CN110768578A - 一种液压管路振动能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压管路振动能量回收装置，属于振动能量回收技术领域，包括壳体、固定管夹、第一弹性垫圈、第二弹性垫圈和压电发电单元组，所述固定管夹穿过所述壳体内孔，第一弹性垫圈位于所述固定管夹的一端孔内，第二弹性垫圈位于所述固定管夹的另一端孔内，所述压电发电单元组包括六个完全相同的压电发电单元，压电发电单元组位于所述壳体和固定管夹所围成的环形空间内，六个压电发电单元围绕壳体轴线沿圆周等角度分布，压电发电单元包括弹簧预紧力调节螺塞、弹簧和悬臂式压电发电机构。本发明基于压电效应实现液压管路振动能量的回收，且能量回收效率高，同时结构简单、体积小、安装灵活。

Description

一种液压管路振动能量回收装置

技术领域

本发明涉及一种液压管路振动能量回收装置，属于振动能量回收技术领域。

背景技术

随着工业4.0的发展，液压技术开始向智能化方向发展。智能传感技术和嵌入式微机电系统在液压系统中的应用促进了液压系统的智能化发展，同时也提升了液压系统的集成化设计。在液压系统的智能化发展过程中，智能传感器和微机电系统的供电是一个关键问题，传统供电方式一般采用远程布线形式或附带电池供电形式，虽然这些供电方式简单、可靠，但是对液压系统的集成化、网络化控制、大型化发展起到阻碍作用，例如：远程布线形式依靠输电线对智能传感器或微机电系统进行供电，在大型液压系统中，传感器数量和微处理器数量较多，远程布线将占据大量安装空间，不利于系统的集成化设计；电池供电虽然电量稳定，但是供电时间有限，频繁更换电池将带来巨大的工作量，尤其在复杂系统中，更换电池将是十分复杂的工作。

压电发电技术是利用压电材料的正压电效应进行发电，被广泛应用于振动能量回收领域。目前液压系统中，液压管路振动是十分普遍且不可避免的现象，但液压管路中的振动能量没有得到有效利用。一方面是振动能量的浪费，而另一方面是液压系统不能可持续的自供电，如何实现管路振动能量回收，为液压系统提供一种新型、可持续的自供电供能方式成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种液压管路振动能量回收装置，基于压电效应实现液压管路振动能量的回收，且能量回收效率高，同时结构简单、体积小、安装灵活。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种液压管路振动能量回收装置，包括壳体、固定管夹、第一弹性垫圈、第二弹性垫圈和压电发电单元组，所述壳体包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体通过螺栓拧紧后构成两端带有环形端盖的套筒，所述固定管夹包括上管夹和下管夹，上管夹和下管夹对接后通过螺栓拧紧构成长筒形管夹，所述固定管夹穿过所述壳体内孔，第一弹性垫圈位于所述固定管夹的一端孔内，第二弹性垫圈位于所述固定管夹的另一端孔内，所述压电发电单元组包括六个完全相同的压电发电单元，压电发电单元组位于所述壳体和固定管夹所围成的环形空间内，六个压电发电单元围绕壳体轴线沿圆周等角度分布，压电发电单元包括弹簧预紧力调节螺塞、弹簧和悬臂式压电发电机构；

所述悬臂式压电发电机构包括振动杆和对称设置在振动杆两侧的两组压电悬臂梁组，两组压电悬臂梁组位于所述壳体和所述固定管夹之间的圆环形空间内，两组压电悬臂梁组以振动杆中心线为对称轴对称分布，振动杆主体结构为圆柱杆，振动杆顶端与活塞固定连接，活塞和振动杆保持同轴心，振动杆尾端嵌有滚珠，滚珠可以转动，压电悬臂梁组包括五个长度依次递减的悬臂梁，每个悬臂梁包括金属基板、压电陶瓷片和质量块，压电陶瓷片分别贴在所述金属基板的上下表面，所述质量块粘贴在金属基板尾端，所述金属基板顶端与所述振动杆固定连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：上壳体和下壳体均为半圆形套筒结构，且半圆形套筒两端带有半环形端盖，上壳体和下壳体对接后拼成两端具有环形端盖的完整壳体套筒，上壳体和下壳体在两侧对接位置处均具有垂直于弧面的壳体连接侧板，上壳体和下壳体的壳体连接侧板底面与壳体轴线在同一平面上，上壳体和下壳体相对应的壳体连接侧板上均开有大小、位置相同的两个壳体通孔，螺栓通过壳体通孔将上壳体和下壳体固定连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：上管夹和下管夹结构相同，上管夹和下管夹在轴向上均分为内径相同的两段半圆形端部套筒和一段半圆形中间套筒，两段半圆形端部套筒外径和长度相同，半圆形中间套筒的外径小于半圆形端部套筒的外径，半圆形中间套筒的长度大于半圆形端部套筒的长度。

本发明技术方案的进一步改进在于：上管夹和下管夹的半圆形端部套筒在对接位置处均具有垂直于弧面的管夹连接侧板，管夹连接侧板底面与管夹轴线在同一平面上，上管夹和下管夹相对应的管夹连接侧板结构和尺寸相同，上管夹和下管夹相对应的管夹连接侧板上均开有一个大小和位置相同的管夹通孔，螺栓通过管夹通孔将上管夹和下管夹固定连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述壳体两端环形端盖完全相同，环形端盖内孔直径比所述固定管夹的中间套筒外径大5mm-10mm，所述固定管夹的端部套筒外径比环形端盖内孔直径至少大5mm，所述壳体两端面间距比所述固定管夹的中间套筒的长度小0.5mm-1mm。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述壳体的套筒柱面上沿圆周方向均匀开有六个壳体套筒柱面通孔，且每个壳体套筒柱面通孔的中心线与所述壳体的轴线相交，壳体套筒柱面通孔上部为螺纹孔，下部为光孔，光孔直径比所述悬臂式压电发电机构的活塞直径大0.1mm-0.5mm，弹簧预紧力调节螺塞安装于壳体套筒柱面通孔的上部螺纹孔内，所述活塞位于下部光孔内，所述弹簧被压缩于所述弹簧预紧力调节螺塞和所述活塞之间，并与二者均固定连接，所述固定管夹的中间套筒侧面上沿圆周方向均匀开有六个管夹套筒柱面通孔，管夹套筒柱面通孔直径比所述悬臂式压电发电机构的振动杆直径大0.1mm-0.5mm，所述振动杆的尾端穿过管夹套筒柱面通孔。

本发明技术方案的进一步改进在于：五个悬臂梁按照长度递减的顺序从上到下依次安装在振动杆的同一侧，五个悬臂梁的中心线位于同一平面内。

本发明技术方案的进一步改进在于：第一弹性垫圈和第二弹性垫圈均为开口型橡胶弹性垫圈。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明的一种液压管路振动能量回收装置，基于压电效应实现液压管路振动能量的回收，且能量回收效率高，同时结构简单、体积小、安装灵活，可根据供电对象的位置直接安装在临近的液压管路上，有效节约占用空间，有助于系统集成化设计。

壳体和固定管夹之间没有直接连接，通过采用弹簧和摩擦阻尼构成弹簧-阻尼减振系统，有效减小了壳体的振动。

压电发电单元为圆周阵列布局，有效吸收不同方向的振动，采用不同长度的悬臂梁，可充分吸收液压管路不同频率段振动，能量回收效率高。

附图说明

图1是本发明轴测图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明图2沿A-A方向的剖面图；

图4是本发明图2沿B-B方向的剖面图；

图5是本发明的壳体爆炸图；

图6是本发明的固定管夹爆炸图；

图7是本发明的悬臂式压电发电机构结构示意图；

图8是本发明在液压管路上安装示意图；

其中，1、壳体，101、上壳体，102、下壳体，2、固定管夹，201、上管夹，202、下管夹，5、第一弹性垫圈，6、第二弹性垫圈，7、弹簧预紧力调节螺塞，701、压电发电单元，8、弹簧，11、悬臂式压电发电机构，111、活塞，112、金属基板，113、压电陶瓷片，114、质量块，115、振动杆，116、滚珠，12、液压管路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：

如图1至图7所示，一种液压管路振动能量回收装置，包括壳体1、固定管夹2、第一弹性垫圈5、第二弹性垫圈6和压电发电单元组，所述壳体1包括上壳体101和下壳体102，上壳体101和下壳体102通过螺栓拧紧后构成两端带有环形端盖的套筒，所述固定管夹2包括上管夹201和下管夹202，上管夹201和下管夹202对接后通过螺栓拧紧构成长筒形管夹，所述固定管夹2穿过所述壳体1内孔，第一弹性垫圈5位于所述固定管夹2的一端孔内，第二弹性垫圈6位于所述固定管夹2的另一端孔内，第一弹性垫圈5和第二弹性垫圈6均为开口型橡胶弹性垫圈，所述压电发电单元组包括六个完全相同的压电发电单元701，压电发电单元组位于所述壳体1和固定管夹2所围成的环形空间内，六个压电发电单元701围绕壳体1轴线沿圆周等角度分布，压电发电单元701包括弹簧预紧力调节螺塞7、弹簧8和悬臂式压电发电机构11；

所述悬臂式压电发电机构11包括振动杆115和对称设置在振动杆115两侧的两组压电悬臂梁组，两组压电悬臂梁组位于所述壳体1和所述固定管夹2之间的圆环形空间内，两组压电悬臂梁组以振动杆115中心线为对称轴对称分布，振动杆115主体结构为圆柱杆，振动杆115顶端与活塞111固定连接，活塞111和振动杆115保持同轴心，振动杆115尾端嵌有滚珠116，滚珠116可以转动，压电悬臂梁组包括五个长度依次递减的悬臂梁，五个悬臂梁按照长度递减的顺序从上到下依次安装在振动杆115的同一侧，五个悬臂梁的中心线位于同一平面内，每个悬臂梁包括金属基板112、压电陶瓷片113和质量块114，压电陶瓷片113分别贴在所述金属基板112的上下表面，所述质量块114粘贴在金属基板112尾端，所述金属基板112顶端与所述振动杆115固定连接。

上壳体101和下壳体102均为半圆形套筒结构，且半圆形套筒两端带有半环形端盖，上壳体101和下壳体102对接后拼成两端具有环形端盖的完整壳体套筒，上壳体101和下壳体102在两侧对接位置处均具有垂直于弧面的壳体连接侧板，上壳体101和下壳体102的壳体连接侧板底面与壳体轴线在同一平面上，上壳体101和下壳体102相对应的壳体连接侧板上均开有大小、位置相同的两个壳体通孔，螺栓通过壳体通孔将上壳体101和下壳体102固定连接。

上管夹201和下管夹202结构相同，上管夹201和下管夹202在轴向上均分为内径相同的两段半圆形端部套筒和一段半圆形中间套筒，两段半圆形端部套筒外径和长度相同，半圆形中间套筒的外径小于半圆形端部套筒的外径，半圆形中间套筒的长度大于半圆形端部套筒的长度。上管夹201和下管夹202的半圆形端部套筒在对接位置处均具有垂直于弧面的管夹连接侧板，管夹连接侧板底面与管夹轴线在同一平面上，上管夹201和下管夹202相对应的管夹连接侧板结构和尺寸相同，上管夹201和下管夹202相对应的管夹连接侧板上均开有一个大小和位置相同的管夹通孔，螺栓通过管夹通孔将上管夹201和下管夹202固定连接。

所述壳体1两端环形端盖完全相同，环形端盖内孔直径比所述固定管夹2的中间套筒外径大5mm-10mm，所述固定管夹2的端部套筒外径比环形端盖内孔直径至少大5mm，所述壳体1两端面间距比所述固定管夹2的中间套筒的长度小0.5mm-1mm。所述壳体1的套筒柱面上沿圆周方向均匀开有六个壳体套筒柱面通孔，且每个壳体套筒柱面通孔的中心线与所述壳体1的轴线相交，壳体套筒柱面通孔上部为螺纹孔，下部为光孔，光孔直径比所述悬臂式压电发电机构的活塞111直径大0.1mm-0.5mm，弹簧预紧力调节螺塞7安装于壳体套筒柱面通孔的上部螺纹孔内，所述活塞111位于下部光孔内，所述弹簧8被压缩于所述弹簧预紧力调节螺塞7和所述活塞111之间，并与二者均固定连接，所述固定管夹2的中间套筒侧面上沿圆周方向均匀开有六个管夹套筒柱面通孔，管夹套筒柱面通孔直径比所述悬臂式压电发电机构的振动杆115直径大0.1mm-0.5mm，所述振动杆115的尾端穿过管夹套筒柱面通孔。

如图8所示，本发明一种液压管路振动能量回收装置使用时，将液压管路12置于固定管夹2的孔内，固定管夹2将本发明液压管路振动能量回收装置牢牢固定在液压管路12上，由于所述第一弹性垫圈5和第二弹性垫圈6分别位于固定管夹2的两端孔内，当固定管夹2被螺栓拧紧后，两个弹性垫圈将被紧紧压在液压管路12表面，增大了固定管夹2对液压管路12的抓持力，提高了固定管夹2的稳固程度，同时，液压管路12置于所述固定管夹2内，六个压电发电单元上的滚珠116分别被压在液压管路12表面，由于滚珠被压在液压管路12表面，所以液压管路12的振动将带动振动杆115振动，振动杆115继而带动两组压电悬臂梁组振动，压电悬臂梁振动将导致其上的压电陶瓷片113发电，从而实现液压管路12振动能量的回收；由于本发明的六个压电发电单元绕壳体中心轴线等角度均匀分布，各方向的液压管路振动能量均可以被充分利用，所以本发明具有能量回收效率高的优点，同时，由于滚珠116可以在振动杆115尾端内孔自由滚动，因此，当液压管路12振动时，可以有效减小每个振动杆115和液压管路表面的摩擦力，防止振动杆115和液压管路12发生卡滞。

本发明壳体1的轴向定位主要依靠所述固定管夹2的两个端部套筒实现限位，其径向支撑力为压电发电单元中的弹簧弹力，因此，所述壳体1和固定管夹2之间没有直接固定连接，通过采用弹簧和摩擦阻尼构成弹簧-阻尼减振系统，有效减弱了壳体1的振动，因此，可以将整流电路和电能存储模块直接安装到所述壳体1上，进一步提高压电发电系统的集成化程度。

本发明还可以根据发电量的需求，适当增加压电发电单元，所增加的压电发电单元沿固定管夹2轴线方向依次布置，还可以根据具体安装管路的主振动频率，选用合适刚度的弹簧对压电发电机构的固有频率进行调节，提高压电发电机构振动幅值，增大压电发电量。

Claims (8)

1.一种液压管路振动能量回收装置，其特征在于：包括壳体（1）、固定管夹（2）、第一弹性垫圈（5）、第二弹性垫圈（6）和压电发电单元组，所述壳体（1）包括上壳体（101）和下壳体（102），上壳体（101）和下壳体（102）通过螺栓拧紧后构成两端带有环形端盖的套筒，所述固定管夹（2）包括上管夹（201）和下管夹（202），上管夹（201）和下管夹（202）对接后通过螺栓拧紧构成长筒形管夹，所述固定管夹（2）穿过所述壳体（1）内孔，第一弹性垫圈（5）位于所述固定管夹（2）的一端孔内，第二弹性垫圈（6）位于所述固定管夹（2）的另一端孔内，所述压电发电单元组包括六个完全相同的压电发电单元（701），压电发电单元组位于所述壳体（1）和固定管夹（2）所围成的环形空间内，六个压电发电单元（701）围绕壳体（1）轴线沿圆周等角度分布，压电发电单元（701）包括弹簧预紧力调节螺塞（7）、弹簧（8）和悬臂式压电发电机构（11）；

所述悬臂式压电发电机构（11）包括振动杆（115）和对称设置在振动杆（115）两侧的两组压电悬臂梁组，两组压电悬臂梁组位于所述壳体（1）和所述固定管夹（2）之间的圆环形空间内，两组压电悬臂梁组以振动杆（115）中心线为对称轴对称分布，振动杆（115）主体结构为圆柱杆，振动杆（115）顶端与活塞（111）固定连接，活塞（111）和振动杆（115）保持同轴心，振动杆（115）尾端嵌有滚珠（116），滚珠（116）可以转动，压电悬臂梁组包括五个长度依次递减的悬臂梁，每个悬臂梁包括金属基板（112）、压电陶瓷片（113）和质量块（114），压电陶瓷片（113）分别贴在所述金属基板（112）的上下表面，所述质量块（114）粘贴在金属基板（112）尾端，所述金属基板（112）顶端与所述振动杆（115）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种液压管路振动能量回收装置，其特征在于：上壳体（101）和下壳体（102）均为半圆形套筒结构，且半圆形套筒两端带有半环形端盖，上壳体（101）和下壳体（102）对接后拼成两端具有环形端盖的完整壳体套筒，上壳体（101）和下壳体（102）在两侧对接位置处均具有垂直于弧面的壳体连接侧板，上壳体（101）和下壳体（102）的壳体连接侧板底面与壳体轴线在同一平面上，上壳体（101）和下壳体（102）相对应的壳体连接侧板上均开有大小、位置相同的两个壳体通孔，螺栓通过壳体通孔将上壳体（101）和下壳体（102）固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种液压管路振动能量回收装置，其特征在于：上管夹（201）和下管夹（202）结构相同，上管夹（201）和下管夹（202）在轴向上均分为内径相同的两段半圆形端部套筒和一段半圆形中间套筒，两段半圆形端部套筒外径和长度相同，半圆形中间套筒的外径小于半圆形端部套筒的外径，半圆形中间套筒的长度大于半圆形端部套筒的长度。

4.根据权利要求3所述的一种液压管路振动能量回收装置，其特征在于：上管夹（201）和下管夹（202）的半圆形端部套筒在对接位置处均具有垂直于弧面的管夹连接侧板，管夹连接侧板底面与管夹轴线在同一平面上，上管夹（201）和下管夹（202）相对应的管夹连接侧板结构和尺寸相同，上管夹（201）和下管夹（202）相对应的管夹连接侧板上均开有一个大小和位置相同的管夹通孔，螺栓通过管夹通孔将上管夹（201）和下管夹（202）固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种液压管路振动能量回收装置，其特征在于：所述壳体（1）两端环形端盖完全相同，环形端盖内孔直径比所述固定管夹（2）的中间套筒外径大5mm-10mm，所述固定管夹（2）的端部套筒外径比环形端盖内孔直径至少大5mm，所述壳体（1）两端面间距比所述固定管夹（2）的中间套筒的长度小0.5mm-1mm。

6.根据权利要求1所述的一种液压管路振动能量回收装置，其特征在于：所述壳体（1）的套筒柱面上沿圆周方向均匀开有六个壳体套筒柱面通孔，且每个壳体套筒柱面通孔的中心线与所述壳体（1）的轴线相交，壳体套筒柱面通孔上部为螺纹孔，下部为光孔，光孔直径比所述悬臂式压电发电机构的活塞（111）直径大0.1mm-0.5mm，弹簧预紧力调节螺塞（7）安装于壳体套筒柱面通孔的上部螺纹孔内，所述活塞（111）位于下部光孔内，所述弹簧（8）被压缩于所述弹簧预紧力调节螺塞（7）和所述活塞（111）之间，并与二者均固定连接，所述固定管夹（2）的中间套筒侧面上沿圆周方向均匀开有六个管夹套筒柱面通孔，管夹套筒柱面通孔直径比所述悬臂式压电发电机构的振动杆（115）直径大0.1mm-0.5mm，所述振动杆（115）的尾端穿过管夹套筒柱面通孔。

7.根据权利要求1所述的一种液压管路振动能量回收装置，其特征在于：五个悬臂梁按照长度递减的顺序从上到下依次安装在振动杆（115）的同一侧，五个悬臂梁的中心线位于同一平面内。

8.根据权利要求1所述的一种液压管路振动能量回收装置，其特征在于：第一弹性垫圈（5）和第二弹性垫圈（6）均为开口型橡胶弹性垫圈。

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