双振子垂直驱动式压电振动送料器的设计

利用压电陶瓷的逆压电效应,采用上下两个环形压电振子垂直驱动的结构,设计了一种新型压电振动送料器。通过理论分析得出了送料器系统的固有频率以及影响料斗振幅的主要因素。利用Hypermesh软件对整个系统进行了动力学仿真,分析了系统的前三阶振型并得出了系统无阻尼固有频率的理论值为110.95Hz。采用M5螺母为输送物料对样机进行了试验,分析了输送速度以及料斗振幅与驱动电压和驱动频率的关系,并与现有同型号悬臂梁式压电振动送料器进行了性能对比。当驱动电压为240V、驱动频率为系统实际共振频率105Hz时,该新型结构压电振动送料器的输送速度为0.23kg/min,料斗振幅为110μm,可以满足工业生产的需求。     

磁力弹簧式压电振动送料器的设计与试验

针对压电送料器随外部载荷变化输送速度不稳定的问题,提出了一种利用磁力弹簧改变传振性能及系统共振原理的新型结构压电振动送料器装置。分析了磁力弹簧式压电振动送料器的工作原理,建立了振动送料器的动力学模型,计算分析得出了影响振动送料器输送性能的主要因素。制作了系统结构样机,利用阻抗分析仪测得系统的共振频率和阻抗特性。设计了振动送料器的试验装置。试验测试分析表明:系统在共振条件下,磁力弹簧轴向间距为2.8 mm时,振幅达到123μm,提高了系统的承受载荷,并且在一定的载荷范围内保证了物料稳定、均匀快速的输送。     

新型压电输送振子振动模态有限元分析

利用ANSYS有限元分析软件,对用于行波型超声物料输送装置的压电输送振子进行了模态分析,讨论了压电输送振子结构参数对振动模态的影响,为压电输送振子进一步的结构参数修改提供了指导,为行波型超声物料输送装置的设计奠定了基础。     

基于波纹梁的两自由度低频振动能量收集装置

为改善压电式振动能量收集装置固有频率高、能量收集效率低等问题,设计了一种基于波纹梁式压电振子的两自由度振动能量收集装置,并通过理论建模和数值仿真分析其能量收集特性。分析结果表明:与传统的单自由度和两自由度压电振子相比,含有波纹梁的压电振子的固有频率最低,且前五阶固有频率均为0~60Hz;其中,第四阶固有频率为45.92 Hz,比单自由度压电振子低419.9Hz,比传统两自由度压电振子低55.1Hz。同时,在相同条件下波纹梁式两自由度压电振子输出的电压最大,可达到28V。     

悬臂式压电振子宽频发电装置设计及测试

为了提高压电材料的发电量和发电效率,设计了一种悬臂式压电振子宽频发电装置.首先,对单个压电振子进行电压输出和相频特性分析,得出影响电压输出的影响因素.然后,对双压电振子整流后串/并联进行电压输出特性分析,当两压电振子串/并联整流后,输出的电压为两个压电振子输出电压的较大值且频宽增大.最后,对4个压电振子进行发电实验测试.结果 表明,当输出电压为30 V时,单个压电振子的有效发电频宽约为10 Hz左右,经整流后串/并联的4个压电振子串联有效发电频率为44.5～121.3 Hz,宽度约为77 Hz,有效提高了发电频宽,该装置可应用在狭窄空间自适应供电.     

压电悬臂梁多模态发电装置的仿真与试验

为了解决压电悬臂梁发电装置俘获低频振动时,结构共振频率带宽小不能完全发挥其发电能力的问题,对压电悬臂梁进行模态分析,结合汽车轮胎压力检测系统中自供电的要求与悬臂梁式发电装置振动模态的特点,提出利用弯曲振动模态和扭转振动模态构成压电悬臂梁发电装置,利用分布式的质量块布置方式实现弯曲模态与扭转模态的解耦,并使用有限元方法对其进行仿真计算。仿真结果表明:在一阶弯曲模态固有频率为12.6Hz不变的条件下,通过调整质量块分布位置,将弯曲模态的固有频率降低到17.2 Hz。对改进的压电悬臂梁发电装置进行试验,结果表明其发电能力是同条件下传统的集中质量块式悬臂梁发电装置的1.4倍。     

压电低频旋转驱动器的设计与实验

设计了一种压电驱动低频旋转驱动器,这种旋转驱动器是采用晶片型压电振子进行驱动,驱动器驱动频率低,输出功率大。首先对旋转驱动器的结构进行了结构设计与工作原理分析,然后建立旋转驱动器系统的动力学模型,对转子进行了受力分析,得出系统输出位移和固有频率表达式以及转子旋转需要的条件。根据理论分析制作了旋转驱动器样机,并对系统进行了测试,实验结果表明,该旋转驱动器的最佳工作频率为264 Hz,当驱动电压为200 V时,最大转速为17.8 r/min,输出扭矩最大为0.025 N·m。     

基于圆形压电振子的骨传导听觉装置

应用周边固支式圆形压电振子作为驱动元件,将音讯信号转换为振动信号,再利用骨传导方式使人感知音讯信号,在此基础上构建了圆形双晶片压电式骨传导听觉装置。对圆形压电振子进行了建模,利用有限元仿真分析,提出了压电振子支撑方式的优化方案。对设计的压电式骨传导听觉装置进行了实验测试,得到了骨传导装置结构参数对其性能影响的关系曲线。实验研究表明:压电式骨传导听觉装置的基本性能指标能够满足骨传导听觉装置的要求。     

压电双晶片型旋转精密驱动器动态特性和控制

提出了以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片为驱动单元的新型冲击式旋转精密驱动器.制作了驱动器样机,建立了基于Lugre摩擦模型的驱动器动力学模型.对驱动器动态特性进行了仿真分析和实验对比研究.根据驱动器的动态特性,提出了冲击式压电双晶片型精密驱动器特定的定频调压控制方法.仿真分析结果和实验结果吻合较好,表明该动力学模型符合驱动器的动态特性,可用于对冲击式压电双晶片型旋转精密驱动器的理论分析.     

小型超声振动料斗的研究

提出内部含有梯形齿的锥筒形给料压电振子的结构形式,确定振子的工作模态为面内三阶弯曲模态。利用ANSYS有限元软件优选了结构参数,研制了出料端内径为16 mm、实际工作频率为22 261 Hz的小型超声振动料斗样机。采用激光测振仪并依据平面镜反射原理,对振子的共振频率及内齿振幅分布进行了测试,并对振动料斗装置整机进行了物料运行效果的测试。实验表明料斗对直径为3 mm到4 mm的球形物体有较好的下料可控性。     

Low frequency wide bandwidth MEMS energy harvester based on spiral-shaped PVDF cantilever

In this paper,a piezoelectric energy harvester based on spiral-shaped polyvinylidene fluoride(PVDF)cantilever is designed and fabricated for harvesting low frequency vibration energy in the environment.In this design,the spiral-shaped PVDF cantilever is major for lowering the resonant frequency by increasing the length of the cantilever;Copper and silicon proof masses on both sides are working on further decreasing the resonant frequency and widen its bandwidth.Due to the high flexibility of the PVDF cantilever,this device is extremely sensitive to vibration and can harvest weak vibration energy.Both simulation and experimental results have approved that this device can operate at very low frequency which is about 20 Hz and can effectively harvest energy from 15–50 Hz.The peak of the output voltage can reach 1.8 V with the acceleration of 0.2 g.This is a promising harvester for powering the wireless sensors in the future.     

耦合弯曲-剪切载荷L型压电振子的低宽频特性

针对传统的压电能量采集装置固有频率高、工作频率范围窄及能量转换率低的问题,基于Timoshenko梁理论提出耦合弯曲-剪切载荷的L型压电振子,研究基于L型压电振子的复合压电结构的能量采集特性. 根据无线传感器的作业环境特点,研究L型悬臂梁的长度、宽度及延伸段长等因素对压电能量采集频率、输出电压峰值及能量转换效率的影响规律. 组合不同尺寸L型压电悬臂梁,研究设计回字形布局的阵列式复合振子. 经仿真分析与实验验证结果可知,在0~250 Hz低频环境下,能量采集频率为28~36 Hz、61~68 Hz、92~99 Hz以及103~111 Hz,较等尺寸传统阵列式压电复合振子覆盖频率平均提升了260%.     

基于极点配置参数优化的压电分流阻尼抑振研究

从结构的力平衡方程、压电元件的电荷平衡方程出发,结合压电分流电路的电压平衡关系,建立了包含RL串联压电分流电路的机电耦合系统的数学模型,并进一步推导出系统的传递函数。以系统自由振动响应的衰减系数最大化为优化目标,采用极点配置参数优化方法对传递函数中的参数进行优化分析,求解出压电分流电路中电感元件和电阻元件的优化值。将分析结果应用于一柔性悬臂梁结构的振动响应抑制实验取得了良好的抑振效果,验证了用极点配置参数优化法进行压电分流阻尼振动控制系统设计的有效性。     

45钢/锡铅合金复合结构熔融沉积中熔滴过渡行为

面向45钢/锡铅合金复合结构熔融沉积过程中的锡铅合金熔滴与钨极惰性气体保护焊（TIG）焊接熔池的匹配性需求,基于有限差分方法,采用流体体积法（VOF）建立微喷熔滴形态演变过程数值计算模型,分别研究压电驱动式熔滴微喷过程中压电激振驱动参数和喷头内结构参数对于产生熔滴的尺寸及速度的作用和变化规律. 研究发现,当喷孔直径为0.5~0.6 mm,喷孔深度为5~6 mm,环隙为4~5 mm时,锡铅合金熔滴具有较高的球形度,熔滴可控性较好. 压电陶瓷激振频率和驱动行程对于锡铅合金熔滴尺寸影响不明显,熔滴速度随激振频率和驱动行程的增大而增大. 对比数值计算结果与实验结果,发现锡铅合金熔滴尺寸与熔滴速度最大误差均小于10%,表明利用数值计算模型对熔滴微喷过程进行分析较可信.     

基于流固耦合的大风区接触网正馈线舞动机制分析

为进一步明确挡风墙尾流影响下接触网正馈线的舞动机制,以兰新高铁接触网正馈线为研究对象,基于空气动力学理论,建立了接触网正馈线风致振动响应的分析模型。采用流固耦合方法对不同固有频率比和自由度的二维接触网正馈线模型进行了时程分析。研究结果表明:频率比和自由度对接触网正馈线的舞动幅值存在较大的影响。频率比越小,接触网正馈线的振幅受风速影响越大,接触网正馈线发生舞动时的风速范围更广。垂直单自由度系统中接触网正馈线的舞动幅值大于垂直-水平两自由度系统中接触网正馈线的舞动幅值,表明接触网正馈线的水平振动对垂直振动存在一定限制作用。当接触网正馈线在挡风墙尾流影响下发生振动时,正馈线的风攻角不断发生变化。迎风角较大时,正馈线垂直方向气动力幅值增大,更易引起正馈线垂直方向的大幅舞动,并将接触网正馈线的舞动模式归属为无覆冰条件下的Den Hartog舞动。研究结果进一步明确了大风区段无覆冰条件下接触网正馈线的舞动机制,为接触网正馈线舞动的防治提供一定的理论支撑。     

基于非线性动态特性的轴承–转子系统振动分析

随着空气静压主轴在超精密加工过程中的广泛应用,对主轴的运动精度的要求不断提高,如何准确预测和提高主轴运动精度是十分必要的。基于空气静压轴承的非线性动态特性,研究空气静压主轴的振动特性和预测模型,探索非线性动态特性分析对主轴回转精度的影响。首先,对空气静压径向轴承的动态特性进行分析,建立气膜动态流动模型,采用扰动法求解模型得到轴承的非线性动刚度与动阻尼系数。将空气静压轴承内的气膜作为弹簧阻尼系统建立轴承–转子系统,并通过动力学分析建立了轴承–转子的动态振动模型。将轴承的非线性动态特性参数引入振动模型,结合MATLAB对模型进行求解,得出了空气静压主轴径向跳动误差曲线、偏转误差曲线和径向总振动误差曲线,并通过FFT数据处理对振动进行频域分析。通过对比分析得到非线性分析对空气静压主轴径向振动误差的影响。最后,搭建了空气静压主轴径向回转误差测量试验台,得到主轴实时回转误差信号,实现轴承–转子系统的振动动力学模型分析的实验验证。从空气静压径向轴承的动态分析可以看出,轴承的动刚度和动阻尼均呈非线性变化,随着偏心率的增加动刚度不断增加,而动阻尼不断减小。从轴承–转子系统的振动分析可以看出：1）非线性分析对主轴偏角振动误差有明显影响,而对径向跳动误差的影响不明显,说明非线性分析主要通过影响主轴的偏角误差从而影响径向总误差。2）定值分析时偏角误差的最大振幅基本稳定,而非线性分析时偏角误差的最大振幅存在一个增加过程并最终趋于稳定,并且非线性分析时最大振幅明显大于定值分析时的振幅。3）在供气开始一段时间内,非线性分析与定值分析下的径向总误差基本一致,但随着时间的增加,非线性分析下的最大振幅大于定值分析下的最大振幅,说明开始供气时非线性分析对径向跳动误差和偏角误差没有造成明显影响,当供气稳定时非线性的动刚度与动阻尼会对主轴转子振动幅度产生明显影响。4）从频域上看,非线性分析最大振幅处的共振频率为964 Hz,定值分析最大振幅处共振频率为986 Hz,非线性分析使最大振幅处的共振频率有所下降。5） 非线性分析和定值分析在频率高于1 500 Hz时,转子的振幅变化都很小,说明频率大于1 500 Hz之后,转子振动比较稳定,此时气膜的振动频率与固有频率不容易发生共振。空气静压主轴回转误差实验的结果表明,基于非线性分析所得的主轴径向回转误差的误差率比定值分析所得主轴径向回转误差的误差率降低了1.43%～6.54%。因此,将空气静压径向轴承内气膜作为弹簧阻尼系统施加于转子之上可以实现轴承–转子系统的耦合振动分析,轴承非线性动态特征参数的引入实现了轴承动态性能对主轴动态振动的影响,通过基于非线性动态特性的轴承–转子系统的振动分析可以更加准确地研究和预测空气静压主轴的径向振动误差。     

Seismic response analysis for equatorial diagnostic port plug of international thermonuclear experimental reactor

Modal analysis and seismic response analysis were carried out for the equatorial diagnostic port plug of international thermonuclear experimental reactor (ITER). The aim of the theoretical analysis is to verify structural strength and reliability of the device. The working condition includes one-dimensional seismic wave and two-dimensional seismic wave. Modal analysis of the device shows that primary vibration is inclined to occur in low-order modes. The horizontal (X-direction, Y-direction) maximum vibration appears at the first and the fourth eigen modes, with the natural frequency of 70.59 and 215.88 Hz respectively, and the vertical (Z-direction) primary vibration appears at the second eigen mode with the natural frequency of 82.85 Hz. According to the results of the finite element analysis (FEA) program, the weak portions of the device are distributed in the joint of port body with blanket shielding module (BSM) and inner side wall of ribbed plate for lifting flange, the maximum von Mises stress is 14.8 MPa with the Y-direction seismic wave. In accordance with the design criteria, the destructive effect is far below the failure boundary, and the structural reliability of the equatorial diagnostic port plug can meet the requirements of the design specifications. Foundation item: Project(10405024) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project supported by International Thermonuclear Experimental Reactor Organization in France     

悬臂梁压电振子频率调谐和发电能力研究

研究了一种带末端质量块的悬臂梁压电振子的频率调谐能力。理论分析了悬臂梁压电振子的结构尺寸对压电振子谐振频率和发电能力的影响关系,并分别对长度调谐和质量调谐前后的压电振子发电能力进行实验测试和对比分析。结果表明,增加悬臂长度或末端质量可以降低压电振子的谐振频率,减少悬臂长度或末端质量可以提高压电振子的谐振频率,但为达到更好的发电效果,降频调谐时,应该采用质量调谐法提高压电振子的输出功率,而升频调谐时．应该采用长度调谐法提高压电振子的输出功率．     

数控技术在振动研磨装置中的应用

对数控振动研磨装置进行了分析,阐述了振动研磨的原理,通过对调幅及调频的原理分析,提出了用步进电机数控技术取代调幅及调频的复杂机械结构,并设计了专用的单片机振动研磨装置驱动控制系统,使振动研磨结构简单,操作容易,成本低廉,成广泛推广应用打下了基础。     

压电阀电-机械转换器结构设计分析

为提高现有喷嘴挡板型电液伺服阀的静、动态性能,采用双压电晶片及铍青铜制作出喷嘴挡板式压电阀的电-机械转换器.针对压电层和金属层的宽度、长度和厚度等结构参数对电-机械转换器静、动态性能的影响进行了理论、仿真及实验研究.结果表明：宽度对静、动态性能没有影响,输出位移同长度的平方成正比.长度增大时,幅频宽和基频减小;金属层厚度或压电层厚度增大时,输出位移减小,幅频宽和基频增大.最后对电-机械转换器的振型进行了仿真分析,结果表明满足设计要求.