预压装置设计优化方案

对GMM棒施加一定的轴向压应力时，GMM中的磁畴的磁矩方向旋转到与应力垂直的易磁化方向排列，此时对GMM棒施加轴向磁场时，可显著提高GMM棒的磁致伸缩性能。传统的预压装置通常采用螺纹调整机构，即通过螺栓（螺母）和螺旋弹簧（碟形弹簧）的形式直接作用在GMM棒上，这种形式结构简单、操作方便，但预压力的大小不易控制，而且高频振动时预压螺栓（螺母）容易松动，失去预压作用。也有采用液压或气压装置来提供预紧力的，这种方式预压力容易控制，但结构复杂、体积庞大，需要额外的压力源。

本书采用的预压装置由两个斜面相对的楔形块和调整螺钉组成，其工作原理如图4－5所示。调整螺钉转动时，楔形块A产生位移Δx，通过斜面推动楔形块B产生位移Δy，从而使柔性铰链产生变形，Δx／Δy＝20。这种形式可以施加较准确的预压力，其施加力的准确度远高于螺纹调整机构，而且两个楔形块还可以实现自锁功能。

图4-5　预压装置的工作原理

楔形块A的受力分析如图4－6所示，F1、F2分别为楔形块B和楔形块槽对楔形块A的压力，f1、f2分别为楔形块B和楔形块槽对楔形块A的静摩擦力，θ为楔形块斜面角度，根据受力平衡得

图4-6　楔形块A的受力分析

假设楔形块A的最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力，即

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式中，μ为摩擦系数。

联立式（4－12）和式（4－13）得

求得楔形块的自锁角为11.42°，由Δx／Δy＝20得楔形块的斜面角度为2.86°，远小于自锁角，所以预压装置具有自锁功能。工作中，即使调整螺钉松动，由于摩擦作用，楔形块A依然保持在原来位置上，确保预压效果。实验中也发现，当频率较高时（尤其大于100 Hz时），由于振动等原因调整螺钉经常会出现松动，但两个楔形块依然能保持自锁状态。

经2.5节中的实验测试，GMM棒在压应力σ0＝10 MPa时有较好的磁致伸缩特性。预压力由柔性铰链的形变产生，柔性铰链的形变Δy0为

式中，r为GMM棒半径；k F为柔性铰链等效刚度。

由楔形块和调整螺钉尺寸得调整螺钉的转动圈数为

式中，n为调整螺钉的转动圈数；p为调整螺钉的螺距。