基于壓電分流阻尼技術機械傳動噪聲與振動控制系統設計

葉開成

(泰州凱昂登機電有限公司,江蘇 泰興 225400)

0 引言

隨著工業化和現代科技的不斷進步,機械傳動系統在各個領域中發揮著重要作用。然而,機械傳動系統在運行過程中產生的噪聲和振動問題一直都是工程領域亟需解決的難題,噪聲與振動不僅會對工作人員的身體健康帶來潛在風險,還會對周圍環境造成嚴重污染和干擾[1-2]。因此,研究高效可行的噪聲與振動控制技術變得尤為迫切。

壓電分流阻尼技術利用壓電材料的特性,通過設計相應的電路實現機械噪聲的控制和振動的減振[3]。相比傳統噪聲與振動控制方法,壓電分流阻尼技術利用壓電材料的形變效應,通過調節電場強度來改變結構的剛度和自然頻率,進而調控系統的振動特性,有效地抑制不必要的共振和振動現象[4]。其次,壓電分流阻尼技術充分利用壓電材料的電荷效應,在機械傳動系統受到外力變形時,壓電材料產生電荷,這些電荷可以被收集和耗散,從而將結構振動的能量轉化為電能并進行能量耗散,從而實現減振效果,降低噪聲的產生[5-6]。因此,壓電分流阻尼技術成為改善工作環境和提高機械傳動系統性能的理想選擇。

本文基于壓電分流阻尼技術的原理和特點,采用極點配置方法進行設計優化的壓電分流阻尼電路,以實現最佳的振動控制效果。最后通過試驗驗證,評估其在實際應用中的可行性和有效性。

1 壓電分流阻尼技術及壓電原件的設計

1.1 壓電分流阻尼技術

壓電分流阻尼技術是一種應用壓電效應來實現振動控制和能量耗散的先進技術。壓電材料是一類特殊的材料,當受到外力變形時會產生電荷,施加電場時也能引起材料的形變,因此,壓電材料是一種理想的振動控制和能量轉換材料。該技術的原理主要基于兩個方面。

1)減振原理。壓電材料在施加電場的作用下會發生形變,通過在結構中安裝壓電材料,并調節電場的強度,可以改變結構的剛度和自然頻率[7-8]。因此,當結構受到外部振動激勵時,壓電材料會主動響應,從而實現主動振動控制。通過合理調節電場,可以減少或增加結構的振動響應,達到減振的效果。

2)噪聲控制原理。與減振原理類似,壓電材料的形變效應可以用來改變結構的剛度和自然頻率,當機械傳動系統中的噪聲激勵引起結構振動時,通過調節壓電材料的電場強度,可以使結構的振動頻率與噪聲頻率產生差異,從而減少噪聲的輻射。

1.2 壓電元件的設計與選型

1.2.1 材料選擇

常見的壓電材料包括壓電陶瓷、壓電單晶體和壓電聚合物等。本文考慮到實際應用場景,選擇壓電陶瓷作為壓電材料,壓電陶瓷型號為PZT-5A。壓電陶瓷具有較高的壓電性能,在受到外力作用時能夠產生較大的電荷分離和電壓輸出,在振動控制中能夠有效地將機械能轉化為電能,并通過電路進行耗散,從而實現減振效果[9]。

1.2.2 控制電路設計

常見的控制電路設計方案主要包括PID控制、反饋控制等。本文選擇PID控制作為電路控制方法,實現對振動的控制。PID控制器由比例(P)、積分(I)和微分(D)三個部分組成(圖1)。根據實時的振動信號和目標控制信號,PID控制器將計算出一個控制輸出,即電場強度的調節信號。控制器及具體參數設置如表1所示。

表1 控制器設計方案及參數

圖1 PID控制系統原理圖

1.2.3 結構設計

合理的結構設計可以增加振動能量的轉換效率和能量耗散效果,通過合理的壓電陶瓷布置、尺寸和形狀選擇、機械連接和固定以及外加負載的應用,可以實現更高效的振動控制效果,并提高機械傳動系統的性能和穩定性。本文設計方案如表2所示,壓電陶瓷布置在振動節點處,通過外加負載和PID控制器的控制,將機械振動能量轉換為電能并耗散,實現振動的減振效果。同時,結構設計中選擇了合適的材料和固定方式,保證了整個系統的穩定性和可靠性。

表2 壓電原件結構設計方案

1.3 壓電元件電學特性

壓電元件具有壓電效應,即當受到外力作用時,會產生電荷分離和電位移[10],電位移可以用矢量D和電場強度適量E表示,由線性壓電效應,二者關系如式(1)所示

D=εE

(1)

式中,ε為介電常數矩陣,表示介質的極化程度。

壓電陶瓷的電學特性與六角晶系類似。六角晶系是晶體學中的一種晶體結構類型,具有六個等長的晶胞邊,三個內角為120°的六邊形晶胞面,因此可表示為

(2)

式中,D1～D3表示電位移方向;E1～E3表示電場強度分量的方向。

2 壓電分流電路數值計算

2.1 壓電分流電路分類

本文主要以被動控制為主,即采用壓電分流阻尼技術作為被動控制手段,利用壓電陶瓷材料的壓電效應來實現機械傳動噪聲與振動的控制。被動控制是一種不需要外部能源輸入的控制方法,通過系統內部的結構和材料特性來實現振動的減振和噪聲的控制,發展歷程如圖2所示,主要包括純電阻電路(圖2a)、RL串聯電路(圖2b)、RL并聯電路(圖2c)和RL-C并聯電路(圖2d)。

圖2 被動控制分流電路原理圖

在模型構建過程中,將壓電分流電路視為一個分流阻抗,假設壓電片的電壓為Vp,電流為Ip,分流電阻為R,分流電阻的電流為Ir。根據歐姆定律和分壓定律,可以得到以下電路方程。

電壓方程

Vp=R·Ir

(3)

電流方程

IR=Ir

(4)

由于壓電片是一個被動元件,其電流和電壓之間的關系由壓電效應決定,即

(5)

將上述電流方程帶入,得到

(6)

2.2 參數優化

本文以機械傳動系統為優化目標,其振動特性在50 Hz附近存在明顯的共振,通過壓電分流阻尼技術降低該頻率范圍內的振動幅值。主要目標為振動控制目標,降低50 Hz附近的振動幅值;機械傳動系統,本文將其簡化為一個簡諧振動系統,其共振頻率為50 Hz,振動幅值為A0;壓電分流阻尼電路,選擇RL-C并聯電路,包括電阻R、電感L和電容C;優化參數,電阻R、電感L和電容C的數值。

優化過程如下。

1)設定參數范圍,電阻R的范圍為100～200 Ω,電感L的范圍為0.1～0.2 H,電容C的范圍為10～20 μF。

2)初始化參數,隨機選擇初始參數值,R=150 Ω,L=0.15 H,C=15 μF。

3)計算目標函數,將初始參數代入機械傳動系統和壓電分流阻尼電路的模型中,計算50 Hz附近的振動幅值,作為目標函數值。

4)判斷收斂條件,設定收斂誤差閾值,本文設定目標函數值的變化小于0.1%時認為收斂。

5)更新參數,采用遺傳算法迭代更新參數值,通過調整R、L和C的數值來尋找更優的參數組合。

6)重新計算目標函數,將更新后的參數代入模型,重新計算目標函數值。

7)判斷優化方向,比較新的目標函數值與上一次的目標函數值,判斷優化是否朝著更優的方向前進。

8)重復迭代,反復進行步驟5至步驟7,直至達到收斂條件。

9)得到最優參數,當優化過程滿足收斂條件時,得到最優的參數組合,R=140 Ω,L=0.17 H,C=18 μF。

10)驗證優化結果,將得到的最優參數代入實際機械傳動系統和壓電分流阻尼電路中進行實驗驗證,檢驗振動控制效果是否滿足預期目標。

3 壓電分流阻尼試驗研究

為了驗證壓電電路參數優化的準確性及壓電電路在機械傳動過程中減振降噪的可行性,在實驗過程中,使用江蘇泰斯特TST5912信號監測器實時采集機械傳動系統的振動信號,通過將該信號監測器與優化后的壓電電路集成到機械傳動系統中,可以實時監測振動信號,驗證優化效果,并評估壓電電路的減振降噪性能。

3.1 機械傳動振動控制試驗

在振動分析和振動控制中，速度是振動信號的一種重要參數，用于表征物體在時間上的運動狀態和振動幅值。因此，本文使用速度作為機械傳動振動信號得評價指標，結果如圖3所示。試驗結果顯示，通過壓電電路控制后，機械傳動系統的振動得到了顯著降低，降低機械傳動速度的變化，表明優化后的壓電電路成功地實現了振動控制的目標。

圖3 機械傳動振動控制結果示意圖

3.2 機械傳動噪聲控制試驗

基于壓電分流電路下機械傳動噪聲控制試驗結果如表3所示,在四次試驗中,對機械傳動系統的噪聲水平進行了測量和比較。優化后的噪聲水平與初始噪聲水平相比都有了明顯的降低,顯示出噪聲控制措施的有效性。其中,第4次試驗采取的結構優化措施效果最顯著,噪聲降低量達到了11 dB。

表3 機械傳動噪聲控制結果示意圖 單位:dB

4 結論與展望

4.1 結論

本文探討了壓電分流阻尼技術在該領域的應用。通過對壓電分流阻尼電路進行參數優化,并結合江蘇泰斯特TST5912信號監測器進行驗證,得出了以下結論:

1)壓電分流阻尼技術利用壓電陶瓷的特性,通過壓電分流阻尼技術具有主動可調控、高效能耗散以及快速響應等優點。

2)針對本研究的機械傳動系統,本文選擇壓電陶瓷作為壓電材料。壓電陶瓷具有良好的壓電效應和穩定的性能,適用于實現壓電分流阻尼技術。

3)在壓電分流阻尼技術中,本文設計了RL-C并聯電路作為壓電電路,通過數值優化方法,對電路參數進行了優化。優化后的電路參數能夠有效減振和控制噪聲,達到了預期的控制效果。

4)通過將優化后的壓電電路集成到機械傳動系統中,并結合江蘇泰斯特TST5912信號監測器進行試驗驗證,實時監測振動信號。試驗結果表明,壓電分流阻尼技術能夠顯著降低機械傳動系統的振動幅值,從而有效控制了噪聲水平。

4.2 展望

在實際應用中仍需綜合考慮系統的穩定性、能耗、成本等因素,并根據具體工程需求做出合理選擇,以實現最佳的噪聲與振動控制效果。未來的研究還可以進一步探索壓電分流阻尼技術在其他領域的應用潛力,為工程實踐提供更多的參考和支持。