CN111215561B - 压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法，包括添加预定的预应力，对压电陶瓷圆管进行一次预先缠绕；计算所述预应力与重物重力之间的关系；在固定压电陶瓷圆管的金属模具上加装一个固定装置，用以在开始阶段固定金属丝；组装缠绕设备，并吊放相应重力的重物；通过缠绕设备均匀缠绕金属丝；在第二圈和倒数第二圈缠绕完毕后对金属丝进行固定。本发明可以更好地对压电圆管进行预应力丝缠绕，所施加的预应力也可以更大，更精确，达到制作方法简单、工序步骤少，预应力更大等效果。

Description

压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法
技术领域
本发明涉及水声工程技术领域，具体地，涉及一种压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法。
背景技术
压电陶瓷是一种应用广泛的换能器材料，压电陶瓷换能器具有电声效率大、接收灵敏度高等优点，所以在当前水声领域中得到广泛使用。为了挖掘发射用的压电换能器的应用潜力，一般都需要在换能器两端施加较大的电功率。在实际的使用中，压电陶瓷材料具有较强的抗压能力(PZT-4/600MPa)，但是抗拉能力较差(PZT-4/27MPa)，在压电陶瓷换能器振幅较大，超过其机械极限时，如果不对其施加一定的应力，则压电材料容易出现碎裂的情况，进而破坏换能器。针对这一情况，施加预应力可以提高压电陶瓷抗拉强度，提高压电陶瓷所能承受的最大电压，对提高发射换能器的声源级有一定意义。
特别地，由于水声对抗换能器经常工作在功率极限的上限上，所以预应力对水声对抗换能器声源级的提高就更有意义。
圆管型压电换能器的换能元件为压电陶瓷圆管。圆管换能器具有均匀的指向性和较高的灵敏度等特点，且结构简单。圆管换能器的工作频段很宽，一般在500Hz到100kHz中都可使用，而在低频段圆管换能器是有一定优势的。并且，圆管换能器在水声对抗中使用广泛，提升圆管换能器的性能对水声对抗有着一定意义。在实际制作中由于大尺寸陶瓷管形成工艺的难度较大，往往采用镶拼结构替代，有源材料也可采用稀土棒来组成，而稀土材料的应用可以获得更低的谐振频率和更高的发射功率。
由于水声信号的接收和发射一般都处在稳态的工作条件，因而功率密度比较小，圆管换能器的典型结构和振动模态都能满足应用要求。与其他领域的应用相比，在水声领域的应用要求圆管换能器有更大的功率、更高的效率、更好的工作可靠性和稳定性。
圆管换能器能否具备大功率，关键因素之一是如何充分发挥压电陶瓷的机械性能，由于压电陶瓷自身的抗拉能力远小于抗压能力，所以，通过对圆管施加预应力可以有效的提高压电陶瓷的抗拉能力，进而可以提高圆管换能器的功率。
在如何对圆管施加预应力这一问题上，已有学者从理论上进行过推导，提出了使用玻璃钢丝等非金属预应力丝进行缠绕来施加预应力的方法。也有学者通过仿真，提出利用热胀冷缩原理使用金属套管施加预应力的方法。虽然这两种方法均可以对圆管施加一定的预应力，但是，使用非金属丝进行缠绕时，往往会因为非金属丝的断裂而无法施加较大的预应力，而在使用金属套管时，套管和圆管的制作难度高，耗费资源多，容错率低，难以大规模使用。所以，如何对缠绕法进行改善，提高施加的预应力的上限，进而提出一种新的预应力施加方法就显得尤为重要。
对于压电陶瓷圆管缠绕金属预应力丝的制作方法，目前没有发现与本发明相同类技术存在，也没有发现有同类方法在文件与文献中存在。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法。
根据本发明提供的一种压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法，包括：
步骤1：添加预定的预应力，对压电陶瓷圆管进行一次预先缠绕；
步骤2：计算所述预应力与重物重力之间的关系；
步骤3：在固定压电陶瓷圆管的金属模具上加装一个固定装置，用以在开始阶段固定金属丝；
步骤4：组装缠绕设备，并吊放相应重力的重物；
步骤5：通过缠绕设备均匀缠绕金属丝；
步骤6：在第二圈和倒数第二圈缠绕完毕后对金属丝进行固定。
优选地，在步骤1之前还包括：对压电陶瓷圆管进行洗净。
优选地，所述步骤1采用玻璃钢丝进行预先缠绕，玻璃钢丝采用环氧胶粘接。
优选地，所述金属丝包括：铜丝、铁丝或铝丝。
优选地，所述固定装置包括螺栓、重物，或者将金属丝粘接在所述金属模具上。
优选地，所述缠绕设备包括自动绕线机或手动绕线机。
优选地，所述步骤6中的固定方法包括：使用焊锡对所述金属丝进行焊接。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明可以对压电圆管缠绕金属预应力丝，可以获得较大，较精确的预应力，从而获得施加过合适预应力的圆管型换能器，本发明制作方法简单、工序步骤少。具体的：
(1)施加的预应力较为精确，便于计算。
(2)制作工艺步骤少，结构紧凑、简单可靠。
(3)适用于多种结构、不同尺寸的圆管换能器。
(4)工艺设备要求低，装配方便、简洁。
(5)生产效率高，成本低。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例的挂载重物的示意图；
图2是本发明实施例的缠绕示意图；
图3预应力压电陶瓷圆管电导图；
图4是本发明对压电陶瓷圆管缠绕金属预应力丝的制作方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法,该方法包括如下步骤：
步骤一、准备好合适的压电圆管，洗净备用，包括：确定压电陶瓷的材料，根据公式粗略计算压电陶瓷圆管的尺寸，选择压电圆管的极化方式。
步骤二、使用玻璃钢丝添加合适的预应力对陶瓷圆管进行一次预先缠绕，将绕好玻璃钢丝的圆管打毛备用。
步骤三、选用材料、粗细、长度合适的金属丝备用。金属丝直径大小可以随着金属丝种类及工艺需求的改变而改变。
步骤四、通过计算，确定预应力与重物重力之间的关系，选择合适的重物进行预应力施加。
步骤五、在固定陶瓷圆管的金属模具上加装一个固定装置，用以在开始阶段固定金属丝。
步骤六、组装缠绕设备，并吊放重量合适的金属重物。
步骤七、匀速细密缠绕。
步骤八、在第二圈和倒数第二圈缠绕完毕后对金属丝进行固定，即可有效避免短路情况。
本实施例采用玻璃钢丝进行预先缠绕，玻璃钢丝采用环氧胶粘接。金属丝包括：铜丝、铁丝或铝丝。固定装置包括螺栓、重物，或者将金属丝粘接在所述金属模具上。缠绕设备包括自动绕线机或手动绕线机。对金属丝的固定方法包括：使用焊锡对所述金属丝进行焊接。
针对步骤四所述的预应力计算过程，通过对圆管受力的研究，可以得到重力与预应力之间的关系，这对预应力施加工作有一定的指导意义。此时，将缠绕预应力形成的预应力层等效为一个预应力圆管进行分析计算。
挂载重物时，假设金属丝与垂直方向的夹角为θ，重物的重力为G，则此时拉力F为：
F＝(Gtanθ)/2
缠绕预应力丝时，预应力管在内径处的切应力可以等效为缠绕预应力丝时所用的拉紧预应力丝的应力，此时切应力Tst可以表示为：
Figure GDA0002960668450000041
F为重物提供的对预应力丝的拉力，Rs为预应力丝的半径。
假设压电圆管的内半径为a，外半径为b，高度为l。轴对称问题的应力分量有四个：Tr，Tθ，Tz，Trz，将压电陶瓷近似看成各向同性的材料。用φ表示应力函数，则应力分量与应力函数的关系可以表示为：
Figure GDA0002960668450000051
上式中，σ为泊松系数。可以求得：
Figure GDA0002960668450000052
由上式可以求出应力函数的解，并且求得的解满足平衡条件和相容条件，再通过边界条件即可确定弹性体的应力分布。
假设作用在物体内、外表面以及两个顶端的压力都是均匀的，那么这种条件下上式的解为:
φ＝z(Aln r+Br2+C)+Dz3
式中，A,B,C和D是可由边界条件求出的积分常数，在实际的设计过程中，圆管换能器的管端不受力，对陶瓷圆管来说，假设陶瓷圆管的内半径为a，外半径为b，预应力管和陶瓷圆管接触面上的静压力为P0，对预应力管来说，预应力管的内壁静压力为0，外壁静压力为P0，则边界条件为：
Figure GDA0002960668450000053
经过推导，可以得到预应力丝对压电圆管施加的切应力Tθ和径向应力Tr:
Figure GDA0002960668450000054
通过公式计算，可以定量地计算预应力的大小，并确定重物的重量及拉力大小。
图1是本发明实施例的挂载重物的示意图，如图1的所示，通过滑轮挂载已测量好重量的重物，对金属丝施加一定的拉力，从而对圆管施加一定的预应力。
图2是本发明实施例的缠绕图，如图2的所示，通过螺栓固定金属丝的起始点，匀速、细密地在圆管上缠绕金属丝。
缠绕完毕后将压电圆管换能器的密封硫化，电缆头硫化，硫化材料为橡胶，硫化之后组装换能器的配件，获得一个施加过预应力的压电圆管换能器。在水池中测试换能器的电声性能，测得电声性能如图3压电陶瓷圆管电导图。相比未施加预应力的陶瓷圆管，施加预应力的陶瓷圆管的频率等参数发生了一定改变，说明施加的预应力对陶瓷圆管的性能产生了一定的影响。因此，本发明所提供的方法对压电圆管缠绕金属丝的制作取得了较好的效果。
图4是本发明对压电陶瓷圆管缠绕金属预应力丝的制作方法流程图。本发明提供一种压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法，适用于多种尺寸的压电圆管换能器，包括如下的制作步骤：
步骤一、准备好合适的压电圆管，洗净备用，包括：确定压电陶瓷的材料，根据公式粗略计算压电陶瓷圆管的尺寸，选择压电圆管的极化方式；
步骤二、使用玻璃钢丝添加合适的预应力对陶瓷圆管进行一次缠绕，将绕好玻璃钢丝的圆管打毛备用；
步骤三、选用材料、粗细、长度合适的金属丝备用；
步骤四、通过公式
Figure GDA0002960668450000061
计算，根据所需要施加的预应力大小可以计算得到重物重力的大小，从而选择合适的重物重量和施加角度进行预应力施加；
步骤五、在固定陶瓷圆管的金属模具上加装一个螺栓用以在开始阶段固定金属丝；
步骤六、组装缠绕设备，并吊放重量合适的金属重物；
步骤七、匀速细密缠绕；
步骤八、在第二圈和倒数第二圈缠绕完毕后使用焊锡对金属丝进行焊接。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法，其特征在于，包括：
步骤1：添加预定的预应力，对压电陶瓷圆管进行一次预先缠绕；
步骤2：计算所述预应力与重物重力之间的关系；
步骤3：在固定压电陶瓷圆管的金属模具上加装一个固定装置，用以在开始阶段固定金属丝；
步骤4：组装缠绕设备，并吊放相应重力的重物；
步骤5：通过缠绕设备均匀缠绕金属丝；
步骤6：在第二圈和倒数第二圈缠绕完毕后对金属丝进行固定。
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法，其特征在于，在步骤1之前还包括：对压电陶瓷圆管进行洗净。
3.根据权利要求1所述的压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法，其特征在于，所述步骤1采用玻璃钢丝进行预先缠绕，玻璃钢丝采用环氧胶粘接。
4.根据权利要求1所述的压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法，其特征在于，所述金属丝包括：铜丝、铁丝或铝丝。
5.根据权利要求1所述的压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法，其特征在于，所述固定装置包括螺栓、重物，或者将金属丝粘接在所述金属模具上。
6.根据权利要求1所述的压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法，其特征在于，所述缠绕设备包括自动绕线机或手动绕线机。
7.根据权利要求1所述的压电陶瓷元件金属预应力丝的缠绕方法，其特征在于，所述步骤6中的固定方法包括：使用焊锡对所述金属丝进行焊接。
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