变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置及方法，包括：供电装置静止端(1)、供电装置旋转端(2)、压电分流电路(3)和切换/扫频电路(4)；供电装置旋转端与压电分流电路连接在变转速螺旋桨轴系的转轴上，随所述转轴同步旋转，供电装置静止端设置在供电装置旋转端的外侧，切换/扫频电路与压电分流电路电连接，压电分流电路与供电装置旋转端电连接；其中，切换/扫频电路控制压电分流电路中的电感和电阻的值按照预设的规律周期性变化。本发明专利技术采用切换/扫频电路，可以不做系统辨识即可进行多模态控制、并且可以在变工况系统中任用。

Multi-modal vibration control device and method for variable speed propeller shafting

【技术实现步骤摘要】
变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置及方法
本专利技术涉及船舶振动控制领域，具体地，涉及一种变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置及方法。
技术介绍
螺旋桨在不均匀、非定常流场中旋转，在产生静推力的同时，将产生与转速和叶片数相关的基频和倍频激振力线谱分量、随频率基本上呈逐渐衰减的随机宽带分量，前者通过轴系传递使船体结构发生强迫振动产生水下声辐射；后者将激励螺旋桨－轴系－船体耦合系统的特征模态，两者均会形成突出的特征频谱，这些突出的特征频谱集中于10Hz～200Hz之间。采用动力吸振器对推进轴系的固有频率影响小，不需要串入到轴系中承受大的静推力，但若采用被动式的吸振措施，由于推进轴系的被控制频率低，所需质量代价较大；单个传统吸振器仅能够针对某阶模态起到抑制效果；并且不同转速下桨－轴系－船体耦合系统大的固有频率发生变化，上述这些因素对动力吸振器的实际应用提出了巨大的挑战。本专利技术基于负刚度动力吸振的原理，提出一种基于时变压电分流电路的变转速轴系多模态半被动控制振动传递控制方法。当推力轴在水下旋转时，在螺旋桨宽带力的作用下，轴系的纵振模态、横振模态或螺旋桨的振动模态处会产生力的放大，使传递到推力轴承处的纵向和横向传递力出现多个峰值，并且不同转速下桨－轴系－船体耦合系统的固有模态发生变化。本专利技术重点解决以下技术问题：解决水下轴系时变特性、多模态控制的要求。公开号为CN104590528A的专利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。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置及方法。根据本专利技术提供的一种变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置，包括：供电装置静止端1、供电装置旋转端2、压电分流电路3和切换/扫频电路4；供电装置旋转端2与压电分流电路3连接在变转速螺旋桨轴系的转轴上，随所述转轴同步旋转，供电装置静止端1设置在供电装置旋转端2的外侧，切换/扫频电路4与压电分流电路3电连接，压电分流电路3与供电装置旋转端2电连接；其中，切换/扫频电路4控制压电分流电路3中的电感和电阻的值按照预设的规律周期性变化。优选地，分流电路3包括：压电片、第一负电容、第二负电容、电感和电阻；所述压电片连接在所述转轴上，所述电阻、所述电感和所述第二负电容依次串联，并与所述压电片的固有电容串联，增强机电耦合系数，所述第一负电容与所述压电片的固有电容并联，抵消所述压电片的固有电容。优选地，切换/扫频电路4包括：切换电路或扫频电路；切换电路：控制压电分流电路3中的电感和电阻的值按照预设的规律呈阶梯状周期性变化；扫频电路：控制压电分流电路3中的电感和电阻的值按照预设的规律平滑的周期性变化。优选地，所述切换电路由单片机控制不同支路的切换时间，从而控制压电分流电路3中的电感和电阻的值按照预设的规律呈阶梯状周期性变化。优选地，所述扫频电路通过Dspace控制平台或DSP电路实现合成阻抗电路，从而等效压电分流电路3中的电感和电阻的值按照预设的规律平滑的周期性变化。优选地，所述扫频电路根据需要控制频段的固有频率和期望的控制效果来确定下限值ω0和上限值ω1、扫频频率fs和扫频指数p，从而固有频率按照以下方式变化，使扫频变化图像一定规律地覆盖切换电路中的频率图像ωsw(t)＝ω0+(ω1-ω0)sin(2πfst)p，扫频频率fs通过动能功率谱密度比率法确定，扫频角频率为2πfs；寻找电路固有频率与最优电感电阻值之间的关系，将电感值、电阻值用电路固有频率来表示，电路固有频率变化时，电感电阻也随之变化，从而连续变化得以实现。电感按照以下方式变化：式中Cs＝Cp-C1，为短路状态下压电片的模态刚度；K为模态刚度；kij为j方向的力和i方向的电场的机电耦合系数，本专利中即为k31；子电路中C2＝Cs/δopt，C1根据实际情况选择，通常按C1＝0.55Cp，Cp为压电片的固有电容；寻最优电阻和频率变化之间的关系，已知各阶固有频率处的最优电感和电容值，通过动能功率谱密度比率法，求出各阶固有频率处的最优电阻，对固有频率下限值ω0和上限值ω1频率之间的各阶固有频率的最优的电阻和电感参数的离散点进行线性拟合，得到电阻和电感之间的关系：Rs(t)＝k0+k1Ls(t)将Ls(t)带入上式得到电阻值Rs随时间t的变化关系：式中k0、k1为线性拟合得到的系数。优选地，扫频频率fs控制扫频周期长短，数值越大，周期越短；扫频指数p控制正弦波峰值宽度，数值越大，宽度越窄。优选地，扫频指数p取值包括4。优选地，所述压电片工作在d31模式。根据本专利技术提供的一种变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制方法，采用上述的变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置对变转速螺旋桨轴系进行纵向和横向多模态振动控。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术采用切换/扫频电路，可以不做系统辨识即可进行多模态控制、并且可以在变工况系统中任用。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的双负电容压电分流电路；图3为本专利技术的切换/扫频电路等效双负电容电路的合成阻抗图；图4为本专利技术的切换电路对电阻和电感的调节效果；图5为本专利技术的扫频电路对电阻和电感的调节效果。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，本专利技术提供的一种变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置，包括：供电装置静止端1、供电装置旋转端2、压电分流电路3和切换/扫频电路4。供电装置旋转端2与压电分流电路3连接在变转速螺旋桨轴系的转轴上，随转轴同步旋转，供电装置静止端1设置在供电装置旋转端2的外侧，切换/扫频电路4与压电分流电路3电连接，压电分流电路3与供电装置旋转端2电连接；其中，切换/扫频电路4控制压电分流电路3中的电感和电阻的值按照预设的规律周期性变化。如图2所示，分流电路3包括：压电片31、第一负电容32、第二负电容33、电感34和电阻35。压电片31本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置，其特征在于，包括：供电装置静止端(1)、供电装置旋转端(2)、压电分流电路(3)和切换/扫频电路(4)；/n供电装置旋转端(2)与压电分流电路(3)连接在变转速螺旋桨轴系的转轴上，随所述转轴同步旋转，供电装置静止端(1)设置在供电装置旋转端(2)的外侧，切换/扫频电路(4)与压电分流电路(3)电连接，压电分流电路(3)与供电装置旋转端(2)电连接；/n其中，切换/扫频电路(4)控制压电分流电路(3)中的电感和电阻的值按照预设的规律周期性变化。/n

【技术特征摘要】
1.一种变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置，其特征在于，包括：供电装置静止端(1)、供电装置旋转端(2)、压电分流电路(3)和切换/扫频电路(4)；
供电装置旋转端(2)与压电分流电路(3)连接在变转速螺旋桨轴系的转轴上，随所述转轴同步旋转，供电装置静止端(1)设置在供电装置旋转端(2)的外侧，切换/扫频电路(4)与压电分流电路(3)电连接，压电分流电路(3)与供电装置旋转端(2)电连接；
其中，切换/扫频电路(4)控制压电分流电路(3)中的电感和电阻的值按照预设的规律周期性变化。


2.根据权利要求1所述的变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置，其特征在于，分流电路(3)包括：压电片、第一负电容、第二负电容、电感和电阻；
所述压电片连接在所述转轴上，所述电阻、所述电感和所述第二负电容依次串联，并与所述压电片的固有电容串联，增强机电耦合系数，所述第一负电容与所述压电片的固有电容并联，抵消所述压电片的固有电容。


3.根据权利要求1所述的变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置，其特征在于，切换/扫频电路(4)包括：切换电路或扫频电路；
切换电路：控制压电分流电路(3)中的电感和电阻的值按照预设的规律呈阶梯状周期性变化；
扫频电路：控制压电分流电路(3)中的电感和电阻的值按照预设的规律平滑的周期性变化。


4.根据权利要求3所述的变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置，其特征在于，所述切换电路由单片机控制不同压电分流电路支路的切换时间，从而控制压电分流电路(3)中的电感和电阻的值按照预设的规律呈阶梯状周期性变化。


5.根据权利要求3所述的变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置，其特征在于，所述扫频电路通过Dspace控制平台或DSP电路实现合成阻抗电路，从而等效为压电分流电路(3)中的电感和电阻的值按照预设的规律平滑的周期性变化。


6.根据权利要求3所述的变转速螺旋桨轴系纵向和横向多模态振动控制装置，其特征在于，所述扫频电路根据需要控制频段的固...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄修长，黎丰，苏智伟，华宏星，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31