一種基于壓電堆棧的混合支座

張慧琴 崔承勛

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

0 引言

通常，在遭受嚴(yán)重動態(tài)環(huán)境的海軍裝備中，支架用于減弱動態(tài)系統(tǒng)的沖擊和振動。許多類型的被動式支座已用于實現(xiàn)此目的。橡膠減振座是被動支座之一，由于其對非共振和高頻激勵的有效隔振性能而被廣泛使用。但是，被動式橡膠減振座在某些頻率區(qū)域，尤其是在共振頻率處，不能發(fā)揮良好的性能。這項工作的主要目的是新型有源混合動力支架。設(shè)計的混合支座包括1個被動橡膠元件和2個主動壓電堆棧執(zhí)行器。被動元件采用了常規(guī)的用于海軍艦船的橡膠支架，并對其動態(tài)特性進(jìn)行了評估。在確定了壓電堆棧執(zhí)行器的驅(qū)動力之后，制造了混合支座。

1 橡膠動態(tài)特性

在這項工作中，橡膠元件是在考慮安裝的情況下設(shè)計和制造的海軍裝備的環(huán)境。它的裝載范圍是從50～200kg。通常，橡膠的特性根據(jù)上部載荷和振動源而改變。因此，可以使用Kelvin-Voigt模型通過實驗確定動態(tài)剛度和阻尼系數(shù)，如下所示：

kd(jω)=krjωcr

(1)

其中，kd為動態(tài)剛度，kr為靜態(tài)剛度，cr為阻尼常數(shù)和ω為激勵頻率。測得的剛度和阻尼系數(shù)分別為160447N/m和537N·s/m。

2 壓電堆棧執(zhí)行器驅(qū)動力的確定

如前所述，為了提高橡膠的隔振性能，在這項工作中采用了壓電堆棧執(zhí)行器，它的機(jī)電特性(沿極化方向提供驅(qū)動)可以表示如下：

D=ε33E+d33T

(2)

其中，D-電位移，E-電場，T-應(yīng)力，S-應(yīng)變，ε33-零應(yīng)力下的介電常數(shù)，d33-壓電電荷常數(shù)，c-零電場下的彈性模量。

然后,可以從該方程式導(dǎo)出由n個壓電層組成的壓電堆執(zhí)行器堆疊的本構(gòu)方程：

fp(t)=AT=AcS-Acd33E

(3)

=kpδ(t)-aV(t)=kpδ(t)-fa(t)

其中，fp(t)是施加到壓電堆棧的負(fù)載；A是壓電元件的橫截面積；l是壓電堆棧的長度；kp(-AC/l)是彈簧常數(shù)；α(-Acd33/l)是比例常數(shù)；電壓V(t)施加的力fα(t)(=aV(t))；壓電堆棧的行程δ(t)可以根據(jù)下公式進(jìn)行預(yù)測：

(4)

圖1 測得的壓電堆棧的阻擋力

圖1給出了壓電堆棧執(zhí)行器產(chǎn)生的阻擋力的實驗結(jié)果，壓電堆棧執(zhí)行器的彈簧常數(shù)和比例常數(shù)的平均值分別為47MN/m和2.4N/V。在300V的輸入電壓下，最大阻擋力約為1000N。結(jié)果還表明，2個壓電堆棧執(zhí)行器具有幾乎相同的剛度。圖2示出了相對于頻率的測得的驅(qū)動力。可以看出,力與頻率的平方成比例地增加。

3 安裝配置

圖3顯示了所提出的混合動力支架的配置，該混合動力支架由壓電堆棧執(zhí)行器，橡膠元件和中間質(zhì)量組成。如圖所示，2個并聯(lián)的壓電堆棧執(zhí)行器與橡膠元件串聯(lián)連接，以防止劇烈激勵。應(yīng)當(dāng)指出，所提出的混合支座對于具有高沖擊和振動的惡劣動態(tài)環(huán)境非常有效，例如安裝在艦船上的設(shè)備。

圖3 混合支架的配置

圖4 混合支架的機(jī)械模型

在這項工作中，集中質(zhì)量建議位于支座上方的頂板上。表1所示的符合軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-167-1A的激勵從支座下方的底座通過嵌入板傳遞。可以將擬建的支座系統(tǒng)和所支持的質(zhì)量(簡稱“支座質(zhì)量系統(tǒng)”)建模為兩自由度(2-DOF)系統(tǒng)。根據(jù)圖4所示系統(tǒng)的機(jī)械模型，運(yùn)動的控制方程可以推導(dǎo)如下：

(5)

表1 MIL-STD-167-1A特性

4 結(jié)論

本文提出了一種有源混合動力支座，用于艦船等承受劇烈動態(tài)環(huán)境的設(shè)備。通過采用壓電堆棧執(zhí)行器和橡膠元件，設(shè)計并制造了建議的支座。