CN112065919B - 一种具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器，其包括内层吸振结构，外层吸振结构，内层阻尼调节和能量转化装置，外层阻尼调节和能量转化装置；内层吸振结构包括质量块(5)，内层导柱(7)，内层吸振弹簧(12)，内层绝缘外壳(14)；内层阻尼调节和能量转化装置包括内层电极金属(4)，内层电介质板(6)，外层吸振结构包括外层导柱(3)，外层吸振弹簧(13)，外层绝缘外壳(17)；外层阻尼调节和能量转化装置包括外层电极金属(1)，外层电介质板(2)，本发明通过接触滑动式的导体‑电介质独立层摩擦发电原理，电介质与金属电极之间只存在接触和摩擦，而避免了材料之间的撞击，不产生二次振动的危害。

Description

一种具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器

技术领域

本发明涉及振动控制领域，具体涉及一种具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器。

背景技术

动力吸振器其原理是在振动物体上附加质量弹簧共振系统，将系统共振从被控系统转移至吸振器结构。按照阻尼特性可分为无阻尼和有阻尼两种。为了更好的控制由于增加吸振器而带来的新的共振频率振动幅值，现在的吸振器往往是有阻尼类型。由于阻尼结构的不同，可以是粘性阻尼、摩擦阻尼、结构阻尼等等。

在发明名称为“一种电磁式两自由度半主动吸振器”的发明专(申请号：CN201010209160.9)中，虽然采用了双自由度的吸振结构，但其所控制的振动是同方向的，因此两个自由度之间存在耦合关系，并且由于没有设置阻尼，会在振动过程中产生四个较大的共振峰；

此外，在发明名称为“基于动力吸振器的压电振动能量收集装置”(申请号：CN201010130519.3)，在发明名称为“一种基于动力吸振器的电磁式能量收集器”(申请号：CN201910293762.8)的专利中，均采用了不同的能量收集原理，但均选用了单自由度的能量收集装置；

在发明名称为“有振动式的纳米发电机”(申请号：CN201610096418.6)的发明中，其主要设计思路在于收集能量，其在工作时通过材料的接触碰撞发电，但会带来二次振动的危害，且缩减装置使用寿命；

在发明名称为“一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置”(申请号：CN201410696021.1)的发明专利中，其同样采用了多自由度的吸振结构，虽然能够在平面内吸收多个方向的振动并将振动能量收集，但在垂直于该装置的方向上没有固定约束，在外力激励下易产生二次振动的危害。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何在摩擦能量回收吸振器使用过程中，有效避免二次振动带来的危害；同时如何提供一种与被控制对象振动的频率与幅值无关的阻尼方法。

本发明的技术方案是提供一种具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器，其包括内层吸振结构，外层吸振结构，内层阻尼调节和能量转化装置，外层阻尼调节和能量转化装置；其特征在于：

内层吸振结构包括质量块，内层导柱，内层吸振弹簧，内层绝缘外壳，内层绝缘外壳上设置向内突出的内层导柱，质量块上设置导向槽，内层导柱分别插入导向槽中，内层导柱外套设内层吸振弹簧；内层阻尼调节和能量转化装置包括内层电极金属，内层电介质板，其中内层电极金属设置在质量块左右两个侧面，内层电介质板设置于左右两侧的内层绝缘外壳的内表面；

外层吸振结构包括外层导柱，外层吸振弹簧，外层绝缘外壳，其中，外层绝缘外壳上设置向内突出的外层导柱，内层绝缘外壳设置导向槽，外层导柱分别导向槽中，外层导柱外套设外层吸振弹簧；外层阻尼调节和能量转化装置包括外层电极金属，外层电介质板，其中外层电极金属设置在外层绝缘壳体侧面的内表面，外层电介质板设置于内层绝缘外壳的外表面。

进一步地，内层吸振弹簧能够使得内层绝缘外壳与质量块之间保持一定的间隙。

进一步地，内层绝缘外壳通过四个内层调节螺栓固定，其中调整内层调节螺栓可以调节左右两侧的内层绝缘外壳和质量块左右两侧之间的距离，进而改变内层电极金属和内层电介质板之间的间隙距离。

进一步地，外层吸振弹簧能够使得外层绝缘外壳与内层绝缘壳体之间保持一定的间隙。

进一步地，外层绝缘外壳通过四个外层调节螺栓固定，其中调整外层调节螺栓可以调节前后两侧的外层绝缘外壳内表面和内层绝缘外壳前后两侧之间的距离，进而改变外层电极金属和外层电介质板之间的间隙距离。其中，外层绝缘外壳通过固定螺栓与安装底座安装在主振系统平面上。

进一步地，外层电极金属为铝，外层电介质板为电介质聚四氟乙烯。

进一步地，具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器工作过程中，质量块在前后方向内层导柱的约束下，做前后方向的运动，与安装于内层导柱的内层吸振弹簧形成一个单自由度的质量-弹簧系统，质量块左右两侧内层电介质板的表面与其相接触的内层电极金属表面干摩擦，产生摩擦阻尼，从而形成内层吸振结构。

外层吸振结构在左右横向的导柱约束下做左右横向的运动，与安装于外层导柱的外层吸振弹簧在水平方向上形成另一个单自由度的质量-弹簧系统，外层吸振结构两侧的外层电介质板的表面与其相接触的外层电极金属表面干摩擦，产生摩擦阻尼，从而形成外层吸振结构。

进一步地，通过调节吸振器的工作频率与被控系统频率相同，能够将被控系统振动共振转移至吸振器上；此时吸振器在该共振频率附近，会增加两个新的共振峰，调整外层调节螺栓，改变外层电极金属与外层电介质板之间的阻尼，进而使新的共振峰最小。

本发明还提供了一种具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器的装配方法，具体包括以下步骤：

步骤1、组装内层吸振结构，压缩一边的内层吸振弹簧，将左右两边带有两个对称内层电介质板的质量块套进同一边的内层导柱7中，再通过间隙的控制，将质量块套入另一边带有内层吸振弹簧的内层导柱中；

步骤2、组装并调节内层吸振器阻尼，通过内层绝缘外壳左右两边的内层调节螺栓和内层弹性垫片调整与质量块相粘连的内层电介质板(6)和与内层绝缘外壳内侧粘连的金属电极(4)之间的间隙，使其产生摩擦阻尼，将质量块安装于内层绝缘外壳内，

步骤3、组装能量转换装置，将通过导线将内层能量转换装置与外部电路相连接，并通过外部电路将电能储存起来；

步骤4、压缩一边的外层吸振弹簧，将左右两边带有两个对称外层电介质板的内层绝缘外壳套进同一边的外层导柱中，再通过间隙的控制，将内层绝缘外壳套入另一边带有外层吸振弹簧的外层导柱中；

步骤5、组装并调节外层吸振器阻尼，通过外层绝缘外壳前后两边的外层调节螺栓和外层弹性垫片调整外层电极金属与外层电介质板之间的间隙，将内层绝缘外壳安装于外层绝缘外壳内，

步骤6、组装能量转换装置，将通过导线将外层能量转换装置与外部电路相连接，并通过外部电路将电能储存起来；

步骤7、通过固定螺栓，将外层绝缘外壳和安装底座稳固安装在主振系统平面上。

本发明的有益效果在于：

1、本发明最主要的效果在于通过接触滑动式的导体-电介质独立层摩擦发电原理，电介质与金属电极之间只存在接触和摩擦，而避免了材料之间的撞击，不产生二次振动的危害；

2、其次本发明通过摩擦方式产生阻尼，在摩擦的同时发电，其阻尼大小由摩擦系数和正压力决定，与被控制对象振动的频率与幅值无关；

3、通过吸振结构，将被控系统振动转移至吸振器，在控制振动的同时，大大提高能量回收的效率与比例，且结构较为简单，易于安装，可靠性较高；

4、通过更换不同刚度的弹簧，内外双层结构的吸振频率可独立调节；

5、实现两个方向上的振动控制与振动能量收集，且两方向振动控制相互独立；

6、调节螺栓和弹性垫片设计，实现铝电极与PTFE材料之间的正压力在一定范围内调节，从而调节摩擦阻尼大小；

7、本发明通过两个呈90°的双自由度有阻尼吸振结构，通过摩擦发电，在有效控制振动的同时，由于振动能量集中于吸振器结构，从而能够实现更高效的能量收集，且无二次振动的危害。

附图说明

图1为本发明所述能量回收吸振器的主视图；

图2为本发明所述能量回收吸振器的A-A向剖视图；

图3为本发明俯视图；

图4为电能收集电路；

其中:1–外层电极金属，2–外层电介质板，3–外层导柱，4–内层电极金属，5–质量块，6–内层电介质板，7–内层导柱，8–内层弹性垫片，9–内层调节螺栓，10–外层弹性垫片，11–外层调节螺栓，12–内层吸振弹簧，13–外层吸振弹簧，14–内层绝缘外壳，15-安装底座，16–固定螺栓，17–外层绝缘外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1-3所示，该实施例提供了一种具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器，其包括内层吸振结构，外层吸振结构，内层阻尼调节和能量转化装置，外层阻尼调节和能量转化装置；

其中，内层吸振结构包括质量块5，内层导柱7，内层吸振弹簧12，内层绝缘外壳14，前侧的内层绝缘外壳14上设置两个向内突出的内层导柱7，后侧的内层绝缘外壳14上设置两个向内突出的内层导柱7，质量块5前后两侧共设置四个导向槽，内层导柱7分别插入四个导向槽中，内层导柱7外套设内层吸振弹簧12内层吸振弹簧12能够使得内层绝缘外壳14与质量块5之间保持一定的间隙。

内层阻尼调节和能量转化装置包括内层电极金属4，内层电介质板6，其中内层电极金属4设置在质量块5左右两个侧面，内层电介质板6设置于左右两侧的内层绝缘外壳14的内表面；

内层绝缘外壳14通过四个内层调节螺栓9固定，其中调整内层调节螺栓9可以调节左右两侧的内层绝缘外壳14和质量块5左右两侧之间的距离，进而改变内层电极金属4和内层电介质板6之间的间隙距离。

外层吸振结构包括外层导柱3，外层吸振弹簧13，外层绝缘外壳17其中，左侧的外层绝缘外壳17上设置两个向内突出的外层导柱，右侧的外层绝缘外壳17上设置两个向内突出的外层导柱，内层绝缘外壳14左右两侧共设置四个导向槽，外层导柱3分别插入四个导向槽中，外层导柱3外套设外层吸振弹簧13，外层吸振弹簧13能够使得外层绝缘外壳17与内层绝缘壳体7之间保持一定的间隙。

外层阻尼调节和能量转化装置包括外层电极金属1，外层电介质板2，其中外层电极金属1设置在外层绝缘壳体7前后两个侧面的内表面，外层电介质板2设置于前后两个内层绝缘外壳14的外表面；

外层绝缘外壳17通过四个外层调节螺栓11固定，其中调整外层调节螺栓11可以调节前后两侧的外层绝缘外壳内表面17和内层绝缘外壳14前后两侧之间的距离，进而改变外层电极金属1和外层电介质板2之间的间隙距离。其中，外层绝缘外壳17通过固定螺栓16与安装底座15安装在主振系统平面上。

内外层电极金属优选为铝，内外层电介质板优选为电介质聚四氟乙烯(PTFE)。

具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器工作过程中，质量块5与在前后方向内层导柱7的约束下，只能做前后方向的运动，与安装于内层导柱7的内层吸振弹簧12在前后方向上形成一个单自由度的质量-弹簧系统，质量块5左右两侧内层电介质板6的表面与其相接触的内层电极金属表面干摩擦，产生摩擦阻尼，以上质量、弹簧、摩擦阻尼构成吸振器的基本结构。

外层吸振结构11在左右横向的导柱约束下只能做左右横向的运动，与安装于外层导柱的外层吸振弹簧13在水平方向上形成另一个单自由度的质量-弹簧系统，外层吸振结构11两侧的外层电介质板2的表面与其相接触的外层电极金属1表面干摩擦，产生摩擦阻尼，以上外层吸振结构11、弹簧、摩擦阻尼同样构成另一组吸振器的基本结构。

由此可见，一种具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器本质为有阻尼吸振器，其中质量块5、吸振弹簧、PTFE材料和铝材料分别构成了质量、弹簧和摩擦阻尼结构，组成了有阻尼吸振器的基本单元。

而有阻尼吸振结构能够有效拓宽主振系的吸振频带，通过调节吸振器的工作频率与被控系统频率相同，可以将被控系统振动共振转移至吸振器上。此时吸振器工作时自身处于共振状态，而被控系统在该频率下原本的振动则会被减弱甚至消失，但是在该频率附近，会增加两个新的共振峰，共振峰的峰值大小与吸振器的阻尼参数有关。

调整外层调节螺栓11，改变外层电极金属1与外层电介质板2之间的阻尼，进而使共振峰最小，达到最好的吸振效果。

当装置合理安装在平面上，并通过内层调节螺栓9和弹性垫片6，调整好内层电极金属4和内层电介质板6之间的间隙，控制好二者之间的阻尼，受到安装平面传来的不规则振动后，会第一时间使质量块5产生一个单自由度的位移，使质量块5上的内层电介质板6与内层绝缘外壳14上的内层电极金属4产生相对位移，从而使两块内层电极金属4上的携带电子发生转移使其产生一个电势差，再通过两个独立的收集电路将产生的电能通过电容储存起来。

外层吸振结构、外层阻尼调节和能量转化装置的工作原理同样如此，当装置受到不规则振动时，其同样会形成一个与内部振动收集系统运动方向垂直的单自由度位移，使外层电介质板2与外层电极金属1产生相对位移，在外层电极金属1之间形成电势差，同样通过两个独立的能量收集电路将摩擦产生的电能收集起来。

内层阻尼调节和能量转化装置和外层阻尼调节和能量转化装置的其发电原理如下：PTFE材料本身和铝之间就会产生摩擦起电的效应，但是由于其接触面积等原因，发电效率有限，可采用纳米级别的表面处理工艺，对PTFE材料进行处理，增加其发电效率。因此外层电介质板2和左侧外层电极金属1完全接触时，由于接触起电会使外层电介质板2和外层电极金属1表面分别带上等量异种电荷。当外层电介质板2滑向右侧外层电极金属1时，回路中的电子将通过负载从右侧外层电极金属1流向左侧外层电极金属1，从而产生一个正向电流。直到外层电介质板2与右侧外层电极金属1完全接触，回路中的电子都流入左侧外层电极金属1上，此时输出电流为零。当外层电介质板2反向地滑向左侧外层电极金属1时，电子会从左侧外层电极金属1流向右侧外层电极金属1，从而产生一个反向的电流。值得注意的是，在整个摩擦过程中，外层电介质板2表面的负电荷与两个外层电极金属1上的正电荷总量相等。

同理，内层电极金属4和内层电介质板6也可产生电荷的转移并形成电流。

图4展示了发电结构的电能收集电路，通过导线连接两个金属电极，将其产生的电流可通过电桥的进行整流，最后可以用电容器或者电池收集起来，也可以直接向用电器供电。

该实施例还提供了一种具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器的装配方法，具体包括以下步骤：

步骤1、组装内层吸振结构，压缩一边的内层吸振弹簧12，将左右两边带有两个对称内层电介质板6的质量块5套进同一边的内层导柱7中，再通过间隙的控制，将质量块5套入另一边带有内层吸振弹簧12的内层导柱7中；

步骤2、组装并调节内层吸振器阻尼，通过内层绝缘外壳14左右两边的内层调节螺栓9和内层弹性垫片8调整与质量块相粘连的内层电介质板6和与内层绝缘外壳内侧粘连的金属电极4之间的间隙，使其产生摩擦阻尼，将质量块5安装于内层绝缘外壳14内，

步骤3、组装能量转换装置，将通过导线将内层能量转换装置与外部电路相连接，并通过外部电路将电能储存起来；

步骤4、压缩一边的外层吸振弹簧13，将左右两边带有两个对称外层电介质板2的内层绝缘外壳14套进同一边的外层导柱3中，再通过间隙的控制，将内层绝缘外壳14套入另一边带有外层吸振弹簧13的外层导柱3中；

步骤5、组装并调节外层吸振器阻尼，通过外层绝缘外壳17前后两边的外层调节螺11和外层弹性垫片10调整外层电极金属1与内外电介质板2之间的间隙，将内层绝缘外壳14安装于外层绝缘外壳17内，

步骤6、组装能量转换装置，将通过导线将外层能量转换装置与外部电路相连接，并通过外部电路将电能储存起来；

步骤7、通过固定螺栓16，将外层绝缘外壳17和安装底座15稳固安装在主振系统平面上。

该实施例创造性地将接触滑动式的发电过程中可调阻尼用于吸振器，从原理上有效避免材料间的碰撞，从而避免产生二次振动的危害，起到振动控制的目的的同时，提高了装置的使用寿命。

此外，该实施例所述的双自由度的有阻尼吸振器，两自由度之间互成90°，因此本吸振器除可控制单独方向的振动以外，也可以控制平面类型(两个方向同时)的振动。并且，吸振器的阻尼是摩擦阻尼，通过设计摩擦材料与电极结构，通过摩擦起电效应实现摩擦能量回收，可见该方案与目前已有的吸振器结构有本质的区别。

因此，需要说明的是，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。

Claims (9)

1.一种具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器，其包括内层吸振结构，外层吸振结构，内层阻尼调节和能量转化装置，外层阻尼调节和能量转化装置；其特征在于：

内层吸振结构包括质量块（5），内层导柱（7），内层吸振弹簧（12），内层绝缘外壳（14），内层绝缘外壳（14）上设置向内突出的内层导柱（7），质量块（5）上设置导向槽，内层导柱（7）分别插入导向槽中，内层导柱（7）外套设内层吸振弹簧（12）；内层阻尼调节和能量转化装置包括内层电极金属（4），内层电介质板（6），其中内层电极金属（4）设置在质量块（5）左右两个侧面，内层电介质板（6）设置于左右两侧的内层绝缘外壳（14）的内表面；

外层吸振结构包括外层导柱（3），外层吸振弹簧（13），外层绝缘外壳（17），其中，外层绝缘外壳（17）上设置向内突出的外层导柱（3），内层绝缘外壳（14）设置导向槽，外层导柱（3）分别导向槽中，外层导柱（3）外套设外层吸振弹簧（13）；外层阻尼调节和能量转化装置包括外层电极金属（1），外层电介质板（2），其中外层电极金属（1）设置在外层绝缘壳体（1 7）侧面的内表面，外层电介质板（2）设置于内层绝缘外壳（14）的外表面。

2.根据权利要求1所述的具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器，其特征在于：内层吸振弹簧（12）能够使得内层绝缘外壳（14）与质量块（5）之间保持一定的间隙。

3.根据权利要求1所述的具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器，其特征在于：内层绝缘外壳（14）通过四个内层调节螺栓（9）固定，其中调整内层调节螺栓（9）可以调节左右两侧的内层绝缘外壳（14）和质量块（5）左右两侧之间的距离，进而改变内层电极金属（4）和内层电介质板（6）之间的间隙距离。

4.根据权利要求1所述的具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器，其特征在于：外层吸振弹簧（13）能够使得外层绝缘外壳（17）与内层绝缘壳体（14 ）之间保持一定的间隙。

5.根据权利要求1所述的具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器，其特征在于：外层绝缘外壳（17）通过四个外层调节螺栓（11）固定，其中调整外层调节螺栓（11）可以调节前后两侧的外层绝缘外壳内表面和内层绝缘外壳（14）前后两侧之间的距离，进而改变外层电极金属（1）和外层电介质板（2）之间的间隙距离;其中，外层绝缘外壳（17）通过固定螺栓（16）与安装底座（15）安装在主振系统平面上。

6.根据权利要求1所述的具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器，其特征在于：外层电极金属（1）为铝，外层电介质板（2）为电介质聚四氟乙烯（PTFE）。

7.根据权利要求1所述的具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器，其特征在于：具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器工作过程中，质量块（5）在前后方向内层导柱（7）的约束下，做前后方向的运动，与安装于内层导柱（7）的内层吸振弹簧（12）形成一个单自由度的质量-弹簧系统，质量块（5）左右两侧内层电介质板（6）的表面与其相接触的内层电极金属表面干摩擦，产生摩擦阻尼，从而形成内层吸振结构；

外层吸振结构在左右横向的导柱约束下做左右横向的运动，与安装于外层导柱的外层吸振弹簧（13）在水平方向上形成另一个单自由度的质量-弹簧系统，外层吸振结构两侧的外层电介质板（2）的表面与其相接触的外层电极金属（1）表面干摩擦，产生摩擦阻尼，从而形成外层吸振结构。

8.根据权利要求1所述的具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器，其特征在于：通过调节吸振器的工作频率与被控系统频率相同，能够将被控系统振动共振转移至吸振器上；此时吸振器在共振频率附近，会增加两个新的共振峰，调整外层调节螺栓（11），改变外层电极金属（1）与外层电介质板（2）之间的阻尼，进而使新的共振峰最小。

9.一种具有内外双层吸振结构的摩擦能量回收吸振器的装配方法，具体包括以下步骤：

步骤1、组装内层吸振结构，压缩一边的内层吸振弹簧（12），将左右两边带有两个对称内层电介质板（6）的质量块（5）套进同一边的内层导柱7中，再通过间隙的控制，将质量块（5）套入另一边带有内层吸振弹簧（12）的内层导柱（7）中；

步骤2、组装并调节内层吸振器阻尼，通过内层绝缘外壳（14）左右两边的内层调节螺栓（9）和内层弹性垫片（8）调整与质量块相粘连的内层电介质板（6）和与内层绝缘外壳内侧粘连的内层电极金属（4）之间的间隙，使其产生摩擦阻尼，将质量块（5）安装于内层绝缘外壳（14）内；

步骤3、组装能量转换装置，将通过导线将内层能量转换装置与外部电路相连接，并通过外部电路将电能储存起来；

步骤4、压缩一边的外层吸振弹簧（13），将左右两边带有两个对称外层电介质板（2）的内层绝缘外壳（14）套进同一边的外层导柱（3）中，再通过间隙的控制，将内层绝缘外壳（14）套入另一边带有外层吸振弹簧（13）的外层导柱（3）中；

步骤5、组装并调节外层吸振器阻尼，通过外层绝缘外壳（17）前后两边的外层调节螺栓（11）和外层弹性垫片（10）调整外层电极金属（1）与外层电介质板（2）之间的间隙，将内层绝缘外壳（14）安装于外层绝缘外壳（17）内；

步骤6、组装能量转换装置，将通过导线将外层能量转换装置与外部电路相连接，并通过外部电路将电能储存起来；

步骤7、通过固定螺栓（16），将外层绝缘外壳（17）和安装底座（15）稳固安装在主振系统平面上。

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