CN112187100B - 一种轴端悬垂的旋转自激俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴端悬垂的旋转自激俘能器，属新能源领域。主要由壳体、外挂轴、压电振子、绳索及框架构成，外挂轴上设有摆轴、转轴和法兰；壳体立壁装在转轴上，壳体筒壁上设有惯性块、装有电路板和框架；摆轴上套有带拉环的摆圈，框架上装有两个簧片和一组压电振子，相邻压电振子间、压电振子与簧片间及簧片与压板间设有隔垫和隔环；转轴线和摆轴线平行且在同一平面内存在轴心距，压电片位于基板下方，簧片位于各相邻布置的压电振子的上下两侧，上方簧片位于压电振子与压板之间，绳索与两簧片固定连接，与上方簧片相连接的绳索穿过压板的导向孔后固定在拉环上，外挂轴转动时摆圈通过拉环及绳索迫使簧片及压电振子往复弯曲变形并发电。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种轴端悬垂的旋转自激俘能器，为轨道列车轮轴等健康监测系统供电。
背景技术
轨道列车轮对正常工作是确保轨道车辆安全运行的关键。以往，轨道车辆轮系关键部件的健康状况是以定期维护、检修加以保障的；随着车辆运行速度的不断提高以及人们安全意识的提升，车辆运行期间轮对的实时在线监测技术研究受到了国内外学者的广泛关注，所需监测要素包括轴及轴承的温度、转速、动态刚度、磨损及振动等诸多方面。对于轮对监测系统而言，理想的方法是将各类传感监测系统安装在轮对上或靠近轮对安装，从而实现其运行状态的直接在线监测；但这种监测方案因无法为传感监测系统提供可靠、充足的电力供应而难于推广应用，因轮系处于运动状态、且轮系与车厢间存在高频颠簸振动，不便采用电缆或化学电池供电。因此，目前依然普遍采用非实时的、间接的测量方法，即将传感监测系统置于路基之上，不随车体移动或不随轮轴转动。为解决列车轴系实时监测系统的供电问题，国内外学者提出了可与监测系统集成的微小型压电发电机，但现有各类微型发电机大都采用磁耦合激励的、且需改造轨道列车轮轴结构，不便推广应用。
发明内容
针对轨道列车轮轴监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种轴端悬垂的旋转自激俘能器，主要由壳体、端盖、外挂轴、绳索、压电振子及框架构成，外挂轴上从左至右依次设有摆轴、转轴和法兰，转轴线和摆轴线平行且在同一平面内存在轴心距；法兰经螺钉安装在轨道轮对的主轴端部；壳体的立壁经轴承、卡簧及轴承盖安装在转轴上；壳体的筒壁端部经螺钉装有端盖，筒壁外侧底部设有惯性块，筒壁内侧上方经螺钉安装有电路板、下方经端盖压接有框架；摆轴置于壳体的体腔内，摆轴上经滚珠套有摆圈，摆圈外缘上设有拉环,摆圈与拉环的宽度方向的对称中心面重合；框架上经螺钉和压板安装有两个簧片和一组压电振子，长方形的压电振子和簧片的中心处设有通孔且两端固定，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电片位于基板下方；簧片位于各相邻布置的压电振子的上下两侧，上方的簧片位于压电振子与压板之间，两相邻的压电振子之间、压电振子与簧片之间及簧片与压板之间的端部设有隔垫、中心处设有隔环；簧片的作用是调节压电振子的频响特性，即调节回弹力和固有频率；绳索与两个簧片固定连接，绳索通过打结的方式与两个簧片固定连接，绳索处于两个簧片之间的部分从压电振子及隔环的通孔穿过，绳索被拉紧但簧片无明显变形；与上方簧片相连接的绳索穿过压板的导向孔后固定在拉环上；压电振子经不同的导线组与电路板相连。
工作过程中，外挂轴转动时壳体及安装在壳体内的压电振子在壳体惯性力作用下与转轴相对转动、无相对移动；同时，摆圈的回转中心随摆轴绕转轴转动、摆圈与摆轴相对转动，致使拉环相对转轴线往复摆动，拉环经绳索迫使簧片及压电振子产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板上的转换电路处理后存储起来或供给传感器，传感器实时地获得相关系统参数后再经电路板上的发射单元发射出去。
摆轴线和转轴线处于同一铅垂面内且摆轴线位于转轴线下方时，拉环与压板y间的距离最近，上方的簧片与拉环之间的绳索处于绷紧状态但簧片及压电振子不发生弯曲变形；随外挂轴转动，拉环与压板导向孔间的距离逐渐增加，绳索拉动簧片及压电振子向上弯曲变形；外挂轴转过180度时，摆轴线和转轴线处于同一铅垂面内且摆轴线位于转轴线上方，压电振子弯曲变形量最大但小于其许用值；随外挂轴进一步转动，压电振子及簧片在其自身弹性力的作用下逐渐复位、变形量减小，待外挂轴转过360度时压电振子及簧片的变形量降为零，至此完成压电振子的一次激励过程。
本发明中，压电振子仅向上弯曲变形、压电片仅承受量值可控的压应力；其它参数确定时，摆轴与转轴间的最大轴心距为
其中：L为压电振子的长度，R≤R*，R为压电振子上基板与压电片交界面处的弯曲半径，基板和压电片厚度相等时
h为基板的厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，η为与胶层厚度有关的系数。
优势与特色：利用外挂轴自身转动提供激振力、利用柔性绳索实现多个压电振子的同步单向等幅激励，无需外界固定支撑、结构及激励过程简单、无电磁干扰、无接触冲击和噪音、发电量大、可靠性高、有效频带宽，尤其适于构造现有大功率轴类系统的自供电监测系统。
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I部放大图；
图3是图1的A-A剖视图；
图4是本发明一个较佳实施例中外挂轴的结构示意图；
图5是图4的左视图。
具体实施方式
一种轴端悬垂的旋转自激俘能器，主要由壳体a、端盖b、外挂轴c、绳索s、压电振子d及框架e构成，外挂轴c上从左至右依次设有摆轴c3、转轴c2和法兰c1，转轴线c4和摆轴线c5平行且在同一平面内存在轴心距x；
外挂轴c上从左至右依次设有摆轴c3、转轴c2和法兰c1，转轴线c4和摆轴线c5平行且在同一平面内存在轴心距x；法兰c1经螺钉安装在轨道轮对的主轴端部；壳体a的立壁a1经轴承k、卡簧j及轴承盖i安装在转轴c2上；壳体a的筒壁a2端部经螺钉装有端盖b，筒壁a2外侧底部设有惯性块a3，筒壁a2内侧上方经螺钉安装有电路板p、下方经端盖b压接有框架e；摆轴c3置于壳体a的体腔a0内，摆轴c3上经滚珠g套有摆圈f，摆圈f的外缘上设有拉环f1,摆圈f与拉环f1的宽度方向的对称中心面重合；框架e上经螺钉和压板y安装有两个簧片t和一组压电振子d，长方形的压电振子d和簧片t的中心处设有通孔且两端固定，压电振子d由基板和压电片粘接而成，压电片位于基板下方；簧片t位于各相邻布置的压电振子d的上下两侧，上方的簧片t位于压电振子d与压板y之间，两相邻的压电振子d之间、压电振子d与簧片t之间及簧片t与压板y之间的端部设有隔垫q、中心处设有隔环z；簧片t的作用是调节压电振子d的频响特性，即调节回弹力和固有频率；绳索s与两个簧片t固定连接，绳索s通过打结的方式与两个簧片固定连接，绳索s处于两个簧片t之间的部分从压电振子d及隔环z的通孔穿过，绳索s被拉紧但簧片t无明显变形；与上方簧片t相连接的绳索s穿过压板y的导向孔后固定在拉环f1上；压电振子d经不同的导线组与电路板p相连。
工作过程中，外挂轴c转动时壳体a及安装在壳体a内的压电振子d在壳体a惯性力的作用下与转轴c1相对转动、无相对移动；同时，摆圈f的回转中心随摆轴c3绕转轴c2转动、摆圈f与摆轴c3相对转动，致使拉环f1相对转轴线c4往复摆动，拉环f1经绳索s迫使簧片t及压电振子d产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板p上的转换电路处理后存储起来或供给传感器，传感器实时地获得相关系统参数后再经电路板p上的发射单元发射出去。
如图1所示，摆轴线c5和转轴线c4处于同一铅垂面内且摆轴线c5位于转轴线c4下方时，拉环f1与压板y间的距离最近，上方的簧片t与拉环f1之间的绳索处于绷紧状态但簧片t及压电振子d不发生弯曲变形；随外挂轴c转动，拉环f1与压板y导向孔间的距离逐渐增加，绳索s拉动簧片t及压电振子d向上弯曲变形；外挂轴c转过180度时，摆轴线c5和转轴线c4处于同一铅垂面内且摆轴线c5位于转轴线c4上方，压电振子d的弯曲变形量最大但小于其许用值；随外挂轴c的进一步转动，压电振子d及簧片t在其自身弹性力的作用下逐渐复位、变形量减小，待外挂轴c转过360度时压电振子d及簧片t的变形量降为零，至此完成压电振子d的一次激励过程。
本发明中，压电振子d仅向上弯曲变形、压电片仅承受量值可控的压应力；其它参数确定时，摆轴c3与转轴c2间的最大轴心距为
其中：L为压电振子d的长度，R≤R*，R为压电振子上基板与压电片交界面处的弯曲半径，基板和压电片厚度相等时
h为基板的厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，η为与胶层厚度有关的系数。
Claims (1)
1.一种轴端悬垂的旋转自激俘能器，主要由壳体、外挂轴、压电振子、绳索及框架构成，外挂轴上设有摆轴、转轴和法兰；壳体的立壁装在转轴上，壳体的筒壁外侧设有惯性块、内侧装有电路板和框架；摆轴上套有外缘带拉环的摆圈；框架上装有两个簧片和一组压电振子，压电振子由基板和压电片粘接而成，两相邻的压电振子之间、压电振子与簧片之间及簧片与压板之间的端部设有隔垫、中心处设有隔环；压电振子经不同导线组与电路板相连；其特征在于：转轴线和摆轴线平行且在同一平面内存在轴心距，压电片位于基板下方，簧片位于各相邻布置的压电振子的上下两侧，上方簧片位于压电振子与压板之间，绳索与两簧片固定连接，绳索处于两个簧片之间的部分从压电振子及隔环的通孔穿过，与上方簧片相连接的绳索穿过压板的导向孔后固定在拉环上，外挂轴转动时摆圈通过拉环及绳索迫使簧片及压电振子产生往复弯曲变形并发电；摆轴与转轴间的最大轴心距为
其中：L为压电振子长度，R≤R*，R为压电振子上基板与压电片交界面处的弯曲半径，基板和压电片厚度相等时
h为基板厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和Tp分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，η为与胶层厚度有关的系数。
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