CN109883633A - 一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统，包括振动实验装置和与振动实验系统连接的Vck系统；所述Vck系统包括伺服电机，伺服电机放大器、主控制板和流速传感器；伺服电机将转轴的转速和转矩转化为电压信号并传递给主控制板，通过主控制板调节系统的额外阻尼，主控制板将此信号传输给伺服放大器，经伺服放大器放大后反馈给伺服电机，从而调节系统阻尼；所述流速传感器与主控制板连接并将流速信息传递给主控制板，本发明使用方便，成本适中，为模块化设计，调试后可以多模块同时进行实验，达到较为精确良好的实验效果；本发明是对原线性弹簧刚度振子系统的改进，克服了原系统不能完全模拟系统的粘性阻尼等缺点，使得实验更贴近实际情况。

Description

一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统

技术领域

本发明涉及一种非线性振动系统，尤其涉及一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统，属于新能源领域。

背景技术

目前对于VIV的研究主要研究对象主要为线性弹簧刚度的圆柱振子，研究表明振子的固有频率是基于流致振动能量系统中的一个重要参数，它会很大程度的影响VIV上支分段范围以及驰振阶段的振子频率，但不改变驰振激发速度。随着固有频率的升高，振子起振的初始分支的雷诺数/流速会提高，高弹簧刚度对于与低刚度振幅较小；在上支阶段(高收集能量阶段)，高弹簧刚度/固有频率的振子，其上支振动范围较宽，但进入此振动范围的起始速度较高。基于PTC圆柱，对系统的刚度、质量比与附加阻尼三个参数进行详细的研究发现，在测试流速范围内，驰振阶段与高固有频率/系统刚度下，PTC圆柱振子有较高的能量收集效率，而其振幅随着固有频率的增加而降低。基于升力技术的能量收集由振动频率与振幅来决定，所以具有不同振动频率的非线性弹簧刚度的振子理论上可达到更高的能量收集效果。VIVACE圆柱振子系统的目标是将流体能量转化为机械能，然后通过发电机转化成电能来储存。后者一般在研究中表现为附加阻尼(热能损耗)消耗的能量。由于驰振的机制为不稳定性振动，它的振动频率保持在圆柱振子在水中的固有频率，另一方面，振幅取决于阻尼的影响。那么，振子的振动速度取决于阻尼和固有频率的联合影响。在较低的线性阻尼下，振幅会随之增大，进而产生破坏性驰振振动(高速)，导致功率较低；另一方面，增加附加线性阻尼(发电机)，由于流致振动会受到抑制，导致圆柱振子没有足够的速度来维持持续的能源输出。

基于前期的分段非线性弹簧(Ma et al.2017,Sun et al.2018)研究成果，并基于虚拟弹簧阻尼Vck系统，从圆柱振子的自振频率角度出发进行研究，提出三次函数非线性弹簧(cubic restoring force functions)。由此，我们提出了一种基于振动速度变化的非线性/自适应性阻尼(Nonlinear/adaptive damping)，来取代以前研究中的线性附加粘滞性阻尼(Linear viscous damping)，这种自适应式阻尼在高速读取圆柱振子的振动速度基础上，进行相关的调整，进而达到一个圆柱振子振动速度与附加阻尼的平衡范围。

通过实验计算可知，不同的流速下，同一系统弹簧刚度收集能量的效率不同；

系统在不同流速下使能量收集最大化的弹簧刚度不同，所以加入流速传感器，使系统可以根据流速实时调整系统弹簧刚度，使得能量收集最大化。

发明内容

本发明的目的是为了克服了原系统不能完全模拟系统的粘性阻尼等缺点而提供一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统，包括振动实验装置和与振动实验系统连接的Vck系统；所述Vck系统包括伺服电机，伺服电机放大器、主控制板和流速传感器；伺服电机将转轴的转速和转矩转化为电压信号并传递给主控制板，通过主控制板调节系统的额外阻尼，主控制板将此信号传输给伺服放大器，经伺服放大器放大后反馈给伺服电机，从而调节系统阻尼；所述流速传感器与主控制板连接并将流速信息传递给主控制板。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述振动试验系统包括圆柱振子、滑块、滑轨、正时皮带和正时皮带传送轮；所述滑轨的上下两端都固定连接，所述圆柱振子两端与滑块连接，所述滑块与滑轨相配合，所述滑轨上下设置正时皮带传送轮，正时皮带传送轮与正时皮带相配合，滑块的两端均与正时皮带连接，所述滑轨上侧传动轮与圆柱振子的转轴连接，所述转轴与Vck系统连接；

2.所述滑轨的下端设置有底座，所述底座与底部固定板连接；

3.所述底座上设置有缓冲器；

4.所述装置采用不锈钢材料；

5.所述装置模块化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明由于此实验设备是在水下工作，所以考虑到锈蚀问题，大部分框架采用不锈钢材质，这样可以使设备长时间在水下作业，减少了维护成本。同时，为了使水的浮力能够抵消掉圆柱振子的自重，所以圆柱振子的外壳应该尽可能的薄，使得振荡不会受到重力和浮力因素的影响进而影响实验结果。

本发明使用方便，成本适中，为模块化设计，调试后可以多模块同时进行实验，可以达到较为精确良好的实验效果。

本发明是对原线性弹簧刚度振子系统的改进，克服了原系统不能完全模拟系统的粘性阻尼等缺点，使得实验更贴近实际情况。

附图说明

图1是三次函数非线性弹簧图；

图2是阴影部分为流速与弹簧刚度的适用范围图；

图3是系统在不同流速下使能量收集最大化的弹簧刚度不同图；

图4是Vck系统工作原理示意图；

图5是一种基于流致振动能量收集的非线性振子系统俯视图；

图6是一种基于流致振动能量收集的非线性振子系统圆柱振子及滑块结构图；

图7是一种基于流致振动能量收集的非线性振子系统左侧基座结构图；

图8是一种基于流致振动能量收集的非线性振子系统正等轴测图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的是公开一种基于流致振动能量收集的非线性振子系统，它适用于低流速下的涡激振动的能量收集。系统可以根据流速调节系统弹簧刚度，使得能量收集效率最大化

该系统主要包括机械振动系统和Vck系统两个部分，其特征是可以根据流速自动调节系统弹簧刚度。

该系统主要包括以下两个部分：

(1)Vck系统Vck(virtual spring–damping system虚拟弹簧阻尼系统)主要由伺服电机、伺服放大器、主控制板、流速传感器以及导线等零部件构成。伺服电机将转速和转矩转化为电压信号并传递给主控制板，通过主控制板调节系统的额外阻尼，主控制板将此信号传输给伺服放大器，经伺服放大器放大后反馈给伺服电机，从而调节系统阻尼。同时，在系统中加入流速传感器，由于系统在不同流速下能量收集最大化的弹簧刚度不同，所以通过流速传感器将流速信息传递给主控制板，系统可根据实时流速实时调整系统弹簧刚度，使得系统能量收集最大化。

(2)机械振动系统机械振动系统由带有PTC的圆柱振子、滑块、正时皮带、正时皮带传动轮、基座、侧框架、转轴等零部件，此外还包括螺纹连接等。圆柱振子由圆柱外壳、质量轴、两端圆柱内盖以及圆柱外塞构成。的主要作用在于将水流的动能通过形成湍流带动圆柱振子上下振动转化为机械能。圆柱振子两端各连接有一个连接件，再通过连接件连接滑块。滑块底部通过螺纹固定有3个大的轴承转轮，8个小的轴承转轮。通过这些轴承转轮，圆柱振子带动滑块在侧滑道中上下振动。滑块上下通过螺钉和压块固定着正时皮带。侧滑道上下各有一个正时皮带传动轮。侧滑道下侧传动轮可通过侧滑道底部外侧的螺钉和控制块调整位置。侧滑道通过底座安装与底部固定板上。底座上还有一个底部缓冲器，作用是避免滑块与传动轮相撞。侧滑道上侧传动轮固定于转轴上，转轴连接两侧滑道的上部传动轮，并通过联轴器与伺服电机转轴相连。圆柱振子带动两侧滑块上下振动，这种往复运动通过固定于滑块上下的正时皮带传递给传动轮，再通过传动轮固定的转轴传递给伺服电机。

这种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验设备主要由上部左侧滑道1，左侧支撑板固定螺栓2，左侧支撑板3，转轴4，左侧转轴轴承5，左侧板6，左侧板固定螺栓7，上后板8，上盖板9，上盖板固定螺栓10，右侧板固定螺栓11，左侧正时皮带12，左侧上部正时皮带带轮13，右侧上部正时皮带带轮14，右侧正时皮带15，右侧转轴轴承16，右侧支撑板17，右侧支撑板固定螺栓18，上部右侧滑道19，联轴器20，伺服电机固定螺栓21，伺服电机22，上前板23，左侧滑块24，左侧滑块固定小轴承转轮25，左侧滑块固定大轴承转轮26，左侧滑块-连接件连接螺栓27，左侧连接件28，左侧圆柱振子-连接件连接螺栓29，左侧圆柱外塞30，左侧圆柱内盖31，圆柱外壳32，质量轴33，左侧圆柱内盖固定螺钉34，右侧圆柱内盖固定螺钉35，右侧圆柱内盖36，右侧圆柱外塞37，右侧圆柱-连接件连接螺栓38，右侧滑块-连接件连接螺栓39，右侧连接件40，右侧滑块41，右侧滑块固定小轴承转轮42，右侧滑块固定大轴承转轮43，左侧滑块上压块44，左侧滑块上压块固定螺栓45，左侧滑块下压块46，左侧滑块下压块固定螺栓47，左侧下部正时皮带带轮48，左侧基座调整螺钉49，左侧基座调整螺钉限位螺母50，左侧基座51，左侧基座控制快52，左侧基座固定螺栓53，左侧缓冲器活塞54，左侧缓冲器外壳55，左侧底座56，左侧下部固定轨道57构成。

该基于流致振动能量收集的非线性振子系统的工作过程大致可以分为以下几步：

(1)放置首先，将该装置放入水槽中，将底座插入底部固定板，上端两侧将左右支撑板通过螺钉和螺母分别固定于上部左右侧导轨。

(2)调整调整滑块和圆柱振子能在侧滑道内自如的上下滑动。开启水槽电机，使水流动，通过控制面板调试使系统阻尼比达到要求。

(3)开始试验。

Claims (10)

1.一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统，其特征是，包括振动实验装置和与振动实验系统连接的Vck系统；所述Vck系统包括伺服电机，伺服电机放大器、主控制板和流速传感器；伺服电机将转轴的转速和转矩转化为电压信号并传递给主控制板，通过主控制板调节系统的额外阻尼，主控制板将此信号传输给伺服放大器，经伺服放大器放大后反馈给伺服电机，从而调节系统阻尼；所述流速传感器与主控制板连接并将流速信息传递给主控制板。

2.根据权利要求1所述的基于流致振动能量收集的非线性振动系统，其特征是，所述振动试验系统包括圆柱振子、滑块、滑轨、正时皮带和正时皮带传送轮；所述滑轨的上下两端都固定连接，所述圆柱振子两端与滑块连接，所述滑块与滑轨相配合，所述滑轨上下设置正时皮带传送轮，正时皮带传送轮与正时皮带相配合，滑块的两端均与正时皮带连接，所述滑轨上侧传动轮与圆柱振子的转轴连接，所述转轴与Vck系统连接。

3.根据权利要求2所述的基于流致振动能量收集的非线性振动系统，其特征是，所述滑轨的下端设置有底座，所述底座与底部固定板连接。

4.根据权利要求2或3所述的基于流致振动能量收集的非线性振动系统，其特征是，所述底座上设置有缓冲器。

5.根据权利要求2或3所述的基于流致振动能量收集的非线性振动系统，其特征是，所述装置采用不锈钢材料。

6.根据权利要求4所述的基于流致振动能量收集的非线性振动系统，其特征是，所述装置采用不锈钢材料。

7.根据权利要求2或3所述的基于流致振动能量收集的非线性振动系统，其特征是，所述装置模块化。

8.根据权利要求4所述的基于流致振动能量收集的非线性振动系统，其特征是，所述装置模块化。

9.根据权利要求5所述的基于流致振动能量收集的非线性振动系统，其特征是，所述装置模块化。

10.根据权利要求6所述的基于流致振动能量收集的非线性振动系统，其特征是，所述装置模块化。