一种基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于船艇振动和声隐身技术领域，具体涉及一种基于压电叠堆-液压微位 移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装置。
【背景技术】
[0002] 伴随着造船事业的发展，船舶主尺度、载重量越来越大，船舶的主机功率也不断加 大，而各方面的限制条件决定着螺旋桨的直径不能像船舶主尺度那样无限增大，且船舶的 型线与水动力性能也决定着螺旋桨的个数不能随意增加。这就导致螺旋桨桨叶承受的负荷 不断加大，螺旋桨的不规则振动也越来越明显，在大型、中型船舶中表现的最为明显，甚至 是一些内陆河上的中小型船舶船的船尾振动现象也变得越发严重。这些不规则振动可能会 导致船体构件的破坏、加剧螺旋桨的剥蚀、增大螺旋桨产生的噪声等一系列的危害。
[0003] 船舶轴系一般是由推力轴，中间轴，艉轴，推力轴承，滑动轴承，联轴节，螺旋桨等 组成的复杂系统，船舶轴系用以实现扭矩从主机到螺旋桨的传递，并将螺旋桨产生的水动 力传给船体，推动船舶前进，是动力装置系统中必不可少的重要部件。
[0004] 当船舶在水中航行时，船体附近的水受船体运动影响产生伴流，船后伴流速度场 极为复杂，由于人们对湍流以及空泡的认识依旧不够彻底，加之脉动压力的理论计算方法 大多比较繁琐，因此直接采用传感器实际测量出推力脉动不失为一种简单可行的方法，且 更加科学合理，当螺旋桨在船尾形成的不均匀半流场中工作时，随着转速的加大，桨叶叶背 压力降低，容易产生空泡，随着桨叶离开伴流区，空泡又消失。空泡的产生，发展和溃灭又导 致了螺旋桨诱导的脉动压力和相位角和幅值发生变化，这种不定常空泡引起的振幅剧变的 脉动压力，比定常空泡情况下剧烈的多，船舶轴系常见的振动形式有扭转振动，纵向振动， 回旋振动以及扭转，纵向和回旋振动的耦合。轴系的纵向振动可以看作单自由度的振动。
[0005] 脉动压力引起船尾振动带来的危害主要在于震裂构件，在船舶低速航行时常常导 致船体振动超标，舱室振动超标影响船员舒适性，另外螺旋桨产生噪声增加还会降低潜艇 的隐身性能，必须设法改善。
[0006][0007] 该装置的不足之处在于，非接触式电磁力执行器结构复杂，位移控制效果不够理 想。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控 制装置，该装置结构简单，位移控制效果较为理想。
[0009] 一种基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装置，包括依 次信号连接的轴向振动测量系统、推力脉动控制器、功率放大器和位移控制执行机构，所述 位移控制执行机构包括：
[0010] 压电叠堆，用于接收功率放大器发出的电信号并产生相应的输出位移；
[0011] 液压微位移放大器，包括两端开口的液压放大腔，液压放大腔的两端分别密封配 合有大小两个活塞，所述大活塞与与压电叠堆的位移输出端相作用，所述小活塞与船艇推 进轴系的止推轴承相作用。
[0012] 压电陶瓷材料能量密度高，单位体积和质量的输出功率大，结构紧凑，动态响应 快，能够实时地反应船艇推进轴系上产生的纵向振动的大小。然而单片压电陶瓷的输出位 移很小，因此本发明采用多片压电陶瓷组成的压电叠堆作为功率放大器的响应机构。压电 叠堆的位移输出端连接液压微位移放大器，压电叠堆推动大活塞并使之移动，使得液压放 大腔内的油液受挤压，进而驱使小活塞相应地移动一个较大的距离，实现位移放大。放大后 的输出位移由小活塞通过滑阀作用在止推轴承上，产生反向轴向控制力，从而对船艇推进 轴系的纵向振动实现位移补偿，减小船艇螺旋桨推进力脉动对船艇振动的影响。整个装置 结构简单，反应时间短、能耗小，位移控制更为准确。
[0013] 本发明中，所述压电叠堆由机械上串联、电气上并联的多片压电陶瓷组成，每片压 电陶瓷的工作电压相同。压电叠堆的输出位移为所有压电陶瓷片的输出位移量总和，所述 压电叠堆的输出位移通过下式计算：
[0014] Δ 1 = η Δ δ = d33Eul (I)；
[0015] 其中，Λ1为压电叠堆的输出位移（即变形量），Λ δ为单片压电陶瓷的位移变化， 1为压电叠堆的总长度，η为压电陶瓷的片数，d33为压电常数，E u为电场强度。
[0016] 由上式可以看出，压电叠堆的总变形量（即输出位移）由其长度和电场强度决定， 在初始长度确定后，给压电叠堆施加不同的电压，就能输出相应的位移变化。
[0017] 在忽略液压放大腔内油液泄漏和压缩的情况下，液压微位移放大器的位移放大倍 数由大小活塞的面积来决定，位移放大倍数接近为：
【主权项】
1. 一种基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装置，包括依次 信号连接的轴向振动测量系统、推力脉动控制器、功率放大器和位移控制执行机构，其特征 在于，所述位移控制执行机构包括： 压电叠堆，用于接收功率放大器发出的电信号并产生相应的输出位移； 液压微位移放大器，包括两端开口的液压放大腔，液压放大腔的两端分别密封配合有 大小两个活塞，所述大活塞与与压电叠堆的位移输出端相作用，所述小活塞与船艇推进轴 系的止推轴承相作用。
2. 如权利要求1所述基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装 置，其特征在于，所述压电叠堆由机械上串联、电气上并联的多片压电陶瓷组成，每片压电 陶瓷的工作电压相同。
3. 如权利要求2所述基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装 置，其特征在于，所述压电叠堆的输出位移通过下式计算： Δ 1 = η Δ δ = d33Eul ; 其中，△ 1为压电叠堆的输出位移，△ δ为单片压电陶瓷的位移变化，1为压电叠堆的 总长度，η为压电陶瓷的片数，d33为压电常数，E u为电场强度。
4. 如权利要求1所述基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装 置，其特征在于，所述大活塞为固定在液压放大腔内的柔性铰链膜片，所述压电叠堆的位移 输出端与该柔性铰链膜片面接触。
5. 如权利要求4所述基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装 置，其特征在于，所述压电叠堆的位移输出端与柔性铰链膜片的中心区域面接触。
6. 如权利要求1所述基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装 置，其特征在于，所述小活塞通过滑阀与止推轴承相作用。
7. 如权利要求1所述基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装 置，其特征在于，所述小活塞上安装有位移传感器。
8. 如权利要7所述基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装 置，其特征在于，所述位移传感器为电涡流传感器。
【专利摘要】本发明公开了一种基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装置，该装置包括依次信号连接的轴向振动测量系统、推力脉动控制器、功率放大器和位移控制执行机构，位移控制执行机构包括：压电叠堆，用于接收功率放大器发出的电信号并产生相应的输出位移；液压微位移放大器，包括两端开口的液压放大腔，液压放大腔的两端分别密封配合有大小两个活塞，大活塞与压电叠堆的位移输出端相作用，小活塞通过滑阀阀芯与船艇推进轴系的止推轴承相作用。压电叠堆动态响应快，能够实时地反应船艇推进轴系上产生的纵向振动的大小；利用液压微位移放大器对压电叠堆的输出位移进行放大并作用在止推轴承上，产生反向轴向控制力，实现位移补偿。
【IPC分类】B63H23-34, G01L5-22, B63H21-30
【公开号】CN104590528
【申请号】CN201410849234
【发明人】罗银淼, 方翔, 邸德宁
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年12月30日