CN107654552A - 一种采用压电片进行对中性调节的准零刚度隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种采用压电片进行对中性调节的准零刚度隔振器，包括支撑板、底座，支撑板和底座之间安装机械弹簧、定子和动子，定子固定在底座上，定子上缠绕线圈，动子位于定子的外部，支撑板和动子安装座通过支撑杆安装在动子的上下两端，支撑杆与支撑板相固定，支撑杆的下端位于动子安装座的导向孔里，动子安装座位于底座的上方，动子安装座上安装直线轴承，底座上设置导向轴，导向轴穿过动子安装座并与直线轴承配合形成直线运动副，每个直线运动副的两侧各设置一个支撑杆。本发明采用板簧和压电材料组合的方式，使得整个调整机构大为简化，从而结构更加可靠，且不易发生故障，调整更为便捷，响应更加迅速，并且高径比小。

Description

一种采用压电片进行对中性调节的准零刚度隔振器

技术领域

本发明涉及的是一种隔振器，具体地说是准零刚度隔振器。

背景技术

准零刚度系统对中间质量的位置有较高的要求，而半主动电磁式隔振器要求更为严格，当系统的载荷出现变化时，会使中间质量偏离平衡位置而降低系统的隔振效果，故而，准零刚度系统一般都需要配套的中心位置调节机构从而保证系统的正常工作，已知的中心位置调节机构分为机械式和电控式。最常见的机械式调整机构是对支撑弹簧的预压缩量进行调节，包含调整机构和锁紧机构两大部分，零件较多，且加工成本高，调整过程较为麻烦且费时。

电控式相对于机械式，其调整方式自动化程度高，较为方便，已知的有液压式，伺服控制式，磁流变弹性体，压电片式等，前两者调整简便，承载能力大，但是体积较大，成本较高，适合大型设备及载荷较大时对隔振系统进行调整。磁流变弹性体成本高，技术不够成熟，工程领域应用较少，而压电片经过一个世纪的发展，已经较为成熟，应用领域广，成本低，成为首选。

公开号为CN 105485230 B的专利提出了一种采用非对称磁齿实现准零刚度特性的电磁式半主动隔振器。该专利不具备静平衡位置的调节能力，当动子衔铁上的磁齿与壳体上的磁齿不在平衡位置时，施加电流后由于不平衡所引起的大幅度偏离导致其准零刚度特性失效在一定程度上限制了其应用。

公开号为CN 102022473 A的专利公布了一种超宽频可调式电磁阻尼隔振装置。该专利具有一套机械式调整机构，调节横向弹簧部分的预紧螺钉实现系统隔振带宽改变的能力，但由于二力杆，弹簧预压缩量调节装置，锁紧装置的横向布置，导致其结构不紧凑，空间占用量大，故而不适合工程应用。

公开号为CN 105972370 A的专利公布了一种新型变刚度半主动管路吸振器，该发明采用了一套在板簧上贴附PVDF压电薄膜的半主动变刚度吸振结构，从而获得理想的吸振效果，但是，使用板簧这种刚度非线性的弹性材料作为主要承载机构增加了控制上的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供结构紧凑、高径比小、可靠性高的一种采用压电片进行对中性调节的准零刚度隔振器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种采用压电片进行对中性调节的准零刚度隔振器，其特征是：包括支撑板、底座，支撑板和底座之间安装机械弹簧、定子和动子，定子固定在底座上，定子上缠绕线圈，动子位于定子的外部，支撑板和动子安装座通过支撑杆安装在动子的上下两端，支撑杆与支撑板相固定，支撑杆的下端位于动子安装座的导向孔里，动子安装座位于底座的上方，动子安装座上安装直线轴承，底座上设置导向轴，导向轴穿过动子安装座并与直线轴承配合形成直线运动副，每个直线运动副的两侧各设置一个支撑杆。

本发明还可以包括：

1、还包括板簧机构，所述板簧机构包括上板簧安装座、下板簧安装座、板簧，板簧的两端分别连接上板簧安装座和下板簧安装座，可绕销轴自由旋转的上板簧安装座通过其对应的销连接支撑板，可绕销轴自由旋转的下板簧安装座同样通过其对应的销连接底座。

2、板簧的外侧设置压电片，压电片通电后沿板簧切线方向上产生变形。

3、每个板簧上包括两片或两片以上并联的压电片。

4、所述的机械弹簧和直线轴承各有三个、且均匀间隔设置，每个机械弹簧或直线轴承外侧均设置有一个板簧机构。

本发明的优势在于：

1、不同于传统的机械弹簧调节预压缩量的装置，本发明采用板簧和压电材料组合的方式，使得整个调整机构大为简化，从而结构更加可靠，且不易发生故障，调整更为便捷，响应更加迅速，并且高径比小。

2、由于本发明采用了压电材料和电磁式准零刚度系统，使得整个系统从负刚度调整到动子对中，再到载荷发生变化，都可以采用电信号进行控制，减少人为操作，在调整时不用拆卸便可进行调整，便于控制，自动化程度更高。

3、虽然使用板簧结构在系统中引入了非线性刚度，但是，由于板簧结构只是作为辅助承载机构，主要作为中心位置调节和位移放大机构，其刚度在系统整体刚度中，贡献度较小，故而在一定范围内其非线性特性可近似为线性来处理。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为本发明的A-A视图；

图3为本发明的仰视图；

图4为本发明的立体图；

图5为I部分的局部放大图；

图6为中心调节机构原理图。

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1-6，本发明是这样实现的：定子9通过压板2、螺钉7和弹性防松垫片8安装在底座12上，定子9上绕有线圈6，以产生电磁力。支撑板1和动子17安装座通过六根杆安装在动子17的上下两端。动子安装座设置有三个带法兰直线轴承安装孔，直线轴承21通过上文提及的六根杆以螺纹的方式安装在动子安装座上，动子安装座通过直线轴承21与安装在底座12上的三根导轨形成一对运动副，限制动子17水平方向的移动。底座12与支撑板1之间设置机械弹簧3和板簧5，采用并联的方式布置，板簧5表面贴有多层PVDF压电材料18，可改变板簧5的预压缩量。

板簧5通过螺钉连接在板簧安装座4上，使用销15和深沟球轴承13链接在支撑板1和底座12上，板簧安装座4可绕销轴自由旋转。压电片18紧贴于板簧5上，不能发生相对位移，必要时可采用螺钉与金属胶进行加固。

本发明主要包括三个部分：负刚度系统，正刚度系统与动子对中调整系统。需要说明的是，动子对中调整系统与正刚度系统有一部分组件重合，但在两个系统中，同一个组件发挥的作用不同，在下文中会详细介绍。

负刚度系统主要由线圈6，定子9与动子17通过不同的部件组合而成，形成一个闭合的磁路，为系统提供负刚度。

正刚度系统由机械弹簧3和板簧5并联而成，支撑板1和底座12均设有弹簧安装座，便于安装机械弹簧3，机械弹簧3依据被隔离对象的重量大致选定即可。板簧5通过板簧安装座4安装在底座12和支撑板1上，由此，板簧5与机械弹簧3并联，组成整个系统的正刚度系统。

动子对中调节系统由PVDF压电材料18和板簧5组成，PVDF压电材料18使用金属胶粘贴在板簧5上，必要时使用螺钉将压电片18与板簧5进行固连，防止发生相对位移。

图1为本发明的结构示意图。支撑板1主要用于连接被隔振物体，同时充当动子上端盖的作用，它与底座12皆设置弹簧安装座以便于机械弹簧3的连接，整个结构共安装3个机械弹簧3，均匀分布在整个结构中，如图4所示。支撑板1与底座12设置有轴承安装座，见图5，其内装有深沟球轴承13，C型孔用挡圈16，销15和开口销14，如图1所示，板簧安装座4通过销15连接在支撑板1和底座12上，从而，使得板簧5与机械弹簧3实现并联，板簧5上贴附压电片18。支撑板1置于动子17上方，动子17的下方设置下端盖22，由图2可见，下端盖设有螺纹孔，便于安装带法兰的直线轴承21，直线轴承21通过支撑杆19下端的螺纹固连在下端盖22上，支撑杆19上端与支撑板1使用螺钉23拔紧从而实现与东子的固连，直线轴承21与安装在底座12上的导向轴20组合形成一对直线运动副，使得整个结构只能进行竖直方向的运动，如图4所示，该结构共设置三套，均匀的分布在整个系统中。动子17内部设置定子9，其上绕有线圈6以产生磁场，定子9通过压板2与螺钉7固连在底座12上。底座12与支撑板1上可依据现场情况设置沉头孔，方便与被隔振物体和基础连接。

需要注意的是，机械弹簧3和板簧5需要依据被隔振物体的质量进行选择，也就是说，所选的机械弹簧3和板簧5能够使得在整个系统连接好后，动子17和定子9的磁齿大致位于对中位置。动子17和定子9的磁齿近似位于对中位置后，再贴附压电材料。

同时需要注意，单层压电片在通电后产生的力较小，不足以产生足够的形变，此时应根据情况，使用多层压电片并联布置，从而产生使板簧产生足够变形的力。

图6所示为动子对中系统的工作原理图，利用逆压电效应进行调整。当电压施加在压电片18的两端时，压电片18的内部在电场作用下，原本重叠的正电荷和负电荷中心将产生相对位移，进而使得压电片18发生形变。由电学基础理论可知：

D＝ε₀E+P

其中，D＝[D_x D_y D_z]^T，D_x，D_y，D_z分别为压电片18在x，y，z方向上产生的电位移；ε₀是真空中的介电常数；P为电偶极距；E＝[E_x E_y E_y]^T，E_x，E_y，E_z分别为施加在压电片18的x，y，z方向的电场。

又有P＝χ^E，χ是介质的极化率，故而：

D＝ε₀E+P＝(ε₀+χ)E＝εE

写成矩阵的形式，则有：

上式即为动子对中调整系统的控制方程，对于任意各向同性的晶体，其介电常数矩阵为对称矩阵。

对本发明而言，贴附在板簧5外侧的压电片18在两侧通电后，将会主要产生沿板簧切线方向的变形。此时，板簧5左右两侧受力不均，导致其产生弯曲变形，从而使得板簧在竖直方向的高度发生变化(其高度增加或减小依据施加在压电片18两侧的电场方向而定)，导致动子17上下移动，达到调整磁齿对中调整的目的。

需要注意的是，上述调整需要在隔振器接入整个隔振系统后进行，依据上文所述，此时，磁齿此时在对中的位置附近，但是并未完全对中，需要进行微调。在隔振器接入整个隔振系统后，对定子线圈6上电，并且在支撑板1上设置力传感器，调整施加在压电片18两侧的电压大小、方向，不断的刷星从力传感器采集到的数据，当力传感器反馈给控制器的数值最小时，判定为动子17与定子9的磁齿位于对中位置，此时，保存寄存器中压电片两侧的电压值，并保持压电片18两侧的电压不变即可完成对中调整。

Claims (5)

1.一种采用压电片进行对中性调节的准零刚度隔振器，其特征是：包括支撑板、底座，支撑板和底座之间安装机械弹簧、定子和动子，定子固定在底座上，定子上缠绕线圈，动子位于定子的外部，支撑板和动子安装座通过支撑杆安装在动子的上下两端，支撑杆与支撑板相固定，支撑杆的下端位于动子安装座的导向孔里，动子安装座位于底座的上方，动子安装座上安装直线轴承，底座上设置导向轴，导向轴穿过动子安装座并与直线轴承配合形成直线运动副，每个直线运动副的两侧各设置一个支撑杆。

2.根据权利要求1所述的一种采用压电片进行对中性调节的准零刚度隔振器，其特征是：还包括板簧机构，所述板簧机构包括上板簧安装座、下板簧安装座、板簧，板簧的两端分别连接上板簧安装座和下板簧安装座，可绕销轴自由旋转的上板簧安装座通过其对应的销连接支撑板，可绕销轴自由旋转的下板簧安装座同样通过其对应的销连接底座。

3.根据权利要求2所述的一种采用压电片进行对中性调节的准零刚度隔振器，其特征是：板簧的外侧设置压电片，压电片通电后沿板簧切线方向上产生变形。

4.根据权利要求3所述的一种采用压电片进行对中性调节的准零刚度隔振器，其特征是：每个板簧上包括两片或两片以上并联的压电片。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种采用压电片进行对中性调节的准零刚度隔振器，其特征是：所述的机械弹簧和直线轴承各有三个、且均匀间隔设置，每个机械弹簧或直线轴承外侧均设置有一个板簧机构。