CN108119603A - 一种基于压电堆叠的减振环装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电堆叠的减振环装置，属于减振装置的设计领域，减振环装置包括内环、外环、内环端盖、外环端盖、压电堆叠、蝶型连接件；所述的压电堆叠连接于蝶型连接件的纵向对称轴处；所述的蝶型连接件均匀分布在内环、外环之间对齐的凹槽内；所述的内环、外环上端还分别设置有内环端盖、外环端盖；通过本发明的新型减振环设计，这种减振环可以利用压电分流阻尼技术有效降低传动系统通过轴和轴承传递到支承的振动，并可以有效避免压电堆叠承受切向应力和扭矩，增加压电堆叠的使用寿命。

Description

一种基于压电堆叠的减振环装置
技术领域
本发明属于减振装置的设计领域，具体是指一种基于压电堆叠的减振环装置。
背景技术
传统的作用在轴承和轴承座上的减振装置有挤压油膜阻尼器等。挤压油膜阻尼器按其轴颈中心和轴承中心在转子未旋转时是否同心分为带定心弹性支承和不带定心弹性支承的挤压油膜阻尼器。例如由张家忠等学者的研究中，提供了一种带弹性支承的挤压油膜阻尼器（张家忠,郑铁生,刘士学,等.挤压油膜阻尼器-滑动轴承-刚性传动系统的稳定性及分岔行为.应用力学报,1996,13(4):35~40）。挤压油膜阻尼器将振动能量吸收变成热能并被滑油带走，对减小转子临界转速时和经由轴承向外传递的振动，效果十分显著。挤压油膜阻尼器有结构简单，重量轻，体积小，减振效果好等优点。
但是，挤压油膜阻尼器的缺陷在于：由于油膜刚度的高度非线性可能导致挤压油膜阻尼器在工作过程中锁死、双稳态和非协调的进动现象，传动系统振动过大甚至产生疲劳和碰撞。
为解决上述缺陷，Atzrodt, Mayer, Melz等研究人员将压电堆叠安装在轴承径向来减小传动轴传递的振动（Atzrodt H, Mayer D, Melz T. Reduction of BearingVibrations with Shunt Damping. 16th International Congress on Sound andVibration. 2009: 2383-2389.）。该技术是利用压电分流阻尼技术可以将轴承传递出的振动能量转化为电能，电能通过分流阻尼电路会被耗散掉，从而起到减振作用。Atzrodt,Mayer, Melz等学者将四个压电堆叠沿着轴承的径向方向安装在支承座内部。这样布置虽然可以使振动产生的力和位移直接传递到压电堆的极化方向，但是也产生了诸多问题。第一，不方便加工和安装。在现实条件下，将完整结构的外壳内打孔并安装固定压电堆叠对于外壳的厚度尺寸和外形要求很高。而且支承处钻孔会影响结构的强度和刚度，所以虽然起到减振效果，但是可能使结构无法发挥正常功能和作用。第二，压电堆叠在极化方向能承受较大的压力，但是无法承受过多的剪切力和扭矩。将压电堆叠沿轴承径向布置，当转子系统高速运转时轴承也会出现旋转并使压电堆承受剪切力和扭矩。显然这种环境下，压电堆叠的可靠性和使用寿命很难保证。第三，这样安装压电堆叠无法保证零件的互换性和标准化。在工程中，无法流水线加工装配，会额外增加工时和成本。第四，旋转部件的载荷是分布载荷，因为采用的是柱状压电堆叠，所以环绕着轴承需要布置大量的压电堆叠，通过每个压电堆叠进行耦合才能达到更好的效果。只有四个压电堆叠分布在传动轴一周，难以产生一个均布的减振效果；而且减振措施需要安装在箱体中，限制了它的使用。压电堆在受到剪切力和扭矩的时候容易破碎。所以在转子系统高速旋转的情况下，该装置的环境适应性较差，使用寿命较短。且该装置需要将压电堆埋在机箱里，对于一般的工程结构不易安装和加工。
因此，设计一种能够解决上述技术缺陷，同时作用于航空领域转子系统中轴承和轴承座或者机械的箱体上时，又能够减小转子系统的振动的作用的减振装置一直是本领域技术人员待解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于压电堆叠的减振环装置，该装置是一种新型减振环设计，由于减振环是环状结构，对称分布，所以当受到其他环向的力时同样可以起到减振效果，解决了现有技术中存在的问题。
本发明是这样实现的：
本发明提供了一种基于压电堆叠的减振环装置，所述的装置包括内环、外环、内环端盖、外环端盖、压电堆叠、蝶型连接件；所述的压电堆叠连接于蝶型连接件的纵向对称轴中心处；所述的蝶型连接件的蝶形两侧嵌在内环、外环之间对齐的凹槽内；该装置的设计点在于：当由轴承向外传递的径向振动力，通过蝶形连接件就转化成对压电堆叠的压力，然后在分支电路串联电阻和电感，利用压电分流阻尼技术，将机械能转化为电能，并通过外接电路的电阻和电感耗散掉，达到减小振动的作用；在内环、外环上端还分别设置有内环端盖、外环端盖，其中的内环端盖、外环端盖起到固定减振环的作用。
所述的蝶型连接件均匀分布于内环、外环之间的凹槽内，压电堆粘接在蝶形连接件对称轴处，蝶型连接件沿环向均匀分布于内外环之间以保证装置的对称性。均匀对称地分布方式可以更好地发挥压电堆叠的耦合作用，当转子系统运转时，振动力的方向是随时间变化在环向不断变化的，所以要使得在每个方向都能起到减振降噪效果，就需要将压电堆叠和蝶型连接件均匀分布在周向。另外避免偏心质量，使得不额外地增加引起振动的因素。
进一步，所述的压电堆叠的上下两端通过粘连固定于蝶形连接件的纵向对称轴中心处，粘连固定后，这样在复杂的受力状态下，压电堆叠不至于脱落，安装时又避免了因为施加过大的力或者加热等损坏压电堆叠。
进一步，所述的内环端盖、外环端盖通过螺栓预紧固定。
进一步，所述的内环端盖、外环端盖上端还设置有螺纹孔，通过插入螺钉分别固定在内环、外环的上端；且所述的螺钉正好压紧蝶形连接件，在内环和外环的端盖上开螺纹孔，便于插入螺钉给蝶形连接件提供一个预紧力。
进一步，所述的压电堆叠连入外接电路，与电阻、电感串联。
进一步，所述的内环、外环的轴线重合。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
1）本发明的新型减振环设计，这种减振环可以利用压电分流阻尼技术有效降低传动系统通过轴和轴承传递到支承的振动，并可以有效避免压电堆叠承受切向应力和扭矩，增加压电堆叠的使用寿命；
2）本装置与传统的阻尼器如弹性支承、鼠笼式弹性环、挤压油膜阻尼器、金属橡胶等相比，具有设备简单突出的优点。尽管传统的减振装置也能有效地减少系统振动，但是存在着结构复杂、润滑油容易粘连锁死、阻尼适用范围狭小、产生大量热能等其他一些局限性，本发明的装置简单可以避免上述缺陷；
3）通过在内、外环之间的均匀分布蝶形连接件，当轴承向外传递的径向振动力可以通过蝶形连接件就转化成对压电堆的压力，然后在分支电路串联电阻和电感，利用压电分流阻尼技术，将机械能转化为电能，并通过外接电路的电阻和电感耗散掉，达到减小振动的作用。
附图说明
图1是本发明说明书中挤压油膜阻尼器结构简图；
图2是本发明一种基于压电堆叠的减振环装置的减振环立体图；
图3是本发明一种基于压电堆叠的减振环装置的减振环剖视图；
图4是本发明一种基于压电堆叠的减振环装置的压电堆叠示意图；
图5是本发明一种基于压电堆叠的减振环装置的减振环内环示意图；
图6是本发明一种基于压电堆叠的减振环装置的内环端盖示意图；
图7是本发明一种基于压电堆叠的减振环装置的减振环外环示意图；
图8是本发明一种基于压电堆叠的减振环装置的外环端盖示意图；
图9是本发明一种基于压电堆叠的减振环装置的蝶形连接件示意图；
图10是本发明一种基于压电堆叠的减振环装置的压电堆叠外接电路示意图；
图11是本发明实施例中的力传递率实验测试图；
其中，1-内环，2-外环，3-内环端盖，4-外环端盖，5-压电堆叠，6-蝶形连接件，7-螺栓，8-螺栓，9-电阻，10-为电感。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下所述仅为本发明一部分实施例，非全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如2~10所示，减振环装置主要包括有内环1、外环2、内环端盖3、外环端盖4、压电堆叠5、蝶型连接件6，将蝶形连接件分别与压电堆叠5上下两端粘连起来，将内环1、外环2的凹槽分别对齐，将蝶形连接件6分别插入到内环1、外环2之间的凹槽内，注意安装时要保证内环1和外环2的轴线重合。
其中内环1、外环2及其对应的内环端盖3、外环端盖4用螺栓连接螺栓7预紧固定好，将螺钉8拧入内环1和外环2的螺纹孔内，并使其压紧蝶形连接件6。
然后把压电堆叠5连入外接电路，串联电阻9和电感10。至此减振环组装完成，将其装在轴承上，即可开始工作。
具体实验中，将减振环安装在轴承和轴承座之间，本次实验中采用八个压电堆叠，在实际的应用中不限定八个。将八个压电堆叠5分别和100Ω电阻和1H的电感串联。在和轴承连接的轴上施加竖直方向的正弦激励，在扫频情况下分别测量在连接外界电路和不连接外接电路的情况下轴承座输出的力。如图11所示，图11是本发明的基于压电堆叠的减振环装置的力传递率实验测试图，可以发现，当连接外接电路时此减振环在该方向力传递率峰值下降了23.3%，具有明显的减振效果。由于减振环是环状结构，对称分布，所以当受到其他环向的力时同样可以起到减振效果。

Claims (6)

1.一种基于压电堆叠的减振环装置，其特征在于，所述的装置包括内环（1）、外环（2）、内环端盖（3）、外环端盖（4）、压电堆叠（5）、蝶型连接件（6）；所述的压电堆叠（5）连接于蝶型连接件（6）的纵向对称轴处；所述的蝶型连接件（6）的蝶形两侧嵌在内环（1）、外环（2）之间对齐的凹槽内；且所述的蝶型连接件（6）均匀分布于内环（1）、外环（2）之间的凹槽内；所述的内环端盖（3）、外环端盖（4）分别设置于内环（1）、外环（2）的上端。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电堆叠的减振环装置，其特征在于，所述的压电堆叠（5）的上下两端通过粘连固定于蝶形连接件（6）的纵向对称轴中心处。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电堆叠的减振环装置，其特征在于，所述的内环端盖（3）、外环端盖（4）通过螺栓（7）预紧固定。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电堆叠的减振环装置，其特征在于，所述的内环端盖（3）、外环端盖（4）上端还设置有螺纹孔，通过插入螺钉（8）分别固定在内环（1）、外环（2）的上端；且所述的螺钉（8）正好压紧蝶形连接件（6）。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电堆叠的减振环装置，其特征在于，所述的压电堆叠（5）连入外接电路，与电阻（9）、电感（10）串联。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电堆叠的减振环装置，其特征在于，所述的内环（1）、外环（2）的轴线重合。
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