CN112968628A - 一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，属于压电发电技术领域。用以将轨道交通列车运行产生的振动机械能收集起来并转化为电能，为小型传感器供电。该装置包括固定在车体上且上端开口的底座、与底座扣合形成内部空间的外壳、与外壳扣合的上端盖、设置在底座底面上和上端盖上的限位仓及在内部空间内在限位仓约束下垂直运动的圆盘压电阵列。与现有技术相比，本发明具有有效形变量大、发电效率高、响应频带宽、可靠性高、安全性高、使用寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明涉及轨道车辆振动能量收集技术领域，尤其是涉及一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置。
背景技术
低功耗的无线传感器在轨道交通列车关键设备安全监测领域的应用正在逐渐得到重视，为列车的运行安全、故障诊断、以及故障维修工作提供了强有力的保障。然而，传统的传感器依赖于外部有线电源或电池供电，对传感器的安装和长期使用造成了极大的困难。压电俘能器能够将车辆运行条件下产生的振动机械能利用正压电效应转换为电能，为无源传感器供电。可以用于列车实时监测与故障预测，可以极大地减少列车故障监测的工作量、节约维护成本。但目前大多数的压电式振动能量采集装置结构存在缺陷，出现了压电材料寿命短、发电效率不足、可靠性差等问题。
因此，针对上述情况，急需以拓宽俘能器的响应频带、提高能量输出为主要目标，提出一种压电结构的参数优化设计。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，该装置包括底座，所述底座上设有外壳，所述外壳上设有上端盖，由所述底座、外壳和上端盖形成的封闭空间内设有压电陶瓷阵列，该封闭空间内的顶部和底部还各自设有用于约束所述压电陶瓷阵列垂直运动的限位舱以及用于辅助固定所述压电陶瓷阵列的固定柱。
进一步地，所述的压电陶瓷阵列包括防松螺栓、缓冲垫和压电固定环，所述的压电固定环包括上压电固定环和下压电固定环，所述上压电固定环和下压电固定环的中心位置处对应设置有所述缓冲垫，并经所述防松螺栓与所述固定柱相连接。
进一步地，所述的压电固定环通过设置于所述外壳上的固定孔水平固定于所述封闭空间内。
进一步地，所述上压电固定环和下压电固定环之间压紧固定有多个压电悬臂梁。
进一步地，所有的所述压电悬臂梁各自结构相同且沿圆周分布设置于所述上压电固定环和下压电固定环之间。
进一步地，所述的缓冲垫采用半球体弹性橡胶缓冲垫，所述的半球体弹性橡胶缓冲垫被所述固定柱穿过，呈弧面朝外且倒扣设置于所述限位舱的表面上，以在垂直方向上限制振幅。
进一步地，所述的底座和外壳上设有对应的用于引出压电振子导线的引出孔。
进一步地，每个所述的压电悬臂梁均采用上底为直边形，下底为弧形的梯形压电悬臂梁，以自身的弧形下底作为固定端通过螺栓固定于所述上压电固定环和下压电固定环之间。
进一步地，每个所述的压电悬臂梁包括中心金属基板层，所述中心金属基板层的上下表面设有压电陶瓷层，所述的压电陶瓷层上位于所述压电悬臂梁的直边形上底位置处的上下表面设有末端质量块。
进一步地，每个所述的末端质量块的结构为半圆柱体，所有的所述末端质量块能够拼合成完整的金属圆柱体质量块，通过调整所述金属圆柱体质量块的质量以改变固有频率，使其在工作时发生共振，以增大所述压电陶瓷层的形变量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、频率范围较宽，前三阶全覆盖梁单元的固有振动频率较为均匀地分布在2000Hz以内，符合轨道车辆检测频率范围，具有合适的宽频优化空间。
2、主要结构为梯形单悬臂梁组成的圆形阵列，设置了导轨式限位装置，包括限位块与设有导向槽的限位仓。该限位装置通过螺栓连接，结构简单，便于拆卸和安装，免维护，安全性高，并在列车工作环境中可承受较大冲击。
3、压电振子由质量块、金属基底、压电陶瓷等多部分组装而成，每个零件的参数均可改变，可以根据环境的不同调整适用频率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明装置的整体结构俯视图；
图2为本发明装置的整体结构剖面图；
图3为本发明装置的压电陶瓷阵列的结构示意图；
图4为本发明装置的压电振子的分解图；
图中，1为底座，2为外壳，3为上端盖，4为限位舱，5为固定柱，6为压电陶瓷阵列，61为防松螺栓，62为弹性橡胶缓冲垫，63为压电固定环，64为压电悬臂梁，641为压电陶瓷层，642为金属基板层，643为末端质量块，7为引出孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本发明提供一种振动能量采集装置，适用于轨道交通列车环境。该装置包括固定在车体上且上端开口的底座1、与底座1扣合形成内部空间的外壳2、与外壳2扣合的上端盖3、设置在底座1底面上和上端盖3上的限位舱4、固定在内部空间中央的固定柱5、在限位舱约束下垂直运动的圆形压电陶瓷阵列6。
圆形压电陶瓷阵列6包括防松螺栓61、穿过固定柱5固定在限位舱4表面上的半球体弹性橡胶缓冲垫62、压电固定环63固定在壳上开设的固定孔内。压电陶瓷阵列6是通过中空的两个压电固定环63上下夹紧绝缘固定的多个下底为弧形的梯形压电悬臂梁64阵列。
如图3和图4所示，多个结构相同且沿圆周均匀布设的梯形压电悬臂梁64，每个悬臂梁弧形长边通过螺栓作为固定端固定在上、下压电固定环63之间，梁由中心金属基板层642、和通过环氧树脂等材料粘合在中心金属基板层642上表面和下表面的压电陶瓷层641，压电陶瓷层641靠近圆心部位固定柱5的短边上下表面上分别粘有半圆柱体末端质量块643。质量块的质量根据实际环境频率由公式
计算得出，k为弹簧的弹性系数，m为质量块的质量。改用不同的质量块可以改变系统固有频率，使其在工作时发生共振，以增大压电陶瓷片的形变量。
本实施例中，末端质量块643使用高密度黄铜制成，并且可以更换质量不同的质量块以改变装置固有频率，保证工作时装置处于共振状态，因此质量块受到的力仅作用于铍青铜基底，以保证压电陶瓷层641应力分散，增加使用寿命。底座1和外壳2上设有用以引出压电振子导线的引出孔7，便于导线引出。
弹性橡胶缓冲垫62被固定柱5穿过呈弧面朝外且倒扣在限位舱4表面上，其侧壁设有限位块入口，并在垂直方向上限制振幅。
该装置具体使用方法如下：
首先通过检测装置测定工作环境的振动频率大致范围，由公式
计算对应的质量块质量。
然后组装好装置，将底座固定于安装位置，连接导线。当振动输入时，质量块带动铍青铜基底，基底带动压电陶瓷片进行垂向振动，压电陶瓷片收集振动产生的机械能转化为电能通过导线输出，当系统振幅稳定，系统稳定运行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，该装置包括底座(1)，所述底座(1)上设有外壳(2)，所述外壳(2)上设有上端盖(3)，由所述底座(1)、外壳(2)和上端盖(3)形成的封闭空间内设有压电陶瓷阵列(6)，该封闭空间内的顶部和底部还各自设有用于约束所述压电陶瓷阵列(6)垂直运动的限位舱(4)以及用于辅助固定所述压电陶瓷阵列(6)的固定柱(5)。
2.根据权利要求1所述的一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所述的压电陶瓷阵列(6)包括防松螺栓(61)、缓冲垫和压电固定环(63)，所述的压电固定环(63)包括上压电固定环和下压电固定环，所述上压电固定环和下压电固定环的中心位置处对应设置有所述缓冲垫，并经所述防松螺栓(61)与所述固定柱(5)相连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所述的压电固定环(63)通过设置于所述外壳(2)上的固定孔水平固定于所述封闭空间内。
4.根据权利要求2所述的一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所述上压电固定环和下压电固定环之间压紧固定有多个压电悬臂梁(64)。
5.根据权利要求4所述的一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所有的所述压电悬臂梁(64)各自结构相同且沿圆周分布设置于所述上压电固定环和下压电固定环之间。
6.根据权利要求2所述的一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所述的缓冲垫采用半球体弹性橡胶缓冲垫(62)，所述的半球体弹性橡胶缓冲垫(62)被所述固定柱(5)穿过，呈弧面朝外且倒扣设置于所述限位舱(4)的表面上，以在垂直方向上限制振幅。
7.根据权利要求1所述的一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所述的底座(1)和外壳(2)上设有对应的用于引出压电振子导线的引出孔(7)。
8.根据权利要求5所述的一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，每个所述的压电悬臂梁(64)均采用上底为直边形，下底为弧形的梯形压电悬臂梁，以自身的弧形下底作为固定端通过螺栓固定于所述上压电固定环和下压电固定环之间。
9.根据权利要求8所述的一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，每个所述的压电悬臂梁(64)包括中心金属基板层(642)，所述中心金属基板层(642)的上下表面设有压电陶瓷层(641)，所述的压电陶瓷层(641)上位于所述压电悬臂梁(64)的直边形上底位置处的上下表面设有末端质量块(643)。
10.根据权利要求9所述的一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，每个所述的末端质量块(643)的结构为半圆柱体，所有的所述末端质量块(643)能够拼合成完整的金属圆柱体质量块，通过调整所述金属圆柱体质量块的质量以改变固有频率，使其在工作时发生共振，以增大所述压电陶瓷层(641)的形变量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210615 |