CN112187105B - 一种轴端外挂的旋转自激俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴端外挂的旋转自激俘能器，属新能源领域。外挂轴由斜轴、平轴和法兰构成，壳体立壁装在平轴上、筒壁外侧设有惯性块、筒壁内侧装有电路板和框架，斜轴上套有摆圈；框架上装有簧片和压电振子，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都设有隔垫、中心处都设有隔环；绳索与两个簧片固定连接，两簧片之间的绳索从压电振子及隔环的通孔穿过，与上方簧片相连的绳索穿过压板的导向孔后固定在拉环上；工作时摆圈与斜轴相对转动并产生使拉环沿斜轴轴向的往复摆动，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，具体涉及一种轴端外挂的旋转自激俘能器，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
针对风电齿轮箱监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种轴端外挂的旋转自激俘能器。本发明采用的实施方案是：主要由外挂轴、壳体、摆圈及压电振子构成，外挂轴上从左至右依次设有斜轴、平轴和法兰，平轴线和斜轴线间在同一平面内存在轴倾角；法兰经螺钉安装在机械设备的主轴端部；壳体的立壁经轴承、卡簧及轴承盖安装在平轴上；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；斜轴置于壳体的体腔内，斜轴上经滚珠套有摆圈，平轴线和斜轴线的交点与摆圈回转中心重合，平轴线和斜轴线的交点位于斜轴的滚道的对称中心面上，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都设有隔垫、中心处都设有隔环；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，处于两个簧片之间的绳索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部的压电振子在壳体惯性力的作用下与外挂轴相对静止、即不随外挂轴转动；另一方面，外挂轴转动时，摆圈与斜轴相对转动并产生使拉环沿斜轴轴向的往复摆动，拉环经绳索迫使簧片及压电振子产生往复弯曲变形并将发电，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。
斜轴线处于铅垂面内且斜轴相对平轴向下倾斜时，拉环处于右极限位置，上方的簧片与拉环之间的绳索处于绷紧状态、簧片及压电振子向上弯曲变形，压板与上方的簧片的距离最近、压板的导向孔与拉环的距离最远，此时压电振子的弯曲变形量最大且小于其许用值；随外挂轴转动，拉环与压板的导向孔间的距离逐渐缩短，压电振子及簧片在其自身弹性力的作用下逐渐复位；外挂轴转过90度时，斜轴线处于水平面内、上方簧片与拉环间的绳索处于绷紧状态，拉环与压板的导向孔间的距离最近、压电振子弯曲变形最小；此后，拉环与压板的导向孔间的距离以及压电振子的弯曲变形量再随外挂轴转动逐渐增加；外挂轴转过180度时，斜轴线处于铅垂面内且斜轴相对平轴向下倾斜、拉环处于左极限位置，压电振子的弯曲变形量再次达到最大。
本发明中，外挂轴转动过程中摆圈的回转中心始终处于经过平轴线的水平面内，摆圈的回转中心与压板间的距离不变，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，斜轴的最大轴倾角Q需满足下式：
其中：L为压电振子长度，T为平轴线与压板间的距离，r为拉环的有效摆动半径，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修正系数。
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剖视图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的I部放大图；
图4是图1中外挂轴转转180度后俘能器的结构剖视图；
图5是本发明一个较佳实施例中外挂轴的结构剖视图。
具体实施方式
外挂轴c上从左至右依次设有斜轴c3、平轴c2和法兰c1，平轴线c4和斜轴线c5间在同一平面内存在轴倾角Q；法兰c1经螺钉安装在机械设备的主轴端部；壳体a的立壁a1经轴承k、卡簧j及轴承盖i安装在平轴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；斜轴c3置于壳体a的体腔a0内，斜轴c3上经滚珠g套有摆圈f，平轴线c4和斜轴线c5的交点o与摆圈f的回转中心重合，平轴线c4和斜轴线c5的交点o位于斜轴a3的滚道c6的对称中心面c7上，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内部的压电振子d在壳体a惯性力的作用下与外挂轴c相对静止、即不随外挂轴c转动；另一方面，外挂轴c转动时，摆圈f与斜轴c3相对转动并产生使拉环f1沿斜轴c3轴向的往复摆动，摆圈f的拉环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，斜轴线c5处于铅垂面内且斜轴c3相对平轴c2向下倾斜时，拉环f1处于右极限位置，上方的簧片t与拉环f1之间的绳索处于绷紧状态、簧片t及压电振子d向上弯曲变形，压板y与上方的簧片t的距离最近、压板y的导向孔与拉环f1的距离最远，此时压电振子d的弯曲变形量最大且小于其许用值；随外挂轴c转动，拉环f1与压板y导向孔间的距离逐渐缩短，压电振子d及簧片t在其自身弹性力的作用下逐渐复位；外挂轴c转过90度时，斜轴线c5处于水平面内、上方簧片t与拉环f1间的绳索s处于绷紧状态，拉环f1与压板y的导向孔间的距离最近、压电振子d弯曲变形最小；此后，拉环f1与压板y的导向孔间的距离以及压电振子d的弯曲变形量再随外挂轴c转动逐渐增加；外挂轴c转过180度时，斜轴线c5处于铅垂面内且斜轴c3相对平轴c2向下倾斜、拉环f1处于图4所示的左极限位置，压电振子d的弯曲变形量再次达到最大。
本发明中，外挂轴c转动过程中摆圈f的回转中心o始终处于经过平轴线c4的水平面内，摆圈f的回转中心o与压板y间的距离不变，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，斜轴c3的最大轴倾角Q需满足下式：
其中：L为压电振子d长度，T为平轴线c4与压板y间的距离，r为拉环f1的有效摆动半径，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修正系数。
Claims (1)
1.一种轴端外挂的旋转自激俘能器，主要由外挂轴、壳体、外缘上带拉环的摆圈及压电振子构成，外挂轴上从左至右依次设有斜轴、平轴和法兰，壳体的立壁装在平轴上、筒壁外侧底部设有惯性块，筒壁内侧上方装有电路板、下方装有框架，框架上经压板装有两个簧片和一组压电振子，压电片位于基板下方；压电振子由基板和压电片粘接而成；其特征在于：平轴线和斜轴线间在同一平面内存在轴倾角，斜轴上套有摆圈，平轴线和斜轴线的交点与摆圈回转中心重合，摆圈与拉环的宽度方向的对称中心面重合；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都设有隔垫、中心处都设有隔环；绳索与两个簧片固定连接，两簧片之间的绳索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；与上方簧片相连的绳索穿过压板的导向孔后固定在拉环上；工作时壳体及压电振子不随外挂轴转动、摆圈与斜轴相对转动并产生使拉环沿斜轴轴向的往复摆动，拉环经绳索迫使簧片及压电振子产生往复弯曲变形并发电；其它参数确定时，斜轴的最大轴倾角Q需满足下式：
其中：L为压电振子长度，T为平轴线与压板间的距离，r为拉环的有效摆动半径，R为压电振子上基板与压电片交界面处的弯曲半径。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102684553A (zh) * | 2012-06-01 | 2012-09-19 | 浙江师范大学 | 一种垂吊式压电风能采集器 |
| CN102710169A (zh) * | 2012-06-01 | 2012-10-03 | 浙江师范大学 | 基于多压电振子串联的垂吊式振动俘能器 |
| CN102966505A (zh) * | 2012-11-21 | 2013-03-13 | 张盘营 | 利用海水浪涌能量发电的卧式容积式水泵 |
| KR20130048588A (ko) * | 2011-11-02 | 2013-05-10 | 한국세라믹기술원 | 자연 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 압전 에너지 하베스팅 장치 및 방법 |
| CN105134473A (zh) * | 2015-08-26 | 2015-12-09 | 哈尔滨工业大学 | 仿生水翼涡激拍动潮汐能转换装置 |
| CN107342707A (zh) * | 2017-08-17 | 2017-11-10 | 浙江师范大学 | 一种自供电风向仪 |
Family Cites Families (1)
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130048588A (ko) * | 2011-11-02 | 2013-05-10 | 한국세라믹기술원 | 자연 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 압전 에너지 하베스팅 장치 및 방법 |
| CN102684553A (zh) * | 2012-06-01 | 2012-09-19 | 浙江师范大学 | 一种垂吊式压电风能采集器 |
| CN102710169A (zh) * | 2012-06-01 | 2012-10-03 | 浙江师范大学 | 基于多压电振子串联的垂吊式振动俘能器 |
| CN102966505A (zh) * | 2012-11-21 | 2013-03-13 | 张盘营 | 利用海水浪涌能量发电的卧式容积式水泵 |
| CN105134473A (zh) * | 2015-08-26 | 2015-12-09 | 哈尔滨工业大学 | 仿生水翼涡激拍动潮汐能转换装置 |
| CN107342707A (zh) * | 2017-08-17 | 2017-11-10 | 浙江师范大学 | 一种自供电风向仪 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Study on a piezo-windmill for energy harvesting;Junwu Kan 等;《Renewable Energy》;20161130;第210-217页 * |
| 旋磁激励式预弯梁压电俘能器建模仿真与试验;王淑云 等;《机械工程学报》;20200731;第224-230页 * |
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