一种基于压电堆栈的混合支座

张慧琴 崔承勋

(延边大学工学院，吉林 延吉 133002)

0 引言

通常，在遭受严重动态环境的海军装备中，支架用于减弱动态系统的冲击和振动。许多类型的被动式支座已用于实现此目的。橡胶减振座是被动支座之一，由于其对非共振和高频激励的有效隔振性能而被广泛使用。但是，被动式橡胶减振座在某些频率区域，尤其是在共振频率处，不能发挥良好的性能。这项工作的主要目的是新型有源混合动力支架。设计的混合支座包括1个被动橡胶元件和2个主动压电堆栈执行器。被动元件采用了常规的用于海军舰船的橡胶支架，并对其动态特性进行了评估。在确定了压电堆栈执行器的驱动力之后，制造了混合支座。

1 橡胶动态特性

在这项工作中，橡胶元件是在考虑安装的情况下设计和制造的海军装备的环境。它的装载范围是从50～200kg。通常，橡胶的特性根据上部载荷和振动源而改变。因此，可以使用Kelvin-Voigt模型通过实验确定动态刚度和阻尼系数，如下所示：

kd(jω)=krjωcr

(1)

其中，kd为动态刚度，kr为静态刚度，cr为阻尼常数和ω为激励频率。测得的刚度和阻尼系数分别为160447N/m和537N·s/m。

2 压电堆栈执行器驱动力的确定

如前所述，为了提高橡胶的隔振性能，在这项工作中采用了压电堆栈执行器，它的机电特性(沿极化方向提供驱动)可以表示如下：

D=ε33E+d33T

(2)

其中，D-电位移，E-电场，T-应力，S-应变，ε33-零应力下的介电常数，d33-压电电荷常数，c-零电场下的弹性模量。

然后,可以从该方程式导出由n个压电层组成的压电堆执行器堆叠的本构方程：

fp(t)=AT=AcS-Acd33E

(3)

=kpδ(t)-aV(t)=kpδ(t)-fa(t)

其中，fp(t)是施加到压电堆栈的负载；A是压电元件的横截面积；l是压电堆栈的长度；kp(-AC/l)是弹簧常数；α(-Acd33/l)是比例常数；电压V(t)施加的力fα(t)(=aV(t))；压电堆栈的行程δ(t)可以根据下公式进行预测：

(4)

图1 测得的压电堆栈的阻挡力

图1给出了压电堆栈执行器产生的阻挡力的实验结果，压电堆栈执行器的弹簧常数和比例常数的平均值分别为47MN/m和2.4N/V。在300V的输入电压下，最大阻挡力约为1000N。结果还表明，2个压电堆栈执行器具有几乎相同的刚度。图2示出了相对于频率的测得的驱动力。可以看出,力与频率的平方成比例地增加。

3 安装配置

图3显示了所提出的混合动力支架的配置，该混合动力支架由压电堆栈执行器，橡胶元件和中间质量组成。如图所示，2个并联的压电堆栈执行器与橡胶元件串联连接，以防止剧烈激励。应当指出，所提出的混合支座对于具有高冲击和振动的恶劣动态环境非常有效，例如安装在舰船上的设备。

图3 混合支架的配置

图4 混合支架的机械模型

在这项工作中，集中质量建议位于支座上方的顶板上。表1所示的符合军用标准MIL-STD-167-1A的激励从支座下方的底座通过嵌入板传递。可以将拟建的支座系统和所支持的质量(简称“支座质量系统”)建模为两自由度(2-DOF)系统。根据图4所示系统的机械模型，运动的控制方程可以推导如下：

(5)

表1 MIL-STD-167-1A特性

4 结论

本文提出了一种有源混合动力支座，用于舰船等承受剧烈动态环境的设备。通过采用压电堆栈执行器和橡胶元件，设计并制造了建议的支座。