一種基于振動發電智能變阻尼半主動吸振膠墊的製作方法

2023-09-14 05:16:25

本發明涉及液壓管路振動控制領域，尤其涉及一種採用智能材料實現半主動振動控制的吸振膠墊。

背景技術：

隨著液壓技術向高速高壓化發展，液壓系統中的振動與噪聲造成的危害也日趨嚴重。液壓系統的振動主要來自兩方面：機械振動和流體振動。機械振動主要來源於迴轉零件的不平衡、聯軸器的振動以及管路和油箱的受迫振動；流體振動主要來源於液壓泵的流量脈動、閥類元件的動作引起的振動、氣穴引起的振動以及紊流與渦流引起的振動。振動與噪聲影響液壓系統的工作性能，縮短液壓元件的使用壽命，因此採取有效措施降低其危害，是液壓系統設計中必須面對和解決的問題。

液壓管路是液壓系統中重要的輔助元件，液壓泵工作產生的流量脈動和機械振動絕大部分通過液壓管路向系統中傳遞，而管路長期持續振動會造成管壁和支架的疲勞破壞，最終導致管路系統失效。而安裝管路支架，並在支架與管路之間安裝彈性阻尼材料是控制管路振動的常見方式。其中橡膠、矽膠、瀝青等是最為常見的阻尼材料，但它們都存在性能參數固定不變、可控的振動頻率範圍較窄的問題，無法滿足高速高壓發展趨勢下液壓系統寬頻域振動控制的需求。

技術實現要素：

本發明目的在於提供一種能夠根據液壓管路系統振動頻率、幅值變化而實時改變阻尼值的基于振動發電智能變阻尼半主動吸振膠墊。

為實現上述目的，採用了以下技術方案：本發明所述吸振膠墊包括振動發電層、介電彈性體層和橡膠層，振動發電層、介電彈性體層、橡膠層依次粘合組成三層複合式結構；振動發電層作為吸振膠墊的內層，橡膠層作為吸振膠墊的外層。

進一步的，所述振動發電層由主體軟橡膠、FDT壓電薄膜、導電極板A、導電極板B、電路保護及控制部件組成；導電極板A、電路保護及控制部件、導電極板B、FDT壓電薄膜依次粘合後置入主體軟橡膠中，且導電極板A與介電彈性體層接觸。

進一步的，所述的介電彈性層為矽橡膠與PHT複合而成的智能阻尼材料。

進一步的，所述電路保護及控制部件由電壓輸入接頭、整流橋路、LM2907控制器、LC振蕩電路、C2超級電容和電壓輸出接頭組成；電壓輸入接頭、整流橋路、LM2907控制器、LC振蕩電路、C2超級電容和電壓輸出接頭依次連接，電壓輸入接頭與導電極板B接觸，電壓輸出接頭與導電極板A接觸；電壓輸入接頭將產生的電能傳輸到整流橋路、LM2907控制器、LC振蕩電路、C2超級電容，經處理後的電能通過電壓輸出接頭傳輸到與導電極板A上，繼而將電能輸出至介電彈性體。

進一步的，所述的FDT壓電薄膜為1-3型壓電複合材料，由一維的壓電陶瓷柱平行地排列於三維連通的聚合物中構成的兩相壓電複合材料。

進一步的，所述導電極板A和導電極板B為具有韌性的鋼板。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

1、能利用橡膠材料吸收頻率在管路振動基頻附近一定範圍內的振動，同時也能將液壓管路外壁的頻率遠離振動基頻範圍的振動以振動發電的形式轉化為電能，並將其用於改變智能阻尼材料的阻尼係數：振動頻率高、振動幅值大時，產生的電能大，智能阻尼材料阻尼值大；振動頻率低、振動幅值小時，產生的電能小，智能阻尼材料阻尼值小。實現根據管路振動的頻率和幅值的大小，智能匹配阻尼係數來降低其振動頻率和振幅、吸收振動的目的。

2、在使用過程中能夠根據管路參數隨意裁剪、便於使用。

3、電路元器件均選用微型元件，結構小巧，易於安裝。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

圖2是本發明的振動發電層的截面圖。

圖3是本發明的電路保護及控制部件的布局示意圖。

圖4是本發明的電路保護及控制部件的電路圖。

附圖標號：1-振動發電層、2-介電彈性體層、3-橡膠層、4-主體軟橡膠、5-FDT壓電薄膜、6-導電極板A、7-導電極板B、8-電路保護及控制部件、9-電壓輸入接頭、10-整流橋路、11-LM2907控制器、12-LC振蕩電路、13-C2超級電容、14-電壓輸出接頭、15-與介電彈性體層接觸的導電極板。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明：

如圖1所示，本發明所述吸振膠墊包括振動發電層1、介電彈性體層2和橡膠層3，振動發電層、介電彈性體層、橡膠層依次粘合組成三層複合式結構；振動發電層作為吸振膠墊的內層，橡膠層作為吸振膠墊的外層。

介電彈性層為矽橡膠與PHT複合而成的智能阻尼材料。當通過導電極板輸出到介電彈性體的電壓數值較高時，介電彈性體呈現高阻尼的特性；當通過導電極板輸出到介電彈性體的電壓數值較低時，介電彈性體呈現出低阻尼特性。

如圖2所示，振動發電層由主體軟橡膠4、FDT壓電薄膜5、導電極板A6、導電極板B7、電路保護及控制部件8組成；導電極板A、電路保護及控制部件、導電極板B、FDT壓電薄膜依次粘合後置入主體軟橡膠中，且導電極板A與介電彈性體層接觸。導電極板A和導電極板B為具有一定韌性的鋼板，用於電壓的傳導。

FDT壓電薄膜為1-3型壓電複合材料，由一維的壓電陶瓷柱平行地排列於三維連通的聚合物中構成的兩相壓電複合材料。具有很高的壓電電壓係數和較好的柔韌性。當管路振動時，FDT壓電薄膜受壓，其正壓電效應會產生一定電壓。

如圖3所示，電路保護及控制部件由電壓輸入接頭9、整流橋路10、LM2907控制器11、LC振蕩電路12、C2超級電容13和電壓輸出接頭14組成；電壓輸入接頭、整流橋路、LM2907控制器、LC振蕩電路、C2超級電容和電壓輸出接頭依次連接，電壓輸入接頭與導電極板B接觸，電壓輸出接頭與導電極板A接觸；電壓輸入接頭將產生的電能傳輸到整流橋路、LM2907控制器、LC振蕩電路、C2超級電容，經處理後的電能通過電壓輸出接頭傳輸到與導電極板A上，繼而將電能輸出至介電彈性體。

如圖4所示，C1超級電容器15，C1、C2超級電容具有充電速率快和充電電路簡單的優點，是介於電容器和電池之間的儲能器件，它既能具有電容器的可以快速充放電的特點，又具有電化學電池的儲能機理。兩電容共同組成濾波電路，使電路中儘量減少輸出電壓中的交流分量，使之接近理想的直流電壓。C1與L1構成電荷轉移電路，有電壓電流輸入後，電路開始LC振蕩，既可以存儲振動產生的電量，又可以通過電感消耗。四個二極體組成全橋整流電路，可以輸出單向、平穩電壓。LM2907N為集成式頻率/電壓微型轉換器。晶片中包含了比較器、充電泵、高增益運算放大器，它是具有高增益運算放大器/比較器的單片集成電路。其輸出電壓與輸入頻率成正比。當從振動發電層輸入電壓時，控制器可把頻率信號轉換成電壓數值信號，再輸出到下一級。

本發明的工作流程如下：

當管路發生振動時，頻率在管路振動基頻附近一定範圍內的振動直接由振動發電層的主體軟橡膠和橡膠層吸收；頻率遠離管路振動基頻範圍的振動則通過介電彈性層吸收。

利用管路振動產生的能量使安裝在內部的振動發電層產生電壓，電壓經由發電層的正負極接頭、導電極板AB、電路保護及控制部件電壓輸入接頭輸出到由整流橋路、LM2907控制器、LC振蕩電路、C2超級電容構成的電路保護及控制部件上。管路振動頻率較高時，振動發電層產生的電壓頻率相應較高，管路振動幅值較大時，振動發電層產生的電壓數值相應變大，當高頻率或高數值的電壓輸入到電路保護及控制部件時，控制器會把高頻率或高幅值的電壓信號統一調整為高數值的電壓信號；同理，當管路振動頻率較低或振動幅值較小時，經過電路處理後輸出低數值的電壓信號。若為高電壓信號，電路存儲並消耗過高電量，若為低電壓信號，電路正常工作。輸出的電壓信號通過電路保護及控制部件的電壓輸出接頭，輸入到與介電彈性體層接觸的導電極板上，繼而將電壓作用於介電彈性體。阻尼可變的的介電彈性體是具有高介電常數的彈性體材料，其在外界電刺激下可改變形狀或體積，當接受不同的電信號時，自身呈現與電信號相對應的阻尼特性，即：高電壓信號為高阻尼特性，低電壓信號為低阻尼特性，實現吸收頻率在管路振動基頻範圍外振動的目的。

以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。