CN110752780A - 一种用于管道气流检测系统的压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于管道气流检测系统的压电俘能器，属新能源及管道监测技术领域。管道的内壁上经辐板装有壳体，支架的座板装在壳体侧壁端部，座板同侧上下两端的耳板耳板上设有倾斜的安装面，半轴的底板装在支架的耳板端部；激励器的凸轮体左右两端分别设有导销和导孔、上下两侧设有多个凸轮，凸轮面由依次相连的底面、斜面及顶面构成；激励器的导孔套在半轴上、导销经支架的座板伸出，导销端部装有钝体；导销伸出端套有轴套，支架的座板与轴套和凸轮体之间分别压接有支撑簧和缓冲簧；压电振子一端装在支架的安装面上，安装在压电振子自由端的顶块顶靠在凸轮面上，激励器处于其振动中心点时顶块与凸轮斜面中点接触。
Description
技术领域
本发明属新能源及油气管道监测系统技术领域，具体涉及一种用于管道气流检测系统的压电俘能器。
背景技术
油气管道运行期间因自然腐蚀、自然界不可抗力、尤其是人为偷盗等造成的油气管道泄漏事件时有发生，不仅造成了巨大的经济损失，同时也给其周边自然环境造成了严重的污染。以往为人工巡检的方法加以维护，但因管道铺设距离长、且常处于人迹罕至或交通不便之处，难以及时发现泄漏并及时维修，故人们相继提出了多种类型的管道泄漏监测或防盗系统，有些技术已较成熟；但目前油气管道监测系统的供电问题未得到很好的解决：铺设电缆成本高且易被不法分子切断而影响监测系统的正常运行，而电池供电时使用时间有限、需经常更换，一旦电池电量不足且未及时更换时也无法完成监测信息的远程传输。因此，新型的自发电技术或将为油气管道监测技术推广应用提供有效的能量保障。
发明内容
本发明提出一种用于管道气流检测系统的压电俘能器，本发明采用的实施方案是：管道内壁上经辐板安装有壳体，支架的座板经螺钉安装在壳体的侧壁端部，座板同侧上下两端的耳板置于壳体内部，耳板上设有倾斜的安装面，安装面位于耳板上的孔壁上，安装面与耳板形成的锐角大于30度；半轴的底板经螺钉安装在支架的耳板端部；激励器的凸轮体左右两端分别设有导销和导孔，导销和导孔同轴，凸轮体的上下两侧沿导销和导孔的轴向都设有多个凸轮，凸轮为移动凸轮，凸轮的凸轮面由依次相连的底面、斜面及顶面构成，底面与顶面间的距离为凸轮升程，底面与斜面间所构成的锐角为凸轮升角，凸轮升角为30～50度；激励器置于壳体的内部，导孔套在半轴上，导销经支架的座板上的通孔伸出，导销端部经螺母安装有钝体，钝体由弹性片与其两侧夹持的刚性片构成，刚性片半径与弹性片半径之比为0.4～1；导销的伸出端套有轴套，轴套经紧定螺钉固定在导销上，轴套位置可调整；支架的座板与轴套和凸轮体之间分别压接有支撑簧和缓冲簧，支撑簧和缓冲簧套在导销上；压电振子一端经螺钉和压条安装在支架的安装面上，压电振子为由等厚的基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，基板靠近激励器安装；压电振子自由端经螺钉安装有顶块，顶块顶靠在凸轮面上。
本发明中，压电振子安装前的自然状态下为平直或预弯结构，压电振子安装前为预弯结构时基板预弯半径小于压电片预弯半径，基板与压电片粘接面的预弯半径为压电振子安装前为平直结构且其固定端两层都被夹持时，压电振子的许用变形量为
上述公式中：l和h分别为压电振子的悬臂长度和总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。
本发明中，需根据流体流速调整轴套在导销上的位置及支撑簧的压缩量，以确保钝体所受的流体静压力与支撑簧的预压缩力相等、压电振子自由端的顶块与凸轮的斜面中点接触，即确保：激励器处于其振动中心点时顶块与凸轮的斜面中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用变形量的一半，压电振子许用变形量大于凸轮升程。
工作之初流体动压力使得钝体及激励器右移，当钝体在流体动压力、支撑簧及缓冲簧共同作用下达到动平衡状态时，钝体受流体作用所产生的涡激振动还通过导销使激励器左右振动，激励器的往复运动使压电振子产生往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能；压电振子的变形过程如下：①激励器运动并使压电振子自由端的顶块沿凸轮的斜面上升时，压电振子变形量逐渐增加，顶块与顶面接触时压电振子变形量达最大、不再随激励器的继续移动而增加；②激励器运动并使顶块沿凸轮的斜面下降时，压电振子变形量逐渐减小，顶块与凸轮的底面接触时压电振子变形量达最小、不再随激励器的继续移动而降低；支撑簧被压死时顶块与凸轮的顶面保持接触，缓冲簧被压死时顶块与凸轮的底面保持接触。
优势与特色：压电振子不与流体直接耦合，动态性能不受流体影响，易通过设计加以保证；压电振子单向弯曲变形且变形量可控，其最大变形都小于凸轮的升程，故发电能力强、可靠性高；激励器同步激励多个压电振子，激励器振动响应特性易于通过弹簧刚度及质量调节，故发电能力强、有效频带宽。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中支架的结构示意图。
具体实施方式
管道G内壁上经辐板G1安装有壳体a，支架b的座板b1经螺钉安装在壳体a的侧壁a1的端部，座板b1同侧上下两端的耳板b2置于壳体a的内部，耳板b2上都设有倾斜的安装面b3，安装面b3位于耳板b2上的孔壁上，安装面b3与耳板b2形成的锐角大于30度；半轴c1的底板c2经螺钉安装在支架b的耳板b2的端部；激励器f的凸轮体F左右两端分别设有导销f4和导孔f7，导销f4和导孔f7同轴，凸轮体F的上下两侧沿导销f4和导孔f7的轴向都设有多个凸轮f0，凸轮f0为移动凸轮，凸轮f0的凸轮面由依次相连的底面f1、斜面f2及顶面f3构成，底面f1与顶面f3间的距离f5为凸轮升程，底面f1与斜面f2间所构成的锐角f6为凸轮升角，凸轮升角为30～50度；激励器f置于壳体a的内部，导孔a7套在半轴c1上，导销f4经支架b的座板b1上的通孔伸出，导销f4端部经螺母安装有钝体n，钝体n由弹性片n1与其两侧夹持的刚性片n2构成，刚性片n2的半径与弹性片n1的半径的比值为0.4～1；导销f的伸出端套有轴套i，轴套i经紧定螺钉固定在导销f上，轴套i的位置可调整；支架b的座板b1与轴套i和凸轮体F之间分别压接有支撑簧k1和缓冲簧k2，支撑簧k1和缓冲簧k2套在导销f4上；压电振子d的一端经螺钉和压条e安装在支架b的安装面b3上，压电振子d为由等厚的基板d1和压电片d2粘接而成的悬臂梁结构，基板d1靠近激励器f安装，压电振子d的自由端经螺钉安装有顶块d3，顶块d3顶靠在凸轮面上；非工作时顶块d3与凸轮f0的斜面f2中点接触，压电振子d安装产生的预弯变形量为其许用变形量的一半，压电振子d的许用变形量大于凸轮升程。
本发明中，压电振子d安装前的自然状态下为平直或预弯结构，压电振子d安装前为预弯结构时基板d1的预弯半径小于压电片d2的预弯半径，基板d1与压电片d2粘接面的预弯半径为
压电振子d安装前为平直结构且其固定端两层都被夹持时，压电振子d的许用变形量为
上述公式中：l和h分别为压电振子d的悬臂长度和总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。
本发明中，需根据流体流速调整轴套i在导销f4上的位置及支撑簧k1的压缩量，以确保钝体n所受的流体静压力与支撑簧k1的预压缩力相等、压电振子d自由端的顶块d3与凸轮f0的斜面f2中点接触，即确保：激励器f处于其振动中心点时，顶块d3与凸轮f0的斜面f2中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用变形量的一半，压电振子许用变形量大于凸轮升程。
工作之初流体动压力使得钝体n及激励器f右移，当钝体n在流体动压力、支撑簧k1及缓冲簧k2共同作用下达到动平衡状态时，钝体n受流体作用所产生的涡激振动还通过导销f4使激励器f左右振动，激励器f的往复运动使压电振子d产生往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能；压电振子d的变形过程如下：①激励器f运动并使压电振子d自由端的顶块d3沿凸轮f0的斜面f2上升时，压电振子d变形量逐渐增加，顶块d3与顶面f3接触时压电振子d的变形量达最大、不再随激励器f的继续移动而增加；②激励器f运动并使顶块d3沿凸轮f0的斜面f2下降时，压电振子d变形量逐渐减小，顶块d3与凸轮f0的底面f1接触时压电振子d的变形量达到最小、不再随激励器f的继续移动而降低；支撑簧k1被压死时顶块d3与凸轮f0的顶面f3保持接触，缓冲簧k2被压死时顶块d3与凸轮f0的底面f1保持接触。上述的工作过程中：激励器f同步激励多组压电振子d，发电能力强；各压电振子d的最大变形都小于凸轮升程且压电片d2仅承受压应力，可靠性高。
Claims (1)
1.一种用于管道气流检测系统的压电俘能器，其特征在于：管道内壁上经辐板装有壳体，支架的座板装在壳体的侧壁端部，座板同侧上下两端的耳板置于壳体内，耳板上设有倾斜的安装面；半轴的底板装在支架的耳板端部；激励器的凸轮体左右两端分别设有导销和导孔、上下两侧都设有多个凸轮，凸轮面由依次相连的底面、斜面及顶面构成，凸轮升角为30～50度；激励器置于壳体的内，导孔套在半轴上，导销经支架的座板伸出，导销端部装有钝体，钝体由弹性片与其两侧夹持的刚性片构成；导销的伸出端套有位置可调的轴套，支架的座板与轴套和凸轮体之间分别压接有支撑簧和缓冲簧；由等厚的基板和压电片粘接而成的压电振子一端安装在支架的安装面上、另一端装有顶块，基板靠近激励器安装，顶块顶靠在凸轮面上；激励器处于其振动中心点时顶块与凸轮的斜面中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用变形量的一半，压电振子许用变形量大于凸轮升程；支撑簧被压死时顶块与凸轮的顶面保持接触，缓冲簧被压死时顶块与凸轮的底面保持接触。
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