CN112211955A - 一种摩擦式能量回收的动力吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦式能量回收的动力吸振器，包括吸振器本体，所述吸振器本体的底端设置有吸振器底座，吸振器底座顶端设置有吸振器侧板，吸振器底座与吸振器侧板之间通过螺栓固定连接，吸振器侧板的顶端设置有吸振器盖，吸振器盖与吸振器侧板之间设置有垫片。本发明将吸振原理与能量回收有机相结合，二者相互配合，有效控制振动的同时，大大地提高振动能量回收的比例与效率，结构简单，可靠性高；可拆卸的弹簧，使得吸振器的刚度可以调节，以适应不同的工作频率；吸振器具有摩擦阻尼，摩擦阻尼力的大小可调节；采用滑动摩擦方式，区别于其他接触碰撞发电方式或压电发电方式，此方法不会造成二次振动。

Description

一种摩擦式能量回收的动力吸振器

技术领域

本发明涉及振动工程领域，尤其是涉及一种摩擦式能量回收的动力吸振器。

背景技术

机械振动在工程中会引起众多不利的影响，如引起噪声污染，影响其它机械设备的工作，降低仪表、机器的精度。工程中运用多种手段来降低振动的危害，有吸振，隔振，阻振，消振及结构修改等。动力吸振器是指利用共振系统吸收物体的振动能里以减小物体振动的设备。其原理是在振动物体上附加质量弹簧共振系统，这种附加系统在共振时产生的反作用力可使振动物体的振动减小。由质量-弹簧系统组成的传统式吸振器由于质量与刚度不可调，对被控系统的特定不变的频率具有良好的吸振效果。如今的吸振器结构为了更好的控制振动的振幅，往往在传统无阻尼吸振器的基础上，设计一定的阻尼，其目的是抑制由于安装吸振器而新产生的共振峰，阻尼的类型可以是粘滞阻尼或摩擦阻尼等。传统的阻尼是将振动的机械能装换为内能进行耗散。

中国专利一种基于振动能量回收的电涡流调谐质量阻尼器【发明专利：CN107327038A】，此装置是通过吸收外界的振动，通过切割永磁体的磁感线的原理，将机械能转换为电能。此装置在工作时为了有效地产生电流涡流，需要保证一定的振幅用于切割磁感线，而所产生的阻尼参数的大小与电涡流大小直接相关，因此对于应用场合有一定的要求。而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。另外，名称为压电悬臂梁吸振器的能量回收装置【发明专利：201220313428.8】，采用悬臂梁结构和压电材料进行结合，压电材料附着在悬臂梁结构上，通过正压电效应，产生电能。该专利并未给出具体的装置结构设计和材料，但从原理可知，其产生的电能与材料的受到的机械应力成正相关，其发电效率与材料所受压力大小或者形变大小直接相关；另外该装置的阻尼即为悬臂梁与压电材料的结构阻尼，如不设计其他阻尼环节，其阻尼参数往往很小，与传统的无阻尼吸振器相同，在吸振频率两侧会另外产生两个较大的共振峰；但是没有在吸振器上增加摩擦阻尼环节，阻尼大小不可调节，不能进行振动能量回收。且在中国专利，如北京纳米能源与系统研究所公开的发明专利：振动式的纳米发电机【CN201610096418.6】，该专利基于碰撞接触的结构设计会存在二次振动的危害。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种摩擦式能量回收的动力吸振器，解决了的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明包括吸振器本体，所述吸振器本体的底端设置有吸振器底座，吸振器底座顶端设置有吸振器侧板，吸振器底座与吸振器侧板之间通过螺栓固定连接，吸振器侧板的顶端设置有吸振器盖，吸振器盖与吸振器侧板之间设置有垫片，吸振器盖、吸振器侧板和垫片之间均通过螺栓固定连接，吸振器本体内部的上下两端均设置有绝缘块，吸振器底座与吸振器盖上有用于直线轴承两端固定的螺纹直孔，直线轴承固定在螺纹直孔内，直线轴承贯穿绝缘块，直线轴承的外侧套接有可更换弹簧，吸振器侧板的内侧设置有金属电极，上下两金属电极之间留有一定间隙，绝缘块的两侧设置有PTFE材料层，金属电极与PTFE材料层紧密接触，金属电极的两端通过导线与电流收集装置电性连接。

优选的，所述电流收集装置的外侧设置有携带把手，携带把手与电流收集装置之间通过铰链连接，电流收集装置可以根据具体需要带有整流电路、负载、储能电容器、电池及其充电电路等电子元器件和电路系统。

优选的，所述携带把手的外侧套接有防静电纤维套。

优选的，所述吸振器底座的上设置有多个安装孔。

优选的，所述绝缘块与PTFE材料之间通过强粘性胶体粘接。

优选的，所述金属电极可通过螺栓连接或胶体安装在吸振器侧板上。

优选的，所述金属电极的材料可以采用纯铝，或者也可以采用纯铝并在非摩擦面的安装面一侧镀铜。

本发明的有益效果包括：

1）将吸振原理与能量回收有机相结合，二者相互配合，有效控制振动的同时，大大地提高振动能量回收的比例与效率，结构简单，可靠性高；

2）可拆卸的弹簧，使得吸振器的刚度可以调节，以适应不同的工作频率；

3）吸振器具有摩擦阻尼，摩擦阻尼力的大小可调节；

4）采用滑动摩擦方式，区别于其他接触碰撞发电方式或压电发电方式，此方法不会造成二次振动。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明安装孔的开设结构示意图。

图3是本发明携带把手的安装结构示意图。

图4是本发明的局部剖视图。

图5是本发明图4中A的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

实施例，由图1、图2、图3、图4和图5给出，本发明包括吸振器本体13，吸振器本体13的底端设置有吸振器底座1，吸振器底座1顶端设置有吸振器侧板3，吸振器底座1与吸振器侧板3之间通过螺栓2固定连接，吸振器侧板3的顶端设置有吸振器盖5，吸振器盖5与吸振器侧板3之间设置有垫片4，吸振器盖5、吸振器侧板3和垫片4之间均通过螺栓2固定连接，吸振器本体13内部的上下两端均设置有绝缘块10，吸振器底座1与吸振器盖5上有用于直线轴承9两端固定的螺纹直孔14，直线轴承9固定在螺纹直孔14内，直线轴承9贯穿绝缘块10，直线轴承9的外侧套接有可更换弹簧6，吸振器侧板3的内侧设置有金属电极8，上下两金属电极8之间留有一定间隙，绝缘块10的两侧设置有PTFE材料层7，金属电极8与PTFE材料层7紧密接触，金属电极8的两端通过导线11与电流收集装置12电性连接。

电流收集装置12的外侧设置有携带把手15，携带把手15与电流收集装置12之间通过铰链连接，电流收集装置12可以根据具体需要带有整流电路、负载、储能电容器、电池及其充电电路等电子元器件和电路系统。

携带把手15的外侧套接有防静电纤维套16。

吸振器底座1的上设置有多个安装孔17。

绝缘块10与PTFE材料7之间通过强粘性胶体粘接。

金属电极8可通过螺栓2连接或胶体安装在吸振器侧板3上。

金属电极8的材料可以采用纯铝，或者也可以采用纯铝并在非摩擦面的安装面一侧镀铜。

本发明绝缘块10由于上下两端弹簧力作用其位置维持在一定高度，受到振动时会产生一定范围内的垂直上下运动，向上运动到极限时不会与吸振器盖5相碰撞，向下运动到极限时不会与吸振器底座1相碰撞，本装置抑制振动的主要原理是动力吸振，即在受控对象上附加一个子系统使得某一频率的振动得以控制，利用吸振器在主系统中产生的力来平衡被控系统的强迫力，从而减小被控系统对振源激励的响应，本装置即为附加的子系统，其中的绝缘块10和弹簧6是子系统中的质量元件和弹簧元件，此外，PTFE材料层7与金属电极8干摩擦，产生摩擦阻尼，因此，该动力吸振器除动力作用外，还利用阻尼消耗能量，减振效果好，减振频带加宽，具有更广的适用范围，该动力吸振器工作时，通过调节该动力吸振器的固有频率，使其与被控系统的固有频率系相同，从而将被控系统的振动转移到吸振器上，此时吸振器处于共振状态，而振动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， PTFE材料层7可通过强粘性胶体粘附在绝缘块10两侧并跟随其一块运动，金属电极8可通过螺栓连接或胶体安装在吸振器侧板3上，需注意的是两金属电极8之间一定要留出一定空隙防止造成电流短路，金属电极8的材料可以采用纯铝，或者也可以采用纯铝并在非摩擦面的安装面一侧镀铜，以改进整体电极的导电性，吸振器侧板3、吸振器基座1、吸振器盖5都设有螺纹孔，三者通过螺栓2和垫片4连接，正常连接后由于尺寸设计的初衷，装置中的金属电极8与PTFE材料层7应是不产生相互作用力且接触的状态，通过改变螺栓2的预紧力，改变连接的紧密程度，从而能使金属电极8与PTFE材料层7距离发生改变，需注意的是预紧力不能过大，改成接触过于紧密，摩擦力过大，导致两者相对位置不会发生改变或很难发生改变，从而影响吸振器共振作用，预紧力也不宜过小，导致两者接触松散，影响电势差的形成，从而影响能量转换效率，此部分产生的干摩擦起到了阻尼作用，增加了阻尼环节，能够更加有效得抑制振动，相比无阻尼吸振器——只有在固有频率附近窄的激振频率范围内才会起效的优势之处，即受频带的限制较小，对系统共振的抑制更好，因此有阻尼吸振器可以适配更多的工作对象，共振峰的峰值大小与吸振器的阻尼参数有关，因此可以通过调整预紧力大小调整阻尼力大小，调至一个合适的阻尼值，可以使主振系的共振峰最小，直线轴承9部分可通过更换不同刚度的弹簧6，改变质量弹簧共振系统的固有频率，适应不同振动频率的工作对象，其共同组成动力吸振器，金属电极8，PTFE材料7，导线11，电流收集装置12等构成能量转化部分，吸收振动时，绝缘块10以及PTFE材料层7沿直线轴承9上下垂直运动，PTFE材料层7与金属电极8产生摩擦且接触面积发生变化，当绝缘块10运动到上极限时，PTFE材料层7与上侧金属电极8完全接触，由于接触起电会使PTFE材料7和上侧金属电极8表面分别带上等量异种电荷，当绝缘块10向下运动时，回路中的电子将通过导线和电流收集装置从下侧金属电极8留入下侧金属电极8，从而产生一个正向的电流，直到PTFE材料层7与下侧金属电极8完全接触，回路中的电子都流回上侧金属电极8中，此时输出电流为零，摩擦电材料，包括PTFE材料，可以利用微纳加工技术对表面进行处理，形成独特的微纳结构，提高比表面积，通过增大接触面来达到提高表面电荷，两金属极板通过导线11与电流收集装置12相连，电流收集装置12设计可以根据具体需要带有整流电路、负载、储能电容器、电池及其充电电路等电子元器件和电路系统。

本发明与现有的技术相比：1）将吸振原理与能量回收有机相结合，二者相互配合，有效控制振动的同时，大大地提高振动能量回收的比例与效率，结构简单，可靠性高；2）可拆卸的弹簧6，使得吸振器的刚度可以调节，以适应不同的工作频率；3）吸振器具有摩擦阻尼，摩擦阻尼力的大小可调节；4）采用滑动摩擦方式，区别于其他接触碰撞发电方式或压电发电方式，此方法不会造成二次振动。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种摩擦式能量回收的动力吸振器，包括吸振器本体（13），其特征在于，所述吸振器本体（13）的底端设置有吸振器底座（1），吸振器底座（1）顶端设置有吸振器侧板（3），吸振器底座（1）与吸振器侧板（3）之间通过螺栓（2）固定连接，吸振器侧板（3）的顶端设置有吸振器盖（5），吸振器盖（5）与吸振器侧板（3）之间设置有垫片（4），吸振器盖（5）、吸振器侧板（3）和垫片（4）之间均通过螺栓（2）固定连接，吸振器本体（13）内部的上下两端均设置有绝缘块（10），吸振器底座（1）与吸振器盖（5）上有用于直线轴承（9）两端固定的螺纹直孔（14），直线轴承（9）固定在螺纹直孔（14）内，直线轴承（9）贯穿绝缘块（10），直线轴承（9）的外侧套接有可更换弹簧（6），吸振器侧板（3）的内侧设置有金属电极（8），上下两金属电极（8）之间留有一定间隙，绝缘块（10）的两侧设置有PTFE材料层（7），金属电极（8）与PTFE材料层（7）紧密接触，金属电极（8）的两端通过导线11与电流收集装置（12）电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦式能量回收的动力吸振器，其特征在于，所述电流收集装置（12）的外侧设置有携带把手（15），携带把手（15）与电流收集装置（12）之间通过铰链连接，电流收集装置（12）可以根据具体需要带有整流电路、负载、储能电容器、电池及其充电电路等电子元器件和电路系统。

3.根据权利要求3所述的一种摩擦式能量回收的动力吸振器，其特征在于，所述携带把手（15）的外侧套接有防静电纤维套（16）。

4.根据权利要求1所述的一种摩擦式能量回收的动力吸振器，其特征在于，所述吸振器底座（1）的上设置有多个安装孔（17）。

5.根据权利要求1所述的一种摩擦式能量回收的动力吸振器，其特征在于，所述绝缘块10与PTFE材料7之间通过强粘性胶体粘接。

6.根据权利要求1所述的一种摩擦式能量回收的动力吸振器，其特征在于，所述金属电极（8）可通过螺栓（2）连接或胶体安装在吸振器侧板（3）上。

7.根据权利要求1所述的一种摩擦式能量回收的动力吸振器，其特征在于，所述金属电极（8）的材料可以采用纯铝，或者也可以采用纯铝并在非摩擦面的安装面一侧镀铜。

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