CN1540181A - 一种电流变液双电极复合结构件 - Google Patents
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Abstract
一种电流变液双电极复合结构件，属于机械技术领域，涉及一种基于智能材料的复合结构，可用于噪音与颤振抑制等方面。本发明包括中间一个正电极板(2)、两侧有两个负电极板(5)，密封板(4)和电流变材料(1)。利用电流变材料(1)在外加电场作用下电流变学性能和力学性能如表观粘度、弹性模量尤其是剪切贮存模量和剪切耗散模量发生很大变化，而且可控的性质(即模态刚度和模态阻尼可控的性质)，从而可以改变安装用这种结构制成的悬臂梁和层合板等的动态特性，因而可以用于减振、降噪消声等的计算机控制。本发明结构简单，可靠性高，动态特性好，控制范围宽。
Description
技术领域
本发明属于机械技术领域，涉及一种基于电流变智能材料的结构。
背景技术
振动现象普遍存在于各种机械结构及设备当中，由此而带来的操作准确率低，加工精度差及安全性不好等一直是该领域棘手的问题。增加阻尼、减小振动是解决这一问题的关键性技术。传统的做法是采用在振源上附以大刚度材料的方法以增加被动阻尼力，这种方法一是造成多余负载，二是阻尼力小，效果不明显，三是减振结构一旦设计出来，各种结构参数就不可调，因而适应性较差。近来年，随着智能材料与结构的发展，将电流变体等功能材料与结构件复合而成的智能结构，能够对振动状态实施主动监控和振动抑制。
作为一种新型智能材料，电流变液材料的应用研究近年来受到很大重视。电流变液材料在外加电场作用下，它的流动性能发生突变，由易流动的低粘度液体变为难流动的高粘塑性类固体，而当撤去外电场后，又可在瞬间内恢复到液体，利用这一特有的液-固转变特性，将电流变体与结构件复合制成复合结构，能够使整个复合结构的刚度和阻尼由小到大发生连续变化，从而对整个结构的振动状态实施主动控制。而且从这一特点出发人们可以将这种结构埋入或者嵌入其他的需要控制振动的系统，通过用计算机等设备对复合结构的物理性能进行控制，进而实现对含有这种智能材料结构的系统的主动控制。
当前国内外对电流变液复合结构的研究主要集中于图1所示的电流变液(三明治)复合结构的动态特性研究和振动控制，以及将此种结构埋入其它结构件中制成的自适应结构，以改变电极上的电压值来改变电流变体材料的屈服应力，达到结构刚度和强度的自适应控制，起到减振、降噪作用。2001年第239卷第1期的《噪声与振动》(J.of Sound andVibration)的第178至185页报导了美国的可卫(Choi)等人将“电流变液(三明治)复合结构”做成的平板用于噪音控制，并用模糊逻辑在时域与频域进行了控制实验与理论研究。电流变液(三明治)复合结构是将电流变液封装于两条平行铝质电极板之中，可以将它作成复合三明治悬臂梁和层合板结构，利用电流变液在外加电场作用下电流变学性能和力学性能如表观粘度，弹性模量尤其是剪切贮存模量和剪切耗散模量发生很大变化，而且可控的性质(即模态刚度和模态阻尼可控的性质)，从而可以改变这种结构制成的悬臂梁结构和层合板结构的动态特性，因而可以用于减振、降噪消声等的计算机控制。但这种结构的动态控制性能范围比较窄，具有一定的局限性。发明内容
本发明的目的在于克服上述电流变液复合结构的不足，设计一种结构简单，工作可靠，控制范围宽的三平行板电流变液双电极复合结构件。
本发明提供了一种电流变液双电极复合结构件，包括有正电极板2、负电极板5、密封板4、电流变材料1和连接材料3，其特征在于：负电极板5设置在正电极板2的两侧，密封板4设置在正电极板2与负电极板5的两端，并通过连接材料3与正电极板2和负电极板5连接，电流变材料1分别置入正电极板2和负电极板5、密封板4围成的空腔中。其中连接材料3为粘接材料，如丙烯酸、硅橡胶，或者采用其他机械连接结构。
本发明的正电极板2和负电极板5采用双面覆铜板或者铜板、铝板，双面覆铜板表面光洁度很高，平面度很好，厚度薄且导电性好，用它作电极，可以承受高电压作用。
密封板4是由有一定硬度的硬橡胶制成，或者是其他的有较好弹性的塑料等绝缘材料，作用是定位和保证电流变材料不被外界污染。
正电板2和负电极板5之间的距离要设计合理，可以根据需要设计，可以小到几个微米，大到几个毫米，间距过小电流变液容易击穿而短路；间距过大则产生电流变效应所需电压也相应的增大，本发明取间距为0-5毫米。
由于电流变液体的工作电压高达几千伏，电流变液复合结构件的所有电极必须与外部绝缘，因此在两个负电极板5的外侧表面设置有云母片6，在云母片6外侧设置有机玻璃隔离板7，起绝缘作用，将正负极与机床和车刀以及传感器隔离开。其中有机玻璃隔离板7还起到消除电流变液复合结构件与刀座之间的间隙，保持电极以及结构与刀座保持平行，与刀杆保持垂直的作用。
本发明的复合结构件在实际的车削颤振抑制应用中表明，其颤振抑制效果明显，控制方便灵活，动态控制范围大。
附图说明
图1电流变液(三明治)复合结构
图中：1.电流变材料；2.正电极铝板；3.丙烯酸材料；4.硅橡胶密封板；5.负电极铝板；
图2电流变液双电极复合结构件
图中：1.电流变材料；2.正电极板；3.连接材料；4.密封板；5.负电极板；
图3电流变液双电极复合结构切削颤振抑制装置
图中：10.电流变液双电极复合结构件；11.切削刀具；13.普通刀座；16.三向加速度传感器；
图4电流变液双电极复合结构件的剖面图
图中：1.电流变材料；2.正电极板；3.连接材料；4.密封板；5.负电极板；6.云母片；7.有机玻璃隔离板；
图5切削颤振抑制系统
图中：16.三向加速度传感器；17.电荷放大器；18.通道盒；19.计算机；20.高压直流电源变换器；21.电流变液双电极复合结构切削颤振抑制装置；22.工件；23.CA6140车床；
图6颤振抑制装置系统的振动信号时域图和功率谱图
图中：(a)为对电流变液双电极复合结构件施加电场强度E＝0kV/mm时的颤振抑制装置系统的振动响应时域和功率谱图，(b)为对电流变液双电极复合结构施加电场强度E＝4kV/mm时的颤振抑制装置系统的振动响应时域和功率谱图。
具体实施方式
首先将正电极板2和负电极板5与硅橡胶密封板4、连接材料3按照图4所示采用常规工艺安装调试组成双层腔体结构，然后将电流变材料1采用常规工艺封装于双层腔体中组成电流变液双电极复合结构；然后按照图3所示采用常规工艺将电流变液双电极复合结构件10通过粘接或其他机械连接方式连接于切削刀具11下方和普通刀座13前方之间，构成电流变液双电极复合结构切削颤振抑制装置；最后按照图5所示采用常规电气连接方式依次将加速度传感器16，电荷放大器17，通道盒18，计算机19，高压直流电源变换器20，电流变液双电极复合结构切削颤振抑制装置21依次连接，构成电流变液双电极复合结构切削颤振抑制系统，其中工件22悬臂卡置在CA6140车床23的主轴上，监控系统为一个配有HY6070数据采集卡的PII233计算机19。
当切削颤振发生时，加速度传感器16获得颤振信号，高压直流电源变换器20根据计算机19的控制信号将一定大小电场强度的电场施加在电流变液双电极复合结构10的正负极间，以此通过改变正负极间电流变材料性能来调控电流变液双电极复合结构的动态特性。在对切削颤振抑制装置的电流变液双电极复合结构施加一定的电场后，电流变材料的粘度、模量和屈服应力等流变特性会发生一系列的变化(毫秒级)，一方面通过改变切削系统阻尼和刚度的办法来限制和控制颤振的幅度和频率，从而起到抑制颤振的目的；另一方面使得电流变液双电极复合结构的阻尼和刚度发生改变，消耗颤振发展需要的能量，从而起到限制和控制车刀颤振的幅度和频率作用，达到抑制颤振的目的。撤去电场后，电流变液体在毫秒的时间内恢复原来未施加电场时具有的特性。这样的配置可以保证很方便的根据切削振动信号来调整电源输出电压以控制刀杆的动态特性进行切削颤振的在线抑制。
利用图5所示切削颤振抑制系统可以进行工件的端面车削和切断等的颤振抑制。图6(a)、(b)分别为对电流变液双电极复合结构施加电场强度E＝0kV/mm和电场强度E＝4kV/mm(由于电极间距为0.9mm，因此所施加电压值为3.6kV)时的颤振抑制装置系统的振动响应时域和功率谱图。具体实验条件如下：
车刀类型：机夹切断刀4Q25
刀体材料：45钢调质
刀片材料：KT15
试件材料：45钢
试件直径：30mm
试件悬伸长度：124mm
切削转速：n＝370r/min
进给速度：f＝0.027mm/r
切削宽度：b＝4mm
切断位置：试件悬伸120mm处
进给方式：机床自动走刀
分析图6实验数据可知，当电场强度从0kV/mm增大到4kV/mm后，颤振抑制装置系统的振动响应幅值明显下降，在整个切削过程中振动幅值的绝对平均电压值的大小由平均0.98V下降到0.51V，下降幅度在1/2左右。功率谱峰值在电场强度为3kV/mm时也只是0kV/mm时的1/3左右。在没有施加电场前，智能颤振抑制装置的切断刀和普通切断刀没有什么区别，但在施加电场后，电流变材料粘度变大，电流变复合结构由“空心结构”变成弹性模量、阻尼和刚度可变的“实心结构”，实际上颤振抑制装置的电流变液双电极复合结构变成了切断刀刀杆的一个弹性模量、阻尼和刚度可变部分，由切断刀刀片传到刀体的振动能量被电流变液双电极复合结构消耗掉一部分，颤振的主频率(最高频率)也从212Hz左右减小到195Hz左右，并且没有明显的共振峰，起到了颤振抑制作用，取得了较好的应用效果。
Claims (7)
1.一种电流变液双电极复合结构件，包括有正电极板(2)、负电极板(5)、密封板(4)、电流变材料(1)和连接材料(3)，其特征在于：负电极板(5)设置在正电极板(2)的两侧，密封板(4)设置在正电极板(2)与负电极板(5)的两端，并通过连接材料(3)与正电极板(2)和负电极板(5)粘接，电流变材料(1)分别置入正电极板(2)和负电极板(5)、密封板(4)围成的空腔中。
2.根据权利要求1所述的电流变液双电极复合结构件，其特征在于：连接材料(3)是粘接材料，如丙烯酸、硅橡胶，或者采用其他机械连接结构。
3.根据权利要求1所述的电流变液双电极复合结构件，其特征在于：正电极板(2)和负电极板(5)采用双面覆铜板或者是铜板、铝板制成。
4.根据权利要求1所述的电流变液双电极复合结构件，其特征在于：密封板(4)为硬橡胶或者是其他绝缘材料做成。
5.根据权利要求1所述的电流变液双电极复合结构件，其特征在于：在负电极(5)的外侧设置有云母片(6)，云母片(6)的外侧设置有机玻璃隔离板(7)。
6.根据权利要求1所述的电流变液双电极复合结构件，其特征在于：正电极板(2)与负电极板(5)之间的距离为0-5毫米的任意值。
7.根据权利要求1所述的电流变液双电极复合结构件，其特征在于：该结构件以常规连接方式连接于普通刀座(13)前方和切削刀具(11)的刀杆下方之间，形成电流变液双电极复合结构切削颤振抑制装置，用于车削颤振抑制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |