CN112049894A - 一种半主动式能量回收吸振器 - Google Patents

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苏航
陈俊利
胡博譯
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Abstract

本发明涉及一种半主动式能量回收吸振器，包括吸振机构和摩擦发电机构；吸振机构包括弹性气囊，弹性气囊通过固定机构安装在待吸振设备；摩擦发电机构包括第一电极和第二电极，第一电极设在弹性气囊外侧面，第二电极设在固定机构近弹性气囊一侧，第一电极和第二电极通过弹性气囊形变产生周期性接触分离实现接触摩擦生电，第一电极和第二电极与外电路连接为外电路供电；还包括调节机构，调节机构为弹性气囊上设充气孔以及安装在弹性气囊上配重件，通过调节弹性气囊内气压实现吸振器刚度改变，通过改变配重件重量实现吸振器质量的改变。本发明能有效解决现有吸振器的质量和刚度一定，固有频率无法调节以及振动产生能量得不到利用的问题。

Description

一种半主动式能量回收吸振器
技术领域
本发明涉及吸振器技术领域，具体涉及一种半主动式能量回收吸振器。
背景技术
动力吸振器的原理是在振动物体上附加质量弹簧系统，适当的质量弹簧系统的固有频率设计可以使其工作时发生共振，使得系统共振从被控主系统转移至吸振器结构，从而起到控制主系统振动的目的。
摩擦发电机的工作原理是在外界环境中的机械能影响下，激励发电机内部两个未接触电极材料之间的摩擦，进而通过电极性差别形成摩擦电荷。当两电极材料分离时，产生的电势差让电子开始流动。通过两电极材料间的接触摩擦形成电荷的耦合作用，将外界环境中的机械能转化为可供给器件工作的电能。对于目前通过外界振动进行摩擦起电的发电量而言，则是要将附加载荷和刚度系数调节至固有频率与目标频率一致，激励装置共振，此时系统共振能量主要集中于吸振器结构中，进而通过电极材料摩擦接触发电，对能量进行回收利用，并可通过外接负载产生交变脉冲电流，供给负载工作的电能。
目前常见的传统吸振器质量与刚度一定，因此其固有频率无法调节，只能应用于特定要求的场景，且振动产生的能量也没有得到较好的利用。因此，亟需设计一种新的技术方案，以综合解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种半主动式能量回收吸振器，能有效解决现有吸振器的质量和刚度一定，固有频率无法调节以及振动产生能量得不到利用的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种半主动式能量回收吸振器，包括吸振机构、固定机构以及摩擦发电机构；
吸振机构包括弹性气囊，弹性气囊通过所述固定机构安装在待吸振设备的振动部位；
摩擦发电机构包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置在弹性气囊外侧面，第二电极设置在固定机构靠近弹性气囊的一侧，第一电极和第二电极通过弹性气囊形变产生的周期性接触分离实现接触摩擦生电，且第一电极和第二电极通过导线与外电路连接为外电路供电；
所述半主动式能量回收吸振器还包括调节机构，调节机构包括弹性气囊上开设的充气孔以及安装在弹性气囊上的配重件，通过所述充气孔调节弹性气囊内气压实现吸振器刚度的改变，通过改变配重件重量实现吸振器质量的改变。
进一步地方案为，所述固定机构包括叠放的固定底座和气囊夹板，所述固定底座设置在靠近待吸振设备的一侧，气囊夹板设置在固定底座与弹性气囊之间，以对弹性气囊进行固定。
进一步地方案为，所述固定底座靠近待吸振设备的一侧还设置有振动平台，所述振动平台、固定底座以及气囊夹板通过第一连接件固定、且通过第二连接件可拆卸式固定在待吸振设备的振动部位。
进一步地方案为，所述弹性气囊远离气囊夹板的一侧还设置有用于密封的上盖板，所述上盖板通过第三连接件与弹性气囊相接，且上盖板上可拆卸式设置有所述配重件。
进一步地方案为，所述弹性气囊与固定机构相近侧的外表面为弧形，所述第二电极以及设置在弹性气囊外表面的第一电极均为柔性电极材料。
更进一步地方案为，第一电极为铝电极，第二电极为PTFE电极。
上述技术方案中提供的半主动式能量回收吸振器，包括吸振机构、固定机构以及摩擦发电机构，吸振机构通过固定机构安装在待吸振设备的振动部位，在吸振机构以及固定机构上设置接触摩擦生电的第一电极和第二电极，且第一电极和第二电极连接外电路为外电路供电，设置上述结构，能够吸收待吸振设备产生的振动，同时还能将气囊摩擦产生的电能进行吸收利用；另外还设置调节机构，通过弹性气囊上设置的充气孔以及安装在弹性气囊上的配重件，从而实现改变吸振器总刚度以及质量的目的，进而达到调节吸振器固有频率，实现频率可调。
本发明的固定机构包括叠放的固定底座和气囊夹板，设置气囊夹板实现对弹性气囊的固定，同时为弹性气囊提供安装过渡件，使弹性气囊能够与固定底座稳固连接。
另外在固定底座与待吸振设备之间设置振动平台，并通过连接件实现振动平台、固定底座和气囊夹板之间的连接，并通过连接件将半主动式能量回收吸振器与待吸振设备可拆卸式连接起来，便于装置使用的安装拆卸。
本发明在弹性气囊远离气囊夹板的一侧设置上盖板，上盖板与弹性气囊之间通过连接件紧密相连，以保证弹性气囊的气密性，提高吸振效果；配重件可设置在上盖板上，这样可有效防止配重件与弹性气囊产生摩擦从而造成弹性气囊的磨损。
本发明的弹性气囊外表面设置为弧形，因此将设置在弹性气囊外表面的第一电极设置为柔性电极材料，这样能够实现两个电极材料的接触是一个逐渐的过程，从而避免两电极接触时发生强烈的撞击，避免了二次振动的产生，同时可有效提高本发明吸振器的使用寿命。
本发明的半主动式能量回收吸振器，能够达到可吸收能量又可吸收振动的双功能，并且可根据振动源的不同调节弹性气囊气压以及配重件质量来实现装置振动频率的调节；因此能够适用于不用场景，在不同振动、冲击的工况中灵活调节频率。
附图说明
图1为本发明半主动式能量回收吸振器的结构示意图；
图2为本发明半主动式能量回收吸振器的俯视图。
图中：1.充气孔；2.配重块；3.弹性气囊；4.铝电极；5.PTFE电极；6.上盖板；7.气囊夹板；8.固定底座；9.振动平台。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
本发明采取的技术方案如图1、2所示，一种半主动式能量回收吸振器，包括吸振机构、固定机构以及摩擦发电机构；吸振机构包括弹性气囊3，固定机构包括叠放的固定底座8和气囊夹板7，固定底座8设置在靠近待吸振设备的一侧，气囊夹板7设置在固定底座8与弹性气囊3之间，以对弹性气囊3进行固定；固定底座8靠近待吸振设备的一侧还设置有振动平台9，振动平台9、固定底座8以及气囊夹板7通过螺栓螺母固定、且通过螺栓螺母可拆卸式固定在待吸振设备的振动部位，这里用于固定弹性气囊3、振动平台9、固定底座8以及气囊夹板7的螺栓螺母可位于偏中部的位置，用于将吸振器与待吸振设备连接的螺栓螺母可位于偏外圈的位置，这样可以保证吸振器整体性的同时，还能将吸振器稳固安装在待吸振设备，提高吸振效率。
摩擦发电机构包括铝电极4和PTFE电极5，本实施例还将弹性气囊3与气囊夹板7相近的一侧设置为弧形面，因此这里均采用柔性电极材料，弧形面和柔性电极材料可以实现两个电极材料的接触是逐渐过程，从而有效避免两电极接触时发生强烈的撞击，避免了二次振动的产生，同时可有效提高本发明吸振器的使用寿命。
具体实施时，铝电极4设置在弹性气囊3外侧面的弧形面处，PTFE电极5设置在气囊夹板7靠近弹性气囊3的一侧，这里PTFE电极5为PTFE薄膜和铜箔构成，可通过在铜箔上使用导电胶将PTFE薄膜进行粘接固定，也可通过喷涂、纳米工艺表面加工技术等方式进行加工，提高PTFE材料与铝材料在微观上的接触面积，从而提高发电效率。
这里铝电极4和PTFE电极5通过弹性气囊3形变产生的周期性接触分离实现接触摩擦生电，且铝电极4和PTFE电极5通过导线与外电路连接为外电路供电；具体的工作流程为：
当待吸振设备未工作之前，两个电极之间未接触，弹性气囊3不起作用，外接负载电路中无电流通过。
当待吸振设备开始工作之后，弹性气囊3受到激励开始振动，当两者振动的固有频率一致时产生共振，此时两个电极开始呈周期性的接触分离，进而形成电势差让电子开始流动，产生交变脉冲电流，供给电能使得外接负载工作。
另外，在弹性气囊3远离气囊夹板7的一侧还设置有用于密封的上盖板6，上盖板6通过螺栓螺母与弹性气囊3相接，以保证气囊上方的气密性。
本发明的半主动式能量回收吸振器还包括调节机构，调节机构为弹性气囊3上设置的充气孔1以及可更换式安装在弹性气囊上盖板6上的配重块2，通过充气孔调节弹性气囊内气压实现吸振器刚度的改变，通过更换不同的配重块2重量实现吸振器质量的改变；即可有效解决现有吸振器质量和刚度一定、固定频率无法调节的问题。
本发明的半主动式能量回收吸振器，能够达到可吸收能量又可吸收振动的双功能，并且可根据振动源的不同调节弹性气囊气压以及配重块质量来实现装置振动频率的调节。因此能够适用于不用场景，在不同振动、冲击的工况中灵活调节频率，也可以通过控制系统控制充气泵对气囊内部气压实时调节，从而组成半主动控制系统，提升振动控制效果，能量回收效率、提升装置可靠性等目的。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种半主动式能量回收吸振器，其特征在于，包括吸振机构、固定机构以及摩擦发电机构；
吸振机构包括弹性气囊，弹性气囊通过所述固定机构安装在待吸振设备的振动部位；
摩擦发电机构包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置在弹性气囊外侧面，第二电极设置在固定机构靠近弹性气囊的一侧，第一电极和第二电极通过弹性气囊形变产生的周期性接触分离接触摩擦生电，且第一电极和第二电极通过导线与外电路连接为外电路供电；
所述半主动式能量回收吸振器还包括调节机构，调节机构包括弹性气囊上开设的充气孔以及安装在弹性气囊上的配重件，充气孔与外接充气装置相连调节弹性气囊内气压改变吸振器刚度，在弹性气囊上安装不同质量的配重件改变吸振器质量。
2.根据权利要求1所述的半主动式能量回收吸振器，其特征在于：所述固定机构包括叠放的固定底座和气囊夹板，所述固定底座设置在靠近待吸振设备的一侧，气囊夹板设置在固定底座与弹性气囊之间固定弹性气囊。
3.根据权利要求2所述的半主动式能量回收吸振器，其特征在于：所述固定底座靠近待吸振设备的一侧还设置有振动平台，所述振动平台、固定底座以及气囊夹板通过第一连接件固定、且通过第二连接件可拆卸式固定在待吸振设备的振动部位。
4.根据权利要求1所述的半主动式能量回收吸振器，其特征在于：所述弹性气囊远离气囊夹板的一侧还设置有用于密封的上盖板，所述上盖板通过第三连接件与弹性气囊相接，且上盖板上可拆卸式设置有所述配重件。
5.根据权利要求1所述的半主动式能量回收吸振器，其特征在于：所述弹性气囊与固定机构相近侧的外表面为弧形，所述第二电极以及设置在弹性气囊外表面的第一电极均为柔性电极材料。
6.根据权利要求5所述的半主动式能量回收吸振器，其特征在于：第一电极为铝电极，第二电极为PTFE电极。
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