Experimental research on the operating conditions of pzt stack actuator.pdf В космической отрасли наиболее остро стоит вопрос уменьшения массогаба-ритных характеристик систем космического аппарата (КА). Одним из решений является замена электромеханических приводов различных устройств КА на пье-зоприводы, при этом массогабаритные показатели соответствующих устройств уменьшается в разы. По сравнению с электромеханическими приводами микролинейные пьезопри-воды (МЛП) имеют существенные преимущества. Однако при эксплуатации МЛП необходимо учитывать ряд особенностей, затрагивающие электрофизические и механические свойства пьезоактюатора (ПА) [1,2]. К механическим особенностям относится обязательное требование предварительного поджатия ПА. Сила предварительного поджатия по механической прочности строго регламентируется в зависимости от материала пьезокерамики. Целью работы являются экспериментальные исследования влияния силы предварительного поджатия на режимы работы ПА в динамическом режиме. Исследование влияния силы предварительного поджатия на экспериментальном стенде с инерционной нагрузкой Проектирование МЛП и испытательного стенда проводилось с ориентацией на следующие параметры: сила ^нат - 300 Н, масса - 250 г, масса нагрузки - 40 кг, перемещение толкателя с шагом Хнат от 10 нм до 15 мкм. Колебательная система (КС) рассчитывалась на трехмерных и одномерных математических моделях . Испытательный стенд предназначен для исследования динамических режимов работы ПА при инерционной нагрузке (рис. 1). Возмущающая сила КС представляет собой гармонический сигнал. Режимы работы ПА зависят от следующих параметров колебательной системы: типа и мощности ПА; массы пригруза (нагрузки); силы предварительного поджатия ПА; напряжения на ПА; тока ПА; частоты воздействия [3-5]. 2017 № 45 Математика и механика 8 7 6 9 Рис. 1. Испытательный стенд работы ПА на инерционную нагрузку: 1 - инерционная масса нагрузки (пригруз); 2 -толкатель; 3 - опоры; 4 - регулировочный винт предварительного поджатия; 5 - станина; 6 - пьезоактюатор АПМ-2-7; 7 - датчик силы; 8 - упругость; 9 - акселерометр АР 1019 Fig. 1. Test stand is an operating PZT stack actuator at the inertial load: 1, inertial mass of the load cantledge; 2, pushrod; 3, support structures; 4, adjusting screw of the preload; 5, frame; 6, APM-2-7 PZT stack actuator; 7, force sensor; 8, elasticity; 9, AR 1019 accelerometer В процессе испытаний ПА снимаются параметры режима работы в виде электрических сигналов: напряжение; ток; сигнал с датчика силы ПА; виброускорение пригруза. В процессе подготовки испытаний определяется сила предварительного поджатия. На рис. 2 показана схема эксперимента. В результате испытаний ПА получены следующие данные: - частотные характеристики ускорения пригруза; - частотные характеристики вибросмещения пригруза; - частотные характеристики силы на нагрузке. н F I_I Zcor F э Пьезодатчик силы Кс Щека Рис. 2. Схема эксперимента по изучению влияния предварительного поджатия ПА при инерционной нагрузке: Мн - масса пригруза; Ксог - жесткость согласующего элемента конструкции; Мтол - масса толкателя; 1сог - механический импеданс согласующих элементов; идат - сигнал с пьезодатчика силы; F0 - сила предварительного поджатия; F., - эквивалентная сила Fig. 2. Scheme of the experiment for studying the influence of preload PZT stack actuator operating at the inertial load: cantledge mass, Мн; rigidity of the matching structural element, Km; pushrod mass, Mp; mechanical impedance of the matching elements, Zm; signal from the force piezo sensor, Us; preload force, F0; equivalent force, Fe На рис. 3 представлены экспериментальные данные, получаемые с осциллографа. В результате анализа полученных частотных характеристик определены рабочие резонансные частоты КС и амплитуды вибросмещения. Экспериментальные исследования показали, что испытательный стенд спроектирован как КС с чисто инерционной нагрузкой, но режимы работы КС качественно схожи с режимами смешанной нагрузки (рис. 4 и 5). Резонансные частоты КС уменьшаются с увеличением инерционной массы (характерно для инерционной нагрузки), а увеличение амплитуды вибросмещения с увеличением инерционной нагрузки показывает, что в КС присутствует упругая составляющая - упругость предварительного поджатия, упругость опор стенда, упругость ПА, что характерно для смешанной нагрузки. Пьезоактюатор Рис. 3. Расположение сигналов с датчиков колебательной системы на экране электронного осциллографа: а - частота 10 кГц; b - частота 1 кГц; 1 - сигнал ускорения; 2 - ток ПА, 3 -сила ПА, 4 - напряжение на ПА Fig. 3. Arrangement of signals distribution from the oscillating system transducers in the screen of an electron oscilloscope at a frequency of (а) 10 and (b) 1 kHz. 1, acceleration signal; 2, PZT stack actuator current; 3, PZT stack actuator force; 4, PZT stack actuator voltage В КС без предварительного поджатия частотные характеристики имеют несколько резонансов (на рис. 4 резонансы отмечены цифрами), ПА резонирует на разных частотах. Максимальные значения вибросмещения ПА при силе тока I = 0.5 A и весе пригруза G^ = 0.5 кг наблюдаются на рабочем резонансе при частотах f < 1 кГц. t 12 18 f кГц 12 3 30 24 18 12 6 0 60 6 40 5 i 20 0 30 36 24 Рис. 4. Частотная характеристика вибросмещения ПА, работающего на инерционную нагрузку без предварительного поджатия Fig. 4. Frequency-response characteristics of the vibration displacement of the PZT stack actuator operating at the inertial load without preload В КС с предварительном поджатием система имеет один явно выраженный рабочий резонанс при частотах f < 1 кГц. Резонансы на больших частотах существенно сглажены (рис. 5). 8 4 \ \ \ 2 \ \ > 1 - - V1 и \ V _ _ N \ / X 1 > 400 200 0 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 f, кГц Х, мкм 12 Fh, Н 600 0 Рис. 5. Экспериментальная частотная характеристика вибросмещения нагрузки (кр. 1) и силы на нагрузке (кр. 2) при работе ПА при силе тока I = 0.5 A, весе пригруза G^= 3 кг и предварительном поджатии F0 = 240 H Fig. 5. Experimental frequency-response characteristics of the vibration displacement of the (1) load and (2) force on the load, while operating PZT stack actuator at the current strength I = 0.5 A, cantledge weight Gc = 3 kg, and preload F0 = 240 N Исследование влияния силы предварительного поджатия на экспериментальном стенде с упругой нагрузкой ПА с пьзодатчиком силы через упругий элемент с известной жесткостью зажат в струбицу с возможностью регулирования предварительного поджатия системы. На рис. 6 представлена схема проведения эксперимента. И Пьезодатчик силы Пьезоактюатор z> zi zi г; г? zi zi г; zi z> zs e п в | Jkh Рис. 6. Схема эксперимента по изучению влияния предварительного поджатия в режиме упругой нагрузки: Кн - жесткость упругого элемента; F0 - сила предварительного поджатия; идгтт - сигнал с пьезодатчика силы; F., - эквивалентная сила Fig. 6. Scheme of the experiment for studying the influence of preload in the mode of an elastic load: rigidity of the elastic element, Кн; preload force, F0; signal from the force piezo sensor, Us; equivalent force, Fe Жесткость упругого элемента определялась экспериментально и при статическом сжатии равна Кн = 3 106 H/м. Сила предварительного поджатия определялась экспериментально по сигналу с пьезодатчика силы (рис. 7). Рис. 7. Осциллограмма процесса предварительного поджатия на величину 42.8 Н Fig. 7. Waveform of the preload process at the value of 42.8 N Проведен ряд экспериментов, в которых варьировалась величина силы поджатия ПА. Эти исследования определяли влияние силы поджатия на динамические характеристики ПА (рис. 8 и 9). На рис. 9 представлены результаты экспериментов для 4 случаев: величина силы поджатия равна 42.8, 85.7, 102.9 и 171.5 H. К, Н 80 60 40 20 0 40 80 120 160 Fo, Н Рис. 8. Зависимость силы на нагрузке при резонансной частоте колебательной системы от силы предварительного поджатия Fig. 8. Force on the load at the resonant frequency of the oscillating system as a function of the preload force 0,4 0,6 0,8 f, кГц 100 80 m s: , 60 40 20 0 100 q 80 , 60 40 20 0 160 120 m s: c, 80 40 0 140 120 100 80 60 40 20 0 4 -1 (- vt h * a a/| г 20 40 60 80 f, кГц 4 0,6 0,8 f кГц 100 m 80 s: 60 40 20 0 a 0,4 200 160 120 80 40 0 200 160 га S 120 80 40 b 80 f, кГц 20 40 60 80 f, кГц с 0,6 0,8 f, кГц 0,6 0,8 f, кГц 0,4 400 320 m 240 5! J160 80 0 0,4 d 80 f, кГц 20 40 60 Рис. 9. Частотные характеристики ПА при разных величинах предварительного поджатия в условиях упругой нагрузки: а - 42.8 H, b - 85.7 H, c - 102.9 H, d -171.5 H Fig. 9. Frequency-response characteristics of the PZT stack actuator at different preload values in the case of elastic load: (a) 42.8, (b) 85.7, (c) 102.9, and (d) 171.5 H С увеличением силы предварительного поджатия частотные характеристики существенно изменяются. При малых силах предварительного поджатия частотная характеристика имеет несколько резонансов, с увеличением силы поджатия на частотной характеристике формируются 2-3 резонанса. Рабочая частота находится на частотах f < 1 кГц и при увеличении силы предварительного поджатия величина силы на нагрузке растет. Заключение Полученные экспериментальные данные показали, что частотные характеристики вибросмещения, полученные по трехмерным математическим моделям являются наиболее точными и имеют несовпадение с экспериментом в 5-8 %, в то время как расчетные данные по одномерным математическим моделям имеют несовпадение с экспериментом в 10-20 %. Результаты исследования подтвердили расчетные данные [3, 5], что для принятых значений нагрузки резонансные частоты КС находятся в области низких частот (до 1 кГц) и с увеличением предварительного поджатия увеличивается динамическое усилие на нагрузке, особенно на низких частотах. По частотным характеристикам видно, что количество пиков характеристики динамических усилий соответствует количествам контуров электрической схемы замещения. С увеличением предварительного поджатия частотные характеристики динамических усилий изменяются, значения динамических усилий промежуточных резонансов уменьшаются, формируются 2-3 основных резонанса. Предварительное поджатие «заниволивает» ПА, сглаживает неточности его производства и сборки, заставляет работать как «единое целое».

Скачать электронную версию публикации