本發(fā)明屬于船艇振動(dòng)和噪聲主動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓電微位移放大剛度可調(diào)的船艇推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)控制裝置。

背景技術(shù)：

目前，隨著技術(shù)的發(fā)展，船舶和潛艇仍然是海上運(yùn)輸以及控制海洋資源的重要手段之一。然而，無(wú)論是民用船舶還是軍用潛艇在航行時(shí)，螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生非定常軸向激勵(lì)力，該力構(gòu)成主推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)的主要激勵(lì)源。而主推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)不僅會(huì)導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)的故障，而且引起船體振動(dòng)并向水下輻射噪聲，降低民用船舶乘坐的舒適性和軍用潛艇的隱身性能。因此，如何控制船舶和潛艇航行時(shí)船體的振動(dòng)具有很重要和迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外研究人員提出了多種解決方法。從振動(dòng)傳遞的原理出發(fā)，可以分為以下三類：降低螺旋槳的脈動(dòng)激勵(lì)以減小激勵(lì)源、降低振動(dòng)沿推進(jìn)軸系的傳遞(即減少推進(jìn)軸系的振動(dòng))、以及直接降低船體的振動(dòng)。然而由于各種因素的限制(如對(duì)于船體結(jié)構(gòu)，為了滿足強(qiáng)度和布置的要求，改動(dòng)較為有限等)以及就實(shí)際取得的效果而言，降低船艇主推進(jìn)軸系的振動(dòng)為目前最切實(shí)可行的方法。

為了降低推進(jìn)軸系的振動(dòng)，目前存在各種各樣的減震裝置，如阻尼器、共振轉(zhuǎn)換器等，這些都屬于被動(dòng)控制技術(shù)，目的是為了增加推進(jìn)軸系的阻尼，將振動(dòng)的能量耗散掉，然而實(shí)踐表明其控制效果不太理想?；谥鲃?dòng)控制技術(shù)的裝置有電磁式作動(dòng)器、氣動(dòng)伺服作動(dòng)器等，相對(duì)于被動(dòng)控制而言，其具有適應(yīng)性好，低頻控制效果良好等優(yōu)點(diǎn)，然而目前這些裝置的不足之處在于中高頻范圍內(nèi)所取得的控制效果較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述控制裝置的不足，旨在提供一種能夠主動(dòng)減震且在中高頻范圍內(nèi)控制效果較好的振動(dòng)控制裝置，以減小推進(jìn)軸系的縱向振動(dòng)從而減小船體的振動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種船艇推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)控制裝置，包括：推力軸承、推力盤(pán)、壓電作動(dòng)器、基座、加速度計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡A/D、處理器、數(shù)據(jù)采集卡D/A、功率放大器；

推力軸承、推力盤(pán)、壓電作動(dòng)器、基座沿軸線方向從左到右依次套在船艇推進(jìn)軸上，推力軸承安裝在船艇推進(jìn)軸上，推力盤(pán)與推力軸承連接，壓電作動(dòng)器的右端與基座固連，左端與推力盤(pán)接觸；加速度計(jì)安裝在基座上并且連接數(shù)據(jù)采集卡A/D的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡A/D的輸出端連接處理器的輸入端，處理器的輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡D/A的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡D/A的輸出端連接功率放大器的輸入端，功率放大器的輸出端連接壓電作動(dòng)器；

加速度計(jì)用于測(cè)量基座的振動(dòng)信號(hào)，并將測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)輸入給數(shù)據(jù)采集卡A/D，數(shù)據(jù)采集卡A/D用于將模擬電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)并輸入至處理器，數(shù)字電壓信號(hào)經(jīng)處理器處理后，輸入給數(shù)據(jù)采集卡D/A，數(shù)據(jù)采集卡D/A用于將數(shù)字電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬電壓信號(hào)并輸出至功率放大器，功率放大器用于將電壓信號(hào)進(jìn)行放大并輸入至壓電作動(dòng)器，壓電作動(dòng)器用于根據(jù)接收到的電壓信號(hào)通過(guò)推力盤(pán)以及推力軸承向推進(jìn)軸系輸出軸向的控制力以減小推進(jìn)軸系的縱向振動(dòng)。

進(jìn)一步地，壓電作動(dòng)器包括：柔性鉸鏈套筒、右支撐盤(pán)、左支撐盤(pán)、柔性鉸鏈扇盤(pán)、壓電組件A、壓電組件B；右支撐盤(pán)固定于柔性鉸鏈套筒右端，柔性鉸鏈扇盤(pán)固定于柔性鉸鏈套筒左端，左支撐盤(pán)位于右支撐盤(pán)和柔性鉸鏈扇盤(pán)之間；

壓電組件A和壓電組件B均分別包括柔性球鉸a、柔性球鉸b、預(yù)緊彈簧、預(yù)緊螺釘；壓電組件A還包括壓電堆疊a，壓電組件B還包括壓電堆疊b；

壓電堆疊a穿過(guò)左支撐盤(pán)上的通孔，左端與柔性球鉸a固連，右端與柔性球鉸b固連；柔性球鉸a的左端面與柔性鉸鏈扇盤(pán)右端面接觸；柔性球鉸b的右端在右支撐盤(pán)的半螺紋通孔內(nèi)與預(yù)緊螺釘接觸；柔性球鉸b右端的外圓柱面上裝有預(yù)緊彈簧，預(yù)緊彈簧的右端面與右支撐盤(pán)的左端面接觸；

壓電堆疊b左端與柔性球鉸a固連，右端與柔性球鉸b固連；柔性球鉸a的左端面與左支撐盤(pán)右端面接觸；柔性球鉸b的右端在右支撐盤(pán)的半螺紋通孔內(nèi)與預(yù)緊螺釘接觸；柔性球鉸b右端的外圓柱面上裝有預(yù)緊彈簧，預(yù)緊彈簧的右端面與右支撐盤(pán)的左端面接觸。

進(jìn)一步地，四塊扇形的柔性鉸鏈扇盤(pán)沿套筒的圓周成90°均勻分布，相鄰柔性鉸鏈扇盤(pán)之間存在微小的切縫；四個(gè)壓電組件A沿右支撐盤(pán)的圓周成90°均勻分布；四個(gè)壓電組件B沿右支撐盤(pán)的圓周成90°均勻分布。

進(jìn)一步地，壓電作動(dòng)器還包括推力螺栓、螺母；柔性鉸鏈扇盤(pán)的弧形邊上開(kāi)有凹槽，推力螺栓與螺母配合固定于凹槽上，松開(kāi)螺母時(shí)，推力螺栓可沿凹槽滑動(dòng)。

本裝置相比于現(xiàn)有的裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本裝置采用壓電作動(dòng)器，由于壓電材料具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、單位體積輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，可以有效控制推進(jìn)軸系的中高頻振動(dòng)，并且搭建了閉環(huán)的主動(dòng)減振架構(gòu)，能夠根據(jù)基座的振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)減振；

2、采用柔性鉸鏈位移放大機(jī)構(gòu)有效地放大壓電堆疊a的輸出位移，且其位移放大系數(shù)可調(diào)。與傳統(tǒng)的位移放大機(jī)構(gòu)相比，柔性鉸鏈具有響應(yīng)迅速、運(yùn)動(dòng)靈活、自回復(fù)等特點(diǎn)，加之壓電堆疊動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效保證壓電作動(dòng)器的快速響應(yīng)；

3、采用壓電堆疊b，調(diào)節(jié)壓電作動(dòng)器的軸向剛度，可以使柔性鉸鏈套筒的剛度遠(yuǎn)大于壓電堆疊a的軸向剛度，以減小壓電堆疊a在控制的初始時(shí)刻所受的軸向壓力，避免壓電堆疊a由于軸向壓力過(guò)大導(dǎo)致?lián)p失較大的輸出位移；

4、采用柔性球鉸、預(yù)緊彈簧以及預(yù)緊螺釘起到保護(hù)壓電堆疊的作用，以延長(zhǎng)壓電堆疊的使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的整體示意圖；

圖2為壓電作動(dòng)器安裝在船艇推進(jìn)軸系上的分解示意圖；

圖3為壓電作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4a為柔性鉸鏈套筒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4b為圖4a的正視圖；

圖4c為圖4b的剖視圖；

圖5為柔性球鉸a的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為柔性球鉸b的結(jié)構(gòu)示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-推進(jìn)軸系 2-推力軸承 3-推力盤(pán)

4-壓電作動(dòng)器 5-推力軸承基座 6-推力螺栓

7-柔性鉸鏈套筒 8-螺母 9-柔性球鉸a

10-壓電堆疊a 11-柔性球鉸b 12-預(yù)緊彈簧

13-右支撐盤(pán) 14-預(yù)緊螺釘 15-壓電堆疊b

16-柔性鉸鏈扇盤(pán) 17-左支撐盤(pán)

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可知，包括：加速度計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡A/D、處理器、數(shù)據(jù)采集卡D/A、功率放大器以及壓電作動(dòng)器4。加速度計(jì)測(cè)得的推力軸承基座的振動(dòng)信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采集并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸入至處理器，經(jīng)控制算法處理以及D/A轉(zhuǎn)換后輸出至功率放大器放大，之后作用于壓電作動(dòng)器4，驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器4產(chǎn)生軸向的控制力以減小推進(jìn)軸系的縱向振動(dòng)，從而減小船體的振動(dòng)。本實(shí)施例中，處理器是PC機(jī)，當(dāng)然，也可以是其他電子裝置或設(shè)備。

圖2是壓電作動(dòng)器4的安裝爆炸圖。由圖可知，推力盤(pán)3與推力軸承2連接，起到定位推力軸承松圈的作用。壓電作動(dòng)器4安裝于推力盤(pán)3與推力軸承基座5之間，其中壓電作動(dòng)器4的右端與基座固連，左端與推力盤(pán)右端面接觸，壓電作動(dòng)器4通過(guò)推力盤(pán)3以及推力軸承2向推進(jìn)軸系輸出軸向的控制力。壓電作動(dòng)器安裝于推力軸承基座和推力盤(pán)之間，推力盤(pán)與推力軸承連接，起到定位推力軸承松圈的作用。

圖3為壓電作動(dòng)器4的結(jié)構(gòu)圖。由圖可知，壓電作動(dòng)器由壓電堆疊a10、壓電堆疊b15、柔性鉸鏈套筒7、柔性球鉸a9、柔性球鉸b11、預(yù)緊彈簧12、預(yù)緊螺釘14、右支撐盤(pán)13、推力螺栓6、螺母8組成。

壓電堆疊a10、壓電堆疊b15由機(jī)械結(jié)構(gòu)上串聯(lián)，電路上并聯(lián)的壓電陶瓷堆疊而成，相比于單片壓電陶瓷，輸出位移可以顯著提高。其中，壓電堆疊a10穿過(guò)柔性鉸鏈套筒左支撐盤(pán)17(如圖4a所示)上的通孔，左端與柔性球鉸a9(如圖5所示)固連，右端與柔性球鉸b11(如圖6所示)固連。柔性球鉸a9的左端面與柔性鉸鏈套筒上的柔性鉸鏈扇盤(pán)16(如圖4a所示)右端面接觸。柔性球鉸b11的右端穿過(guò)右支撐盤(pán)13左端面(其中，右支撐盤(pán)13與柔性鉸鏈套筒7固連)的半螺紋通孔，并與半螺紋通孔內(nèi)的預(yù)緊螺釘14接觸。同時(shí)柔性球鉸b11右端的外圓柱面上裝有預(yù)緊彈簧12，預(yù)緊彈簧12的右端面與右支撐盤(pán)13的左端面接觸。四組柔性球鉸a9、壓電堆疊a10、柔性球鉸b11、預(yù)緊彈簧12、預(yù)緊螺釘14沿右支撐盤(pán)的圓周成90°均勻分布。壓電堆疊b15的連接方式與壓電堆疊a10類似，同樣也是沿右支撐盤(pán)的圓周成90°均勻分布，所不同的是與壓電堆疊b15固連的柔性球鉸a9的左端面與左支撐盤(pán)17(如圖4a所示)右端面接觸。

圖4a為柔性鉸鏈套筒的結(jié)構(gòu)圖，圖4b及4c分別為柔性鉸鏈套筒的正視圖和剖視圖。如圖所示，左支撐盤(pán)17上有4個(gè)沿圓周方向成90°均勻分布的通孔，用于支撐壓電堆疊a10。4塊扇形的柔性鉸鏈扇盤(pán)16繞圓周均勻分布，相鄰扇盤(pán)之間存在微小的切縫，它們本質(zhì)上為杠桿式的位移放大機(jī)構(gòu)，用于放大壓電堆疊a10的輸出位移。與傳統(tǒng)的杠桿式放大機(jī)構(gòu)相比，柔性鉸鏈具有響應(yīng)迅速、運(yùn)動(dòng)靈活、自回復(fù)等特點(diǎn)，加之壓電堆疊動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效保證壓電作動(dòng)器的快速響應(yīng)。4塊扇形的柔性鉸鏈扇盤(pán)16的弧形邊上分別開(kāi)有凹槽，推力螺栓6和螺母8固定于凹槽上，松開(kāi)螺母8時(shí)，推力螺栓6可沿凹槽滑動(dòng)，用于調(diào)節(jié)位移放大機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)。

使用本壓電作動(dòng)器時(shí)，首先調(diào)節(jié)壓電堆疊b15的預(yù)緊螺釘14，并同時(shí)向壓電堆疊b15施加驅(qū)動(dòng)電壓，保證與壓電堆疊b15左端面固連的柔性球鉸a9與左支撐盤(pán)17緊接觸的同時(shí)，通過(guò)改變所施加的驅(qū)動(dòng)電壓的大小來(lái)調(diào)節(jié)柔性鉸鏈套筒7的軸向剛度，使得其遠(yuǎn)大于壓電堆疊a10的軸向剛度。然后調(diào)節(jié)壓電堆疊a10的預(yù)緊螺釘14，使得與壓電堆疊a10左端面固連的柔性球鉸a9與柔性鉸鏈扇盤(pán)16緊接觸。

本裝置的工作過(guò)程為通過(guò)布置在推力軸承基座上的加速度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量基座的振動(dòng)信號(hào)，并將該振動(dòng)信號(hào)作為反饋控制信號(hào)，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡采集并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸入至處理器，經(jīng)控制算法處理以及D/A轉(zhuǎn)換后輸出至功率放大器放大，之后作用于壓電作動(dòng)器4上的壓電堆疊a10，壓電堆疊a10經(jīng)由柔性球鉸a9以及柔性鉸鏈扇盤(pán)16，放大其輸出位移，并通過(guò)推力螺栓6向推力盤(pán)3以及推力軸承2產(chǎn)生軸向的控制力以減小推進(jìn)軸系的縱向振動(dòng)，從而減小船體的振動(dòng)。

壓電堆疊a10和壓電堆疊b15由機(jī)械結(jié)構(gòu)上串聯(lián)、電路上并聯(lián)的壓電陶瓷堆疊而成，相比于單片壓電陶瓷，輸出位移可以顯著提高。其中，壓電堆疊a10通過(guò)推力盤(pán)以及推力軸承向推進(jìn)軸系輸出軸向的控制力。壓電堆疊b15通過(guò)改變所施加的驅(qū)動(dòng)電壓的大小起到調(diào)節(jié)壓電作動(dòng)器的軸向剛度的作用，以減小壓電堆疊a10在控制的初始時(shí)刻所受的軸向壓力，避免壓電堆疊a10由于軸向壓力過(guò)大導(dǎo)致?lián)p失較大的輸出位移。

左支撐盤(pán)17起到支撐壓電堆疊a10，連接壓電堆疊b15的作用。四塊扇形的柔性鉸鏈扇盤(pán)16繞圓周均勻分布，相鄰扇盤(pán)之間存在微小的切縫，它們本質(zhì)上為杠桿式的位移放大機(jī)構(gòu)，用于放大壓電堆疊a10的輸出位移。與傳統(tǒng)的杠桿式放大機(jī)構(gòu)相比，柔性鉸鏈具有響應(yīng)迅速、運(yùn)動(dòng)靈活、自回復(fù)等特點(diǎn)，加之壓電堆疊動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效保證壓電作動(dòng)器的快速響應(yīng)。四塊扇形的柔性鉸鏈扇盤(pán)16的弧形邊上分別開(kāi)有凹槽，推力螺栓6和螺母8固定于凹槽上，松開(kāi)螺母8時(shí)，其可沿凹槽滑動(dòng)，用于調(diào)節(jié)位移放大機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)。

柔性球鉸a9、柔性球鉸b11本質(zhì)上為柔性鉸鏈球面副，分別與壓電堆疊a10和壓電堆疊b15的兩端固連。由于壓電堆疊承受軸向壓力的能力較強(qiáng)，而幾乎不能承受非軸向力，否則容易導(dǎo)致壓電堆疊發(fā)生破壞，因此，本發(fā)明采用柔性球鉸與壓電堆疊固連，由于柔性球鉸為柔性鉸鏈球面副，使得壓電堆疊只承受軸向力，防止由于加工誤差以及安裝誤差所產(chǎn)生的非軸向力導(dǎo)致壓電堆疊發(fā)生破壞。柔性球鉸b11分別與預(yù)緊彈簧12以及預(yù)緊螺釘14連接，預(yù)緊彈簧12的右端面與右支撐盤(pán)13左端面接觸。由于壓電堆疊承受軸向拉力的能力較差，長(zhǎng)期承受軸向拉力，其使用壽命會(huì)大大降低。因此，為了避免壓電堆疊承受軸向拉力，柔性球鉸a9只是與柔性鉸鏈扇盤(pán)16(或右支撐盤(pán)13)接觸，不固連，然而為了保證其始終接觸，防止沖擊，故采用預(yù)緊彈簧12與預(yù)緊螺釘14進(jìn)行預(yù)緊。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。