一种船艇推进轴系纵向振动控制装置

摘要

本发明公开了一种船艇推进轴系纵向振动控制装置，包括加速度计、数据采集卡A/D、处理器、数据采集卡D/A、功率放大器以及压电作动器。该装置利用推力轴承基座上的振动信号作为反馈控制信号，并结合安装在推进轴系上的压电作动器，向推进轴系施加轴向的控制力，以减小推进轴系的纵向振动从而减小船体的振动。本装置采用压电作动器，可以有效控制推进轴系的中高频振动；采用柔性铰链位移放大机构有效地放大其中一组压电堆叠的输出位移，且其位移放大系数可调；采用另一组压电堆叠，调节压电作动器的轴向刚度，以减小第一组压电堆叠的位移损失；采用柔性球铰、预紧弹簧以及预紧螺钉起到保护压电堆叠的作用，以延长压电堆叠的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于船艇振动和噪声主动控制领域，具体涉及一种基于压电微位移放大刚度可调的船艇推进轴系纵向振动控制装置。

背景技术

目前，随着技术的发展，船舶和潜艇仍然是海上运输以及控制海洋资源的重要手段之一。然而，无论是民用船舶还是军用潜艇在航行时，螺旋桨在水中旋转会产生非定常轴向激励力，该力构成主推进轴系纵向振动的主要激励源。而主推进轴系纵向振动不仅会导致船体结构的故障，而且引起船体振动并向水下辐射噪声，降低民用船舶乘坐的舒适性和军用潜艇的隐身性能。因此，如何控制船舶和潜艇航行时船体的振动具有很重要和迫切的现实意义。

针对上述问题，目前国内外研究人员提出了多种解决方法。从振动传递的原理出发，可以分为以下三类：降低螺旋桨的脉动激励以减小激励源、降低振动沿推进轴系的传递(即减少推进轴系的振动)、以及直接降低船体的振动。然而由于各种因素的限制(如对于船体结构，为了满足强度和布置的要求，改动较为有限等)以及就实际取得的效果而言，降低船艇主推进轴系的振动为目前最切实可行的方法。

为了降低推进轴系的振动，目前存在各种各样的减震装置，如阻尼器、共振转换器等，这些都属于被动控制技术，目的是为了增加推进轴系的阻尼，将振动的能量耗散掉，然而实践表明其控制效果不太理想。基于主动控制技术的装置有电磁式作动器、气动伺服作动器等，相对于被动控制而言，其具有适应性好，低频控制效果良好等优点，然而目前这些装置的不足之处在于中高频范围内所取得的控制效果较差。

发明内容

本发明针对上述控制装置的不足，旨在提供一种能够主动减震且在中高频范围内控制效果较好的振动控制装置，以减小推进轴系的纵向振动从而减小船体的振动。

为了实现上述目的，本发明提供了一种船艇推进轴系纵向振动控制装置，包括：推力轴承、推力盘、压电作动器、基座、加速度计、数据采集卡A/D、处理器、数据采集卡D/A、功率放大器；

推力轴承、推力盘、压电作动器、基座沿轴线方向从左到右依次套在船艇推进轴上，推力轴承安装在船艇推进轴上，推力盘与推力轴承连接，压电作动器的右端与基座固连，左端与推力盘接触；加速度计安装在基座上并且连接数据采集卡A/D的输入端，数据采集卡A/D的输出端连接处理器的输入端，处理器的输出端连接数据采集卡D/A的输入端，数据采集卡D/A的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接压电作动器；

加速度计用于测量基座的振动信号，并将测得的振动信号转换为模拟电压信号输入给数据采集卡A/D，数据采集卡A/D用于将模拟电压信号进行A/D转换为数字电压信号并输入至处理器，数字电压信号经处理器处理后，输入给数据采集卡D/A，数据采集卡D/A用于将数字电压信号转换回模拟电压信号并输出至功率放大器，功率放大器用于将电压信号进行放大并输入至压电作动器，压电作动器用于根据接收到的电压信号通过推力盘以及推力轴承向推进轴系输出轴向的控制力以减小推进轴系的纵向振动。

进一步地，压电作动器包括：柔性铰链套筒、右支撑盘、左支撑盘、柔性铰链扇盘、压电组件A、压电组件B；右支撑盘固定于柔性铰链套筒右端，柔性铰链扇盘固定于柔性铰链套筒左端，左支撑盘位于右支撑盘和柔性铰链扇盘之间；

压电组件A和压电组件B均分别包括柔性球铰a、柔性球铰b、预紧弹簧、预紧螺钉；压电组件A还包括压电堆叠a，压电组件B还包括压电堆叠b；

压电堆叠a穿过左支撑盘上的通孔，左端与柔性球铰a固连，右端与柔性球铰b固连；柔性球铰a的左端面与柔性铰链扇盘右端面接触；柔性球铰b的右端在右支撑盘的半螺纹通孔内与预紧螺钉接触；柔性球铰b右端的外圆柱面上装有预紧弹簧，预紧弹簧的右端面与右支撑盘的左端面接触；

压电堆叠b左端与柔性球铰a固连，右端与柔性球铰b固连；柔性球铰a的左端面与左支撑盘右端面接触；柔性球铰b的右端在右支撑盘的半螺纹通孔内与预紧螺钉接触；柔性球铰b右端的外圆柱面上装有预紧弹簧，预紧弹簧的右端面与右支撑盘的左端面接触。

进一步地，四块扇形的柔性铰链扇盘沿套筒的圆周成90°均匀分布，相邻柔性铰链扇盘之间存在微小的切缝；四个压电组件A沿右支撑盘的圆周成90°均匀分布；四个压电组件B沿右支撑盘的圆周成90°均匀分布。

进一步地，压电作动器还包括推力螺栓、螺母；柔性铰链扇盘的弧形边上开有凹槽，推力螺栓与螺母配合固定于凹槽上，松开螺母时，推力螺栓可沿凹槽滑动。

本装置相比于现有的装置具有以下优点：

1、本装置采用压电作动器，由于压电材料具有动态响应快、单位体积输出功率大等优点，可以有效控制推进轴系的中高频振动，并且搭建了闭环的主动减振架构，能够根据基座的振动进行主动减振；

2、采用柔性铰链位移放大机构有效地放大压电堆叠a的输出位移，且其位移放大系数可调。与传统的位移放大机构相比，柔性铰链具有响应迅速、运动灵活、自回复等特点，加之压电堆叠动态响应快的优点，能够有效保证压电作动器的快速响应；

3、采用压电堆叠b，调节压电作动器的轴向刚度，可以使柔性铰链套筒的刚度远大于压电堆叠a的轴向刚度，以减小压电堆叠a在控制的初始时刻所受的轴向压力，避免压电堆叠a由于轴向压力过大导致损失较大的输出位移；

4、采用柔性球铰、预紧弹簧以及预紧螺钉起到保护压电堆叠的作用，以延长压电堆叠的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为压电作动器安装在船艇推进轴系上的分解示意图；

图3为压电作动器的结构示意图；

图4a为柔性铰链套筒的结构示意图；

图4b为图4a的正视图；

图4c为图4b的剖视图；

图5为柔性球铰a的结构示意图；

图6为柔性球铰b的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-推进轴系2-推力轴承 3-推力盘

4-压电作动器5-推力轴承基座 6-推力螺栓

7-柔性铰链套筒8-螺母 9-柔性球铰a

10-压电堆叠a11-柔性球铰b 12-预紧弹簧

13-右支撑盘 14-预紧螺钉15-压电堆叠b

16-柔性铰链扇盘 17-左支撑盘

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例的结构示意图。从图中可知，包括：加速度计、数据采集卡A/D、处理器、数据采集卡D/A、功率放大器以及压电作动器4。加速度计测得的推力轴承基座的振动信号由数据采集卡采集并进行A/D转换，输入至处理器，经控制算法处理以及D/A转换后输出至功率放大器放大，之后作用于压电作动器4，驱动压电作动器4产生轴向的控制力以减小推进轴系的纵向振动，从而减小船体的振动。本实施例中，处理器是PC机，当然，也可以是其他电子装置或设备。

图2是压电作动器4的安装爆炸图。由图可知，推力盘3与推力轴承2连接，起到定位推力轴承松圈的作用。压电作动器4安装于推力盘3与推力轴承基座5之间，其中压电作动器4的右端与基座固连，左端与推力盘右端面接触，压电作动器4通过推力盘3以及推力轴承2向推进轴系输出轴向的控制力。压电作动器安装于推力轴承基座和推力盘之间，推力盘与推力轴承连接，起到定位推力轴承松圈的作用。

图3为压电作动器4的结构图。由图可知，压电作动器由压电堆叠a10、压电堆叠b15、柔性铰链套筒7、柔性球铰a9、柔性球铰b11、预紧弹簧12、预紧螺钉14、右支撑盘13、推力螺栓6、螺母8组成。

压电堆叠a10、压电堆叠b15由机械结构上串联，电路上并联的压电陶瓷堆叠而成，相比于单片压电陶瓷，输出位移可以显著提高。其中，压电堆叠a10穿过柔性铰链套筒左支撑盘17(如图4a所示)上的通孔，左端与柔性球铰a9(如图5所示)固连，右端与柔性球铰b11(如图6所示)固连。柔性球铰a9的左端面与柔性铰链套筒上的柔性铰链扇盘16(如图4a所示)右端面接触。柔性球铰b11的右端穿过右支撑盘13左端面(其中，右支撑盘13与柔性铰链套筒7固连)的半螺纹通孔，并与半螺纹通孔内的预紧螺钉14接触。同时柔性球铰b11右端的外圆柱面上装有预紧弹簧12，预紧弹簧12的右端面与右支撑盘13的左端面接触。四组柔性球铰a9、压电堆叠a10、柔性球铰b11、预紧弹簧12、预紧螺钉14沿右支撑盘的圆周成90°均匀分布。压电堆叠b15的连接方式与压电堆叠a10类似，同样也是沿右支撑盘的圆周成90°均匀分布，所不同的是与压电堆叠b15固连的柔性球铰a9的左端面与左支撑盘17(如图4a所示)右端面接触。

图4a为柔性铰链套筒的结构图，图4b及4c分别为柔性铰链套筒的正视图和剖视图。如图所示，左支撑盘17上有4个沿圆周方向成90°均匀分布的通孔，用于支撑压电堆叠a10。4块扇形的柔性铰链扇盘16绕圆周均匀分布，相邻扇盘之间存在微小的切缝，它们本质上为杠杆式的位移放大机构，用于放大压电堆叠a10的输出位移。与传统的杠杆式放大机构相比，柔性铰链具有响应迅速、运动灵活、自回复等特点，加之压电堆叠动态响应快的优点，能够有效保证压电作动器的快速响应。4块扇形的柔性铰链扇盘16的弧形边上分别开有凹槽，推力螺栓6和螺母8固定于凹槽上，松开螺母8时，推力螺栓6可沿凹槽滑动，用于调节位移放大机构的放大系数。

使用本压电作动器时，首先调节压电堆叠b15的预紧螺钉14，并同时向压电堆叠b15施加驱动电压，保证与压电堆叠b15左端面固连的柔性球铰a9与左支撑盘17紧接触的同时，通过改变所施加的驱动电压的大小来调节柔性铰链套筒7的轴向刚度，使得其远大于压电堆叠a10的轴向刚度。然后调节压电堆叠a10的预紧螺钉14，使得与压电堆叠a10左端面固连的柔性球铰a9与柔性铰链扇盘16紧接触。

本装置的工作过程为通过布置在推力轴承基座上的加速度计实时测量基座的振动信号，并将该振动信号作为反馈控制信号，经由数据采集卡采集并进行A/D转换，输入至处理器，经控制算法处理以及D/A转换后输出至功率放大器放大，之后作用于压电作动器4上的压电堆叠a10，压电堆叠a10经由柔性球铰a9以及柔性铰链扇盘16，放大其输出位移，并通过推力螺栓6向推力盘3以及推力轴承2产生轴向的控制力以减小推进轴系的纵向振动，从而减小船体的振动。

压电堆叠a10和压电堆叠b15由机械结构上串联、电路上并联的压电陶瓷堆叠而成，相比于单片压电陶瓷，输出位移可以显著提高。其中，压电堆叠a10通过推力盘以及推力轴承向推进轴系输出轴向的控制力。压电堆叠b15通过改变所施加的驱动电压的大小起到调节压电作动器的轴向刚度的作用，以减小压电堆叠a10在控制的初始时刻所受的轴向压力，避免压电堆叠a10由于轴向压力过大导致损失较大的输出位移。

左支撑盘17起到支撑压电堆叠a10，连接压电堆叠b15的作用。四块扇形的柔性铰链扇盘16绕圆周均匀分布，相邻扇盘之间存在微小的切缝，它们本质上为杠杆式的位移放大机构，用于放大压电堆叠a10的输出位移。与传统的杠杆式放大机构相比，柔性铰链具有响应迅速、运动灵活、自回复等特点，加之压电堆叠动态响应快的优点，能够有效保证压电作动器的快速响应。四块扇形的柔性铰链扇盘16的弧形边上分别开有凹槽，推力螺栓6和螺母8固定于凹槽上，松开螺母8时，其可沿凹槽滑动，用于调节位移放大机构的放大系数。

柔性球铰a9、柔性球铰b11本质上为柔性铰链球面副，分别与压电堆叠a10和压电堆叠b15的两端固连。由于压电堆叠承受轴向压力的能力较强，而几乎不能承受非轴向力，否则容易导致压电堆叠发生破坏，因此，本发明采用柔性球铰与压电堆叠固连，由于柔性球铰为柔性铰链球面副，使得压电堆叠只承受轴向力，防止由于加工误差以及安装误差所产生的非轴向力导致压电堆叠发生破坏。柔性球铰b11分别与预紧弹簧12以及预紧螺钉14连接，预紧弹簧12的右端面与右支撑盘13左端面接触。由于压电堆叠承受轴向拉力的能力较差，长期承受轴向拉力，其使用寿命会大大降低。因此，为了避免压电堆叠承受轴向拉力，柔性球铰a9只是与柔性铰链扇盘16(或右支撑盘13)接触，不固连，然而为了保证其始终接触，防止冲击，故采用预紧弹簧12与预紧螺钉14进行预紧。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。