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标题

机械拉压试件创新设计

范文

刘玉林

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?压电堆具有体积小、频响快、能耗低、传感性能好等系列优点，其凭借着技术优势，越来越多地被应用于工业生产、机械操作中。结合二次驱动机械设计原理，针对机械拉壓试件的设计与优化，分析压电套筒式拉压双向受力主动杆件的开发设计。

[关 ? ?键 ? 词] ?机械式拉压;主动杆件;压电

[中图分类号] ?TU32 ? ? ? ? ? ? ? ? [文献标志码] ?A ? ? ? ? ? ?[文章编号] ?2096-0603（2018）27-0163-01

一、压电材料的工作原理

压电材料一般需要在生产过程中对其极化处理，这是由压电材料的性能、参数等决定的。譬如，压电材料作为大型机械的驱动器，它在整个机械系统运作中所起的作用和实现原理是利用一维压电效应模型。如下：

ε3=εE33T3+d33E3D3=d33δ3+εT33E3

上式为一维压电方程。其中，ε3表示压电材料极化方向的应变;εE33表示压电片在相对理想状态恒定电场下的弹性柔顺系数;T3表示压电片极化方向承受的应力;d33表示压电材料对应件极化方向的应变系数;E3表示压电材料极化方向的电场强度;D3表示选用压电材料极化方向的电位移;最后一项为介电常数。

如上，通常情况下，压电材料的压电应变系数均比较小，并且持续这种状态。所以，机械系统在运行方面，经常会将多个压电片叠合设计，正如开篇所言，制作成压电堆。联系现实中机械工作情况来看，在工作过程中，内部各压电片的电路输入主要表现为并联关系。通俗点来理解，就是出力和位移彼此间的串联。这样做的目的也很显现，主要是保证在一定电压输入状态下能够增大驱动力和位移的输出。对此，为了尽量满足压电材料的电场施加方向上驱动力和变形等性能要求，需要进行相应的测试与设计。

二、主动杆件的设计

结合上文介绍以及现实中的应用实际，再介绍一种主动杆件及其设计。直接地概况，即一种基于压电堆制成的主动杆件，如图1所示。

压电主动杆件，在整个机械拉压双向受力工作中，需要满足以下几点：第一，需要满足位移输出的要求;第二，需要承受荷载的要求;第三，性能要有保障。

但是，压电主动杆件也存留一些不足，因为主动杆件在常见的套筒式拉压机械系统中，一般都是作为核心件存在，而压电堆则是主要部件。在构造上，多属于层叠结构，所以大家也可以看到，结构的总体受压性能良好。然而，也直接决定了其受拉易断裂的特点。

如上，基于该问题和技术性缺陷，笔者结合所学知识，简单提出了将拉力转化压力的设计方案。不仅可以将拉力转化为压力，并且也不需要再承受弯矩的压电套筒式拉压双向受力，即主动抗震控制装置。继续结合上述图1来看，以串联的形式，充分发挥出压电堆受压性能优越的技术特点。这样一来，可强化对系统的操作控制。通过一些试验研究也可以得知，在此情形下，可使得外部荷载转化为压电堆的压力，最终达到主动杆件位移、受力输出等实际要求。

三、试件的创新设计

上部分提出了压电主动杆件，具体见图2，从中可以清晰地观察到，主动杆件包括内层和外层。其中，内层套筒内为了满足实际技术要求，专门放置了长方形、圆柱体形的压电堆，并且分为上端和下端。还可以进一步看到，下端和上端在不同压电堆之间设有传递端板。另外，外层套管的设计与内层套管直接衔接，也分为上下两端。需要注意的是，上下两端之间同样设置了连接件，使用了调节螺栓。更为可取的一点是，在内层套筒和外层套筒之间的间隙部位，直接填充了润滑剂，主要目的就是减少摩擦、增强内驱力。

再次联系机械式拉压工作实际，主动杆件在工作的过程中，直接被固定在普通杆件中间。具体来看，由于主动杆件设置了内外两层套筒，设置于内层套筒上的螺母也直接穿过了外层套筒。此外，内外部、上下部彼此间均设有连接杆，以此来相互传递拉力、压力。此情形下，当主动杆件受到外力作用的时候，外层套筒下端与内层套筒上端就会开始相对运动，继而压电堆受压;反之，当主动杆件受拉的时候，外层套筒的上端与内层套筒的下端同样会同时启动做相对运动，并且压电堆同样受压。通过该种受压，使得压电堆的受压性能一直保持在良好的状态之下。

再者，杆件构造中的传递端板，彼此间也相互衔接。具体来看，第一传递端板与压电堆、第二传递端板、内层套筒等之间均是通过这一半圆形球铰来传力，然后实现铰接。所起到的最大作用，即可避免弯矩传递这一不利局面的发生。

最后，当调节螺栓拧紧之后，整个内部系统各构件开始共同工作，包括外层套筒和内层套筒在内，相互间传力、受力。

总体来看，压电堆属于整个压电主动杆件结构中的核心部件，在系统内部属于控制型角色。在此类研究层面，更多关注的是结构振动控制技术。

参考文献：

[1]胡兴权.浅谈“材料力学”材料拉压时机械性能的教学[J].云南煤炭，2002（3）：36-38.

[2]强刘，朱莉娅，陈仁文.压电套环式小体积大位移压电驱动器：CN，CN101478027A[P].2009-07-08.

[3]魏刚，张永.基于拉压试验机的一种多功能夹具及其配套试件设计与开发[J].科技风，2018（5）.

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