壓電疊堆型自供能液壓減振器的製作方法

2023-06-05 13:12:11 1

專利名稱：壓電疊堆型自供能液壓減振器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種減振器，具體涉及一種利用壓電疊堆換能器通過回收振動主體的振動能量進行控制的自供能液壓減振器，適用於交通工具、機械設備等的振動抑制與消除， 是壓電與液壓振動控制技術優勢相融合的新型自供能半主動減振技術。
背景技術：
目前，壓電振動控制與液壓振動控制是作為兩個不同振動控制技術領域而獨立存在的。壓電陶瓷具有良好的機電耦合特性，在振動的主動、被動及半主動振動控制中已廣為利用。被動式壓電振動控制是通過在壓電元件電極間串聯電感或電阻來耗散振動能， 系統構成簡單、成本低、技術較成熟，但控制效果及通用性較差；主動式壓電振動控制是通過外加電場使壓電陶瓷產生機械抗力來抑制振動，控制效果好、環境適應性強，但通常需要傳感器、驅動器及信號處理器等外圍設備，不僅系統體積龐大複雜、成本高，還降低了可靠和穩定性，最關鍵是持續、穩定、充足的外部能量供應實際中難以保證。為此，人們又提出了半主動、半被動及主被動混合控制等方法，有效地降低了功耗(遠低於主動系統)、提高了控制效果(優於被動、接近主動)。除控制方法外，壓電器件自身結構及性能也是制約壓電振動控制能力及效果的關鍵要素壓電疊堆雖控制力較大，但變形小(僅微米級)、脆性較大，且僅能實現單向振動控制(非壓縮狀態時壓電疊堆僅能通過施加正電壓的方法使其伸長)。因此，目前將單個壓電疊堆直接作用於受控主體的控制方法無法用于振動衝擊及振動強度較大，如直升機螺旋槳擺動/航空器表面振動/火箭發射隔振/汽車發動機懸掛減振等。另一方面，液壓振動控制技術以其高能量密度、低噪音、無衝擊等優勢，也在國民經濟和國防工業的各個行業獲得成功應用，所形成的振動控制方法也包括被動、主動及半主動等多種形式。與壓電振動控制一樣，液壓主動及半主動振動控制系統的控制效果較好、 通用性強，但通常需要較大的泵站(電機+液壓泵)提供動力、並由電磁換向/溢流/減壓閥 (或多個單向閥)進行控制，因此現有的液壓振動控制系統體積龐大、連接及控制較複雜，且同樣需要持續的外界能量供應。可見，目前所採用的單一式壓電振動控制及液壓振動控制技術均存在一定局限性和不足，能量自給、體積小、結構緊湊、強度高、通用性強、控制效果好且適用於寬頻帶複雜環境的半主動及主動減振器是很多領域所急需的。

發明內容
為解決現有壓電及液壓減振技術的上述問題，本發明提出一種利用壓電疊堆換能器發電並實現自供能的半主動式壓電液壓減振器，即利用同步開關能量回收技術通過壓電疊堆與液體的耦合作用將振動主體的機械能能轉換成電能、並用于振動控制，進而消除或降低現有主動/半主動控制依賴外部能量供應、陶瓷易碎且控制力/位移有限等弊端，所形成的壓電疊堆型液壓減振器是壓電發電、壓電振動控制、及液壓振動控制技術優勢的有機融合。本發明採取的技術方案是，上端蓋用螺釘安裝於主體上構成液壓缸，活塞安裝於液壓缸腔內並將其分隔成液壓缸上腔和液壓缸下腔，活塞將彈簧壓接在液壓缸下腔內；主體用螺釘安裝在底座上，底座將兩組壓電疊堆換能器壓接在主體下部的兩組空腔內；所述其中一組壓電疊堆換能器一依次由蝶形彈簧一、壓縮腔活塞一及壓電疊堆一壓接而成，所述壓縮腔活塞一與主體之間形成壓縮腔一；所述其中另一組壓電疊堆換能器二依次由蝶形彈簧二、壓縮腔活塞二及壓電疊堆二壓接而成，所述壓縮腔活塞二與主體之間形成壓縮腔二 ；所述液壓缸上腔與蓄能器及壓縮腔二連通，液壓缸上腔與液壓缸下腔通過截止閥連接； 所述液壓缸下腔與壓縮腔一連通；所述壓電疊堆一和壓電疊堆二分別通過導線組一、導線組二與電控單元連接。本發明一種實施方式是兩組壓電疊堆換能器中的數量均為1-20個；當壓電疊堆換能器為兩個以上時，每組壓電疊堆換能器中的各壓電疊堆分別採用並聯方式連接，再分別於電控單元連接。本發明所述電控單元主要由電感、一對檢波器、比較器、儲能單元、一組控制開關構成，功能是進行振動能量回收和振動的半主動控制。在減振器非工作狀態下，壓電疊堆受蓄能器的預置壓力作用而被預壓縮。進入穩態工作後，振動主體帶動液壓缸活塞上下運動，使液壓缸上腔及下腔流體壓力發生變化，並致使壓電疊堆交替地伸長與縮短，從而將流體的壓力能轉換成電能；所生成的電壓經電控單元進行換向後再施加到壓電疊堆的兩端，通過抑制壓電疊堆的伸長或縮短而抑制振動主體的振動。本發明的優勢及特點在於①利用液體介質轉換運動並傳遞動力，可實現多個壓電疊堆的雙向聯合控制，便於通過液壓缸活塞和壓縮腔活塞面積的調整進行控制力和控制位移的放大；②利用壓電疊堆換能器產生的電能進行控制，無需外界供能，可靠性高(不
會因能量不足而影響控制效果)、環境適應能力強；③無需額外的傳感器，控制方法簡單
(根據振動情況即電壓信號自動調整抗力)； 無需電機、泵等外圍設備，系統結構簡單、體
積小、集成度高、密封性好。因此，本發明的壓電疊堆型自供能液壓減振器除了適用於大型的交通工具及工具機設備外，更適於航空航天、智能結構及機器人等微小系統和遠程控制系統。


圖1是本發明一個較佳實施例的結構剖面示意圖； 圖2是本發明一個較佳實施例圖1的俯視圖3是本發明一個較佳實施例中主體的零件剖視圖； 圖4是圖3的A向視圖5是本發明一個較佳實施例的電控單元電路原理圖。
具體實施例方式上端蓋2用螺釘安裝於主體1上構成液壓缸，活塞3安裝於液壓缸腔Cl內並將其分隔成液壓缸上腔C12和液壓缸下腔C11，活塞將彈簧4壓接在液壓缸下腔內；主體用螺釘安裝在底座8上，底座將兩組壓電疊堆換能器7壓接在主體下部的兩組空腔C2和C3內； 所述其中一組壓電疊堆換能器一 7a依次由蝶形彈簧一 7al、壓縮腔活塞一 7a2及壓電疊堆一 7a3壓接而成，所述壓縮腔活塞一與主體之間形成壓縮腔一 7a4 ；所述其中另一組壓電疊堆換能器二 7b依次由蝶形彈簧二 7bl、壓縮腔活塞二 7 及壓電疊堆二 7b3壓接而成， 所述壓縮腔活塞二與主體之間形成壓縮腔二 7b4 ；所述液壓缸上腔與蓄能器及壓縮腔二連通，液壓缸上腔與液壓缸下腔通過截止閥6連接；所述液壓缸下腔與壓縮腔一連通；所述壓電疊堆一和壓電疊堆二分別通過導線組一 10、導線組二 11與電控單元9連接。兩組壓電疊堆換能器中的數量均為1-20個；當壓電疊堆換能器為兩個以上時，每組壓電疊堆換能器中的各壓電疊堆分別採用並聯方式連接，再分別於電控單元連接。如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明的壓電疊堆型自供能液壓減振器，主要由主體1、上端蓋2、用于振動控制的液壓缸活塞3、平衡彈簧4、蓄能器5、截止閥6、兩組壓電疊堆換能器7a和7b、底座8、電控單元9、連接管路和螺釘及導線等構成。所述主體1的上部設有液壓缸腔體Cl、下部設有兩組空腔C2和C3，所述主體上還是開有通孔一 101、通孔二 102、通孔三103和通孔四104 ；所述上端蓋2用螺釘安裝於主體1的液壓缸腔體Cl上，所述活塞3安裝於主體1的液壓缸腔Cl內、並將其分隔成液壓缸上腔C12和液壓缸下腔Cll ； 所述平衡彈簧4通過活塞3壓接在液壓缸下腔Cll內；所述主體1通過螺釘安裝在底座8 上，所述底座8將壓電疊堆換能器7a和7b壓接在所述主體1下部的兩組空腔C2和C3內； 所述壓電疊堆換能器7a由蝶形彈簧7al、壓縮腔活塞7a2及壓電疊堆7a3構成，所述壓縮腔活塞7a2與主體1之間形成壓縮腔7a4 ；所述壓電疊堆換能器7b由蝶形彈簧7bl、壓縮腔活塞7 及壓電疊堆7b3構成，所述壓縮腔活塞7 與主體1之間形成壓縮腔7b4 ；所述液壓缸上腔C12通過孔102、連接管Ll與蓄能器5連通，所述液壓缸上腔C12還通過孔102、連接管Ll與截止閥6連接，所述截止閥6通過孔103、管路L2與液壓缸下腔Cll連接；所述液壓缸下腔Cll還通過管路L2、孔104與所述壓電疊堆換能器7a的壓縮腔7a4連通；所述液壓缸上腔C12通過孔101、管路L3與所述壓電疊堆換能器7b的壓縮腔7b4連通；所述的壓電疊堆7a3和7b3分別通過導線組10和導線組11與電控單元9連接。所述電控單元9 主要由電感、檢波器、比較器、儲能單元、一組控制開關構成，其功能是進行能量回收和振動控制。如圖1所示，安裝調試過程中，截止閥6開通，振動主體M通過活塞3壓縮彈簧4， 待活塞3處於平衡位置後，將所述截止閥6關閉，壓電疊堆7a3和7b3因受蓄能器6預置壓力的作用而被預壓縮。進入穩態工作後，液壓缸活塞3隨振動主體M上下運動，進而使系統內的流體壓力、以及壓電疊堆7a3和7b3受力狀態發生變化，從而將流體的壓力能轉換成電能；所生成的電壓經電控單元9進行換向處理後直接施加到所述壓電疊堆7a3和7b3兩端， 從而抑制其因受外力作用而產生的伸長或縮短。如圖1、圖2所示，當活塞3受外力作用向上運動時，液壓缸下腔Cll及壓縮腔7b4 內的流體壓力降低、上腔C12及壓縮腔7a4內的流體壓力升高，壓電疊堆7b3被壓縮、壓電疊堆7a3在自身彈性力的作用下伸長，進而將機械能轉換成電能；當液壓缸活塞3向下運動時，壓電疊堆7a3被壓縮、壓電疊堆7b3在自身彈性力的作用下伸長。此外壓電疊堆7a3及 7b3也具有振動檢測傳感器的功能。 如圖5所示，電控單元9主要由電感901和906、檢波器902、比較器903、儲能單元 904和905、開關kl和k2構成。為提高振動控制能力，本發明壓電疊堆換能器7a和7b均包含至少一對完全相同的壓電疊堆7a3和7b3，且所述壓電疊堆為多個時採用並聯方式連接。 初始狀態時開關kl和k2斷開。穩態工作中，壓電疊堆7a3和7b3因受外力變化而產生電壓，所生成的電壓經檢波器902進行波形檢測，比較器903通過對電壓波形的比較分析控制開關kl、k2的通斷當所述壓電疊堆7a3產生的電壓達到極值(極大值或極小值)時，開關 kl和k2同時接通，壓電疊堆7a3與電感901、儲能器904構成高頻振蕩迴路，壓電疊堆7b3 與電感906、儲能器905構成高頻振蕩迴路；同時，壓電疊堆7a3產生的電能存儲到蓄能器 904，壓電疊堆7b3產生的電能存儲到蓄能器905 ；經半個周期高頻振蕩後，壓電疊堆7a3和 7b3兩端的電壓與控制開關kl和k2閉合前的電壓相反，此時開關kl和k2同時斷開，從而使壓電疊堆兩端的電壓與kl和k2閉合前相反、產生的機械抗力始終與其運動的方向相反 (即施加反向電壓引起的變形方向與受外力作用引起的變形方向相反)。由於電路的振蕩頻率遠遠高於機械系統的振動頻率，故開關kl的短瞬接通並不影響機械系統振動狀態的檢測。
權利要求
1.一種壓電疊堆型自供能液壓減振器，其特徵在於，上端蓋用螺釘安裝於主體上構成液壓缸，活塞安裝於液壓缸腔內並將其分隔成液壓缸上腔和液壓缸下腔，活塞將彈簧壓接在液壓缸下腔內；主體用螺釘安裝在底座上，底座將兩組壓電疊堆換能器壓接在主體下部的兩組空腔內；所述其中一組壓電疊堆換能器一依次由蝶形彈簧一、壓縮腔活塞一及壓電疊堆一壓接而成，所述壓縮腔活塞一與主體之間形成壓縮腔一；所述其中另一組壓電疊堆換能器二依次由蝶形彈簧二、壓縮腔活塞二及壓電疊堆二壓接而成，所述壓縮腔活塞二與主體之間形成壓縮腔二 ；所述液壓缸上腔與蓄能器及壓縮腔二連通，液壓缸上腔與液壓缸下腔通過截止閥連接；所述液壓缸下腔與壓縮腔一連通；所述壓電疊堆一和壓電疊堆二分別通過導線組一、導線組二與電控單元連接。
2.根據權利要求1所述的壓電疊堆型自供能液壓減振器，其特徵在於，兩組壓電疊堆換能器中的數量均為1-20個；當壓電疊堆換能器為兩個以上時，每組壓電疊堆換能器中的各壓電疊堆分別採用並聯方式連接，再分別於電控單元連接。
全文摘要
本發明涉及一種壓電疊堆型自供能液壓減振器，屬於減振器。上端蓋用螺釘安裝於主體上構成液壓缸，活塞安裝於液壓缸腔內並將其分隔成液壓缸上腔和液壓缸下腔，活塞將彈簧壓接在液壓缸下腔內；主體用螺釘安裝在底座上，底座將兩組壓電疊堆換能器壓接在主體下部的兩組空腔內；所述壓縮腔活塞二與主體之間形成壓縮腔二；所述液壓缸上腔與蓄能器及壓縮腔二連通，液壓缸上腔與液壓缸下腔通過截止閥連接；所述液壓缸下腔與壓縮腔一連通。優點是實現多壓電疊堆換能器聯合作業，控制能力強；無需外部能源、傳感器及驅動器等，結構及控制簡單、體積小、環境適應性強。
文檔編號H02N2/00GK102345702SQ201110275849
公開日2012年2月8日 申請日期2011年9月18日 優先權日2011年9月18日
發明者曾平, 王淑雲, 程光明, 闞君武 申請人:浙江師範大學