一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置及系统

一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置及系统
1.技术领域
2.本发明涉及管路系统领域，尤其涉及一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置及系统。


背景技术：

3.管路是流体传动、传输和控制工程中不可缺少的系统组件，主要用于流体介质的传输、流体动力和流体信息的传递，在很多领域得到了广泛的应用。由于动力源周期性运动，管路内部流体在传输时，会对管路内的流体介质产生周期性激励，这种周期性激励被称作压力脉动。压力脉动会沿着输流管路在管路内部的流体介质中传输，引起流体噪声，影响系统和元件的工作质量，且可能引起共振，破坏管路系统，引起重大事故。因此设法抑制或消除管路系统中的流体压力脉动具有很重要的意义。
4.从控制机理来看，管路振动和内部流体压力脉动的控制技术主要分为：被动控制技术和主动控制技术。被动控制技术主要采用阻尼器降低振动传递率，比如，采用低刚度挠性接管、敷设粘弹性高阻尼材料以吸收和耗散振动能量等措施，具有减振机理明确、结构简单、无需能量输入、操作方便且对高频振动具有较好的抑制效果等优点。但是，被动控制技术只能消除管路的振动，降低共振风险，对管路内流体的压力脉动作用较小。主动控制技术主要是通过传感元件采集管路系统的振动信号，控制器根据振动信号将输出的控制信号施加给作动元件，通过作动元件对管路系统的振动进行控制。主动控制方法跟随性强、实用价值高。随着控制技术和作动元件的发展，主控减振系统逐渐成为目前的研究热点。
5.常见的主动控制方法主要依靠片弹簧和压电陶瓷组成的扁环形结构实现变刚度的功能，并通过压电陶瓷实现主动控制，但是单一压电陶瓷形变量极小，对管路的主动调节作用幅度有限。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置及系统。
7.第一方面，本技术提供一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置，包括：垂直连接于主管路的橡胶管路，沿所述橡胶管路的延伸方向分布有多个环形压电陶瓷组，所述橡胶管路的内部设置有位于所述环形压电陶瓷组下方的气囊，所述气囊设置有与所述橡胶管路的外部相连通的气管。
8.优选的，所述多个环形压电陶瓷组等间距分布，所述环形压电陶瓷组包括多个弧形的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片的弧度与所述橡胶管路相匹配。
9.优选的，所述主管路上还设置有位于所述橡胶管路两侧的橡胶阻尼器。
10.优选的，所述橡胶管路的末端还设置有排料阀，所述排料阀位于所述气囊的下方。
11.第二方面，本技术提供一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制系统，包括上述的基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置，还包括：设置于所述主管路前端的主传感器，设置于所述主管路后端的反馈传感器，与所述主传感器和所述反馈传感器相连接的控制器，所述控制器与所述环形压电陶瓷组之间还对应连接有多路压电驱动器。
12.本技术的有益效果如下：本装置可通过分布于橡胶管路外壁的环形压电陶瓷组，对橡胶管路产生作用力，从而对橡胶管路内部的流体产生压力脉动，每个环形压电陶瓷组均可产生上、下两个方向的压力脉动，向上传播的压力脉动可通过层层叠加，获得更大的脉动幅值，从而抵消主管路内部流体存在的压力脉动；向下传播的无效压力脉动可传递至充气气囊处进行吸收。本装置与现有技术相比，结构简单、安装方便，通过多个环形压电陶瓷组串联的方式可获得更宽的压力脉动频域，适用于高频脉动流体以及连续作业的应用场景。另外，在特殊情况下，当环形压电陶瓷组的主动控制作用部分失效或全部失效时，本装置中配置的橡胶管路和气囊仍能充当被动的压力脉动抑制器，对压力脉动仍然有一定的抑制作用，防止因压力脉动过大而对设备造成损坏。
附图说明
13.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见的，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本发明实施例提供的一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置的结构示意图；图2 为本发明实施例提供的一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置的原理示意图；图3 为本发明实施例提供的一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制系统的结构示意图；图中所示：1-主管路、2-橡胶管路、3-环形压电陶瓷组、31-压电陶瓷片、4-气囊、41-气管、5-橡胶阻尼器、6-排料阀、10-主传感器、11-基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置、20反馈传感器、30控制器、40多路压电驱动器。
具体实施方式
15.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。
16.针对现有技术的不足，本方案提供一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置及系统。请参考图1，所示为本发明实施例提供的一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置的结构示意图。由图1可见，本技术提供的一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置，包括：垂直连接于主管路1的橡胶管路2，沿所述橡胶管路2的延伸方向分
布有多个环形压电陶瓷组3，所述橡胶管路2的内部设置有位于所述环形压电陶瓷组3下方的气囊4，所述气囊4设置有与所述橡胶管路2的外部相连通的气管41。本装置在使用前，可先通过气管41对气囊4进行充气，充满气的气囊4能够吸收环形压电陶瓷组3产生向下的压力脉动。
17.本装置可通过分布于橡胶管路2外壁的环形压电陶瓷组3，对橡胶管路2产生作用力，从而对橡胶管路2内部的流体产生压力脉动，每个环形压电陶瓷组3均可产生上、下两个方向的压力脉动，向上传播的压力脉动可通过层层叠加，获得更大的脉动幅值，从而抵消主管路1内部流体存在的压力脉动；向下传播的无效压力脉动可传递至充气气囊4处进行吸收。本装置与现有技术相比，结构简单、安装方便，通过多个环形压电陶瓷组3串联的方式可获得更宽的压力脉动频域，适用于高频脉动流体以及连续作业的应用场景。另外，在特殊情况下，当环形压电陶瓷组3的主动控制作用部分失效或全部失效时，本装置中配置的橡胶管路2和气囊4仍能充当被动的压力脉动抑制器，对压力脉动仍然有一定的抑制作用，防止因压力脉动过大而对设备造成损坏。本技术中，向上为靠近主管路1的方向，向下为远离主管路1的方向。
18.本技术优选实施例中，多个环形压电陶瓷组3等间距分布，以便控制输入至主管路1的压力脉动的幅值。所述环形压电陶瓷组3包括多个弧形的压电陶瓷片31，所述压电陶瓷片31的弧度与所述橡胶管路2相匹配。另外，在环形压电陶瓷组3工作时，其所产生的振动会传递至主管路，对主管路造成新的影响，因此，本技术优选实施例中，在主管路1上还设置有位于所述橡胶管路2两侧的橡胶阻尼器5，以防橡胶管路2产生的振动向主管路1传递。橡胶阻尼器5也可以充当被动的压力脉动抑制器，对压力脉动有一定的抑制作用，防止因压力脉动过大而对设备造成损坏。此外，所述橡胶管路2的末端还可以设置有排料阀6，所述排料阀6位于所述气囊4的下方。在使用本装置前，可先通过排料阀6进行排料，确保橡胶管路2内充满流体，防止橡胶管路2内留存气泡影响环形压电陶瓷组3对流体脉动的抑制效果。
19.请参考图2和图3，所示分别为本发明实施例提供的一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置的原理示意图和本发明实施例提供的一种基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制系统的结构示意图。由图2和3可见，本系统包括上述实施例所述的基于分布式压电陶瓷的流体脉动主动抑制装置11，还包括设置于主管路1前端的主传感器10，设置于主管路1后端的反馈传感器20，以及与主传感器10、反馈传感器20相连接的控制器30，主传感器10可以检测需要抑制的固有脉动的振动频率、幅值和相位等信息，控制器30接收上述信息，经过模数转换、滤波、并按照pid等控制算法计算后，进行相位调整，最后通过多路压电驱动器40将控制信号对应输出至环形压电陶瓷组3，环形压电陶瓷组3接收到控制信号后可对橡胶管路2进行激励，将电能转化为机械能，进而对橡胶管路2中的流体进行作用。同时，反馈传感器20能够检测主管路1减振后的振动频率与幅值信息，可以对主管路1的减振效果进行实时监控，确保系统的稳定可靠。
20.具体的，主传感器10可安装于靠近压力脉动产生源的位置，反馈传感器20安装于靠近管路系统工作区域。控制器30获取主传感器10采集到的主管路1内流体的压力脉动信号，通过模数转换和滤波处理，进入控制程序，采用pid算法，提供一个反向压力脉动信号p。反向压力脉动信号p经过多路压电驱动器40分散后按照不同时差，输出强度相同的信号p1、p2、
……
、pn。
21.根据脉动波在流体中的速度和所布置压电陶瓷的位置，借助分布式振动控制原理，计算出每个压电陶瓷所对应的信号p1、p2、
……
、pn，，其中，，信号随时间变化，n表示环形压电陶瓷组3的编号，、、分别表示信号第m个分量的幅值、周期和相位，其中x
n-x1表示第n个压电陶瓷到第一个环形压电陶瓷组3的距离，v表示脉动波在流体中传输的速度。本实施例中，第一个环形压电陶瓷组3为橡胶管路2最下端的环形压电陶瓷组3。
22.本系统进入工作状态后，从第一个环形压电陶瓷组3开始，环形压电陶瓷组3产生的反向压力脉动会向上、下两端传递，向下传递的压力脉动到达气囊4后被吸收，随后消失，向上传递的脉动在路过第二个环形压电陶瓷组3时，第二个环形压电陶瓷组3会产生与第一个环形压电陶瓷组3相同的激励，第二个环形压电陶瓷组3对流体产生的主动脉动也会向上、下两个方向传播，向下传播的脉动到达气囊4后被吸收，向上传播的压力脉动与第一个环形压电陶瓷组3产生的向上传播的压力脉动重叠，从而达到脉动放大的效果。以此类推，最初第一个环形压电陶瓷组3产生的向上传播的压力脉动会通过多层放大，传递至主管路1，与主管路1中的压力脉动相互抵消，最终在管路系统的工作区域得到平稳的流体。
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。