Твердотельное исполнительное устройство

 

Изобретение относится к системам управления вибрациями в механических системах и обеспечивает повышение надежности системы. Устройство содержит многослойный блок, элементы которого выполнены из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, и измеритель емкости. Блок разделен на секции, выполняющие функции электромеханического и механоэлектрического преобразователей. В электромеханической секции отсутствуют необратимые изменения характеристик. Механоэлектрическая секция, совместно с измерителем емкости, включена в цепь обратной связи, позволяющую учитывать обратимые изменения характеристик. Наибольшая эффективность изобретения может быть достигнута в системах активного управления вибрациями летательных аппаратов. 1 ил.

Изобретение относится к системам управления и предназначено для использования в автоматических системах управления механическими колебаниями.

Известно устройство активного управления вибрациями в механической системе [1]. Устройство содержит пьезоэлектрическую пленку, прикрепленную к основной поверхности механической системы. Устройство позволяет снизить уровень шума, излучаемого пластинами и оболочками. Однако устройство неэффективно в системах управления вибрациями ударного типа с высокой амплитудой, например - в летательных аппаратах.

Наиболее близким аналогом является пьезоэлектрическое исполнительное устройство системы подавления вибрации стабилизатора самолета [2]. Устройство содержит электромеханический преобразователь в виде пакета пьезокерамических элементов, расположенный между двумя консолями, установленными на рабочем органе - элементе конструкции летательного аппарата. Эффективность устройства подтверждена испытаниями модели летательного аппарата в 1/16 натуральной величины.

Однако в реальных условиях эксплуатации проявляется основной недостаток известного устройства - его низкая надежность из-за необратимых изменений электромеханических характеристик пьезокерамики в условиях высоких механических напряжений. Кроме того, эффективность устройства снижается в результате неконтролируемых обратимых изменений электромеханических характеристик в зависимости от рабочей температуры.

Изобретение позволяет повысить надежность летательного аппарата путем снижения необратимых и учета обратимых изменений характеристик исполнительного устройства системы управления вибрациями.

Указанный технический эффект достигается тем, что твердотельное исполнительное устройство, содержащее подключенный к регулятору многослойный блок, состоящий из снабженных электродами сегнетоэлектрических керамических элементов, который расположен между консолями, укрепленными на рабочем органе, дополнительно содержит измеритель емкости, включающий генератор и детектор, многослойный блок выполнен из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом и электрически разделен на две секции, элементы каждой секции электрически соединены параллельно, первая секция подключена к выходу регулятора, вторая секция подключена к частотно-задающей цепи генератора измерителя емкости, а выход детектора измерителя емкости подключен к входу регулятора.

Создание предлагаемого твердотельного исполнительного устройства стало возможным благодаря совокупности новых узлов в составе устройства, новой схемы их электрических соединений и нового материала, из которого выполнен основной узел - многослойный блок.

Выбранный в качестве электроактивного материала сегнетоэлектрик с размытым фазовым переходом [3] обладает высокой электрострикционной деформацией, сравнимой с пьезодеформацией лучших пьезоэлектриков, и малым старением из-за отсутствия доменной структуры. Сочетание этих свойств позволяет создать высокочувствительный электромеханический преобразователь с высокой временной стабильностью, то есть устранить необратимые изменения электромеханических характеристик устройства.

Разделение многослойного блока на секции позволяет выделить в его составе механоэлектрический преобразователь - чувствительный элемент датчика силы. Работа механоэлектрического преобразователя основана на так называемом обратном электрострикционном эффекте в сегнетоэлектрике с размытым фазовым переходом -существенной зависимости диэлектрической проницаемости от механического напряжения [4]. Сочетание механоэлектрического преобразователя и измерителя емкости позволяет измерить реальную величину усилия, развиваемого электромеханическим преобразователем, и ввести в состав системы управления вибрациями обратную связь, учитывающую обратимые изменения характеристик устройства.

Таким образом, создание твердотельного исполнительного устройства, обладающего высокой надежностью, стало возможным благодаря совмещению в одном узле различных функций, на основе прямого и обратного электрострикционного эффекта в сегнетоэлектрическом материале с размытым фазовым переходом.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом, на котором изображен общий вид твердотельного исполнительного устройства и схема его соединений с системой активного управления вибрациями.

Устройство содержит многослойный блок 1 из сегнетоэлектрических керамических элементов, консоли 2 и 3, закрепленные на рабочем органе 4 - элементе конструкции механической системы, и узел предварительного поджатия 5, закрепляющий блок 1 между консолями 2 и 3. Блок 1 электрически разделен на секции 6 и 1, элементы которых соединены электрически параллельно. Секция 6 подключена к выходу регулятора 8, содержащего процессор 9 и усилитель 10. Секция 7 подключена к измерителю емкости 11, содержащему генератор 12 и детектор 13. Выход измерителя емкости 11 подключен к одному из входов процессора 9. К другому входу процессора 9 подключен выход акселерометра 14, установленного на рабочем органе 4.

Многослойный блок 1 выполнен из сегнетоэлектрической керамики магнониобата-титаната свинца. Элементы блока 1 снабжены электродами из вожженного серебра и соединены термодиффузионной сваркой.

Устройство работает следующим образом.

При возникновении вибрации в механической системе, в частности - в элементе конструкции, который является рабочим органом 4 системы активного управления вибрациями, акселерометр 14, жестко связанный с элементом 4, выдает сигнал, пропорциональный ускорению. Сигнал с акселерометра 14 поступает на вход процессора 9 регулятора 8. Процессор 9 вырабатывает управляющий сигнал, амплитуда и фаза которого рассчитываются по заданному в регуляторе 8 алгоритму. Усиленный управляющий сигнал с выхода усилителя 10 поступает на секцию 6 блока 1.

В секции 6, вследствие электрострикционного эффекта, происходит электромеханическое преобразование энергии, результатом которого является усилие, развиваемое в блоке 1 вдоль его оси и приложенное к консолям 2 и 3. Предварительное поджатие блока 1 при помощи узла 5 не допускает появления в блоке 1 растягивающих механических напряжений, нежелательных в керамическом материале. Механическое воздействие блока 1 на рабочий орган 4 происходит в виде пары вращающих моментов в местах установки консолей 2 и 3. Величина вращающего момента равна произведению усилия, развиваемого блоком 1, на величину смещения h оси блока 1 относительно поверхности рабочего органа 4. Вращающие моменты создают в рабочем органе 4 изгибные механические напряжения, которые способствуют гашению вибраций в механической системе.

Одновременно с электромеханическим преобразованием в секции 6, воздействующим на рабочий орган 4, в секции 7 блока 1 происходит механоэлектрическое преобразование, изменяющее величину диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического материала с размытым фазовым переходом и величину емкости секции 7. Секция 7 является частотно-задающим элементом генератора 12 измерителя емкости 11. При увеличении механического напряжения в блоке 1 величина емкости секции 7 уменьшается и соответственно увеличивается частота генератора 12 и величина сигнала на выходе детектора 13. Сигнал с выхода измерителя емкости 11, пропорциональный усилию, развиваемому блоком 1, поступает на вход регулятора 8. В соответствии с реальным значением усилия, развиваемого блоком 1, происходит коррекция выходного сигнала регулятора 8. Таким образом, вводится обратная связь в систему активного управления вибрациями, учитывающая обратимые изменения электромеханических характеристик.

Выполнение основного узла твердотельного исполнительного устройства из сегнетоэлектрического материала с размытым фазовым переходом и совмещение в одном узле функций электромеханического и механоэлектрического преобразователей позволило создать адаптивную систему активного управления вибрациями в механических системах. Применение нового исполнительного устройства в системах активного гашения вибраций, возникающих в стабилизаторах вертолетов в результате нестационарных потоков (при так называемом бафтинге), позволит существенно повысить надежность летательных аппаратов.

Источники информации

1. Патент США № 4626730, М. Кл. Н 01 L 41/08, 1986.

2. Hanagud, S. et al. “Stabilizer Buffet Alleviation of High Performance Twin Stabilizer Aircraft Using Piezo Stack Actuators”, AIAA Paper No. AIAA-99-1320, Proceedings of AIAA/ASME/ASCE/AHC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, 1999.

3. Веневцев Ю.Н. и др. Сегнето- и антисегнетоэлектрики семейства титаната бария. М., Химия, 1985, с. 165.

4. Uchino К. et al. - J. Appi. Phys., 1980, Vol.51, No. 2, p.1142-1145.

Формула изобретения

Твердотельное исполнительное устройство, содержащее многослойный блок, состоящий из снабженных электродами сегнетоэлектрических керамических элементов, который расположен между двумя укрепленными на рабочем органе консолями и подключен к выходу усилителя регулятора, к одному из входов процессора которого подключен выход акселерометра, установленного на рабочем органе, отличающееся тем, что оно содержит измеритель емкости, включающий генератор и детектор, многослойный блок выполнен из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом и электрически разделен на две секции, элементы каждой секции электрически соединены параллельно, первая секция подключена к выходу усилителя регулятора, вторая секция подключена к частотно-задающей цепи генератора измерителя емкости, выход детектора измерителя емкости подключен к другому входу процессора регулятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1