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(yōu)點(diǎn)，其憑借著技術(shù)優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)械操作中。結(jié)合二次驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)原理，針對(duì)機(jī)械拉壓試件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，分析壓電套筒式拉壓雙向受力主動(dòng)桿件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?機(jī)械式拉壓;主動(dòng)桿件;壓電

[中圖分類號(hào)] ?TU32 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?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(chǎn)過(guò)程中對(duì)其極化處理，這是由壓電材料的性能、參數(shù)等決定的。譬如，壓電材料作為大型機(jī)械的驅(qū)動(dòng)器，它在整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)作中所起的作用和實(shí)現(xiàn)原理是利用一維壓電效應(yīng)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(yīng)變;εE33表示壓電片在相對(duì)理想狀態(tài)恒定電場(chǎng)下的彈性柔順系數(shù);T3表示壓電片極化方向承受的應(yīng)力;d33表示壓電材料對(duì)應(yīng)件極化方向的應(yīng)變系數(shù);E3表示壓電材料極化方向的電場(chǎng)強(qiáng)度;D3表示選用壓電材料極化方向的電位移;最后一項(xiàng)為介電常數(shù)。

如上，通常情況下，壓電材料的壓電應(yīng)變系數(shù)均比較小，并且持續(xù)這種狀態(tài)。所以，機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)行方面，經(jīng)常會(huì)將多個(gè)壓電片疊合設(shè)計(jì)，正如開(kāi)篇所言，制作成壓電堆。聯(lián)系現(xiàn)實(shí)中機(jī)械工作情況來(lái)看，在工作過(guò)程中，內(nèi)部各壓電片的電路輸入主要表現(xiàn)為并聯(lián)關(guān)系。通俗點(diǎn)來(lái)理解，就是出力和位移彼此間的串聯(lián)。這樣做的目的也很顯現(xiàn)，主要是保證在一定電壓輸入狀態(tài)下能夠增大驅(qū)動(dòng)力和位移的輸出。對(duì)此，為了盡量滿足壓電材料的電場(chǎng)施加方向上驅(qū)動(dòng)力和變形等性能要求，需要進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試與設(shè)計(jì)。

二、主動(dòng)桿件的設(shè)計(jì)

結(jié)合上文介紹以及現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用實(shí)際，再介紹一種主動(dòng)桿件及其設(shè)計(jì)。直接地概況，即一種基于壓電堆制成的主動(dòng)桿件，如圖1所示。

壓電主動(dòng)桿件，在整個(gè)機(jī)械拉壓雙向受力工作中，需要滿足以下幾點(diǎn)：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(dòng)桿件也存留一些不足，因?yàn)橹鲃?dòng)桿件在常見(jiàn)的套筒式拉壓機(jī)械系統(tǒng)中，一般都是作為核心件存在，而壓電堆則是主要部件。在構(gòu)造上，多屬于層疊結(jié)構(gòu)，所以大家也可以看到，結(jié)構(gòu)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(diǎn)。

如上，基于該問(wèn)題和技術(shù)性缺陷，筆者結(jié)合所學(xué)知識(shí)，簡(jiǎn)單提出了將拉力轉(zhuǎn)化壓力的設(shè)計(jì)方案。不僅可以將拉力轉(zhuǎn)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(dòng)抗震控制裝置。繼續(xù)結(jié)合上述圖1來(lái)看，以串聯(lián)的形式，充分發(fā)揮出壓電堆受壓性能優(yōu)越的技術(shù)特點(diǎn)。這樣一來(lái)，可強(qiáng)化對(duì)系統(tǒng)的操作控制。通過(guò)一些試驗(yàn)研究也可以得知，在此情形下，可使得外部荷載轉(zhuǎn)化為壓電堆的壓力，最終達(dá)到主動(dòng)桿件位移、受力輸出等實(shí)際要求。

三、試件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

上部分提出了壓電主動(dòng)桿件，具體見(jiàn)圖2，從中可以清晰地觀察到，主動(dòng)桿件包括內(nèi)層和外層。其中，內(nèi)層套筒內(nèi)為了滿足實(shí)際技術(shù)要求，專門放置了長(zhǎng)方形、圓柱體形的壓電堆，并且分為上端和下端。還可以進(jìn)一步看到，下端和上端在不同壓電堆之間設(shè)有傳遞端板。另外，外層套管的設(shè)計(jì)與內(nèi)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(shè)置了連接件，使用了調(diào)節(jié)螺栓。更為可取的一點(diǎn)是，在內(nèi)層套筒和外層套筒之間的間隙部位，直接填充了潤(rùn)滑劑，主要目的就是減少摩擦、增強(qiáng)內(nèi)驅(qū)力。

再次聯(lián)系機(jī)械式拉壓工作實(shí)際，主動(dòng)桿件在工作的過(guò)程中，直接被固定在普通桿件中間。具體來(lái)看，由于主動(dòng)桿件設(shè)置了內(nèi)外兩層套筒，設(shè)置于內(nèi)層套筒上的螺母也直接穿過(guò)了外層套筒。此外，內(nèi)外部、上下部彼此間均設(shè)有連接桿，以此來(lái)相互傳遞拉力、壓力。此情形下，當(dāng)主動(dòng)桿件受到外力作用的時(shí)候，外層套筒下端與內(nèi)層套筒上端就會(huì)開(kāi)始相對(duì)運(yùn)動(dòng)，繼而壓電堆受壓;反之，當(dāng)主動(dòng)桿件受拉的時(shí)候，外層套筒的上端與內(nèi)層套筒的下端同樣會(huì)同時(shí)啟動(dòng)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且壓電堆同樣受壓。通過(guò)該種受壓，使得壓電堆的受壓性能一直保持在良好的狀態(tài)之下。

再者，桿件構(gòu)造中的傳遞端板，彼此間也相互銜接。具體來(lái)看，第一傳遞端板與壓電堆、第二傳遞端板、內(nèi)層套筒等之間均是通過(guò)這一半圓形球鉸來(lái)傳力，然后實(shí)現(xiàn)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(fā)生。

最后，當(dāng)調(diào)節(jié)螺栓擰緊之后，整個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)各構(gòu)件開(kāi)始共同工作，包括外層套筒和內(nèi)層套筒在內(nèi)，相互間傳力、受力。

總體來(lái)看，壓電堆屬于整個(gè)壓電主動(dòng)桿件結(jié)構(gòu)中的核心部件，在系統(tǒng)內(nèi)部屬于控制型角色。在此類研究層面，更多關(guān)注的是結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)。

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