CN113364348B - 一种隧道监测系统供电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种隧道监测系统供电装置，属新能源技术领域。主要包括机架、摆架、耦合器、弹性振子及隔离器；机架上设有电控腔和两个换能腔，摆架由座板、摆臂及激励腔壳构成，激励腔壳内壁上嵌有磁铁；隔离器由楔体和弧面体构成；端盖装在换能腔端部并将隔离器和弹性振子挤压在换能腔内；弹性振子的固定端与隔离器的楔面相互挤压；弹性振子由基片与其两侧所粘接的换能片构成；换能片为动摩擦片时隔离器的沉腔内嵌有定摩擦副，定摩擦副为独立的定电极片或由定电极片与定摩擦片粘接而成；摆架经簧片装在机架上，耦合器装在摆架的座板上；气流流过时耦合器带动摆架及磁铁往复摆动，弹性振子在磁铁的作用下产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种隧道监测系统供电装置。
背景技术
隧道已成为目前公路及铁路网络的重要组成部分。为确保汽车及火车能够正常安全通行、实现隧道环境及通行车辆的实时监测，隧道中需要安装各类仪器设备及照明设施，因此隧道中也要有相应的供电设施。目前普遍采用电缆供电，电缆的铺设及后续维护的难度较大、成本较高，最关键的是当电力供应系统出现故障时监测系统将无法正常运转。因此，人们相继提出了多种形式的利用隧道气流发电的装置，通过能量转换部件与气流的耦合作用发电。隧道内的气流可由空气对流形成，也可为车辆高速行驶引起的空气流动，故隧道内气流的流速变化较大，严重地制约了现有隧道气流发电装置的有效利用：气流速度低时不能被有效激励，气流速度过高时易因振幅过大损坏。
发明内容
本发明提出一种隧道监测系统供电装置，本发明采用的实施方案是：一种隧道监测系统供电装置主要包括机架、摆架、耦合器、端盖、磁铁、弹性振子、隔离器、簧片及电路板。
机架的立柱上设有电控腔和两个换能腔，电控腔和换能腔位于立柱的左右两侧，电控腔内安装有电路板；换能腔为扇形，换能腔由底壁、侧壁和前壁围成，两个换能腔的底壁之间设有横梁，两个换能腔对称配置在横梁的上下两侧；底壁、两个侧壁和前壁构成换能腔壳，换能腔壳为扇形；底壁、侧壁和前壁也分别称为换能腔壳的底壁、侧壁和前壁。
摆架由座板、摆臂及激励腔壳构成，激励腔壳和座板经摆臂连接，两个激励腔壳置于座板的同一侧且对称配置在座板的上下两侧；激励腔壳由外底壁、内底壁和后壁构成，外底壁、内底壁和后壁围成激励腔，激励腔和激励腔壳均为扇形；激励腔的外底壁、内底壁及后壁的内侧均布地设有沉槽，沉槽为U型槽；磁铁镶嵌在激励腔的内壁上，磁铁置于沉槽内。
隔离器由楔体和弧面体构成，楔体的楔面为平面，楔面指楔体的上下表面；弧面体的弧面为圆弧面，弧面指弧面体的上下表面；弧面体的弧面与其相邻的楔体的楔面相切；弧面体的上下两侧的弧面上均设有沉腔，沉腔由侧梁和横梁与楔体构成，横梁经侧梁与楔体相连；楔体的两端设有凸块，凸块位于侧梁的外侧，凸块和楔体的轴截面形状相同。
端盖经螺钉安装在换能腔端部，端盖将隔离器和弹性振子挤压在换能腔内，两个相邻的弹性振子之间以及弹性振子与其相邻的换能腔的侧壁之间都设有隔离器，隔离器两端的凸块分别被挤压在端盖的沉腔和换能腔的沉腔内；弹性振子的固定端与隔离器的楔面相互挤压在一起，弹性振子的自由端与隔离器的弧面相对，弹性振子自由端的面积大于沉腔的面积。
摆架经簧片安装在机架上，簧片两端经螺钉和压块分别安装在机架的横梁和摆架的座板上；摆架的激励腔壳套在机架的换能腔壳上，激励腔壳与换能腔壳间隙配合，激励腔壳和换能腔壳的回转中心线相同。
耦合器经螺钉安装在摆架的座板上，耦合器由一组长度相同、厚度依次增加、宽度依次减小的绕流片叠加而成，即厚度最薄且宽度最宽的绕流片靠近座板；如，扰流片一、扰流片二、扰流片三和扰流片四的厚度依次增加、宽度依次减小，则扰流片一与座板接触、扰流片四离座板最远。
弹性振子由基片与其两侧所粘接的换能片构成，基片的材料为Fe、Ni、Co、Mn等铁磁性材料或其合金，换能片为压电片或动摩擦片；换能片为压电片的弹性振子称压电振子，压电片的材料为PZT或PVDF；换能片为动摩擦片的弹性振子称摩擦振子，动摩擦片的材料为聚四氟乙烯。
弹性振子为摩擦振子即换能片为动摩擦片时，隔离器的沉腔内嵌有定摩擦副，定摩擦副为独立的定电极片或由定电极片与定摩擦片粘接而成且定电极片的半径小于定摩擦片的半径；定摩擦副的凸曲面的圆心与弧面的圆心重叠，定摩擦副的凸曲面半径不小于弧面的半径；定电极片的材料为铝、铜、镍或其合金，定摩擦片的材料为聚酰胺；摩擦振子与其两侧相邻的定摩擦副构成独立层式摩擦发电装置，此时两个的定电极片构成一个电极对；摩擦振子与其两侧相邻的定摩擦副分别构成接触分离式摩擦发电装置，此时基片与两个定电极片分别构成一个电极对；每个电极对分别经整流桥与电路板相连。
本发明的一种隧道监测系统供电装置可作为独立的部件用于风和水流等流体动能回收，也可用于振动能量回收；供电装置用于流体动能回收时，流体由耦合器流向机架；供电装置用于振动能量回收时，簧片的平面与振动方向垂直。
非工作状态下，簧片和弹性振子不发生弯曲变形，弹性振子和磁铁的几何对称中心面重合，弹性振子所受磁铁的吸引力处于弹性振子的平面内。
工作时，气流从右到左流过耦合器，耦合器受到气流施加的上下的交变作用力，耦合器带动摆架及磁铁绕机架的立柱往复摆动，磁铁与弹性振子的相对位置及相互作用力的大小与方向都发生变化，弹性振子的基片与磁铁间的磁耦合力的大小与方向发生变化，弹性振子在磁铁的作用下产生往复弯曲变形，进而将机械能转换成电能。
气流速度及强度较弱时，所有的绕流片都不发生弯曲变形，耦合器的迎风面积最大，有利于降低耦合器的起振流速、增加锁频振幅；气流速度较高时，厚度较薄且宽度较宽的绕流片发生弯曲变形、迎风面积减小，可相应减小因风速增加所引起的振幅增加，从而将振幅控制在合理的范围内，避免耦合器的振幅随气流速度的增加而大幅度增加并使簧片断裂。
弹性振子为摩擦振子即换能片为动摩擦片时，弹性振子弯曲变形过程中，换能片即动摩擦片与定摩擦副的表面交替地接触与分离，将机械能转换成电能。
弹性振子为压电振子时，弹性振子往复弯曲变形时换能片即压电片所受应力的交替增加与减小，进而将机械能转变成电能；弹性振子的最大变形量由隔离器的弧面半径决定，即弹性振子弯曲变形量达到一定值时弹性振子将顶靠在隔离器的侧梁和横梁上，此时弹性振子上各点的弯曲半径相同且等于弧面的半径R；为确保压电片不因变形量过大损坏，基片和换能片的材料分别为镍合金和PZT时隔离器的弧面半径应为R≥56.785η(19.858-h/H)H，其中： h和H分别为基片和压电片的厚度，η≥1为与粘接胶层厚度相关的修正系数。
本发明中，弹性振子上无需额外附加磁性元件，弹性振子的附加厚度及附加质量小，换能腔中可容纳的弹性振子的数量多，发电量大；易通过摆臂的长度及扰流片的数量和尺度调节耦合器的起振流速和锁频振幅，易通过簧片的刚度和摆架及耦合器的质量调节系统固有频率。
优势与特色：结构简单，单位体积能量密度高；气流流速适应性强，性能稳定、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中供电装置的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的B-B剖面图；
图4是本发明一个较佳实施例中机架结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是本发明一个较佳实施例中摆架的结构示意图；
图7是图6的俯视图；
图8是本发明一个较佳实施例中隔离器的结构示意图；
图9是图8俯视图；
图10是本发明一个较佳实施例中弹性振子的结构示意图；
图11是本发明一个较佳实施例中定摩擦副的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种隧道监测系统供电装置，主要包括机架a、摆架b、耦合器c、端盖k、磁铁d、弹性振子i、隔离器f、簧片h及电路板p。
机架a的立柱a1上设有电控腔a2和两个换能腔a3，电控腔a2和换能腔a3位于立柱a1 的左右两侧，电控腔a2内安装有电路板p；换能腔a3为扇形，换能腔a3由底壁a31、侧壁a32和前壁a33围成，两个换能腔a3的底壁a31之间设有横梁a4，两个换能腔a3对称配置在横梁a4的上下两侧；底壁a31、两个侧壁a32和前壁a33构成换能腔壳，换能腔壳为扇形；底壁a31、侧壁a32和前壁a33也分别称为换能腔壳的底壁a31、侧壁a32和前壁a33。
摆架b由座板b1、摆臂b2及激励腔壳b3构成，激励腔壳b3和座板b1经摆臂b2连接，两个激励腔壳b3置于座板b1的同一侧且对称配置在座板b1的上下两侧；激励腔壳b3由外底壁b31、内底壁b32和后壁b33构成，外底壁b31、内底壁b32和后壁b33围成激励腔b3’，激励腔b3’和激励腔壳b3均为扇形；激励腔b3’的外底壁b31、内底壁b32及后壁b33的内侧均布地设有沉槽b34，沉槽b34为U型槽；磁铁d镶嵌在激励腔b3’的内壁上，磁铁d置于沉槽b34内。
隔离器f由楔体f1和弧面体f2构成，楔体f1的楔面f11为平面，楔面f11指楔体f1的上下表面；弧面体f2的弧面f21为圆弧面，弧面f21指弧面体f2的上下表面；弧面f21与其相邻的楔面f11相切；弧面体f2的上下两侧的弧面f21上均设有沉腔f22，沉腔f22由侧梁f23和横梁f24与楔体f1构成，横梁f24经侧梁f23与楔体f1相连；楔体f1的两端设有凸块f12，凸块f12位于侧梁f23的外侧，凸块f12和楔体f1的轴截面形状相同。
端盖k经螺钉安装在换能腔a3端部，端盖k将隔离器f和弹性振子i挤压在换能腔a3内，两个相邻的弹性振子i之间以及弹性振子i与其相邻的换能腔a3的侧壁a32之间都设有隔离器f，隔离器f两端的凸块f12分别被挤压在端盖k的沉腔和换能腔a3的沉腔a34内；弹性振子i的固定端与隔离器f的楔面f11相互挤压在一起，弹性振子i的自由端与隔离器f的弧面 f21相对，弹性振子i自由端的面积大于沉腔f22的面积。
摆架b经簧片h安装在机架a上，簧片h两端经螺钉和压块j分别安装在机架a的横梁a4和摆架b的座板b1上；摆架b的激励腔壳b3套在机架a的换能腔壳上，激励腔壳b3与换能腔壳间隙配合，激励腔壳b3和换能腔壳的回转中心线重合。
耦合器c经螺钉安装在摆架b的座板b1上，耦合器c由一组长度相同、厚度依次增加、宽度依次减小的绕流片叠加而成，即厚度最薄且宽度最宽的绕流片靠近座板b1；如，扰流片一c1、扰流片二c2、扰流片三c3和扰流片四c4的厚度依次增加、宽度依次减小，则扰流片一c1与座板b1接触、扰流片四c4离座板b1最远。
弹性振子i由基片i1与其两侧所粘接的换能片i2构成，基片i1的材料为Fe、Ni、Co、Mn等铁磁性材料或其合金，换能片i2为压电片或动摩擦片；换能片i2为压电片的弹性振子i称压电振子，压电片的材料为PZT或PVDF；换能片i2为动摩擦片的弹性振子i称摩擦振子，动摩擦片的材料为聚四氟乙烯。
弹性振子i为摩擦振子时，隔离器f的沉腔f22内嵌有定摩擦副g，定摩擦副g为独立的定电极片g1或由定电极片g1与定摩擦片g2粘接而成且定电极片g1的半径小于定摩擦片g2 的半径；定摩擦副g的凸曲面的圆心与弧面f21的圆心重叠，定摩擦副g的凸曲面半径不小于弧面f21的半径；定电极片g1的材料为铝、铜、镍或其合金，定摩擦片g2的材料为聚酰胺；摩擦振子与其两侧相邻的定摩擦副g构成独立层式摩擦发电装置，此时两个的定电极片g1构成一个电极对；摩擦振子与其两侧相邻的定摩擦副g分别构成接触分离式摩擦发电装置，此时基片i1与两个定电极片g1分别构成一个电极对；每个电极对分别经整流桥与电路板p 相连。
本发明的一种隧道监测系统供电装置可作为独立的部件用于风和水流等流体动能回收，也可用于振动能量回收；供电装置用于流体动能回收时，流体由耦合器c流向机架a；供电装置用于振动能量回收时，簧片h的平面与振动方向垂直。
非工作状态下，簧片h和弹性振子i不发生弯曲变形，弹性振子i和磁铁d的几何对称中心面重合，弹性振子i所受磁铁d的吸引力处于弹性振子i的平面内。
工作时，气流从右到左流过耦合器c，耦合器c受到气流施加的上下的交变作用力，耦合器c带动摆架b及磁铁d绕机架a的立柱a1往复摆动，磁铁d与弹性振子i的相对位置及相互作用力的大小与方向都发生变化，弹性振子i的基片i1与磁铁d间的磁耦合力的大小与方向发生变化，弹性振子i在磁铁d的作用下产生往复弯曲变形，进而将机械能转换成电能。
气流速度及强度较弱时，所有的绕流片都不发生弯曲变形，耦合器c的迎风面积最大，有利于降低耦合器c的起振流速、增加锁频振幅；气流速度较高时，厚度较薄且宽度较宽的绕流片发生弯曲变形、迎风面积减小，可相应减小因风速增加所引起的振幅增加，从而将振幅控制在合理的范围内，避免耦合器c的振幅随气流速度的增加而大幅度增加并使簧片h断裂。
弹性振子i为摩擦振子时，弹性振子i弯曲变形过程中，换能片i2即动摩擦片与定摩擦副g的表面交替地接触与分离，将机械能转换成电能。
弹性振子i为压电振子时，弹性振子i往复弯曲变形时换能片i2即压电片所受应力的交替增加与减小，进而将机械能转变成电能；弹性振子i的最大变形量由隔离器f的弧面f21半径决定，即弹性振子i弯曲变形量达到一定值时弹性振子i将顶靠的隔离器f的侧梁f23和横梁f24上，此时弹性振子i上各点的弯曲半径相同且等于弧面f21的半径R；为确保压电片不因变形量过大损坏，基片i1和换能片i2的材料分别为镍合金和PZT时隔离器f的弧面f21半径应为R≥56.785η(19.858-h/H)H，其中：h和H分别为基片i1和压电片的厚度，η≥1为与粘接胶层厚度相关的修正系数。
本发明中，弹性振子i上无需额外附加磁性元件，弹性振子i的附加厚度及附加质量小，换能腔a3中可容纳的弹性振子i的数量多，发电量大；易通过摆臂b2的长度及扰流片的数量和尺度调节耦合器c的起振流速和锁频振幅，易通过簧片h的刚度和摆架b及耦合器c的质量调节系统固有频率。
Claims (4)
1.一种隧道监测系统供电装置，主要包括机架、摆架、耦合器、端盖、弹性振子及隔离器；其特征在于：机架的立柱上设有电控腔和两个换能腔，电控腔内装有电路板；摆架由座板、摆臂及激励腔壳构成，激励腔壳和座板经摆臂连接；激励腔壳的外底壁、内底壁和后壁围成激励腔；激励腔的内壁上嵌有磁铁；隔离器由楔体和弧面体构成，弧面体的弧面与其相邻的楔体的楔面相切；弧面体的上下两侧的弧面上均设有沉腔，楔体的两端设有凸块；端盖装在换能腔端部并将隔离器和弹性振子挤压在换能腔内，两个相邻的弹性振子之间以及弹性振子与其相邻的换能腔的侧壁之间都设有隔离器，隔离器两端的凸块分别被挤压在端盖的沉腔和换能腔的沉腔内；弹性振子的固定端与隔离器的楔面相互挤压，弹性振子的自由端与隔离器的弧面相对；弹性振子由基片与其两侧所粘接的换能片构成，基片的材料为铁磁性材料或其合金，换能片为压电片或动摩擦片；换能片为动摩擦片时隔离器的沉腔内嵌有定摩擦副，换能片为动摩擦片的弹性振子称摩擦振子；摆架经簧片装在机架上，摆架的激励腔壳套在机架的换能腔壳上；耦合器装在摆架的座板上，耦合器由一组长度相同、厚度依次增加、宽度依次减小的绕流片叠加而成；气流流过时耦合器带动摆架及磁铁往复摆动，弹性振子在磁铁的作用下产生往复弯曲变形并使动摩擦片与定摩擦副的表面交替地接触与分离、或使压电片所受应力的交替增加与减小，进而将机械能转换成电能。
2.根据权利要求1所述的一种隧道监测系统供电装置，其特征在于：耦合器由一组长度相同、厚度依次增加、宽度依次减小的绕流片叠加而成；气流速度及强度较弱时，所有的绕流片都不发生弯曲变形，耦合器的迎风面积最大；气流速度较高时，厚度较薄且宽度较宽的绕流片发生弯曲变形、迎风面积减小。
3.根据权利要求1所述的一种隧道监测系统供电装置，其特征在于：摩擦振子与其两侧相邻的定摩擦副构成独立层式摩擦发电装置，两个的定电极片构成一个电极对。
4.根据权利要求1所述的一种隧道监测系统供电装置，其特征在于：摩擦振子与其两侧相邻的定摩擦副分别构成接触分离式摩擦发电装置，基片与两个定电极片分别构成一个电极对。
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