本發(fā)明涉及的是一種振動(dòng)主動(dòng)控制機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

風(fēng)洞試驗(yàn)一般采用尾撐方式，試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)內(nèi)置式天平、天平支桿固定安裝于中間支架，中間支架安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段的后部，構(gòu)成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)是一個(gè)典型的懸臂式結(jié)構(gòu)。在風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中，受非定常氣動(dòng)力的作用，懸臂式的試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)會(huì)產(chǎn)生低階的模態(tài)振動(dòng)，而試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎谖挥趹冶劢Y(jié)構(gòu)的自由端，其振動(dòng)的幅值最大。大幅的低頻振動(dòng)除了會(huì)危害氣動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，還會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的疲勞破壞。因此，如何有效地控制試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎陲L(fēng)載激勵(lì)產(chǎn)生的低頻振動(dòng)是工程技術(shù)人員十分關(guān)注的問(wèn)題。風(fēng)洞模型振動(dòng)控制分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式，但被動(dòng)的方法只能針對(duì)特定的工況進(jìn)行控制、減振效果不理想。因此，采用適應(yīng)性較強(qiáng)的振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)是目前比較具有工程實(shí)用價(jià)值的技術(shù)途徑。

現(xiàn)有用于風(fēng)洞模型主動(dòng)抑振的作動(dòng)機(jī)構(gòu)主要采用慣性式電磁作動(dòng)器或壓電陶瓷作動(dòng)器。如陳衛(wèi)東，邵敏強(qiáng)，楊興華等，跨聲速風(fēng)洞測(cè)力模型主動(dòng)減振系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2007，20(1)：91-96描述了基于慣性式電磁激振器的風(fēng)洞模型主動(dòng)減振系統(tǒng)，取得了70％以上的主動(dòng)減振效果，但是這種作動(dòng)方式將作動(dòng)機(jī)構(gòu)直接裝載于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?nèi)結(jié)構(gòu)空腔，因此不同的試驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰謩e考慮作動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝問(wèn)題。同時(shí)由于受安裝空間的限制，慣性式電磁激振器的作動(dòng)能力受限，無(wú)法滿足有些場(chǎng)合大幅值振動(dòng)控制的要求；而Fehren H,Gnauert U,Wimmel R,Validation testing with the active damping system in the European Transonic Wind Tunnel,AIAA 2001-0610(Fehren H等，歐洲跨聲速風(fēng)洞主動(dòng)阻尼系統(tǒng)的有效性驗(yàn)證試驗(yàn)，AIAA 2001-0610)、Balakrishna S,Houlden H,Butler D H,and White R,Development of a wind tunnel active vibration reduction system,AIAA 2007-961(Balakrishna S等，風(fēng)洞主動(dòng)抑振系統(tǒng)的進(jìn)展，AIAA 2007-961)和Balakrishna S&Butler D H,Acheson M J,White R,Design and performance of an active sting damper for the NASA common research model,AIAA 2011-953(Balakrishna S等，NASA常用研究模型的主動(dòng)支桿阻尼的設(shè)計(jì)及性能，AIAA 2011-953)中描述的主動(dòng)抑振系統(tǒng)，都采用壓電陶瓷作動(dòng)器，通過(guò)作動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將壓電堆作動(dòng)器的軸向運(yùn)動(dòng)放大并轉(zhuǎn)變成試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母┭龊推竭\(yùn)動(dòng)，這樣主動(dòng)地調(diào)節(jié)壓電陶瓷組件的驅(qū)動(dòng)電壓可以控制試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母┭?偏航振動(dòng)響應(yīng)。這種作動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，可以安裝在天平支桿的首端或尾部，無(wú)需針對(duì)不同的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行專門地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母┭龊推秸駝?dòng)進(jìn)行解耦控制，不同壓電陶瓷組件之間工作時(shí)會(huì)互相影響，控制系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)定性和可靠性受到影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供使試驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e產(chǎn)生俯仰振動(dòng)和偏航振動(dòng)，或者二者的耦合振動(dòng)，與風(fēng)載激勵(lì)作用在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕弦鸬恼駝?dòng)響應(yīng)相抵消，達(dá)到主動(dòng)抑振目的的一種應(yīng)用于風(fēng)洞模型振動(dòng)解耦控制的主動(dòng)抑振作動(dòng)機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明一種應(yīng)用于風(fēng)洞模型振動(dòng)解耦控制的主動(dòng)抑振作動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征是：包括作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座、作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤、天平支桿，作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座和作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤通過(guò)雙頭螺栓連接在一起，作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座和作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤之間安裝壓電堆作動(dòng)器，壓電堆作動(dòng)器通過(guò)雙頭螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力被預(yù)壓，天平支桿的尾部錐面與作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤底座的錐孔配合，并通過(guò)壓蓋固定在作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤底座上，兩個(gè)半球形罩殼覆蓋在作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座外部，兩個(gè)半圓錐形壓蓋罩殼與兩個(gè)半圓柱形擋盤罩殼覆蓋在作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤底座與壓蓋連接位置，兩個(gè)半圓柱形底座罩殼覆蓋于作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座表面并搭接在作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤上。

本發(fā)明還可以包括：

1、兩個(gè)限位塊通過(guò)內(nèi)六角螺釘固定在作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤斜對(duì)稱的兩個(gè)扇形質(zhì)量塊背面，所述壓電堆作動(dòng)器有八個(gè)，八個(gè)壓電堆作動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)力源兩兩一組對(duì)稱布置在作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座與作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤之間形成的四個(gè)方形槽內(nèi)，分別形成俯仰壓電陶瓷組件和偏航壓電陶瓷組件。

2、作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤與壓電堆作動(dòng)器接觸的圓盤被分割成互相獨(dú)立且對(duì)稱的八個(gè)質(zhì)量塊，通過(guò)每個(gè)質(zhì)量塊后面的方臺(tái)與作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤底座連接。

3、兩個(gè)半圓柱形底座罩殼與作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤之間留有間隙。

本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：

1.本發(fā)明通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將壓電堆作動(dòng)器的軸向振動(dòng)放大轉(zhuǎn)化為天平支桿自由端的俯仰振動(dòng)和偏航振動(dòng)，或者二者的耦合振動(dòng)，采用主動(dòng)控制策略，能夠有效地減少模型端由于風(fēng)載激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)；

2.本發(fā)明中擋盤結(jié)構(gòu)與壓電堆作動(dòng)器接觸的圓盤被分割成互相獨(dú)立且對(duì)稱的八個(gè)質(zhì)量塊，通過(guò)每個(gè)質(zhì)量塊后面的方臺(tái)(鉸鏈)與擋盤底座即天平支桿及試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦B接。位于互相垂直的兩條中心線上的四個(gè)質(zhì)量塊用來(lái)安裝壓電堆作動(dòng)器，上下對(duì)稱布置的壓電陶瓷組件控制俯仰振動(dòng)，左右對(duì)稱布置的壓電陶瓷組件控制偏航振動(dòng)，從而可以使控制俯仰和偏航振動(dòng)的兩組壓電陶瓷組件的運(yùn)動(dòng)解耦，實(shí)現(xiàn)俯仰和偏航振動(dòng)的解耦控制；

3.為了保證主動(dòng)抑振功能的實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明采用壓電堆作動(dòng)器作為主動(dòng)抑振作動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力源，其輸出力大，位置控制精確，控制俯仰和偏航的壓電陶瓷組件在擋盤處接觸的四個(gè)質(zhì)量塊互相獨(dú)立，所以兩個(gè)組件之間的相互影響和制約完全消除，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；

4.本發(fā)明將八個(gè)壓電堆作動(dòng)器布置在底座與擋盤形成的方形槽內(nèi)，中間的空間用來(lái)走線，有效地利用了空間，整個(gè)結(jié)構(gòu)更加緊湊；

5.在擋盤斜對(duì)稱的兩個(gè)扇形質(zhì)量塊背面安裝兩個(gè)限位塊，可以保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼駝?dòng)位移過(guò)大時(shí)壓電堆作動(dòng)器不會(huì)遭到破壞。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的三維爆炸圖；

圖2為本發(fā)明的作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤鉸鏈位置處徑向截面圖；

圖5為本發(fā)明工作原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：

結(jié)合圖1-5，本發(fā)明的主動(dòng)抑振作動(dòng)機(jī)構(gòu)的底座2通過(guò)加工形成四個(gè)對(duì)稱布置的扇形支柱，扇形柱面與擋盤5左端的四個(gè)扇形質(zhì)量塊e一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)四個(gè)雙頭螺栓1連接，這樣在底座2扇形支柱根部平面與擋盤5左端兩條互相垂直中心線上的四個(gè)質(zhì)量塊a之間形成上下、左右分別對(duì)稱的四個(gè)方形槽，八個(gè)壓電堆作動(dòng)器3兩兩一組，安裝在方形槽內(nèi)，通過(guò)四個(gè)雙頭螺栓1施加預(yù)緊力，使所有的壓電堆作動(dòng)器3處于受壓狀態(tài)。上下對(duì)稱的壓電陶瓷組件針對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母┭稣駝?dòng)進(jìn)行控制，稱為俯仰壓電陶瓷組件；左右對(duì)稱的壓電陶瓷組件針對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠秸駝?dòng)進(jìn)行控制，稱為偏航壓電陶瓷組件。擋盤5上與壓電堆作動(dòng)器3接觸的四個(gè)質(zhì)量塊a與擋盤5底座d之間的連接加工成四個(gè)小的長(zhǎng)方柱體c見(jiàn)圖4，壓電陶瓷組件工作時(shí)，傳遞壓電陶瓷軸向作動(dòng)力的同時(shí)，會(huì)使擋盤5底座d分別繞這個(gè)四個(gè)長(zhǎng)方柱體c的長(zhǎng)邊旋轉(zhuǎn)，使固定安裝在擋盤5底座d上的天平支桿7產(chǎn)生俯仰和偏航振動(dòng)；擋盤5與執(zhí)行機(jī)構(gòu)底座2四個(gè)扇形支柱連接的四個(gè)扇形質(zhì)量塊e與擋盤5底座d的連接加工成四個(gè)正方柱體b見(jiàn)圖4。天平支桿7尾部錐面與擋盤5底座d的錐孔進(jìn)行研配，并用壓蓋6通過(guò)八個(gè)內(nèi)六角螺釘與擋盤5壓緊固定。

本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)底座2如圖2所示，通過(guò)其安裝錐面固定安裝在中間支架的攻角頭結(jié)構(gòu)上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)底座2與擋盤5構(gòu)成八個(gè)壓電堆作動(dòng)器3的安裝空間和作用面，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)底座2扇形立柱根部平面鉆四個(gè)通孔作為壓電陶瓷組件驅(qū)動(dòng)電纜走線。執(zhí)行機(jī)構(gòu)底座2中間的圓孔、四組壓電陶瓷組件之間的空間以及擋盤5底座d中間的圓孔，與天平支桿7的中孔相通，留作風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)量天平的信號(hào)走線。

本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)擋盤5如圖3所示，它完成將壓電陶瓷組件的軸向振動(dòng)放大并轉(zhuǎn)變成天平支桿7自由端試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母┭觥⑵交蚨叩鸟詈险駝?dòng)。

本發(fā)明的罩殼分為四部分，分別覆蓋在執(zhí)行機(jī)構(gòu)底座2與攻角頭連接處、壓電堆作動(dòng)器3安裝位置及天平支桿7與壓蓋6連接處，起到保護(hù)作用的同時(shí)使整個(gè)主動(dòng)抑振執(zhí)行機(jī)構(gòu)呈流線外形，滿足風(fēng)洞流場(chǎng)的要求。

本發(fā)明的主動(dòng)抑振執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理如圖5所示，以控制俯仰振動(dòng)為例說(shuō)明。俯仰和偏航壓電陶瓷組件共八個(gè)壓電堆作動(dòng)器對(duì)稱布置，主動(dòng)抑振執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)事先通過(guò)直流電壓偏置使所有壓電堆作動(dòng)器有同樣的伸長(zhǎng)量，保持偏航壓電陶瓷組件的電壓不變，增加俯仰壓電陶瓷組件上的驅(qū)動(dòng)電壓使其繼續(xù)伸長(zhǎng)，同時(shí)減小俯仰壓電陶瓷組件下同樣大小的驅(qū)動(dòng)電壓量使其縮短，從而使擋盤5底座d繞位于水平中心線上的鉸鏈c向下運(yùn)動(dòng)。相反，減小俯仰壓電陶瓷組件上的驅(qū)動(dòng)電壓而增加俯仰壓電陶瓷組件下的驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)使擋盤5底座d繞水平中心線上的鉸鏈c向上運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制俯仰壓電陶瓷組件的軸向運(yùn)動(dòng)控制天平自由端試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母┭稣駝?dòng)。同理，可以通過(guò)控制偏航壓電陶瓷組件的軸向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生天平支桿7自由端試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠秸駝?dòng)。當(dāng)同時(shí)給這四組壓電陶瓷組件交變的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制天平支桿7自由端試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母┭?amp;偏航的耦合振動(dòng)。

由于擋盤5與俯仰和偏航壓電陶瓷組件接觸的質(zhì)量塊e相互獨(dú)立，同時(shí)由于擋盤5底座d繞兩條互相垂直且通過(guò)擋盤5中心的中心線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了俯仰和偏航壓電陶瓷組件運(yùn)動(dòng)的解耦，因此可以進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ透┭龊推秸駝?dòng)的解耦控制。

本發(fā)明一種針對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼駝?dòng)解耦控制的主動(dòng)抑振作動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括:四根雙頭連接螺栓1、作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座2、八個(gè)壓電堆作動(dòng)器3、兩個(gè)半球形罩殼4、作動(dòng)機(jī)構(gòu)擋盤5、壓蓋6、天平支桿7、兩個(gè)半圓錐形的壓蓋罩殼8、兩個(gè)半圓柱形擋盤罩殼9，兩個(gè)限位塊10、兩個(gè)半圓柱形底座罩殼11，作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座2和擋盤5通過(guò)四根雙頭螺栓1連成一體，同時(shí)由雙頭螺栓1產(chǎn)生的預(yù)緊力將八個(gè)壓電堆作動(dòng)器3預(yù)壓在作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座2和擋盤5之間，天平支桿7尾部錐面與擋盤5底座d的錐孔配研，通過(guò)壓蓋6用八個(gè)螺栓壓緊固定在擋盤5底座d上，兩個(gè)限位塊10通過(guò)內(nèi)六角螺釘固定在擋盤5斜對(duì)稱的兩個(gè)扇形質(zhì)量塊e背面，八個(gè)壓電堆作動(dòng)器3作為驅(qū)動(dòng)力源兩兩一組對(duì)稱布置在作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座2與擋盤5之間形成的四個(gè)方形槽內(nèi)，作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座2的安裝錐面與中間支架的攻角頭連接并靠螺釘固定壓緊，罩殼4覆蓋在底座2與攻角頭連接位置，壓蓋罩殼8與擋盤罩殼9覆蓋在擋盤5底座與壓蓋6連接位置，底座罩殼11覆蓋于底座2表面并搭接在擋盤上。

作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座2和擋盤5通過(guò)四根雙頭螺栓1連成一體，由雙頭螺栓1產(chǎn)生的預(yù)緊力將八個(gè)壓電堆作動(dòng)器3預(yù)壓在底座2和擋盤5之間；

八個(gè)壓電堆作動(dòng)器3作為驅(qū)動(dòng)力源兩兩一組對(duì)稱布置在作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座2與擋盤5之間形成的四個(gè)方形槽內(nèi)，上下兩組壓電陶瓷組件對(duì)應(yīng)著俯仰振動(dòng)，左右兩組壓電陶瓷組件對(duì)應(yīng)著偏航振動(dòng)；

擋盤5與壓電堆作動(dòng)器接觸的圓盤被分割成互相獨(dú)立且對(duì)稱的八個(gè)質(zhì)量塊a和e，通過(guò)每個(gè)質(zhì)量塊后面的方臺(tái)鉸鏈b和c與擋盤5底座d運(yùn)動(dòng)部件連接；

擋盤5位于兩條互相垂直的中心線上的四個(gè)質(zhì)量塊a用來(lái)頂住壓電堆作動(dòng)器，四個(gè)角上的扇形質(zhì)量塊e與執(zhí)行機(jī)構(gòu)底座2的四個(gè)扇形支柱定位連接，由四根雙頭螺栓1固定；

擋盤5底座d的主要運(yùn)動(dòng)為繞垂直方向鉸鏈的偏航運(yùn)動(dòng)和繞水平方向鉸鏈的俯仰運(yùn)動(dòng)，將兩條中心線上的四個(gè)鉸鏈c在各自垂直方向的尺寸減小，如圖4所示，以減少其彎曲剛度；

在作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座2各組壓電陶瓷組件安裝位置附近加工四個(gè)通孔，用于布置壓電堆作動(dòng)器3的驅(qū)動(dòng)電纜；

兩個(gè)限位塊10通過(guò)內(nèi)六角螺釘固定在擋盤5斜對(duì)稱的兩個(gè)扇形質(zhì)量塊e背面，防止作動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生過(guò)大的振動(dòng)位移；

底座罩殼11覆蓋于作動(dòng)機(jī)構(gòu)底座2表面，與擋盤5之間留有間隙，保證擋盤5底座d運(yùn)動(dòng)部件能自由活動(dòng)；

所有罩殼呈流線型覆蓋在整個(gè)主動(dòng)抑振作動(dòng)機(jī)構(gòu)的外表面，保證對(duì)流場(chǎng)的影響最小，同時(shí)為了防塵和保護(hù)壓電陶瓷組件。