機械拉壓試件創新設計

劉玉林

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?壓電堆具有體積小、頻響快、能耗低、傳感性能好等系列優點，其憑借著技術優勢，越來越多地被應用于工業生產、機械操作中。結合二次驅動機械設計原理，針對機械拉壓試件的設計與優化，分析壓電套筒式拉壓雙向受力主動桿件的開發設計。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?機械式拉壓;主動桿件;壓電

[中圖分類號] ?TU32 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2018）27-0163-01

一、壓電材料的工作原理

壓電材料一般需要在生產過程中對其極化處理，這是由壓電材料的性能、參數等決定的。譬如，壓電材料作為大型機械的驅動器，它在整個機械系統運作中所起的作用和實現原理是利用一維壓電效應模型。如下：

ε3=εE33T3+d33E3D3=d33δ3+εT33E3

上式為一維壓電方程。其中，ε3表示壓電材料極化方向的應變;εE33表示壓電片在相對理想狀態恒定電場下的彈性柔順系數;T3表示壓電片極化方向承受的應力;d33表示壓電材料對應件極化方向的應變系數;E3表示壓電材料極化方向的電場強度;D3表示選用壓電材料極化方向的電位移;最后一項為介電常數。

如上，通常情況下，壓電材料的壓電應變系數均比較小，并且持續這種狀態。所以，機械系統在運行方面，經常會將多個壓電片疊合設計，正如開篇所言，制作成壓電堆。聯系現實中機械工作情況來看，在工作過程中，內部各壓電片的電路輸入主要表現為并聯關系。通俗點來理解，就是出力和位移彼此間的串聯。這樣做的目的也很顯現，主要是保證在一定電壓輸入狀態下能夠增大驅動力和位移的輸出。對此，為了盡量滿足壓電材料的電場施加方向上驅動力和變形等性能要求，需要進行相應的測試與設計。

二、主動桿件的設計

結合上文介紹以及現實中的應用實際，再介紹一種主動桿件及其設計。直接地概況，即一種基于壓電堆制成的主動桿件，如圖1所示。

壓電主動桿件，在整個機械拉壓雙向受力工作中，需要滿足以下幾點：第一，需要滿足位移輸出的要求;第二，需要承受荷載的要求;第三，性能要有保障。

但是，壓電主動桿件也存留一些不足，因為主動桿件在常見的套筒式拉壓機械系統中，一般都是作為核心件存在，而壓電堆則是主要部件。在構造上，多屬于層疊結構，所以大家也可以看到，結構的總體受壓性能良好。然而，也直接決定了其受拉易斷裂的特點。

如上，基于該問題和技術性缺陷，筆者結合所學知識，簡單提出了將拉力轉化壓力的設計方案。不僅可以將拉力轉化為壓力，并且也不需要再承受彎矩的壓電套筒式拉壓雙向受力，即主動抗震控制裝置。繼續結合上述圖1來看，以串聯的形式，充分發揮出壓電堆受壓性能優越的技術特點。這樣一來，可強化對系統的操作控制。通過一些試驗研究也可以得知，在此情形下，可使得外部荷載轉化為壓電堆的壓力，最終達到主動桿件位移、受力輸出等實際要求。

三、試件的創新設計

上部分提出了壓電主動桿件，具體見圖2，從中可以清晰地觀察到，主動桿件包括內層和外層。其中，內層套筒內為了滿足實際技術要求，專門放置了長方形、圓柱體形的壓電堆，并且分為上端和下端。還可以進一步看到，下端和上端在不同壓電堆之間設有傳遞端板。另外，外層套管的設計與內層套管直接銜接，也分為上下兩端。需要注意的是，上下兩端之間同樣設置了連接件，使用了調節螺栓。更為可取的一點是，在內層套筒和外層套筒之間的間隙部位，直接填充了潤滑劑，主要目的就是減少摩擦、增強內驅力。

再次聯系機械式拉壓工作實際，主動桿件在工作的過程中，直接被固定在普通桿件中間。具體來看，由于主動桿件設置了內外兩層套筒，設置于內層套筒上的螺母也直接穿過了外層套筒。此外，內外部、上下部彼此間均設有連接桿，以此來相互傳遞拉力、壓力。此情形下，當主動桿件受到外力作用的時候，外層套筒下端與內層套筒上端就會開始相對運動，繼而壓電堆受壓;反之，當主動桿件受拉的時候，外層套筒的上端與內層套筒的下端同樣會同時啟動做相對運動，并且壓電堆同樣受壓。通過該種受壓，使得壓電堆的受壓性能一直保持在良好的狀態之下。

再者，桿件構造中的傳遞端板，彼此間也相互銜接。具體來看，第一傳遞端板與壓電堆、第二傳遞端板、內層套筒等之間均是通過這一半圓形球鉸來傳力，然后實現鉸接。所起到的最大作用，即可避免彎矩傳遞這一不利局面的發生。

最后，當調節螺栓擰緊之后，整個內部系統各構件開始共同工作，包括外層套筒和內層套筒在內，相互間傳力、受力。

總體來看，壓電堆屬于整個壓電主動桿件結構中的核心部件，在系統內部屬于控制型角色。在此類研究層面，更多關注的是結構振動控制技術。

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