專利名稱：壓電疊堆型自供能液壓減振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種減振器，具體涉及一種利用壓電疊堆換能器通過回收振動(dòng)主體的振動(dòng)能量進(jìn)行控制的自供能液壓減振器，適用于交通工具、機(jī)械設(shè)備等的振動(dòng)抑制與消除，是壓電與液壓振動(dòng)控制技術(shù)優(yōu)勢(shì)相融合的新型自供能半主動(dòng)減振技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前，壓電振動(dòng)控制與液壓振動(dòng)控制是作為兩個(gè)不同振動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域而獨(dú)立存在的。壓電陶瓷具有良好的機(jī)電耦合特性，在振動(dòng)的主動(dòng)、被動(dòng)及半主動(dòng)振動(dòng)控制中已廣為利用。被動(dòng)式壓電振動(dòng)控制是通過在壓電元件電極間串聯(lián)電感或電阻來耗散振動(dòng)能， 系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、成本低、技術(shù)較成熟，但控制效果及通用性較差；主動(dòng)式壓電振動(dòng)控制是通過外加電場(chǎng)使壓電陶瓷產(chǎn)生機(jī)械抗力來抑制振動(dòng)，控制效果好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，但通常需要傳感器、驅(qū)動(dòng)器及信號(hào)處理器等外圍設(shè)備，不僅系統(tǒng)體積龐大復(fù)雜、成本高，還降低了可靠和穩(wěn)定性，最關(guān)鍵是持續(xù)、穩(wěn)定、充足的外部能量供應(yīng)實(shí)際中難以保證。為此，人們又提出了半主動(dòng)、半被動(dòng)及主被動(dòng)混合控制等方法，有效地降低了功耗(遠(yuǎn)低于主動(dòng)系統(tǒng))、提高了控制效果(優(yōu)于被動(dòng)、接近主動(dòng))。除控制方法外，壓電器件自身結(jié)構(gòu)及性能也是制約壓電振動(dòng)控制能力及效果的關(guān)鍵要素壓電疊堆雖控制力較大，但變形小(僅微米級(jí))、脆性較大，且僅能實(shí)現(xiàn)單向振動(dòng)控制(非壓縮狀態(tài)時(shí)壓電疊堆僅能通過施加正電壓的方法使其伸長(zhǎng))。因此，目前將單個(gè)壓電疊堆直接作用于受控主體的控制方法無法用于振動(dòng)沖擊及振動(dòng)強(qiáng)度較大，如直升機(jī)螺旋槳擺動(dòng)/航空器表面振動(dòng)/火箭發(fā)射隔振/汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛減振等。另一方面，液壓振動(dòng)控制技術(shù)以其高能量密度、低噪音、無沖擊等優(yōu)勢(shì)，也在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)的各個(gè)行業(yè)獲得成功應(yīng)用，所形成的振動(dòng)控制方法也包括被動(dòng)、主動(dòng)及半主動(dòng)等多種形式。與壓電振動(dòng)控制一樣，液壓主動(dòng)及半主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)的控制效果較好、 通用性強(qiáng)，但通常需要較大的泵站(電機(jī)+液壓泵)提供動(dòng)力、并由電磁換向/溢流/減壓閥 (或多個(gè)單向閥)進(jìn)行控制，因此現(xiàn)有的液壓振動(dòng)控制系統(tǒng)體積龐大、連接及控制較復(fù)雜，且同樣需要持續(xù)的外界能量供應(yīng)?？梢?，目前所采用的單一式壓電振動(dòng)控制及液壓振動(dòng)控制技術(shù)均存在一定局限性和不足，能量自給、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、通用性強(qiáng)、控制效果好且適用于寬頻帶復(fù)雜環(huán)境的半主動(dòng)及主動(dòng)減振器是很多領(lǐng)域所急需的。
發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有壓電及液壓減振技術(shù)的上述問題，本實(shí)用新型提出一種利用壓電疊堆換能器發(fā)電并實(shí)現(xiàn)自供能的半主動(dòng)式壓電液壓減振器，即利用同步開關(guān)能量回收技術(shù)通過壓電疊堆與液體的耦合作用將振動(dòng)主體的機(jī)械能能轉(zhuǎn)換成電能、并用于振動(dòng)控制，進(jìn)而消除或降低現(xiàn)有主動(dòng)/半主動(dòng)控制依賴外部能量供應(yīng)、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(fā)電、壓電振動(dòng)控制、及液壓振動(dòng)控制技術(shù)優(yōu)勢(shì)的有機(jī)融合。本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是，上端蓋用螺釘安裝于主體上構(gòu)成液壓缸，活塞安裝于液壓缸腔內(nèi)并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(nèi)；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(nèi)； 所述其中一組壓電疊堆換能器一依次由碟形彈簧一、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碟形彈簧二、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(dǎo)線組一、導(dǎo)線組二與電控單元連接。本實(shí)用新型一種實(shí)施方式是兩組壓電疊堆換能器中的數(shù)量均為1-20個(gè)；當(dāng)壓電疊堆換能器為兩個(gè)以上時(shí)，每組壓電疊堆換能器中的各壓電疊堆分別采用并聯(lián)方式連接， 再分別與電控單元連接。本實(shí)用新型所述電控單元主要由電感、一對(duì)檢波器、比較器、儲(chǔ)能單元、一組控制開關(guān)構(gòu)成，功能是進(jìn)行振動(dòng)能量回收和振動(dòng)的半主動(dòng)控制。在減振器非工作狀態(tài)下，壓電疊堆受蓄能器的預(yù)置壓力作用而被預(yù)壓縮。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，振動(dòng)主體帶動(dòng)液壓缸活塞上下運(yùn)動(dòng)，使液壓缸上腔及下腔流體壓力發(fā)生變化，并致使壓電疊堆交替地伸長(zhǎng)與縮短，從而將流體的壓力能轉(zhuǎn)換成電能；所生成的電壓經(jīng)電控單元進(jìn)行換向后再施加到壓電疊堆的兩端，通過抑制壓電疊堆的伸長(zhǎng)或縮短而抑制振動(dòng)主體的振動(dòng)。本實(shí)用新型的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)在于①利用液體介質(zhì)轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)并傳遞動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)壓電疊堆的雙向聯(lián)合控制，便于通過液壓缸活塞和壓縮腔活塞面積的調(diào)整進(jìn)行控制力和控制位移的放大；③利用壓電疊堆換能器產(chǎn)生的電能進(jìn)行控制，無需外界供能，可靠性
高(不會(huì)因能量不足而影響控制效果)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)；③無需額外的傳感器，控制方法
簡(jiǎn)單(根據(jù)振動(dòng)情況即電壓信號(hào)自動(dòng)調(diào)整抗力)；@無需電機(jī)、泵等外圍設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)
單、體積小、集成度高、密封性好。因此，本實(shí)用新型的壓電疊堆型自供能液壓減振器除了適用于大型的交通工具及機(jī)床設(shè)備外，更適于航空航天、智能結(jié)構(gòu)及機(jī)器人等微小系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

圖1是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖2是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例圖1的俯視圖；圖3是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中主體的零件剖視圖；圖4是圖3的A向視圖；圖5是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例的電控單元電路原理圖。
具體實(shí)施方式
上端蓋2用螺釘安裝于主體1上構(gòu)成液壓缸，活塞3安裝于液壓缸腔Cl內(nèi)并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(nèi)；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(nèi)； 所述其中一組壓電疊堆換能器一 7a依次由碟形彈簧一 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依次由碟形彈簧二 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(dǎo)線組一 10、導(dǎo)線組二 11與電控單元9連接。兩組壓電疊堆換能器中的數(shù)量均為1-20個(gè)；當(dāng)壓電疊堆換能器為兩個(gè)以上時(shí)，每組壓電疊堆換能器中的各壓電疊堆分別采用并聯(lián)方式連接，再分別與電控單元連接。如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實(shí)用新型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(dòng)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(dǎo)線等構(gòu)成。所述主體1的上部設(shè)有液壓缸腔體Cl、下部設(shè)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用螺釘安裝于主體1的液壓缸腔體Cl 上，所述活塞3安裝于主體1的液壓缸腔Cl內(nèi)、并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(nèi)；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(nèi)；所述壓電疊堆換能器7a由碟形彈簧7al、壓縮腔活塞7a2及壓電疊堆7a3構(gòu)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由碟形彈簧7bl、壓縮腔活塞7 及壓電疊堆7b3構(gòu)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(dǎo)線組10和導(dǎo)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(chǔ)能單元、一組控制開關(guān)構(gòu)成，其功能是進(jìn)行能量回收和振動(dòng)控制。如圖1所示，安裝調(diào)試過程中，截止閥6開通，振動(dòng)主體M通過活塞3壓縮彈簧4， 待活塞3處于平衡位置后，將所述截止閥6關(guān)閉，壓電疊堆7a3和7b3因受蓄能器6預(yù)置壓力的作用而被預(yù)壓縮。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，液壓缸活塞3隨振動(dòng)主體M上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使系統(tǒng)內(nèi)的流體壓力、以及壓電疊堆7a3和7b3受力狀態(tài)發(fā)生變化，從而將流體的壓力能轉(zhuǎn)換成電能；所生成的電壓經(jīng)電控單元9進(jìn)行換向處理后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(chǎn)生的伸長(zhǎng)或縮短。如圖1、圖2所示，當(dāng)活塞3受外力作用向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸下腔Cll及壓縮腔7b4 內(nèi)的流體壓力降低、上腔C12及壓縮腔7a4內(nèi)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(zhǎng)，進(jìn)而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；當(dāng)液壓缸活塞3向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(zhǎng)。此外壓電疊堆7a3及 7b3也具有振動(dòng)檢測(cè)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(chǔ)能單元904和905、開關(guān)kl和k2構(gòu)成。為提高振動(dòng)控制能力，本實(shí)用新型壓電疊堆換能器7a和 7b均包含至少一對(duì)完全相同的壓電疊堆7a3和7b3，且所述壓電疊堆為多個(gè)時(shí)采用并聯(lián)方式連接。初始狀態(tài)時(shí)開關(guān)kl和k2斷開。穩(wěn)態(tài)工作中，壓電疊堆7a3和7b3因受外力變化而產(chǎn)生電壓，所生成的電壓經(jīng)檢波器902進(jìn)行波形檢測(cè)，比較器903通過對(duì)電壓波形的比較分析控制開關(guān)kl、k2的通斷當(dāng)所述壓電疊堆7a3產(chǎn)生的電壓達(dá)到極值(極大值或極小值) 時(shí)，開關(guān)kl和k2同時(shí)接通，壓電疊堆7a3與電感901、儲(chǔ)能器904構(gòu)成高頻振蕩回路，壓電疊堆7b3與電感906、儲(chǔ)能器905構(gòu)成高頻振蕩回路；同時(shí)，壓電疊堆7a3產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)到蓄能器904，壓電疊堆7b3產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)到蓄能器905 ；經(jīng)半個(gè)周期高頻振蕩后，壓電疊堆7a3和7b3兩端的電壓與控制開關(guān)kl和k2閉合前的電壓相反，此時(shí)開關(guān)kl和k2同時(shí)斷開，從而使壓電疊堆兩端的電壓與kl和k2閉合前相反、產(chǎn)生的機(jī)械抗力始終與其運(yùn)動(dòng)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)。由于電路的振蕩頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)頻率，故開關(guān)kl的短瞬接通并不影響機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)。
權(quán)利要求1.一種壓電疊堆型自供能液壓減振器，其特征在于，上端蓋用螺釘安裝于主體上構(gòu)成液壓缸，活塞安裝于液壓缸腔內(nèi)并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(nèi)；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(nèi)；所述其中一組壓電疊堆換能器一依次由碟形彈簧一、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碟形彈簧二、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(dǎo)線組一、導(dǎo)線組二與電控單元連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電疊堆型自供能液壓減振器，其特征在于，兩組壓電疊堆換能器中的數(shù)量均為1-20個(gè)；當(dāng)壓電疊堆換能器為兩個(gè)以上時(shí)，每組壓電疊堆換能器中的各壓電疊堆分別采用并聯(lián)方式連接，再分別與電控單元連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種壓電疊堆型自供能液壓減振器，屬于減振器。上端蓋用螺釘安裝于主體上構(gòu)成液壓缸，活塞安裝于液壓缸腔內(nèi)并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(nèi)；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(nèi)；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(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)多壓電疊堆換能器聯(lián)合作業(yè)，控制能力強(qiáng)；無需外部能源、傳感器及驅(qū)動(dòng)器等，結(jié)構(gòu)及控制簡(jiǎn)單、體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。
文檔編號(hào)H02N2/00GK202215659SQ20112034860
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月18日
發(fā)明者曾平, 王淑云, 程光明, 闞君武 申請(qǐng)人:浙江師范大學(xué)