基于压电分流阻尼技术机械传动噪声与振动控制系统设计

叶开成

(泰州凯昂登机电有限公司,江苏 泰兴 225400)

0 引言

随着工业化和现代科技的不断进步,机械传动系统在各个领域中发挥着重要作用。然而,机械传动系统在运行过程中产生的噪声和振动问题一直都是工程领域亟需解决的难题,噪声与振动不仅会对工作人员的身体健康带来潜在风险,还会对周围环境造成严重污染和干扰[1-2]。因此,研究高效可行的噪声与振动控制技术变得尤为迫切。

压电分流阻尼技术利用压电材料的特性,通过设计相应的电路实现机械噪声的控制和振动的减振[3]。相比传统噪声与振动控制方法,压电分流阻尼技术利用压电材料的形变效应,通过调节电场强度来改变结构的刚度和自然频率,进而调控系统的振动特性,有效地抑制不必要的共振和振动现象[4]。其次,压电分流阻尼技术充分利用压电材料的电荷效应,在机械传动系统受到外力变形时,压电材料产生电荷,这些电荷可以被收集和耗散,从而将结构振动的能量转化为电能并进行能量耗散,从而实现减振效果,降低噪声的产生[5-6]。因此,压电分流阻尼技术成为改善工作环境和提高机械传动系统性能的理想选择。

本文基于压电分流阻尼技术的原理和特点,采用极点配置方法进行设计优化的压电分流阻尼电路,以实现最佳的振动控制效果。最后通过试验验证,评估其在实际应用中的可行性和有效性。

1 压电分流阻尼技术及压电原件的设计

1.1 压电分流阻尼技术

压电分流阻尼技术是一种应用压电效应来实现振动控制和能量耗散的先进技术。压电材料是一类特殊的材料,当受到外力变形时会产生电荷,施加电场时也能引起材料的形变,因此,压电材料是一种理想的振动控制和能量转换材料。该技术的原理主要基于两个方面。

1)减振原理。压电材料在施加电场的作用下会发生形变,通过在结构中安装压电材料,并调节电场的强度,可以改变结构的刚度和自然频率[7-8]。因此,当结构受到外部振动激励时,压电材料会主动响应,从而实现主动振动控制。通过合理调节电场,可以减少或增加结构的振动响应,达到减振的效果。

2)噪声控制原理。与减振原理类似,压电材料的形变效应可以用来改变结构的刚度和自然频率,当机械传动系统中的噪声激励引起结构振动时,通过调节压电材料的电场强度,可以使结构的振动频率与噪声频率产生差异,从而减少噪声的辐射。

1.2 压电元件的设计与选型

1.2.1 材料选择

常见的压电材料包括压电陶瓷、压电单晶体和压电聚合物等。本文考虑到实际应用场景,选择压电陶瓷作为压电材料,压电陶瓷型号为PZT-5A。压电陶瓷具有较高的压电性能,在受到外力作用时能够产生较大的电荷分离和电压输出,在振动控制中能够有效地将机械能转化为电能,并通过电路进行耗散,从而实现减振效果[9]。

1.2.2 控制电路设计

常见的控制电路设计方案主要包括PID控制、反馈控制等。本文选择PID控制作为电路控制方法,实现对振动的控制。PID控制器由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个部分组成(图1)。根据实时的振动信号和目标控制信号,PID控制器将计算出一个控制输出,即电场强度的调节信号。控制器及具体参数设置如表1所示。

表1 控制器设计方案及参数

图1 PID控制系统原理图

1.2.3 结构设计

合理的结构设计可以增加振动能量的转换效率和能量耗散效果,通过合理的压电陶瓷布置、尺寸和形状选择、机械连接和固定以及外加负载的应用,可以实现更高效的振动控制效果,并提高机械传动系统的性能和稳定性。本文设计方案如表2所示,压电陶瓷布置在振动节点处,通过外加负载和PID控制器的控制,将机械振动能量转换为电能并耗散,实现振动的减振效果。同时,结构设计中选择了合适的材料和固定方式,保证了整个系统的稳定性和可靠性。

表2 压电原件结构设计方案

1.3 压电元件电学特性

压电元件具有压电效应,即当受到外力作用时,会产生电荷分离和电位移[10],电位移可以用矢量D和电场强度适量E表示,由线性压电效应,二者关系如式(1)所示

D=εE

(1)

式中,ε为介电常数矩阵,表示介质的极化程度。

压电陶瓷的电学特性与六角晶系类似。六角晶系是晶体学中的一种晶体结构类型,具有六个等长的晶胞边,三个内角为120°的六边形晶胞面,因此可表示为

(2)

式中,D1～D3表示电位移方向;E1～E3表示电场强度分量的方向。

2 压电分流电路数值计算

2.1 压电分流电路分类

本文主要以被动控制为主,即采用压电分流阻尼技术作为被动控制手段,利用压电陶瓷材料的压电效应来实现机械传动噪声与振动的控制。被动控制是一种不需要外部能源输入的控制方法,通过系统内部的结构和材料特性来实现振动的减振和噪声的控制,发展历程如图2所示,主要包括纯电阻电路(图2a)、RL串联电路(图2b)、RL并联电路(图2c)和RL-C并联电路(图2d)。

图2 被动控制分流电路原理图

在模型构建过程中,将压电分流电路视为一个分流阻抗,假设压电片的电压为Vp,电流为Ip,分流电阻为R,分流电阻的电流为Ir。根据欧姆定律和分压定律,可以得到以下电路方程。

电压方程

Vp=R·Ir

(3)

电流方程

IR=Ir

(4)

由于压电片是一个被动元件,其电流和电压之间的关系由压电效应决定,即

(5)

将上述电流方程带入,得到

(6)

2.2 参数优化

本文以机械传动系统为优化目标,其振动特性在50 Hz附近存在明显的共振,通过压电分流阻尼技术降低该频率范围内的振动幅值。主要目标为振动控制目标,降低50 Hz附近的振动幅值;机械传动系统,本文将其简化为一个简谐振动系统,其共振频率为50 Hz,振动幅值为A0;压电分流阻尼电路,选择RL-C并联电路,包括电阻R、电感L和电容C;优化参数,电阻R、电感L和电容C的数值。

优化过程如下。

1)设定参数范围,电阻R的范围为100～200 Ω,电感L的范围为0.1～0.2 H,电容C的范围为10～20 μF。

2)初始化参数,随机选择初始参数值,R=150 Ω,L=0.15 H,C=15 μF。

3)计算目标函数,将初始参数代入机械传动系统和压电分流阻尼电路的模型中,计算50 Hz附近的振动幅值,作为目标函数值。

4)判断收敛条件,设定收敛误差阈值,本文设定目标函数值的变化小于0.1%时认为收敛。

5)更新参数,采用遗传算法迭代更新参数值,通过调整R、L和C的数值来寻找更优的参数组合。

6)重新计算目标函数,将更新后的参数代入模型,重新计算目标函数值。

7)判断优化方向,比较新的目标函数值与上一次的目标函数值,判断优化是否朝着更优的方向前进。

8)重复迭代,反复进行步骤5至步骤7,直至达到收敛条件。

9)得到最优参数,当优化过程满足收敛条件时,得到最优的参数组合,R=140 Ω,L=0.17 H,C=18 μF。

10)验证优化结果,将得到的最优参数代入实际机械传动系统和压电分流阻尼电路中进行实验验证,检验振动控制效果是否满足预期目标。

3 压电分流阻尼试验研究

为了验证压电电路参数优化的准确性及压电电路在机械传动过程中减振降噪的可行性,在实验过程中,使用江苏泰斯特TST5912信号监测器实时采集机械传动系统的振动信号,通过将该信号监测器与优化后的压电电路集成到机械传动系统中,可以实时监测振动信号,验证优化效果,并评估压电电路的减振降噪性能。

3.1 机械传动振动控制试验

在振动分析和振动控制中，速度是振动信号的一种重要参数，用于表征物体在时间上的运动状态和振动幅值。因此，本文使用速度作为机械传动振动信号得评价指标，结果如图3所示。试验结果显示，通过压电电路控制后，机械传动系统的振动得到了显著降低，降低机械传动速度的变化，表明优化后的压电电路成功地实现了振动控制的目标。

图3 机械传动振动控制结果示意图

3.2 机械传动噪声控制试验

基于压电分流电路下机械传动噪声控制试验结果如表3所示,在四次试验中,对机械传动系统的噪声水平进行了测量和比较。优化后的噪声水平与初始噪声水平相比都有了明显的降低,显示出噪声控制措施的有效性。其中,第4次试验采取的结构优化措施效果最显著,噪声降低量达到了11 dB。

表3 机械传动噪声控制结果示意图 单位:dB

4 结论与展望

4.1 结论

本文探讨了压电分流阻尼技术在该领域的应用。通过对压电分流阻尼电路进行参数优化,并结合江苏泰斯特TST5912信号监测器进行验证,得出了以下结论:

1)压电分流阻尼技术利用压电陶瓷的特性,通过压电分流阻尼技术具有主动可调控、高效能耗散以及快速响应等优点。

2)针对本研究的机械传动系统,本文选择压电陶瓷作为压电材料。压电陶瓷具有良好的压电效应和稳定的性能,适用于实现压电分流阻尼技术。

3)在压电分流阻尼技术中,本文设计了RL-C并联电路作为压电电路,通过数值优化方法,对电路参数进行了优化。优化后的电路参数能够有效减振和控制噪声,达到了预期的控制效果。

4)通过将优化后的压电电路集成到机械传动系统中,并结合江苏泰斯特TST5912信号监测器进行试验验证,实时监测振动信号。试验结果表明,压电分流阻尼技术能够显著降低机械传动系统的振动幅值,从而有效控制了噪声水平。

4.2 展望

在实际应用中仍需综合考虑系统的稳定性、能耗、成本等因素,并根据具体工程需求做出合理选择,以实现最佳的噪声与振动控制效果。未来的研究还可以进一步探索压电分流阻尼技术在其他领域的应用潜力,为工程实践提供更多的参考和支持。