本發(fā)明涉及一種減振技術(shù)領(lǐng)域的裝置，尤其涉及一種基于壓電堆的軸系縱向振動(dòng)吸振器。

背景技術(shù)：

螺旋槳是水面艦船與潛艇的主要推進(jìn)裝置。潛艇在行進(jìn)過(guò)程中不可避免地在艉部形成不均勻的伴流場(chǎng)，螺旋槳在不均勻伴流場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)推力，經(jīng)過(guò)推進(jìn)軸系、推力軸承及其基座傳遞到潛艇，引起艇體產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生聲輻射。

螺旋槳激勵(lì)力在推進(jìn)軸系中的傳遞規(guī)律及軸系振動(dòng)，在軸系的振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)中是重要的一環(huán)，是引起潛艇軸系低頻振動(dòng)的關(guān)鍵。螺旋槳的激勵(lì)力主要有縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)脈動(dòng)力，其中縱向激勵(lì)力又是主要部分。同時(shí)，縱向脈動(dòng)力造成的船舶殼體的縱向振動(dòng)具有聲單極子的輻射特性即具有很高的輻射效率，另外因?yàn)槁菪龢目v向脈動(dòng)力通過(guò)軸系基座傳遞給艦艇殼體，引起殼體振動(dòng)進(jìn)而向外輻射噪聲。所以，艦艇的軸系縱向振動(dòng)應(yīng)該引起高度重視。

從振動(dòng)控制的基本原理出發(fā)，減小艦船軸系振動(dòng)主要有三個(gè)途徑。一是減小船舶整體振動(dòng)響應(yīng)，二是采用大斜側(cè)槳減小螺旋槳的激勵(lì)力輸入，其次是控制振動(dòng)在軸系上的傳遞。前二個(gè)方案因?yàn)榧夹g(shù)方面的限制，很難再有進(jìn)一步地提高，所以在振動(dòng)傳遞路徑上進(jìn)行控制最具工程實(shí)用意義的技術(shù)途徑。

壓電作動(dòng)器利用逆壓電效應(yīng)原理進(jìn)行工作，即在壓電晶體上施加交變電場(chǎng)，壓電晶體就會(huì)在某一方向產(chǎn)生交變電的機(jī)械應(yīng)變。為增大輸出位移，一般使用堆疊型壓電作動(dòng)器。壓電堆作動(dòng)器機(jī)械定位高，能耗低，響應(yīng)快，可以直接將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有的檢索發(fā)現(xiàn)，目前主要采用主動(dòng)式吸振器，阻尼器對(duì)船舶軸系進(jìn)行縱振控制。羅強(qiáng)(羅強(qiáng)，降低軸系子系統(tǒng)縱向振動(dòng)的液壓減振裝置研究，上海船舶設(shè)備研究所，2014.3)分析了液壓減振裝置的減振機(jī)理、縱向靜剛度特性、等效動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)，在建立了艦船軸系子系統(tǒng)模型后，分析軸子系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)液壓減振裝置減振效果的影響。楊志榮(楊志榮，艦艇軸系縱振特性及基于磁流變彈性體的半主動(dòng)控制技術(shù)研究，上海交通大學(xué)，2014.7)提出并設(shè)計(jì)出一種并聯(lián)安裝在推進(jìn)軸系上的磁流變彈性體動(dòng)力吸振器，通過(guò)對(duì)磁流變彈性體動(dòng)力吸振器的試驗(yàn)研究，對(duì)單個(gè)磁流變彈性體動(dòng)力吸振器的吸振效果進(jìn)行了驗(yàn)證，為磁流變彈性體動(dòng)力吸振器在艦艇上的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。張贛波(張贛波,船舶主推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制方法研究，華中科技大學(xué)，2012.1)分析了主推進(jìn)軸系的振動(dòng)特性和由振動(dòng)引起的艇體聲振特性，并將動(dòng)力吸振器安裝在推力軸承及其基座間，通過(guò)比較安裝前后艇體的輻射聲場(chǎng)，預(yù)報(bào)動(dòng)力吸振器對(duì)主推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)引起的艇體輻射噪聲的控制效果。

現(xiàn)有的《電磁式船舶軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制裝置》(專利號(hào):CN 102072276 A)將電磁式慣性吸振器固定在軸系上，吸振器設(shè)置于中間軸并接收放大后的控制信號(hào)以產(chǎn)生相應(yīng)的縱向作動(dòng)力作用在中間軸，實(shí)現(xiàn)軸系的縱向振動(dòng)控制，但是電磁吸振器安裝不便，輸出力有限，且電磁吸振器長(zhǎng)期工作可靠性不高?！督M合式磁流變彈性體船舶軸系縱振智能吸振》(專利號(hào):CN 102878237 A)將多個(gè)磁流變彈性體并聯(lián)，通過(guò)上下圓盤(pán)基座固定在軸系上，并通過(guò)調(diào)整彈性體數(shù)量來(lái)改變吸振器的質(zhì)量比。該吸振器中的磁流變彈性體在追求機(jī)械性能與磁流變效應(yīng)時(shí)互相矛盾，往往造成彈性體可調(diào)頻帶不寬，不能很好發(fā)揮磁流變彈性體的變剛度效應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種安裝方便、能耗少、輸出力大、高度集成化，占據(jù)空間低的基于壓電堆的軸系縱向振動(dòng)吸振器。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括上基座、下基座和設(shè)置在上基座與下基座之間的主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括壓電堆外殼、設(shè)置在壓電堆外殼內(nèi)底的下球頭-錐孔傳力裝置、與下球頭-錐孔傳力裝置端部連接的壓電堆、與壓電堆端部連接的上球頭-錐孔傳力裝置、與上球頭-錐孔傳力裝置端部連接的輸出桿、設(shè)置在輸出桿與壓電堆外殼內(nèi)頂端之間的預(yù)壓彈簧、慣性質(zhì)量塊，所述輸出桿的端部伸出至壓電堆外殼外且慣性質(zhì)量塊安裝在輸出桿的端部，所述壓電堆外殼的下端與上基座連接輸出桿的端部伸入至下基座上設(shè)置的鉆孔中。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.所述主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有四個(gè)，且四個(gè)主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)稱設(shè)置在上基座和下基座之間。

2.上基座、下基座均是由兩個(gè)半圓環(huán)及用于連接兩個(gè)半圓環(huán)的連接件組成，且上基座上設(shè)置有四個(gè)內(nèi)螺紋孔，壓電堆外殼的下端通過(guò)螺栓與對(duì)應(yīng)的內(nèi)螺紋孔的配合實(shí)現(xiàn)壓電推外殼和上基座的連接，下基座上設(shè)置的鉆孔的個(gè)數(shù)是4，每個(gè)鉆孔的內(nèi)表面涂有潤(rùn)滑油。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的一種基于壓電堆的軸系縱向吸振器，相較于傳統(tǒng)的壓電堆作動(dòng)器，能保證壓電堆不直接與被控物體接觸，不承受靜載，抗沖擊能力更強(qiáng)。本發(fā)明不存在電磁干擾，另外壓電堆作動(dòng)器幾乎不產(chǎn)生熱量，機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率高，安裝方便，不需要改變?cè)休S系結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在壓電堆通入電壓后，利用逆壓電效應(yīng)，帶動(dòng)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，能輸出更大的作動(dòng)力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理框圖；

圖4為本發(fā)明一種實(shí)施方式的控制流程原理框圖；

其中：2-慣性質(zhì)量塊，3-上基座，4-下基座，5-輸出桿，6-預(yù)壓彈簧，7-壓電堆，8-球頭-錐孔傳力裝置，9-壓電堆外殼。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明一種基于壓電堆的軸系縱向吸振器，包括上基座3與下基座4、主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，上基座3由2個(gè)半圓盤(pán)組成，下基座4也由兩個(gè)半圓盤(pán)組成，半圓盤(pán)通過(guò)螺栓緊固連接；上基座、下基座與主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成一個(gè)整體。

如圖2所示為本發(fā)明主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述的主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)線與外部電壓放大器相連；主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由外殼9、壓電堆7、球頭-錐孔傳力裝置8、預(yù)壓彈簧6與輸出桿5組成。力輸出桿及執(zhí)行機(jī)構(gòu)尾端都通過(guò)球頭-錐孔傳力裝置和壓電堆相連，以免力輸出桿彎曲載荷的傳入或者裝配時(shí)的誤差導(dǎo)致彎矩作用于壓電堆，從而保證壓電堆不受任何彎曲載荷。所述的主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出桿與質(zhì)量塊連接段車(chē)有外螺紋，輸出桿與慣性質(zhì)量塊通過(guò)螺栓緊固連接，保證不存在相對(duì)滑動(dòng)。所述的上基座車(chē)有4個(gè)內(nèi)螺紋，與主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)，每個(gè)內(nèi)螺紋呈45°周向安裝，壓電堆底部車(chē)有內(nèi)螺紋，壓電堆與上基座通過(guò)螺栓緊固連接，保證緊密貼合。壓電堆由數(shù)片(根據(jù)實(shí)際安裝空間與出力要求選擇數(shù)量)壓電陶瓷片通過(guò)粘結(jié)層堆疊而成，中間有叉指電極，電路為并聯(lián)連接方式，力學(xué)上串聯(lián)。單層壓電片在電場(chǎng)中產(chǎn)生位移，通過(guò)多層疊加使得輸出位移增大。因?yàn)閴弘姸巡荒艹惺茌^大的拉應(yīng)力，因此需要在壓電堆頂部裝上預(yù)壓彈簧6，預(yù)緊彈簧一端和力輸出桿相連，預(yù)壓彈簧6另一端則連接在力輸出桿5上，以此消除各構(gòu)件之間的軸向間隙，保證壓電堆始終處于受壓狀態(tài)。整體封裝在殼體9中。

所述的下基座車(chē)有4個(gè)鉆孔，與主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)，每個(gè)鉆孔呈45°周向安裝，主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出桿末端插入下基座光滑鉆孔中，進(jìn)一步地，鉆孔中涂有潤(rùn)滑油，以減小摩擦。

所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出桿的末端未車(chē)螺紋，進(jìn)一步地，保證輸出桿的末端不會(huì)與鉆孔底部接觸。所述的上下基座通過(guò)螺栓與軸系固定。輸出桿5和慣性質(zhì)量塊2通過(guò)螺栓緊固連接，保證不存在相對(duì)位移。

如圖3所示，壓電堆7的剛度可以簡(jiǎn)化為k_p，產(chǎn)生的作動(dòng)力為F_a，慣性質(zhì)量塊為m，質(zhì)量塊的位移為x₁(t)，因此輸出的慣性力為F_i(t)，具體的表達(dá)式如下：

結(jié)合附圖4為本發(fā)明的具體實(shí)例，用轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，作為控制器的參考信號(hào)，加速度傳感器置于推力軸承上以獲得振動(dòng)加速度，作為控制器誤差信號(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器，低通濾波器及A/D轉(zhuǎn)換后作為控制器最終的輸入量，控制器按照一定的控制算法，輸出控制信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，再由功放輸出電壓信號(hào)至壓電堆作動(dòng)器，壓電堆在電場(chǎng)的作用下沿縱向伸縮，實(shí)時(shí)改變吸振器固有頻率，從而起到對(duì)軸系振動(dòng)的控制與吸收。

綜上，本發(fā)明目的在于提供一種基于壓電堆的軸系縱向振動(dòng)吸振器，屬于吸振器領(lǐng)域。由主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、上基座、下基座組成；主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括外殼、球頭-錐孔傳力裝置、力輸出桿、壓電堆、預(yù)壓彈簧與質(zhì)量塊組成；上基座由上下半圓盤(pán)式軸系哈夫連接；下基座由上下半圓盤(pán)式軸系哈夫相連；上基座底部車(chē)有4個(gè)螺紋孔；下基座圓盤(pán)表面車(chē)有4個(gè)光滑鉆孔；進(jìn)一步地，上基座的4個(gè)螺紋孔呈45°周向安裝；進(jìn)一步地，下基座的4個(gè)鉆孔呈45°周向安裝；壓電堆的輸出桿末端插入下基座4個(gè)鉆孔；下基座的鉆孔表面中涂有潤(rùn)滑油。工作時(shí)，壓電堆通入電壓產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，通過(guò)力輸出桿帶動(dòng)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生慣性力，進(jìn)一步地，壓電堆底部與上基座通過(guò)螺栓緊固剛性連接，產(chǎn)生的反作用力作用在上基座上從而抑制軸系縱向振動(dòng)。本發(fā)明安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、適用頻帶寬，能隨著軸系振動(dòng)頻率的變化調(diào)整吸振器自身的頻率，從而達(dá)到對(duì)軸系減振降噪的要求。特別針對(duì)現(xiàn)代艦船、潛艇軸系的“聲隱身”要求，能發(fā)揮其價(jià)值。