CN105932907B - 一种风电齿轮箱监测用旋流激励压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风电齿轮箱监测用旋流激励压电俘能器，属压电发电领域。主轴上自左至右依次套有左壁板、左轴套、轮缘、右轴套及右壁板，端部装有挡板；左壁板上轴承的内圈左侧顶靠在轴肩上，右壁板上轴承的内圈右侧顶靠在挡板上；叶片与轮缘母线间存在一定的夹角；壳体两端分别与左右壁板相连，壳体外壁上装有配重块；壳体左右两端均装有限位框和压电振子，压电晶片长度和宽度分别小于限位框空腔的长度和宽度，金属基板的长度和宽度分别大于限位框空腔的长度和宽度。优势特色：由旋转引起的流体运动激励压电振子发电，无刚性冲击及电磁干扰；压电晶片仅承受范围可控的压应力，可靠性高；无需固定支撑，悬臂齿轮轴及多齿轮共轴的场合均可应用。
Description
技术领域
本发明属于齿轮监测及压电发电技术领域，具体涉及一种风电齿轮箱监测用旋流激励压电俘能器。
背景技术
齿轮箱是风力发电机组的关键部件，其功能是传输动力。风力发电机正常运转时，风轮的转速较低、致使发电机效率较低，故需通过齿轮箱增速以提高发电能力及效率。由于风电齿轮箱工作在变速变载荷环境下，故易发生故障；此外，风电齿轮箱出现故障时维修困难、且成本高，风电齿轮箱运行及维护成本可高达总体运行成本的30％。因此，人们提出了多种形式的齿轮箱状态实时监测系统与方法，以期实时获得齿轮箱的各相关参数、及时发现并解决问题，从而降低设备损坏程度及维修成本。目前，风电齿轮箱监测的要素包括齿轮、轴承及轮轴等运动部件的载荷、振动及温度等诸多方面。
对于齿轮及轴的监测而言，理想的方法是将各类传感监测系统安装在齿轮或轴上或靠近齿轮或轴安装，从而实现其运行状态的直接在线监测；但这种监测方案因无法为传感监测系统的提供可靠、充足的电力供应而难于推广应用，原因在于：①齿轮和轴处于旋转运动状态，无法通过电缆供电；②如采用电池供电，因电池使用寿命有限而需经常更换，当电池电量不足而未及时更换时将无法实现有效的监测；③远离轴承座的悬臂轴及其端部齿轮以及多个齿轮共轴时，都无法通过旋转齿轮或轴与固定支撑件间相对运动构造微小型发电机。鉴于风电齿轮箱齿轮及轴的监测系统能源供应问题，目前实际中还无法实现真正意义上的实时在线监测。
发明内容
针对现有风电齿轮箱中齿轮监测系统所面临的供电难题，本发明提出一种风电齿轮箱监测用旋流激励压电俘能器。本发明采用的实施方案是：齿轮的主轴上自左至右依次套有设有出口的左壁板、左轴套、安装有叶片的轮缘、右轴套及设有进口的右壁板，主轴端部经螺钉安装有挡板；左壁板和右壁板分别经轴承套在主轴上，左壁板上的轴承内圈左侧顶靠在主轴的轴肩上，右壁板上的轴承内圈右侧顶靠在挡板上；轮缘与主轴间经键连接，叶片与轮缘母线间存在一定的夹角；壳体的两端分别经螺钉与左壁板和右壁板相连，壳体的外壁上经螺钉安装有配重块；壳体的左端经螺钉从左至右依次安装有限位框和压电振子，壳体右端经螺钉从左至右依次安装有限位框、压电振子和压块；所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，压电振子自由端通过螺钉安装有调频质量块；压电振子安装时压电晶片靠近限位框安装，压电晶片长度和宽度分别小于限位框空腔的长度和宽度，金属基板的长度和宽度分别大于限位框空腔的长度和宽度；壳体、左壁板、右壁板及压电振子共同构成工作腔。
本发明中，为提高压电振子的动态响应特性、发电能力及可靠性，压电晶片为0.2～0.3mm厚的PZT4，金属基板为铍青铜且金属基板与压电晶片的厚度比为α＝1～2.5，此时压电振子发电能力较佳、即电力比较大；能量比是指各不同厚度比压电振子一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比，一次弯曲变形是指压电振子从自由状态到金属基板完全贴靠在限位框的限位曲面上的变形过程；限位曲面为圆弧面且其合理的半径为其中，α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片厚度；压电晶片为0.2mm～0.3mm厚的PZT4，金属基板为铍青铜，且金属基板与压电晶片的厚度之比范围为1～2.5。
非工作时，主轴不转动、压电振子与主轴轴线垂直，左壁板上的出口和右壁板上的入口均被压电振子挡住；工作状态下，即主轴带动叶片转动时，由于叶片与轮缘母线间存在夹角，叶片将迫使流体自右向左流动，从而使工作腔内部流体压强发生变化：右壁板一侧的流体压力降低、左壁板一侧的流体压力增加，置于左壁板及右壁板上的压电振子在流体压力差的作用下均向左弯曲变形、并达到某一相对固定的动平衡转角，此后便开始往复振动、将流体动能转换成电能；压电振子的动平衡转角随主轴转速的增加而增加，当主轴转速过高、压电振子所受流体作用力较大时，压电振子的弯曲部分的金属基板将贴靠在限位框上，从而避免压电晶片因所受应力过大而损毁。
优势与特色：①利用旋转引起的流体运动激励压电振子发电，无刚性冲击及电磁干扰；②压电晶片工作在压应力状态下、且最大应力可控；③无需固定支撑、适用范围广，悬臂轴齿轮及多齿轮共轴的场合均可应用，可实现真正意义的齿轮在线监测。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构剖面图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明一个较佳实施例中限位框的结构示意图；
图4是图3的左视图；
图5是本发明一个较佳实施例中叶片与轮缘装配后的结构示意图；
图6是压电振子的能量比与厚度比的关系曲线。
具体实施方式
齿轮a安装在主轴d上，主轴d上自左至右依次套有设有出口r1的左壁板r、左轴套c、安装有叶片n的轮缘m、右轴套j、及设有进口p1的右壁板p，主轴d的端部经螺钉安装有挡板k；左壁板r和右壁板p分别经轴承b套在主轴d上，左壁板r上的轴承b的内圈左侧顶靠在主轴d的轴肩上，壁板p上的轴承b的内圈右侧顶靠在挡板k上；轮缘m与主轴d间经键1连接，叶片n与轮缘m的母线间存在一定的夹角Q；壳体q的两端分别经螺钉与左壁板r和右壁板p相连，壳体q的外壁上经螺钉安装有配重块g；壳体q的左端经螺钉从左至右依次安装有限位框i和压电振子f，壳体q右端经螺钉从左至右依次安装有限位框i、压电振子f和压块h；所述压电振子f由金属基板f1和压电晶片f2粘接而成，压电振子f自由度通过螺钉安装有调频质量块e；压电晶片f2靠近限位框i安装，压电晶片f2长度和宽度分别小于限位框i的空腔i1的长度和宽度，金属基板f1的长度和宽度分别大于限位框i的空腔i1的长度和宽度；壳体q、左壁板r、右壁板p及压电振子f共同构成工作腔；
本发明中，为提高压电振子f的动态响应特性、发电量及可靠性，压电晶片f2为0.2～0.3mm厚的PZT4，金属基板f1为铍青铜、且金属基板f1与压电晶片f2的厚度比为α＝1～2.5，此时压电振子发电能力较佳、即电能比较大；能量比是指各不同厚度比压电振子f一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比，一次弯曲变形是指压电振子f从自由状态到金属基板f1完全贴靠在限位框i的限位曲面i2上的变形过程；限位框i的限位曲面i2为圆弧面，且限位曲面i2的合理半径为其中，α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板f1和压电晶片f2的厚度。
非工作时，主轴d不转动、压电振子f与主轴d的轴线垂直，左壁板r上的出口r1和右壁板p上的入口p1均被压电振子f挡住；工作状态下，即主轴d带动叶片n转动时，由于叶片n与轮缘m的母线间存在夹角Q，片n将迫使流体自右向左流动，从而使工作腔内部流体压强发生变化：右壁板p一侧的流体压力降低、左壁板r一侧的流体压力增加，置于左壁板r及右壁板p上的压电振子f在流体压力差的作用下均向左弯曲变形、并达到某一相对固定的动平衡转角，此后便开始往复振动、将流体动能转换成电能；压电振子f的动平衡转角随主轴d转速的增加而增加，当主轴d转速过高、压电振子f所受流体作用力较大时，压电振子f的弯曲部分的金属基板f1将贴靠在限位框i上，从而避免压电晶片f2因所受应力过大而损毁。
Claims (1)
1.一种风电齿轮箱监测用旋流激励压电俘能器，其特征在于：齿轮的主轴上自左至右依次套有设有出口的左壁板、左轴套、装有叶片的轮缘、右轴套及设有进口的右壁板，主轴端部装有挡板；左右壁板分别经轴承套在主轴上，左壁板上的轴承内圈左侧顶靠在主轴的轴肩上，右壁板上的轴承内圈右侧顶靠在挡板上；轮缘与主轴间经键连接，叶片与轮缘母线间存在一定的夹角；壳体两端分别经螺钉与左右壁板相连，壳体的外壁上安装有配重块；壳体左端经螺钉从左至右依次安装有限位框和压电振子，壳体右端经螺钉从左至右依次安装有限位框、压电振子和压块；压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，压电振子自由端装有调频质量块；压电晶片靠近限位框安装，压电晶片长度和宽度分别小于限位框空腔的长度和宽度，金属基板的长度和宽度分别大于限位框空腔的长度和宽度；壳体、左右壁板及压电振子共同构成工作腔；限位框的限位曲面为圆弧面，且限位曲面的半径为：其中，α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片的厚度；压电晶片为0.2～0.3mm厚的PZT4，金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度比范围为1～2.5。
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