船用螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统及抑振方法与流程

本发明属于振动抑制技术领域，尤其涉及一种船用螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统及抑振方法。

背景技术：

螺旋桨的水弹性振动是影响船用螺旋桨性能稳定性的因素之一，针对螺旋桨的振动，目前常用的抑振方法主要有三种形式：(1)改进螺旋桨的结构，其中包括采用锯齿形叶梢、对螺旋桨进行削边处理、选用大侧斜螺旋桨以及增加螺旋桨桨叶；(2)螺旋桨使用复合材料，或在螺旋桨叶片表明增加复合材料镀层；(3)增加外部减振装置，包括使用动力吸振器、液压减振器或增加橡胶阻尼器等。以上减振方式的使用在一定程度上抑制了螺旋桨的振动，但是与此同时也增加了螺旋桨的制造工艺、制造成本或者外部体积。因此，在不改变螺旋桨结构、基本不增加外部质量和体积的情况下，探索一种新的抑振方式来解决螺旋桨的水弹性振动问题具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供了一种船用螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统及抑振方法，该压电抑振系统及抑振方法能耗低，且具有良好的抑振效果；用以解决现有技术中具有抑振功能螺旋桨制造工艺繁杂、制造成本高的问题；具体技术方案如下：

一方面，提供一种船用螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统，所述压电抑振系统包括螺旋桨叶片、装设在螺旋桨叶片叶梢的压电传感作动集成片、激光测振仪、频谱分析仪、计算机、信号处理及a/d转换模块、单片机、幅值比较及d/a转换模块、反向激励模块、电荷放大器以及压电分流电路，其中，所述压电传感作动集成片包括设置在中心位置处的压电传感片和均匀环绕所述压电传感片设置的压电作动片，所述压电作动片用于产生反向振动信号来抵消螺旋桨叶片的部分振动，所述压电传感片用于监测螺旋桨叶片及所述压电作动片的振动情况并以电信号的方式传递给所述信号处理及a/d转换模块；所述信号处理及a/d转换模块用于处理所述电信号，并将所述电信号作a/d转换操作；

所述激光测振仪与所述压电作动片和所述频谱分析仪连接，所述激光测振仪用于采集所述螺旋桨叶片的振动信号并将所述振动信号发送至所述频谱分析仪，所述频谱分析仪还与所述压电传感片和所述计算机相连，用以处理所述电信号与所述振动信号，并通过所述计算机进行显示和处理；

所述幅值比较及d/a转换模块与所述压电分流电路、反向激励信号模块和所述单片机连接，所述压电分流电路连接所述压电作动片，所述压电分流电路用于实现对所述螺旋桨叶片的被动抑制操作；所述电荷放大器与所述反向激励信号模块和所述压电作动片连接，所述反向激励信号模块用于发出反向激励信号至所述电荷放大器，并由所述电荷放大器放大后作用于所述压电作动片实现对所述螺旋将叶片主动抑制操作；所述单片机连接所述信号处理及a/d转换模块和计算机，所述单片机将所述信号处理及a/d转换模块处理后的所述电信号传递至所述幅值比较及d/a转换模块，由所述幅值比较d/a转换模块对所述电信号的幅值at与所述幅值比较d/a转换模块内设定的幅值大小区域[am,ac]作比较和d/a转换操作，同时由所述计算机对经过所述单片机的所述电信号的数据进行采集和存储。

作为优选，所述压电分流电路上包括串联连接的可变电阻rp和可变负电容-cr以及电子开关，所述可变电阻rp和可变负电容-cr用于消耗所述螺旋桨叶片振动产生的能量。

作为优选，所述压电传感作动集成片与所述螺旋桨叶片具有相同的外轮廓，所述压电传感作动集成片为仿螺旋桨叶片结构。

作为优选，所述压电传感片为圆形结构，所述压电作动片为不规则形状，所述不规则形状均匀分布设置在所述圆形结构上。

另一方面，提供一种船用螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统的抑振方法，应用于上述船用螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统，所述抑振方法包括步骤：

s1、在所述幅值比较及d/a转换模块中设定大小为[am,ac]的幅值区域；

s2、控制所述螺旋桨叶片转动，通过所述激光测振仪测量所述螺旋桨叶片振动信号，并传递至所述频谱分析仪，并由所述计算机进行分析处理；同时，由所述信号处理及a/d转换模块接收所述压电传感片监测得到的电信号并做分析和a/d转换操作后传递至所述单片机；

s3、所述单片机将所述电信号传递至所述幅值比较及d/a转换模块，并比较所述电信号的幅值at与设定幅值大小区域[am,ac]的大小，根据比较结果选择对所述螺旋桨叶片的抑振方式。

作为优选，在步骤s3中，若am＜at＜ac，则所述单片机控制所述压电分流电路抑制所述螺旋桨叶片的振动，实现对所述螺旋桨叶片的被动抑制；若at＞ac，则所述单片机控制所述反向激励信号模块发送激励信号，并通过所述电荷放大器放大后抑制所述螺旋桨叶片的振动，实现对所述螺旋桨叶片的主动抑制。

作为优选，若所述电信号的幅值at在所述主动抑制过程中降低至am＜at＜ac，则所述压电抑振系统的抑振方法由主动抑制变为被动抑制。

作为优选，在步骤s2中，还包括步骤，将同一时间所述激光测振仪传递至所述频谱分析仪的振动信号与所述激光测振仪实时测得的所述螺旋桨叶片的振动信号做比较，以标定所述压电传感片的振动位移。

本发明的船用螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统及抑振方法，通过在螺旋桨叶片叶梢处装设压电传感作动集成片，并配合激光测振仪、频谱分析仪、计算机、单片机、信号处理及a/d转换模块、幅值比较及d/a转换模块、反向激励信号模块、电荷放大器以及压电分流电路组成压电抑振系统；与现有技术相比，本发明将压电被动抑振与压电主动抑振应用于船用螺旋桨叶片的抑振，针对不同振动幅值，抑振系统自动选择相应地抑振方式，可实现螺旋桨叶片振动的最大幅度抑振，仿叶片型的压电传感作动集成片将压电传感片与压电作动片紧凑地集成在一起，实现一块压电传感片配合四块压电作动片工作，压电分流电路的可变电阻与可变负电容结构可对压电被动抑振的抑振范围进行调整，实现被动抑振在多工况下的稳定工作，具有良好的推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例中所述船用螺旋桨水弹性振动的压电抑振系统的结构框图示意；

图2为本发明实施例中所述压电传感作动集成片在螺旋桨叶片上的分布图示意；

图3为本发明实施例中所述电传感作动集成片结构图的结构图示意；

图4为本发明实施例中所述压电抑振系统的抑振方法实现过程图示意。

标识说明：1-螺旋桨叶片、2-压电传感作动集成片、3-激光测振仪、4-频谱分析仪、5-计算机、6-信号处理及a/d转换模块、7-单片机、8-幅值比较及d/a转换模块、9-反向激励信号模块、10-电荷放大器、11-压电分流电路；

2-1：压电传感片、2-2：压电作动片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

结合图1至图3，在本发明实施例中，提供了一种船用螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统，所述压电抑振系统包括螺旋桨叶片1、装设在螺旋桨叶片叶梢的压电传感作动集成片2、激光测振仪3、频谱分析仪4、计算机5、信号处理及a/d转换模块6、单片机7、幅值比较及d/a转换模块8、反向激励模块9、电荷放大器10以及压电分流电路11，其中，压电传感作动集成片2包括设置在中心位置处的压电传感片2-1和均匀环绕压电传感片设置的压电作动片2-2，压电作动片2-2用于产生反向振动信号来抵消螺旋桨叶片1的部分振动，压电传感片2-1用于监测螺旋桨叶片1及压电作动片2-2的振动情况并以电信号的方式传递给信号处理及a/d转换模块6；信号处理及a/d转换模块6用于处理所电信号，并将电信号作a/d转换操作；激光测振仪3与压电作动片2-2和频谱分析仪4连接，激光测振仪3用于采集螺旋桨叶片1的振动信号并将振动信号发送至频谱分析仪，频谱分析仪还与压电传感片2-1和计算机5相连，用以处理电信号与振动信号，并通过计算机5进行显示和处理；幅值比较及d/a转换模块8与压电分流电路11、反向激励信号模块9和单片机7连接，压电分流电路11连接压电作动2-2片，压电分流电路11用于实现对螺旋桨叶片1的被动抑制操作；电荷放大器10与反向激励信号模块9和压电作动片2-2连接，所述反向激励信号模块用于发出反向激励信号至所述电荷放大器，并由电荷放大器10放大后作用于压电作动片2-2实现对螺旋将叶片1的主动抑制操作；单片机7连接所信号处理及a/d转换模块6和计算机5，单片机7将信号处理及a/d转换模块6处理后的电信号传递至幅值比较及d/a转换模块8，由幅值比较d/a转换模块8对电信号的幅值at与幅值比较d/a转换模块8内设定的幅值大小区域[am,ac]作比较和d/a转换操作，同时由计算机5对经过单片机7的电信号数据进行采集和存储。

具体的，在压电分流电路11设置有串联连接的可变电阻rp和可变负电容-cr，以及电子开关，若幅值at满足条件am＜at＜ac，所述电子开关闭合，否则，所述电子开关断开；且在电子开关闭合期间，压电分流电路11导通，-压电作动片2-2随螺旋桨叶片1发生振动，振动使得压电作动片2-2产生电流，振动能量转化为电能，电流流经可变电阻rp和可变负电容-cr时，可变电阻rp发热消耗电能，可变负电容-cr通过充放电消耗电能，间接消耗掉了振动能量，从而达到被动抑振作用；并且可通过改变可变电阻rp的电阻值大小和可变负电容-cr的电容值大小来调节压电分流电路11的被动抑振效果，以适应不同工作环境下对螺旋桨叶片1振动抑制，使得螺旋桨叶片1处在一个适合的振动幅度范围内。

在本发明的具体实施例中，为了保证对螺旋桨叶片1的振动进行精确的监测，同时使得压电传感作动集成片2可以契合螺旋桨叶片1，本发明将压电传感作动集成片2的外轮廓设置成与螺旋桨叶片1一致，即本发明中压电传感作动集成片2为仿螺旋桨叶片结构；同时，将压电传感片2-1设置成圆形结构，将压电作动片2-2设置为不规则形状，且所述不规则形状均匀分布设置在所述圆形结构上。

实施例二

参阅图4，在本发明实施例中，提供了一种船用螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统的抑振方法，应用于上述的船用螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统，抑振方法实现的具体过程为：

首先，在螺旋桨叶片1为振动时，在幅值比较及d/a转换模块8中设定大小为[am,ac]的幅值区域。

然后，在螺旋桨叶片1振动过程中，通过激光测振仪3测量螺旋桨叶片的振动信号，并传递至频谱分析仪4，并由计算机5进行分析处理；同时，由信号处理及a/d转换模块6接收压电传感片监测得到的电信号并做分析和a/d转换操作后传递至单片机7；并将在同一时间激光测振仪3传递至频谱分析仪4的振动信号与激光测振仪3实时测得的螺旋桨叶片1的振动信号做比较，实现对压电传感片2-2的振动位移标定；随后，单片机7将电信号传递至幅值比较及d/a转换模块8，由幅值比较及d/a转换模块8比较电信号的幅值at与设定大小为[am,ac]的幅值区域；最后根据比较结果选择对螺旋桨叶片1的抑振方式，具体为：若am＜at＜ac，则单片机7控制压电分流电路11抑制1螺旋桨叶片1的振动，实现对1螺旋桨叶片1的被动抑制操作；若at＞ac，则单片机7控制反向激励信号模块9产生激励信号并将激励信号传递至电荷放大器10，通过电荷放大器10放大后抑制螺旋桨叶片1的振动，实现对螺旋桨叶片1的主动抑制操作；且若电信号的幅值at在主动抑制过程中降低至am＜at＜ac，则压电抑振系的抑振方法由主动抑制变为被动抑制；例如，设定am为0.01mm，ac为0.1mm，若此时螺旋桨叶片1振动幅值at为0.5mm，螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统首先会进行不断循环的主动抑振，直至at减小到小于0.1mm，此时压电抑振系统会进入被动抑振环节，经过被动抑振后螺旋桨振幅小于0.01mm时抑振系统工作结束，否则进一步进行被动抑振操作。

本发明的船用螺旋桨叶片水弹性振动的压电抑振系统及抑振方法，通过在螺旋桨叶片叶梢处装设压电传感作动集成片，并配合激光测振仪、频谱分析仪、计算机、单片机、信号处理及a/d转换模块、幅值比较及d/a转换模块、反向激励信号模块、电荷放大器以及压电分流电路组成压电抑振系统；与现有技术相比，本发明将压电被动抑振与压电主动抑振应用于船用螺旋桨叶片的抑振，针对不同振动幅值，抑振系统自动选择相应地抑振方式，可实现螺旋桨叶片振动的最大幅度抑振，仿叶片型的压电传感作动集成片将压电传感片与压电作动片紧凑地集成在一起，实现一块压电传感片配合四块压电作动片工作，压电分流电路的可变电阻与可变负电容结构可对压电被动抑振的抑振范围进行调整，实现被动抑振在多工况下的稳定工作，具有良好的推广价值。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。