CN110190778B - 一种低频隔振与压电俘能耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频隔振与压电俘能耦合装置，由准零刚度低频隔振器和压电俘能装置耦合组成。所述的准零刚度低频隔振器应用正负刚度并联原理，采用凸轮滚子负刚度结构与正刚度结构并联。所述的压电俘能装置应用正压电效应，采用PVDF压电薄膜与负刚度结构耦合构成。本发明可以将生活中无益的振动能量收集转化为可利用的电能，正负刚度并联可以扩大其隔振频带，使其在低频范围也具有良好的隔振和俘能性能。本发明将低频隔振器与压电俘能装置结合，兼具振动抑制与能量收集的双重功能，与现有技术相比具有创新性，适合各种情境下的隔振俘能，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及振动控制与利用领域，具体涉及一种低频隔振与压电俘能耦合装置，可以有效地隔离低频振动并将振动能量转化为电能。本发明由低频隔振器与压电俘能装置耦合而成，既能有效隔离低频振动又能将振动能量转化为电能，结构简单合理且有效，符合环保和可持续发展理念。
背景技术
振动是自然界最普遍的现象之一，人们的生活离不开振动，生活中的声、光、热等基本物理现象都包含振动。振动在现代社会中的应用也很广泛，但在大部分情况下，振动被认为是消极因素，振动会影响精密仪器设备的功能，降低加工的精度和光洁度；振动还会加剧机械构件的疲劳磨损从而会缩短机械的使用寿命；振动引发的共振还会导致结构的变形破坏，引发灾难性的后果。
随着人们对工作环境和生活质量要求的日益提高，解决机械或结构的振动与噪声问题愈来愈受到人们的关注和重视。减振隔振技术是抑制振动危害的主要手段。由经典的隔振理论已经证明：不管是主动隔振还是被动隔振，只有当激励频率大于
倍的系统固有频率时，系统才有隔振效果。因此，对于中高频振动，用传统的线性弹簧就可以有效隔离振动。但对于低频隔振问题，最有效的方法是降低隔振系统的固有频率从而扩大隔振频带，降低固有频率的有效手段是在线性弹簧基础上并联负刚度结构以降低系统刚度，甚至达到准零刚度。既保证承载能力，又能在振动时保持极低的刚度，做到“高静低动”。
目前已有将振动能量转化为电能的压电俘能器，但是对低频振动的能量收集利用还未出现相关的设备。本发明提出了一种新型的压电俘能与低频隔振结合的压电俘能器，可以将低频振源产生的振动能量有效地隔离，同时驱动压电俘能装置对能量进行转化收集。本发明结构简单合理，压电薄膜与低频隔振器的结合方式简单可靠且不会对机械设备产生干扰，具有创新性、实用性，符合环保和可持续发展要求，整体加工制造方便，易于实现商业化。
发明内容
本发明提出了一种低频隔振与压电俘能耦合装置，提供一种兼具振动治理与能量再利用的装置。
该装置的主体部分是一个准零刚度低频隔振器，采用正负刚度并联的原理，使得隔振器在静平衡位置处于零刚度，从而能在零刚度范围内实现低频隔振，提高了隔振频率范围，正负刚度结构的弹簧可以通过调节装置调节刚度以满足不同的承载与隔振要求；压电部分应用正压电原理，采用负刚度结构与PVDF压电薄膜结合将机械能转化为电能，可为小功率电子元件提供动力源。
为实现上述功能要求，本发明采取以下技术方案予以实现。
一种低频隔振与压电俘能耦合装置，该装置由正刚度结构、负刚度结构和压电俘能装置构成。所述的正刚度结构由上板1、小套筒2、大套筒3、限位调节器4、竖直线性弹簧5和下板6构成。小套筒2和大套筒3分别由螺栓固定在上板1和下板6上。竖直线性弹簧5由压板固定在限位调节器4和大套筒3之间，限位调节器4由螺栓固定在小套筒2上。所述的负刚度结构由凸轮支撑板7、凸轮8、滚子9、滚子夹板10、滚子连杆11、弹簧挡板12、水平线性弹簧13、滑块14、滑杆15和调节螺栓16构成。凸轮8和凸轮支撑板7通过螺栓连接，凸轮8上开有滑槽防止滚子水平滑动。滚子9由螺栓和螺母固定在滚子夹板10之间，滚子夹板10、滚子连杆11和弹簧挡板12通过螺栓连接在一起，弹簧挡板12上开有弹簧卡槽。水平线性弹簧13由压板固定在两个弹簧挡板12之间。弹簧挡板12由螺栓连接在滑块14上。所述的压电俘能装置由PVDF压电薄膜17和负刚度结构构成。PVDF压电薄膜17由螺栓固定在弹簧挡板12上，在振动的过程中滑块14在滑杆15上水平滑动带动PVDF压电薄膜17产生拉压变形，从而产生电能。
本发明一种低频隔振与压电俘能耦合装置具有如下优点：
1.通过正负刚度结构并联在静平衡位置实现了准零刚度，从而降低了系统的固有频率，扩大了隔振频带，从而扩大了能量收集范围，使得可应用场合更加丰富。
2.本发明的正负刚度结构均设置有调节装置，通过调节装置可以改变正负刚度以适应不同的承载情况和隔振要求。
3.本发明采用三组负刚度结构在正刚度结构周围均匀分布的方式，提高了整个系统的稳定性。
4.本发明的压电俘能装置安装简单合理，三组压电薄膜可以有效地对振动能量进行转化收集。
附图说明
图1是本发明一种低频隔振与压电俘能耦合装置的整体结构示意图；
图2是本发明一种低频隔振与压电俘能耦合装置的正等轴视图；
图3是本发明一种低频隔振与压电俘能耦合装置中正刚度结构的结构示意图；
图4是本发明一种低频隔振与压电俘能耦合装置中负刚度结构的结构示意图；
图5是本发明一种低频隔振与压电俘能耦合装置中限位调节器的结构示意图；
图6是本发明一种低频隔振与压电俘能耦合装置的正负刚度并联原理图；
图7是本发明一种低频隔振与压电俘能耦合装置的隔振区间示意图。
图中：1-上板，2-小套筒，3-大套筒，4-限位调节器，5-竖直线性弹簧，6-下板，7-凸轮支撑板，8-凸轮，9-滚子，10-滚子夹板，11-滚子连杆，12-弹簧挡板，13-水平线性弹簧，14-滑块，15-滑杆，16-调节螺栓，17-PVDF压电薄膜。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1、2所示，本发明为一种低频隔振与压电俘能耦合装置，该装置由正刚度结构、负刚度结构和压电俘能装置组成。该发明将低频隔振器和压电俘能结合，将隔振器隔振时的上下振动转化为滑块14的水平滑动，同时带动PVDF压电薄膜产生拉压变形，从而产生电能。
如图3所示，所述的正刚度结构由上板1、小套筒2、大套筒3、限位调节器4、竖直线性弹簧5和下板6构成。小套筒2和大套筒3分别由螺栓固定在上板1和下板6上。竖直线性弹簧5由压板固定在限位调节器4和大套筒3之间，限位调节器4由螺栓固定在小套筒2上。松开限位调节器4上的紧固螺栓之后可以在小套筒2上自由滑动，从而调节竖直线性弹簧5的预压缩量改变其刚度，就可以应对不同的承载要求。
如图4所示，所述的负刚度结构由凸轮支撑板7、凸轮8、滚子9、滚子夹板10、滚子连杆11、弹簧挡板12、水平线性弹簧13、滑块14、滑杆15和调节螺栓16构成。凸轮8和凸轮支撑板7通过螺栓连接，凸轮8上开有滑槽防止滚子水平滑动。滚子9由螺栓和螺母固定在滚子夹板10之间，滚子夹板10、滚子连杆11和弹簧挡板12通过螺栓连接在一起，弹簧挡板12上开有弹簧卡槽。水平线性弹簧13由压板固定在两个弹簧挡板12之间。弹簧挡板12由螺栓连接在滑块14上。通过调节螺栓16可以调节水平线性弹簧的预压缩量改变其刚度以满足准零刚度条件。三组负刚度结构通过螺栓连接均布在上板1上，提高了整体结构的稳定性。
如图4所示，所述的压电俘能装置由PVDF压电薄膜17和负刚度结构构成。PVDF压电薄膜17由螺栓固定在弹簧挡板12上，在振动的过程中滑块14在滑杆15上水平滑动带动PVDF压电薄膜17产生拉压变形，从而产生电能。三组压电俘能装置可以更加有效地收集转化振动能量。
如图6所示，当弹性元件所受载荷增量与变形增量方向相同时，刚度为正，记为Kp，并将具有正刚度的弹性元件称为正刚度弹簧，如图6-1所示；反之，当弹性元件所受载荷增量与变形增量方向相反时，刚度为负，记为Kn，将具有负刚度的弹性元件称为负刚度弹簧，如图6-2所示。对于正负刚度弹簧变形量为x0时，产生的弹性力为Kpx0，在x0附近区域并联一个刚度元件(cd段)，该元件在ef段具有负刚度特性，隔振系统总的载荷变形曲线如图6-3中实线所示。设x0为隔振系统的平衡点，若以x0为振动平衡点，在微幅振动情况下，系统的运动刚度K＝Kp+Kn(对应图6-3中AB段)。若调整Kn值，使|Kn|≈Kp且|Kn|<Kp，此时隔振系统在平衡点处总刚度K趋近于零，系统的固有刚度可以达到很低，从而实现低频甚至超低频隔振。
如图7所示，凸轮和滚子接触的临界位置与平衡位置的距离为xd。当M在垂直方向上的位移
时，滚子离开平衡位置但始终与凸轮保持接触，此时水平弹簧在竖直方向产生负刚度从而减小整个系统的刚度，从而可以有效隔离低频振动；当位移量|x|＞xd时，滚子脱离凸轮沿着凸轮支撑板滚动，垂直方向上仅有竖直弹簧起作用，整个系统刚度为正，可以隔离中高频振动。
综上所述，本发明一种低频隔振与压电俘能耦合装置利用隔振器和压电俘能耦合的方式，既对低频振动进行了有效地控制，又将振动能量收集起来给小功率电子元件供能，符合环保和可持续发展。该发明可以通过正负刚度结构并联的形式扩大隔振频宽，通过振动时滑块14的滑动带动PVDF压电薄膜17产生拉压变形，从而产生电能。该发明可应用在轨道振动与汽车领域，用于轨道和座椅的低频隔振，同时为小功率电子元件供能。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (3)
1.一种低频隔振与压电俘能耦合装置，其特征在于：该耦合装置由正刚度结构压电俘能装置构成；所述的压电俘能装置由PVDF压电片（17）和负刚度结构构成； PVDF压电片（17）由螺栓固定在弹簧挡板（12）上，在振动的过程中滑块（14）在滑杆（15）上水平滑动带动PVDF压电片（17）产生拉压变形，从而产生电能；
所述的正刚度结构由上板（1）、小套筒（2）、大套筒（3）、限位调节器（4）、竖直线性弹簧（5）和下板（6）构成；小套筒（2）和大套筒（3）分别由螺栓固定在上板（1）和下板（6）上；竖直线性弹簧（5）由压板固定在限位调节器（4）和大套筒（3）之间； 限位调节器（4）由紧固螺栓固定在小套筒（2）上，松开限位调节器（4）上的紧固螺栓之后在小套筒（2）上自由滑动，从而调节竖直线性弹簧（5）的预压缩量改变其刚度，应对不同的承载要求；
所述的负刚度结构由凸轮支撑板（7）、凸轮（8）、滚子（9）、滚子夹板（10）、滚子连杆（11）、弹簧挡板（12）、水平线性弹簧（13）、滑块（14）、滑杆（15）和调节螺栓（16）构成；凸轮（8）和凸轮支撑板（7）通过螺栓连接，凸轮（8）上开有滑槽防止滚子水平滑动；滚子（9）由螺栓和螺母固定在滚子夹板（10）之间，滚子夹板（10）、滚子连杆（11）和弹簧挡板（12）通过螺栓连接在一起，弹簧挡板（12）上开有弹簧卡槽；水平线性弹簧（13）由压板固定在两个弹簧挡板（12）之间；弹簧挡板（12）由螺栓连接在滑块（14）上。
2.根据权利要求1所述的一种低频隔振与压电俘能耦合装置，其特征在于：通过调节螺栓（16）调节水平线性弹簧的预压缩量改变其刚度以满足准零刚度条件。
3.根据权利要求1所述的一种低频隔振与压电俘能耦合装置，其特征在于：三组负刚度结构通过螺钉连接，均布在上板（1）上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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