专利名称：基于共振的四路并列式异步转化振动能量采集器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种振动能量采集装置，具体涉及一种基于共振的四路并列式异步转化振动能量采集器，可不主动消耗能源，通过系统自身与振动环境发生共振来实现环境振动能量的采集，属于机械振动、能源再利用、振动发电等技术领域。
背景技术：
振动无处不在，如车辆抖动，隧道桥梁的振动甚至娱乐器械的来回运动都是振动的表现，振动能是环境中普遍存在的一种能量源形式。目前对环境中振动能量的采集利用多集中在无线电等微电子领域，采集功率小、应用范围较窄，而地铁、桥梁、隧道等大型结构体的振动蕴含着的强大能量却很少被人们利用。现有一些通过悬臂梁与外界环境谐振来获取环境振动能量的发明专利还存在谐振频率过高、采集效率低下的问题，一些利用膜片泵拾取振动能量的发明专利也还存在采集效率低、制造成本高、难以实现空间大范围组网采集等不足。为解决目前振动能量采集的上述问题，本发明提出了一种基于共振原理的新型振动能量采集装置。本装置从原理上实现了振动能量的高效采集且对被采集物体的振动频率要求较低，其输出端可以直接对外做功，也可与普通发电机串联实现振动能量的进一步存储和再利用。此外，多个该种采集器还可与液压系统组合建立多频段、大范围的网络化采集系统，实现振动能量的最大化采集利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于共振的四路并列式异步转化振动能量采集器，该采集器以环境中宏观结构体的振动为动力源(如地铁路基，隧道的振动等)，通过采集器的共振系统与外界振源发生共振，从而获得大幅度的往返运动，再通过换向机构将往返运动转化为连续周转运动，最后通过输出系统将四路并列的异步转动整合为输出端的一路高速转动。该能量采集器是基于两自由度系统的共振原理实现能量采集的，采集效率高、效果明显。振动能量采集器的输出端经四路并列异步输入整合后可以实现连续高速整周转动，故可以直接带负载工作，也可以将输出端与普通发电机相联实现振动能量的转化和存储。此外，多个该种采集器可与液压系统联合组网，形成三维空间内多频段、高效能的振动能量采集网络系统。该基于共振的四路并列式异步转化振动能量采集器主要由共振系统、换向系统、 输出系统三部分组成。(I)共振系统共振系统由四组沿圆周均布的共振机构并列组成，四组共振机构结构完全相同，如图6。转动支座A101、A106分别通过螺栓与第一层安装板B120紧固联接。 螺纹轴A102依次穿过转动支座AlOl、A106,并通过弹性垫圈和六角螺母与转动支座AlOl、 A106紧固。螺纹轴A102中部通过深沟球轴承与增力连杆A130配合联接。增力连杆A130 通过深沟球轴承与主弹簧振子A126 —侧的小轴联接。主弹簧振子A126另一侧的小轴通过深沟球轴承与增力连杆Alll配合联接。辅助弹簧振子A131和滑块座A124分别穿过主弹簧振子上下端的细长轴，并通过弹簧A132和A133与主弹簧振子A126联接。滑块座A124 通过螺钉与滑块A125紧固。滑块A125通过下端的燕尾槽与导轨A107形成滑动副。导轨 A107通过螺钉与第二层安装板BI 18紧固。增力连杆Al 11、滑块座A135与滑块轴Al 17 (见图3)通过深沟球轴承配合联接。滑块A118通过螺钉紧固在滑块轴A117(见图3)端面的法兰上。滑块A118通过下端燕尾槽与导轨A119形成滑动副。导轨A119通过螺栓与摆动臂A120紧固。滑块座A135通过螺钉与滑块A134紧固。滑块A134通过下端的燕尾槽与导轨A116形成滑动副。导轨A116通过螺栓与第一层安装板B120紧固。第一层安装板B120 通过多个底板支座B119以螺栓联接与第二层安装板B118紧固，构成采集器的整体支架。(2)换向系统换向系统由四组沿圆周均布的换向机构并列组成，四组换向机构结构完全相同，如图7。换向机构通过摆动臂A120与共振机构形成功能过渡联接。摆动臂 A120通过普通A型平键与摆动轴B105周向定位，摆动臂A120通过弹簧垫圈和六角螺母与摆动轴B105紧固。摆动轴B105通过一对深沟球轴承与双臂轴承座B103配合联接。双臂轴承座B103通过螺栓与第一层安装板B120紧固(见图4、6)。棘爪盘B108通过弹簧垫圈和六角螺母紧固在摆动轴B105的另一端，并通过普通A型平键与摆动轴B105周向定位。 挡块G通过螺钉紧固在棘爪盘B108圆环端面上。棘爪F通过螺钉限定在棘爪盘B108圆环端面上只能绕螺钉转动，扭转弹簧(图中被遮挡未标出)穿过螺钉分别与棘爪盘B108和棘爪F焊接联接。小锥齿轮轴B117通过深沟球轴承与双臂轴承座B112配合联接。双臂轴承座BI 12通过螺栓与第一层安装板B120紧固。棘轮B109通过普通A型平键与小锥齿轮轴 B117周向定位，棘轮B109通过弹簧垫圈、六角螺母与小锥齿轮轴BI 17紧固。棘轮B109与棘爪F、挡块G及棘爪盘B108形成棘轮机构。小锥齿轮BI 14通过普通A型平键与小锥齿轮轴B117周向定位，并通过弹簧垫圈、六角螺母与小锥齿轮轴B117紧固。小锥齿轮B114作为换向结构的输出端，通过锥齿轮副与输出系统形成功能联接。(3)输出系统输出系统能够将四路并列小锥齿轮的异步周转运动，整合为一路连续高速整周转动并通过负载轮对输出功率，如图8。大锥齿轮C103通过普通A型平键与大锥齿轮轴C107周向定位，大锥齿轮C103通过弹簧垫圈，六角螺母与大锥齿轮轴C107紧固。大锥齿轮轴C107通过一对深沟球轴承与大锥齿轮轴筒C106配合联接。大锥齿轮上端盖C104 (见图4)、大锥齿轮下端盖C109的柱面分别与大锥齿轮轴筒C106内表面配合，并通过螺栓与大锥齿轮轴筒紧固，同时使大锥齿轮上端盖C104(见图4)、大锥齿轮下端盖C109 分别紧靠大锥齿轮轴筒C106内一对轴承的外圈。大锥齿轮轴筒C106、大锥齿轮下端盖C109 通过螺栓与第一层安装板B120紧固。负载轮C108(见图4)通过普通A型平键与大锥齿轮轴C107周向定位，负载轮C108通过弹簧垫圈、六角螺母与大锥齿轮轴C107的下端紧固。负载轮C108为输出系统的末端，也是整个振动能量采集器的输出端。本发明的一种基于共振的四路并列式异步转化振动能量采集器的工作原理在振动能量采集器共振系统的每一路共振机构中，主弹簧振子A126、辅助弹簧振子A131及相应的弹簧A132、A133构成一个两自由度振动系统，将采集器固定在大型宏观振动体(如地铁路基、隧道、桥梁等)上，当宏观振动体带动采集器振动时，宏观振动体将为采集器提供位移激励，当外界振源频率处于采集器的一阶共振频带范围内时，共振机构的主弹簧振子 A126、辅助弹簧振子A131将与外界发生强烈共振。此时，主弹簧振子A126将获得与振源频率相等且幅值增大若干倍的稳定振动。主弹簧振子A126在竖直面内的往复运动，通过增力连杆A130、Alll及增力连杆末端水平滑块A134的力放大作用和换向作用，转化为摆动臂 A120的摆动振动。摆动臂A120带动摆动轴B105以及摆动轴B105上的棘爪盘B108摆动振动。棘爪盘B108上安装有挡块G和棘爪F，棘爪F与棘轮B109形成具有单向传动功能的棘轮机构。棘爪盘B108的摆动振动通过棘轮机构转化为棘轮B109的连续周转运动。棘轮机构具有单向传动功能当某时刻棘轮B109在棘爪F推力作用后转动速度大于棘爪盘 B108的转速，棘轮B109将推动棘爪F克服扭转弹簧微小恢复力绕棘爪定位螺钉转动，同时棘轮B109的轮齿滑过棘爪F继续沿原来方向转动；当棘轮B109转动速度小于棘爪盘B108 速度，棘爪F将在扭转弹簧恢复力的作用下绕定位螺钉回转，并轻靠在挡块G的侧面上，棘爪盘B108将带动挡块G和棘爪F同步转动，由此推动棘轮B109再次加速。棘轮B109的连续周转运动通过小锥齿轮轴BI 17传递给小锥齿轮BI 14，小锥齿轮BI 14与输出系统的大锥齿轮C103啮合。最终，四路并列换向机构末端小锥齿轮B114的异步周转运动，经过棘轮机构的换向和四对锥齿轮副的整合作用转化为大锥齿轮C103高速连续周转的运动，大锥齿轮C103再带动大锥齿轮轴C107及轴上的负载轮C108连续高速转动。由此，宏观结构体的振动能量被振动能量采集器采集，并转化为负载轮C108上的转动动能，从而实现对外输出功率。由于在实际工程中，宏观结构体的振动为多频率叠加振动，而且采集器的共振机构在机械机构上存在无法避免的差异性，因此无论将振动能量采集器共振系统的四路共振机构设置为同一固有频率还是不同的固有频率，四路共振机构的振动峰值总是交替出现， 采集器的输出系统从四路换向机构获得的转矩激励也是异步交替的，从而输出系统的转动激励的频率总是四路并列的共振机构的振动频率之和，因而该振动能量采集器能够达到高效采集的目的。倘若外界振源频率变化范围较大，无法保证激励频率始终处于采集器共振的频带宽度以内，则采集器将不能工作在最佳的采集状态，但由于本采集器具有并列四路异步转化的结构特点，只要四路共振机构没有同时处于反共振点，则总是能够保证采集器的输出系统能够具有将强的对外做功能力，然而适当的调整四路共振机构固有频率的差值是可以消除采集器处于反共振点这种情况的，因此该采集器兼具有采集效率高和适应性强的优点。由于此振动能量采集器负载轮可以获得连续高速的周转运动，故其可直接联接负载做功，也可以将其与普通发电机联接将振动能转化为电能进一步实现能量转化和再利用。此外，该采集器还可以与液压系统结合建立如图5所示的采集网络。将采集器Hl的负载轮与普通液压泵H2联接，液压泵H2的出口再联接一个单向阀H3形成一套振动-液压采集单元H。多个振动-液压采集单元H并联后，高压油经高压油管道N输入一个普通单向液压马达P，普通单向液压马达P聚集多路振动-液压单元H的输入油压后对外做功，经液压马达做功后的低压油再经低压油管道M回流到各个振动液压采集单元H，由此整个网络便形成了一套循环的液压油路系统采集网络。由于该采集网络具有振动-液压单元多点分布采集特点和多路并联输入油压放大的作用，液压马达将具备更强的对外做功能力，整个采集网络比单个采集器具有更强的振动能量采集能力，更利于振动能量的规模化采集利用。此发明优点及功效(I)该振动采集器无需主动耗能，无污染排放，基于两自由度系统共振的采集原理，使得采集器采集效果明显，采集能量输出大。
(2)采集器的四路共振机构可以根据宏观振动体振动频率特点设定在同一固有频率附近，实现特定频率针对性采集，也可将四路共振机构设定为不同固有频率实现多频段大范围采集。(3)采集器负载轮可直接联接发电机，将振动能转化为电能，方便存储和再利用。(4)多个采集器与液压系统可组网建立空间范围内大跨度、多频段的综合采集系统，利于振动能量的规模化采集利用。
图I为本发明振动能量采集器整体结构的轴测图2为本发明振动能量采集器整体结构的俯视图3为本发明振动能量采集器共振机构的局部装配图4为本发明振动能量采集器的整体剖视 阅图5为本振动能量采集器与液压系统组网建立的空间网络化振动能量采图;
图6为共振机构三维结构图7为换向机构三维结构图8为输出系统三维结构图。
图中标号说明如下
A、共振系统 B、换向系统 C、输出系统
A1、A2、A3、A4、共振机构B1、B2、B 3、B4、换向机构
A101、转动支座A102、螺纹轴A103、深沟球轴承
A104、弹性挡圈A105、轴承顶盘A106、转动支座
A107、轨道A108、轴承顶盘A109、深沟球轴承
Al 10、轴承挡片Al 11、增力连杆Al 12、滑块座
Al 13、轴承挡片Al 14、深沟球轴承Al 15、轴承顶盘
Al 16、轨道Al 17、滑块轴Al 18、滑块
Al 19、轨道A120、摆动臂A121、弹性挡圈
A122、深沟球轴承A123、轴承顶盘A124、滑块座
A125、滑块A126、主弹簧振子A127、轴承顶盘
A128、深沟球轴承A129、轴承挡片A130、增力连杆
A131、辅助弹簧振子A132、A133、弹簧
A134、滑块A135、滑块座B101、普通A型平键
B102、轴承顶盘B103、双臂轴承座B104、深沟球轴承
B105、摆动轴B106、深沟球轴承B107、普通A型平键
B108、棘爪盘B109、棘轮B110、普通A型平键
BI 11、轴承顶盘BI 12、双臂轴承座BI 13、深沟球轴承
BI 14、小锥齿轮B115、普通A型平键B116、深沟球轴承
BI 17、小锥齿轮轴B118、第二层安装板B119、底板支座
B120、第一层安装板C101、套筒C102、普通A型平键
C103、大锥齿轮C104、大锥齿轮上端盖 C105、深沟球轴承
C106、大锥齿轮轴筒C107、大锥齿轮轴 C108、负载盘
C109、大锥齿轮下端盖 Cl 10、深沟球轴承 Cl 11、普通A型平键
通用标准件T101、弹性垫圈T102、大六角螺母
T103、小螺母T104、普通垫片T105、小螺栓
G、挡块F、棘爪Hl、振动能量采集器
H2、普通液压泵H3、单向阀H、振动-液压米集单兀
P、普通单向液压马达N、高压油管道M、低压油管道具体实施方式
以下将结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明本发明，基于共振的四路
并列式异步转化振动能量采集器由共振系统A、换向系统B、输出系统C三部分组成(如图
2)。共振系统由四组并列的共振机构Al、A2、A3、A4组成，换向系统由四组并列换向机构 BI、B2、B3、B4组成，四路共振结构与四路换向机构共同作用构成四路异步输入与输出系统相连，输出系统整合四路输入再对外输出功率(如图I)。如图3、4所示，共振系统A中四路共振机构的结构相同。转动支座A101、A106通过通用标准件螺母T103、平垫T104、螺栓T105与第一层安装板B120紧固。螺纹轴A102两端分别穿过转动支座A101、A106上端通孔，螺纹轴A102的两端的轴肩分别紧靠转动支座 AlOU A106的内侧面。螺纹轴A102两端螺纹分别由通用标准件弹簧垫圈TlOl和大螺母 T102紧固联接。深沟球轴承A103内圈与螺纹轴A102过盈配合，内圈的一侧紧靠在螺纹轴 A102中部轴肩，内圈的另一侧与卡在螺纹轴A102上挡圈槽内的挡圈A104紧靠。轴承A103 外圈与增力连杆A130过盈配合,外圈的一侧紧靠增力连杆A130的环形凸台，外圈的另一侧与轴承顶盘A105的环形端面紧靠。轴承顶盘A105的柱面与增力连杆A130圆柱内表面间隙配合，并通过螺钉与增力连杆A130紧固。增力连杆A130另一端的轴承座与深沟球轴承 A128过盈配合，轴承A128外圈的一侧紧靠增力连杆A130的环形凸台，另一侧紧靠轴承顶盘 A127的圆环端面。轴承顶盘A127的柱面与增力连杆A130圆柱内表面间隙配合，并通过螺钉与增力连杆A130紧固。轴承A128的内圈与主弹簧振子A126的小轴过盈配合，内圈的一侧紧靠小轴的轴肩，内圈的另一侧与轴承挡片A129紧靠，螺钉穿过轴承挡片A129的通孔， 并且旋入主弹簧振子A126小轴的螺纹孔，将轴承挡片A129与主弹簧振子A126紧固。主弹簧振子A126另一端小轴与深沟球轴承A109的内圈过盈配合，小轴轴肩紧靠轴承A109内圈的一侧，内圈的另一侧紧靠轴承挡片A110。螺钉穿过轴承挡片AllO的通孔，并且旋入主弹簧振子A126小轴的螺纹孔，将轴承挡片AllO与主弹簧振子A126紧固。轴承A109的外圈与增力连杆Alll的轴承座过盈配合，外圈的一侧紧靠增力连杆Alll的环形凸台，另一侧紧靠轴承顶盘A108的环形端面。轴承顶盘A108的柱面与增力连杆Alll的圆柱形内表面间隙配合，并通过螺钉与增力连杆Alll紧固。增力连杆Alll另一端的轴承座与深沟球轴承 A122的外圈过盈配合，轴承座内的环形凸台紧靠轴承A122外圈的一侧，轴承A122外圈的另一侧与轴承顶盘A123的环形端面紧靠。轴承顶盘A123的柱面与增力连杆Alll的圆柱形内表面间隙配合，并通过螺钉与增力连杆Alll紧固。轴承A122的内圈与滑块轴A117过盈配合，内圈的一侧紧靠滑块轴A117的轴肩，内圈的另一侧与卡在滑块轴挡圈槽内的弹性挡圈A121紧靠。滑块轴A117 —端的法兰端面与滑块A118紧靠，并通过螺钉与滑块A118紧固。 滑块A118通过滑块下部的燕尾槽与轨道A119形成滑动副。轨道A119通过螺栓联接与摆动臂A120紧固。滑块轴A118与深沟球轴承A114的内圈过盈配合，轴承A114内圈的一侧紧靠滑块轴轴肩，另一侧紧靠轴承挡片A113。螺钉A112穿过轴承挡片A113的通孔并旋入滑块轴A114的螺纹孔，将轴承挡片A113与滑块轴A118紧固。轴承A114的外圈与滑块座 A135过盈配合,外圈的一侧紧靠滑块座A135的环形凸台，外圈的另一侧与轴承顶盘Al 15紧靠。轴承顶盘A115的柱面与滑块座A135的圆柱形内表面间隙配合，并通过螺钉与滑块座 A135紧固。滑块座A135通过螺钉与滑块A134紧固。滑块A134通过滑块下部的燕尾槽与轨道A116形成滑动副。轨道A116通过螺栓联接与第一层安装板B120紧固。主弹簧阵子 A126上下端各有一细长轴，弹簧A132穿过上端细长轴，弹簧A132下端与主弹簧振子A126 的上表面焊接连接。辅助弹簧振子A131上开有通孔，辅助弹簧振子A131穿过主弹簧振子 A126上端的细长轴，辅助弹簧振子A131的通孔与主弹簧振子上端细长轴形成滑动副，辅助弹簧振子A131下表面与弹簧A132的另一端焊接连接。弹簧A133穿过主弹簧振子下端的细长轴，弹A133的上端与主弹簧振子A126的下表面焊接连接。滑动座A124上开有通孔， 滑动座A124穿过主弹簧振子A126下端的细长轴，滑动座A124的上表面与弹簧A133的下端焊接连接。滑动座A124上面开有四个小通孔，螺钉穿过滑动座A124的通孔并旋入滑块 A125的螺纹孔，将滑动座A124与滑块A125紧固。滑块A125下端开有燕尾槽，滑块A125通过燕尾槽与轨道A107形成滑动副。轨道A107下表面紧靠第二层安装板BI 18上表面，并通过螺栓与第二层安装板紧固。共振系统的核心是主弹簧振子A126、辅助弹簧振子A131及弹簧A132、A133，它们共同组成一个两自由度振动系统。当振动系统的一阶频率与被采集结构体的振动频率接近时，此振动系统会在外界位移激励的作用下发生强烈的共振，此时，主弹簧振子A126获得与外部结构体同频率大振幅的往复运动。主弹簧振子A126作用于增力连杆A111、A130上， 从而推动滑块A125在轨道A116上往复运动，由于增力连杆的作用滑块获得的推动力是比较大的。滑块A125又通过滑块轴Al 17、滑块Al 19及轨道Al 19带动摆动臂A120往复摆动， 从而为换向系统提供了摆动输入。共振系统是由四路共振机构组成，这四路共振机构的主弹簧振子、辅助弹簧振子及弹簧阻尼器的参数可以根据被采集振动体的频率特点而确定，既可以将四路共振机构设定为同一频率，集中采集振动体某一特定频率的振动能量，也可以将四路共振机构设定为不同频率，以更宽的频段来采集振动体的振动能。如图4、8所示，换向系统B由四路结构相同的换向机构并列组成。摆动轴B105 — 端开有键槽，键槽中过盈配合有普通A型平键BlOl。摆动臂A120 —端开有带键槽的通孔， 摆动臂A120通过带键槽的通孔，与摆动臂B105及轴上平键BlOl过盈配合实现周向定位， 摆动臂A120的一侧面紧靠摆动轴B105的轴肩。弹簧垫圈穿过摆动轴紧靠摆动臂A120的另一侧面，大螺母旋紧在摆动轴上，将弹簧垫圈、摆动臂A120及摆动轴B105紧固。摆动轴 B105与深沟球轴承B104和B106的内圈过盈配合，摆动轴B105中部的两轴肩分别与轴承 B104和B106内圈的一侧紧靠。轴承B104、B105的外圈与双臂轴承座B103过盈配合，轴承 B106的外圈的一侧紧靠双臂轴承座B103的圆环凸台。轴承B104外圈的一侧与轴承顶盘 B102紧靠，轴承顶盘B102柱面与双臂轴承座B103圆柱内表面间隙配合，并通过螺钉与双臂轴承座B103紧固。双臂轴承座B103则通过螺栓联接与第一层安装板B120紧固。摆动轴 B105 一端的键槽内过盈配合有普通A型平键B107，棘爪盘B108开有带键槽的通孔，棘爪盘 B108通过键槽通孔与平键B107及摆动轴B105过盈配合，棘爪盘B108的大端面紧靠摆动轴B105的轴肩。弹簧垫圈穿过摆动轴B105与棘爪盘B108另一断面紧靠，大螺母旋紧在摆动轴B105上将弹簧垫圈、棘爪盘B108及摆动轴B105紧固。垫块G通过两螺钉紧固在棘爪盘B108的圆环端面上，棘爪F通过螺钉限定在棘爪盘B108的圆环端面内仅能转动。扭转弹簧(在棘爪后，图中未标出)穿过限定棘爪F的螺钉，弹簧的一端与棘爪盘G焊接连接， 一端与棘爪F焊接连接，此扭转弹簧作为棘爪F的回复力弹簧。棘轮B109开有带键槽的通孔，小锥齿轮轴BI 17两端开有键槽，键槽中过盈配合有普通A型平键BllO和B115。棘轮B109通过键槽孔与小锥齿轮轴B117及平键BllO过盈配合，棘轮B109—侧端面紧靠小锥齿轮轴BI 17的轴肩。弹簧垫圈穿过小锥齿轮轴BI 17紧靠棘轮B109的另一侧端面，大螺母旋紧在小锥齿轮轴B117轴端的螺纹上，将弹簧垫圈、棘轮 B109及小齿轮轴B117紧固。棘轮B109与棘爪F及挡块G共同组成棘轮机构。小锥齿轮轴 B117与深沟球轴承B113、B116的内圈过盈配合，轴承B113、B116内圈的一侧分别于小锥齿轮轴B117中部的轴肩紧靠。轴承B113、B116的外圈分别与双臂轴承座B112过盈配合，轴承B116外圈的一侧与双臂轴承座的环形凸台紧靠，轴承B113外圈的一侧与轴承顶盘Blll 紧靠。轴承顶盘Blll的柱面与双臂轴承座B112的圆柱形内表面间隙配合，轴承顶盘Blll 通过螺钉与双臂轴承座BI 12紧固。双臂轴承座BI 12通过螺栓联接与第一层安装板B120 紧固。小齿轮BI 14开有带键槽的通孔，小锥齿轮BI 14与小锥齿轮轴BI 17及A型平键BI 15 过盈配合，小锥齿轮B114的小端面紧靠小锥齿轮轴B117的轴肩。弹簧垫圈穿过小锥齿轮轴B117紧靠小锥齿轮B114的大端面，大螺母旋紧在小锥齿轮轴的螺纹处，将弹簧垫圈、小锥齿轮BI 14及小锥齿轮轴BI 17紧固。小锥齿轮BI 14的安装位置满足于大锥齿轮C103形成锥齿轮副。换向系统是振动能量采集器中整合方向的核心环节。换向系统中的每路换向机构都与前端共振机构串联，换向机构能够将摆动臂A120的摆动振动经过棘轮机构转化为小锥齿轮B114的连续周转运动，从而为输出机构提供动力输入。如图4、8所示，振动能量采集器的输出系统与四路换向机构联接，能够将四路动力输入整合后再对外输出。大锥齿轮轴C107两端键槽分别与普通A型平键C102、Clll过盈配合。大锥齿轮C103开有带键槽的通孔，大锥齿轮C103与大锥齿轮轴C107及平键C102 过盈配合，大锥齿轮C103大端面紧靠大锥齿轮轴C107轴肩。套筒ClOl穿过大锥齿轮轴 C107并紧靠大锥齿轮C103侧小端面。弹簧垫圈穿过大锥齿轮轴C107并紧靠套筒C101，大螺母旋紧在大锥齿轮轴C107上端螺纹轴处并将弹簧垫圈、套筒ClOI、大锥齿轮C103、大锥齿轮轴C107紧固。深沟球轴承C105、C110的内圈与大锥齿轮轴C107过盈配合，轴承C105、 CllO内圈的一侧分别与大锥齿轮轴C107中部的轴肩紧靠。轴承C105、C110的外圈分别与大锥齿轮轴筒C106圆柱内表面过盈配合，轴承C105、C110外圈的一侧分别紧靠大锥齿轮轴筒C106筒内的环形端面。大锥齿轮上端盖C104的柱面与大锥齿轮轴筒C106圆柱内表面间隙配合，大锥齿轮上端盖C104的环形端面紧靠轴承C105外圈的一侧，大锥齿轮上端盖C104 通过螺钉与大锥齿轮轴筒C106紧固。大锥齿轮下端盖C109的环形端面紧靠轴承CllO外圈的一侧，大锥齿轮下端盖C109的柱面与大锥齿轮轴筒C106圆柱内表面间隙配合。螺栓穿过大锥齿轮轴筒C106、大锥齿轮下端盖C109、第一层安装板上的通孔B120，并将三者紧固联接。负载轮C108开有带键槽的通孔，负载轮C108与大锥齿轮轴C107及平键Clll过盈配合，负载轮C108大端面紧靠大锥齿轮轴C107的轴肩。弹簧垫圈穿过大锥齿轮轴C107 紧靠负载轮C108小端面，大螺母旋紧在大锥齿轮轴C107轴端的螺纹上将弹簧垫圈、负载轮 C108及大锥齿轮轴C107紧固。底板支座B119上下板面均开有通孔，底板支座B119通过螺栓联接分别与第一层安装板B120和第二层B118安装板紧固，从而将整个系统联接成为一个整体。负载轮C108被安装在第一层安装板B120和第二层安装板B118之间。负载轮 B118可以直接与某些外界负载相连做功，也可以将负载轮与普通发电机相连，将振动能量采集器采集的机械能转化为电能进一步存储和利用。此外，此振动能量采集器还可以与液压系统组网，建立网络化的振动能量采集系统如图5所示。该采集系统由振动能量采集器H1、普通液压泵H2、单向阀H3、普通单向液压马达P 等组成。普通液压泵H2的输入端与振动能量采集器Hl的输出端联接，普通液压泵H2从振动能量采集器获得机械能，将液压油从低压管道M泵入单向阀H3，再流入高压管道N。多路液压泵共同作用使得高压管道N中充满了高压油，高压管路联接一台普通单向液压马达P， 普通单向液压马达P在高压油的作用下高速转动，从而获得更强的对外做功能力(该输出可直接对外做功或者再与发电机组网，形成大规模振动发电系统)，高压油流经普通单向液压马达P泄压后再次流入低压管道M，因此整个系统形成闭合回路。整个系统在物质上自我封闭，系统不断汲取外部振动能量，系统内部流体自循环，因此该系统特别适用于地铁、桥梁、隧道等大型机构体的振动能量的采集利用。
权利要求
1.一种基于共振的四路并列式异步转化振动能量采集器，其特征在于该采集器包括共振系统、换向系统、输出系统(一)共振系统共振系统由四组沿圆周均布的共振机构并列组成，四组共振机构结构完全相同；结构如下两转动支座(A101、A106)分别通过螺栓与第一层安装板(B120)紧固联接；螺纹轴(A102)依次穿过两转动支座(A101、A106)，并与两转动支座(A101、A106)紧固；螺纹轴(A102)中部通过深沟球轴承与增力连杆(A130)配合联接；增力连杆(A130)通过深沟球轴承与主弹簧振子(A126) —侧的小轴联接；主弹簧振子(A126)另一侧的小轴通过深沟球轴承与增力连杆(Alll)配合联接；辅助弹簧振子(A131)和滑块座(A124)分别穿过主弹簧振子上下端的细长轴，并通过两弹簧(A132、A133)与主弹簧振子(A126)联接；滑块座(A124)通过螺钉与滑块(A125)紧固；滑块(A125)通过下端的燕尾槽与导轨(A107) 形成滑动副；导轨(A107)通过螺钉与第二层安装板(B118)紧固；增力连杆(Alll)、滑块座(A135)与滑块轴(A117)通过深沟球轴承配合联接；滑块(A118)通过螺钉紧固在滑块轴(A117)端面的法兰上；滑块(A118)通过下端燕尾槽与导轨(A119)形成滑动副；导轨 (Al 19)通过螺栓与摆动臂(A120)紧固；滑块座(A135)通过螺钉与滑块(A134)紧固；滑块 (A134)通过下端的燕尾槽与导轨(A116)形成滑动副；导轨(A116)通过螺栓与第一层安装板(B120)紧固；第一层安装板(B120)通过多个底板支座(B119)以螺栓联接与第二层安装板(B118)紧固，构成采集器的整体支架；(二)换向系统换向系统由四组沿圆周均布的换向机构并列组成，四组换向机构结构完全相同；换向机构通过摆动臂(A120)与共振机构形成功能过渡联接；摆动臂(A120) 通过普通A型平键与摆动轴(B105)周向定位，摆动臂(A120)通过弹簧垫圈和六角螺母与摆动轴(B105)紧固；摆动轴(B105)通过一对深沟球轴承与双臂轴承座(B103)配合联接； 双臂轴承座(B103)通过螺栓与第一层安装板(B120)紧固；棘爪盘(B108)通过弹簧垫圈和六角螺母紧固在摆动轴(B105)的另一端，并通过普通A型平键与摆动轴(B105)周向定位；挡块(G)通过螺钉紧固在棘爪盘(B108)圆环端面上；棘爪(F)通过螺钉限定在棘爪盘 (B108)圆环端面上只能绕螺钉转动，扭转弹簧穿过螺钉分别与棘爪盘(B108)和棘爪(F)焊接联接；小锥齿轮轴(B117)通过深沟球轴承与双臂轴承座(B112)配合联接；双臂轴承座 (B112)通过螺栓与第一层安装板(B120)紧固；棘轮(B109)通过普通A型平键与小锥齿轮轴(B117)周向定位，棘轮(B109)通过弹簧垫圈、六角螺母与小锥齿轮轴(B117)紧固；棘轮 (B109)与棘爪(F)、挡块(G)及棘爪盘(B108)形成棘轮机构；小锥齿轮(B114)通过普通A 型平键与小锥齿轮轴(B117)周向定位，并通过弹簧垫圈、六角螺母与小锥齿轮轴(B117)紧固；小锥齿轮(B114)作为换向结构的输出端，通过锥齿轮副与输出系统形成功能联接；(三)输出系统输出系统能够将四路并列小锥齿轮的异步周转运动，整合为一路连续高速整周转动并通过负载轮对输出功率；具体结构如下大锥齿轮(C103)通过普通A型平键与大锥齿轮轴(C107)周向定位，大锥齿轮(C103)通过弹簧垫圈、六角螺母与大锥齿轮轴 (C107)紧固；大锥齿轮轴(C107)通过一对深沟球轴承与大锥齿轮轴筒(C106)配合联接； 大锥齿轮上端盖(C104)、大锥齿轮下端盖(C109)的柱面分别与大锥齿轮轴筒(C106)内表面配合，并通过螺栓与大锥齿轮轴筒紧固，同时使大锥齿轮上端盖(C104)、大锥齿轮下端盖 (C109)分别紧靠大锥齿轮轴筒(C106)内一对轴承的外圈；大锥齿轮轴筒(C106)、大锥齿轮下端盖(C109)通过螺栓与第一层安装板(B120)紧固；负载轮(C108)通过普通A型平键与大锥齿轮轴(C107)周向定位，负载轮(C108)通过弹簧垫圈、六角螺母与大锥齿轮轴(C107) 的下端紧固；负载轮(C108)为输出系统的末端，也是整个振动能量采集器的输出端。
2.一种利用如权利要求I所述的采集器所组成的采集网络，其特征在于基于共振的四路并列式异步转化振动能量采集器与液压系统结合即可建立采集网络将采集器(Hl) 的负载轮与普通液压泵(H2)联接，液压泵(H2)的出口再联接一个单向阀(H3)形成一套振动-液压采集单元(H);多个振动-液压采集单元(H)并联后，高压油经高压油管道(N)输入一个普通单向液压马达(P)，普通单向液压马达(P)聚集多路振动-液压单元(H)的输入油压后对外做功，经液压马达做功后的低压油再经低压油管道(M)回流到各个振动液压采集单元(H)，由此整个网络便形成了一套循环的液压油路系统采集网络。
全文摘要
本发明涉及一种基于共振的四路并列式异步转化振动能量采集器，由共振系统，换向系统和输出系统三部分组成，三大系统之间由机械联接保证相对运动关系。多个该种振动能量采集器还可与液压系统组合应用，形成网络化的振动能量采集系统，实现三维空间内大跨度、多频段振动能量的联合采集利用。该采集器应用了两自由度振动系统在共振频带内可获得较大振幅的采集原理，可实现特定频段振动能量针对性采集和多频段振动能量大范围采集，具有采集效率高、频率适应范围大和采集效果明显的特点。
文档编号F03G7/08GK102606434SQ20111044238
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者李 杰, 边宇枢, 高智慧 申请人:北京航空航天大学