连接在力输出杆上。整体封装在壳体8中。

压电堆作动器嵌入上层Y型中空质量块1中，力输出杆11和质量块1刚性连接，并保证不会产生相对位移，作动器尾部通过螺栓7和外部隔振对象刚性连接。当给压电堆施加驱动电压后，压电堆会产生的位移会驱动输出杆11压迫质量块1，并且对连接螺栓7产生反作用力进而作用在隔振对象上。

橡胶元件2和上层Y型中空质量块1硫化在一起。橡胶元件2用于承受隔振对象静载，即使当压电堆作动器和电磁作动器工作失稳，本发明也能作为被动隔振器件保证隔振效果不恶化。

电磁阻尼器包括初级铁心3、线圈4、圆柱壳式导体5、圆柱壳式背铁13及PVC中轴12组成。当导体板5和电磁阻尼器初级(包括3、4)之间产生相对运动时，会在导体5中产生感应涡流，涡流大小直接决定了电磁阻尼器的制动力大小，所以采用导电率较高的铜。圆柱壳式背铁13和初级铁心3可以采用高磁导率的电工铁。当线圈4中通入直流电后，在背铁13和初级铁心3之间产生磁通回路，导体板5和初级之间产生的相对运动在导体板5中产生涡流，最终振动产生的机械能以热能的形式耗散到空气中。

结合附图2，激励力F作用在M上，压电堆产生的作动力f_p作用在隔振对象M和中间质量m上。隔振对象M产生的位移为z，中间质量产生的位移为y。电磁阻尼器产生的阻尼力为f_elelc.，具体的表达式如下:

$\left\{\begin{array}{c}M\stackrel{\·\·}{z}\left(t\right)=-k_p(z\left(t\right)-y\left(t\right))+f_p+F\\ m\stackrel{\·\·}{y}\left(t\right)=k_p(z\left(t\right)-y\left(t\right))-k_{m}y\left(t\right)-c_m\stackrel{\·\·}{y}\left(t\right)-f_p-f_{elec.}\end{array}\right.$

结合附图3，将信号发生器产生的信号作为参考输入信号，同时拾取隔振器基脚处的加速度信号作为控制算法的期望信号，控制器按照一定的控制规律运算得出所需的输出量，其结果由D/A转换成模拟信号。模拟信号分别经由电压放大器和电流放大器驱动压电堆作动器及电磁阻尼器，从而实现振动控制。

本发明基于压电堆的主被动一体化双层隔振器，包括上下壳体，顶杆，压电堆作动器，中间质量，橡胶元件及电磁阻尼器。所述的压电堆作动器由压电堆，力输出杆，预紧弹簧和外壳组成。电磁阻尼器包括线圈，初级铁心，圆柱壳式导体及背铁。其中，中间质量包括Y型中空质量块及下端PVC中轴和圆柱壳式导体及背铁。

所述的压电堆作动器由压电堆，力输出杆，预紧弹簧和外壳体组成。其中，压电堆由压电片通过粘结层堆叠而成。预紧弹簧一端和力输出杆相连，另一端和外壳相连，以此消除各构件之间的轴向间隙，保证压电堆始终处于受压状态。

所述的所述的Y型中空质量块和橡胶元件硫化在一起，橡胶元件通过螺钉和下壳体相连。

所述的电磁阻尼器由初级铁心，线圈绕组，圆柱壳式导体和背铁组成。初级铁心和导体之间保留1毫米(具体大小可根据实际需要)间隙。圆柱壳式导体和背铁及PVC中轴无缝粘结在一起。初级铁心和下壳体固定焊接在一起。

所述的中间质量包括Y型中空质量块及下端PVC中轴和圆柱壳式导体及背铁。

所述的Y型中空质量下端和圆柱壳式导体和背铁及PVC中轴粘结在一起，保证连接牢固。

所述的压电堆作动器尾部通过螺栓和外部隔振对象刚性连接。

所述的压电堆作动器由压电堆，力输出杆，预紧弹簧和外壳体组成。其中，压电堆由N片(根据具体需求选择数量)压电片通过粘结层堆叠而成，即采用力学上串联，电学上并联的方式。

所述的压电堆作动器通过导线与外部电压放大器相连。预紧弹簧一端和力输出杆相连，另一端和外壳相连，以此消除各构件之间的轴向间隙，保证压电堆始终处于受压状态。

所述的Y型中空质量块和橡胶元件硫化在一起，橡胶元件通过螺钉和下壳体相连。

所述的电磁阻尼器由初级铁心，线圈绕组，圆柱壳式导体和背铁组成。初级铁心和导体之间保留1毫米(具体大小可根据实际需要)间隙。圆柱壳式导体和背铁及PVC中轴无缝粘结在一起。初级铁心和下壳体固定焊接在一起。

所述的Y型中空质量下端和圆柱壳式导体和背铁及PVC中轴粘结在一起，保证连接牢固。

所述的压电堆作动器尾部通过螺栓和外部隔振对象刚性连接。

Claims (3)

1.一种基于压电堆的主被动双层隔振器，其特征是：包括Y型质量块、压电堆作动器、电磁阻尼器，所述压电堆作动器包括压电堆、力输出杆、压电堆外壳，Y型质量块的内部为中空结构，压电堆外壳安装在Y型质量块的中空结构里，力输出杆的上部设置在压电堆外壳里，力输出杆的下部穿过压电堆外壳与压电堆外壳外部的Y型质量块相连，压电堆安装在压电堆外壳里并位于压电堆外壳和力输出杆之间，所述电磁阻尼器包括下壳体、初级铁心、圆柱壳式导体、PVC中轴、圆柱壳式背铁，圆柱壳式导体和圆柱壳式背铁的内部均为中空结构，圆柱壳式背铁安装在圆柱壳式导体的中空结构中，PVC中轴安装在圆柱壳式背铁的中空结构中，圆柱壳式背铁与圆柱壳式导体以及PVC中轴无缝粘结在一起，初级铁心为中间加工有通孔的柱体结构，在柱体结构上设置环形的线圈带，初级铁心的外壁与下壳体的内壁相固定，线圈带上缠绕线圈，圆柱壳式背铁伸入至初级铁心的通孔中，圆柱壳式背铁、圆柱壳式导体以及PVC中轴的顶部与Y型质量块相连，Y型质量块的外部设置橡胶元件，橡胶元件与下壳体相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电堆的主被动双层隔振器，其特征是：压电堆外壳里安装预紧弹簧，预紧弹簧套于力输出杆上，预紧弹簧的两端分别与力输出杆和压电堆外壳相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于压电堆的主被动双层隔振器，其特征是：初级铁心与圆柱壳式导体之间保留1±0.1毫米距离。