CN105972370A

CN105972370A - 一种新型变刚度半主动管路吸振器

Info

Publication number: CN105972370A
Application number: CN201610363683.6A
Authority: CN
Inventors: 杜敬涛; 吴登峰; 马腾; 杨铁军; 刘学广
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2036-05-27
Also published as: CN105972370B

Abstract

本发明提供一种新型变刚度半主动管路吸振器，包括夹持圆环和吸振器，其特征在于：吸振器包括对称设置在夹持圆环外表面的四个子吸振器，每个子吸振器包括两个片弹簧、惯性质量块以及设置在每个片弹簧上、下两个表面的层叠式PVDF作动器，两个片弹簧弯曲对接后形成扁环形结构，扁环形结构的一端与夹持圆环连接、另一端与惯性质量块连接。本发明安装方便，结构简单、可靠性高、适用频带宽，能随着管路振动频率的变化调整吸振器自身的频率，从而达到对管路减振降噪的要求。特别针对现代舰船、潜艇管路系统的“声隐身”要求，能发挥其价值。

Description

一种新型变刚度半主动管路吸振器

技术领域

本发明涉及一种吸振器，尤其涉及一种新型变刚度半主动管路吸振器，属于吸振器领域。

背景技术

舰船，潜艇内部有着复杂的管路布置。管路也为振动与噪声的传播提供了途径。机械设备可以通过管路系统将振动与噪声传递给舰船结构；其次，如海水泵这类设备工作时不可避免的会造成管内液体的压力流量脉动引发管路振动，降低管路使用寿命，影响船员舒适性，降低舰船“声隐身”性能。

舰船管路系统的振动与噪声源抑制可从两方面入手，一是减少各类动力机械设备振动对管路的传递，可以在传播途径中加入隔振装置，例如，在工程实际中，为使泵或其它动力源的机械振动不致传给管系，可以在泵出口到管系之间插入一段软管(挠性管，塑料管)等。其次是直接对管路进行振动抑制，现有的管道减振方法主要是在管道上附加主动吸振器或者阻尼减振材料，主动吸振器减振频带宽，效果好，但是可靠性低，造价昂贵；被动减振装置，如橡胶减振装置等，成本低，但减振频带窄。可见，设计一种频带宽，频率可调，同时兼具可靠性的管路吸振器具有重要的意义。

现有的《一种频率可调的管道动力吸振器》(专利号：CN 204213246 U)通过调节液压系统改变吸振器内液压油的质量，进而改变了吸振器的质量，调节吸振器的固有频率，能够根据管道振动频率的变化而改变自身的频率。但是，液压系统自身响应慢，实际工作中，无法对周围环境的变化做出迅速的动作，其次，该吸振器装置复杂，需要配备液压系统，长时间工作会造成液压油泄露等问题。《一种方向可调的管路吸振卡箍》(专利号：CN 204785084 U)设计出一种方向可调的管路卡箍吸振器，该吸振器结构紧凑，安装方便，吸振方向可调，但是不能随着管路振动频率的变化随时调节自身的固有频率。《一种三向管道动力吸振器》(专利号：CN 203927229 U)该吸振器可以对管道轴向，径向和绕轴线扭转的三个方向的振动加以抑制。《可调频式管路吸振器》(专利号：CN 204201363 U)能对管路径向的振动进行抑制与吸收，可以人为的调节惯性质量块在弹簧片上的位置，调节弹簧片的实际使用刚度，从而调节吸振器的固有频率，这种吸振器针对工况稳定的管路系统效果良好，但是一旦遇上复杂多变的工况，该吸振器的效率就会降低，不能即使根据管路振动频率的变化调整自身的固有频率。王震(王震，基于惯性作动器的管路系统振动主动控制研究，中国舰船研究院硕士学位论文，2014)设计出一种电磁式惯性吸振器，能对管路一个振动方向进行主动控制，该吸振器应用于管路的低频振动控制，但是管路振动呈现周向性，显然单从一个方向进行控制，不能很好的应对管路中复杂流体对于管壁的振动冲击。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种工作可靠，具有各向振动特性，自适应强的新型变刚度半主动管路吸振器。

本发明的目的是这样实现的：包括夹持圆环和吸振器，吸振器包括对称设置在夹持圆环外表面的四个子吸振器，每个子吸振器包括两个片弹簧、惯性质量块以及设置在每个片弹簧上、下两个表面的层叠式PVDF作动器，两个片弹簧弯曲对接后形成扁环形结构，扁环形结构的一端与夹持圆环连接、另一端与惯性质量块连接。本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述层叠式PVDF作动器由N片PVDF压电薄膜通过环氧树脂粘接而成，且粘接方式是“电学并联、力学串联”的方式。

2.每个弹簧片上、下两个表面的层叠式PVDF作动器所加的电场方向相反。

3.所述夹持圆环由两个半圆环通过螺栓连接而成，且在夹持圆环的外表面对称设置有四个凸台，扁环形结构的一端与夹持圆环连接是指扁环形结构的一端与夹持圆环的凸台连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明安装方便，结构简单、可靠性高、适用频带宽，能随着管路振动频率的变化调整吸振器自身的频率，从而达到对管路减振降噪的要求。特别针对现代舰船、潜艇管路系统的“声隐身”要求，能发挥其价值。本发明不需要额外支撑件，而是通过夹持圆环与管路固定。本发明具有沿管路径向的多个方向的振动特性，能应对管壁振动的周向性。相较与传统的管路被动吸振器，本发明能根据管路振动频率的变化，随时调节自身的固有频率，具有自适应性。依据PVDF作动器的特性，将压电薄膜沿弹簧片长度方向粘贴，产生较大变形，而不是将作动力直接作用在结构上，从而调节弹簧片的实际使用刚度，改变了吸振器的频率，响应快。即使当层叠式PVDF压电作动器失效，本发明仍能充当被动管路吸振器，不会造成管路振动恶化。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的子吸振器的结构示意图；

图3是本发明的吸振器的原理图；

图4是本发明的控制流程原理框图。

图中：1-惯性质量，2-层叠式PVDF作动器，3-螺栓螺母连接件，4-片弹簧，5-夹持圆环。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1和图2，本发明包括夹持圆环5与四个子吸振器，四个子吸振器呈90°周向排列，进一步地，子吸振器与夹持圆环通过螺栓固定。每个子吸振器由2个片弹簧4、层叠式PVDF作动器2、惯性质量块1组成，由图2可得，在片弹簧4的上下表面分别通过环氧树脂粘贴有层叠式PVDF作动器2。所述片弹簧选用弹性好的弹簧钢65Mn。所述层叠式PVDF作动器的厚度伸缩变形方向为沿片弹簧长度方向。

所述层叠式PVDF作动器2由N片(可根据需要调节)PVDF压电薄膜通过环氧树脂粘接而成，且粘接方式是“电学并联、力学串联”的方式。也即每层压电薄膜之间粘贴有导电胶布，采用电路并联的方式。

每个弹簧片上、下两个表面的层叠式PVDF作动器所加的电压方向相反。当片弹簧上表面沿长度方向拉伸时，下表面沿长度方向收缩，造成片弹簧4发生弯曲，改变片弹簧4的刚度。

电压所加方向与片弹簧4长度方向平行，保证层叠式PVDF作动器2沿片弹簧的长度方向伸缩，即所加电场方向为弹簧片表面的法向。

所述夹持圆环由由两个半圆环通过螺栓刚性连接而成，且两个半圆环通过螺栓连接固定在管壁上，保证无相对滑动。且在夹持圆环的外表面对称设置有四个凸台，扁环形结构的一端与夹持圆环连接是指扁环形结构的一端与夹持圆环的凸台连接。具体的说是所述惯性质量块一端车有螺纹孔，凸台上车有螺纹孔，所述的2个片弹簧组成的扁环形结构的两端都车有螺纹孔、且一端通过螺栓固定在夹持圆环的凸台上、另一端与惯性质量块通过螺栓固定在一起，保证不会松动。

工作时，层叠式PVDF作动器接入电压产生逆压电效应，片弹簧上表面在PVDF作动器的作用下沿长度方向拉伸，片弹簧的下表面沿长度方向收缩，片弹簧发生弯曲变形，调节每一个子吸振器的刚度，实现对管路径向振动的半主动控制。

如图3所示为单个吸振器的原理图，M视为管路系统的集中质量，K_r与C_r分别为管路系统自身的刚度与阻尼，m为吸振器惯性质量，K_p与C_p为吸振器的刚度与阻尼，y为惯性质量块的位移，x为管路系统质量的位移，具体表达式如下：

\{\begin{matrix} M \overset{\cdot\cdot}{x} = - K x - C \overset{\cdot}{x} - K_{p} (x - y) - C_{p} (\overset{\cdot}{x} - \overset{\cdot}{y}) \\ m \overset{\cdot\cdot}{y} = K_{p} (x - y) + C_{p} (\overset{\cdot}{x} - \overset{\cdot}{y}) \end{matrix}

结合附图4为本发明一种具体实施方式的原理框图，为吸振器的其中一个控制方向，用转速传感器采集水泵的转速信号作为控制器的期望信号，采集管壁的加速度信号作为输入信号，输入信号经过电荷放大器，低通滤波器及A/D转换后作为控制器最终的输入量，控制器按照一定的控制算法，输出控制信号，经D/A转换后，再由功放输出电压信号至层叠式PVDF作动器，PVDF压电薄膜在电场的作用下沿片弹簧长度方向伸缩，实时改变吸振器固有频率，从而起到对管路振动的控制与吸收。

Claims

1.一种新型变刚度半主动管路吸振器，包括夹持圆环和吸振器，其特征在于：吸振器包括对称设置在夹持圆环外表面的四个子吸振器，每个子吸振器包括两个片弹簧、惯性质量块以及设置在每个片弹簧上、下两个表面的层叠式PVDF作动器，两个片弹簧弯曲对接后形成扁环形结构，扁环形结构的一端与夹持圆环连接、另一端与惯性质量块连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型变刚度半主动管路吸振器，其特征在于：所述层叠式PVDF作动器由N片PVDF压电薄膜通过环氧树脂粘接而成，且粘接方式是“电学并联、力学串联”的方式。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型变刚度半主动管路吸振器，其特征在于：每个弹簧片上、下两个表面的层叠式PVDF作动器所加的电场方向相反。

4.根据权利要求1或2所述的一种新型变刚度半主动管路吸振器，其特征在于：所述夹持圆环由两个半圆环通过螺栓连接而成，且在夹持圆环的外表面对称设置有四个凸台，扁环形结构的一端与夹持圆环连接是指扁环形结构的一端与夹持圆环的凸台连接。

5.根据权利要求3所述的一种新型变刚度半主动管路吸振器，其特征在于：所述夹持圆环由两个半圆环通过螺栓连接而成，且在夹持圆环的外表面对称设置有四个凸台，扁环形结构的一端与夹持圆环连接是指扁环形结构的一端与夹持圆环的凸台连接。