一種基于壓電堆棧的混合支座

張慧琴 崔承勛

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

0 引言

通常，在遭受嚴重動態環境的海軍裝備中，支架用于減弱動態系統的沖擊和振動。許多類型的被動式支座已用于實現此目的。橡膠減振座是被動支座之一，由于其對非共振和高頻激勵的有效隔振性能而被廣泛使用。但是，被動式橡膠減振座在某些頻率區域，尤其是在共振頻率處，不能發揮良好的性能。這項工作的主要目的是新型有源混合動力支架。設計的混合支座包括1個被動橡膠元件和2個主動壓電堆棧執行器。被動元件采用了常規的用于海軍艦船的橡膠支架，并對其動態特性進行了評估。在確定了壓電堆棧執行器的驅動力之后，制造了混合支座。

1 橡膠動態特性

在這項工作中，橡膠元件是在考慮安裝的情況下設計和制造的海軍裝備的環境。它的裝載范圍是從50～200kg。通常，橡膠的特性根據上部載荷和振動源而改變。因此，可以使用Kelvin-Voigt模型通過實驗確定動態剛度和阻尼系數，如下所示：

kd(jω)=krjωcr

(1)

其中，kd為動態剛度，kr為靜態剛度，cr為阻尼常數和ω為激勵頻率。測得的剛度和阻尼系數分別為160447N/m和537N·s/m。

2 壓電堆棧執行器驅動力的確定

如前所述，為了提高橡膠的隔振性能，在這項工作中采用了壓電堆棧執行器，它的機電特性(沿極化方向提供驅動)可以表示如下：

D=ε33E+d33T

(2)

其中，D-電位移，E-電場，T-應力，S-應變，ε33-零應力下的介電常數，d33-壓電電荷常數，c-零電場下的彈性模量。

然后,可以從該方程式導出由n個壓電層組成的壓電堆執行器堆疊的本構方程：

fp(t)=AT=AcS-Acd33E

(3)

=kpδ(t)-aV(t)=kpδ(t)-fa(t)

其中，fp(t)是施加到壓電堆棧的負載；A是壓電元件的橫截面積；l是壓電堆棧的長度；kp(-AC/l)是彈簧常數；α(-Acd33/l)是比例常數；電壓V(t)施加的力fα(t)(=aV(t))；壓電堆棧的行程δ(t)可以根據下公式進行預測：

(4)

圖1 測得的壓電堆棧的阻擋力

圖1給出了壓電堆棧執行器產生的阻擋力的實驗結果，壓電堆棧執行器的彈簧常數和比例常數的平均值分別為47MN/m和2.4N/V。在300V的輸入電壓下，最大阻擋力約為1000N。結果還表明，2個壓電堆棧執行器具有幾乎相同的剛度。圖2示出了相對于頻率的測得的驅動力。可以看出,力與頻率的平方成比例地增加。

3 安裝配置

圖3顯示了所提出的混合動力支架的配置，該混合動力支架由壓電堆棧執行器，橡膠元件和中間質量組成。如圖所示，2個并聯的壓電堆棧執行器與橡膠元件串聯連接，以防止劇烈激勵。應當指出，所提出的混合支座對于具有高沖擊和振動的惡劣動態環境非常有效，例如安裝在艦船上的設備。

圖3 混合支架的配置

圖4 混合支架的機械模型

在這項工作中，集中質量建議位于支座上方的頂板上。表1所示的符合軍用標準MIL-STD-167-1A的激勵從支座下方的底座通過嵌入板傳遞。可以將擬建的支座系統和所支持的質量(簡稱“支座質量系統”)建模為兩自由度(2-DOF)系統。根據圖4所示系統的機械模型，運動的控制方程可以推導如下：

(5)

表1 MIL-STD-167-1A特性

4 結論

本文提出了一種有源混合動力支座，用于艦船等承受劇烈動態環境的設備。通過采用壓電堆棧執行器和橡膠元件，設計并制造了建議的支座。