一种风电齿轮箱监测用旋流激励压电俘能器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种风电齿轮箱监测用旋流激励压电俘能器，属压电发电领域。主轴上自左至右依次套有左壁板、左轴套、轮缘、右轴套及右壁板，端部装有挡板；左壁板上轴承的内圈左侧顶靠在轴肩上，右壁板上轴承的内圈右侧顶靠在挡板上；叶片与轮缘母线间存在一定的夹角；壳体两端分别与左右壁板相连，壳体外壁上装有配重块；壳体左右两端均装有限位框和压电振子，压电晶片长度和宽度分别小于限位框空腔的长度和宽度，金属基板的长度和宽度分别大于限位框空腔的长度和宽度。优势特色：由旋转引起的流体运动激励压电振子发电，无刚性冲击及电磁干扰；压电晶片仅承受范围可控的压应力，可靠性高；无需固定支撑，悬臂齿轮轴及多齿轮共轴的场合均可应用。
【专利说明】
-种风电齿轮箱监测用旋流激励压电停能器
技术领域
[0001] 本实用新型属于齿轮监测及压电发电技术领域，具体设及一种风电齿轮箱监测用 旋流激励压电俘能器。
【背景技术】
[0002] 齿轮箱是风力发电机组的关键部件，其功能是传输动力。风力发电机正常运转时， 风轮的转速较低、致使发电机效率较低，故需通过齿轮箱增速W提高发电能力及效率。由于 风电齿轮箱工作在变速变载荷环境下，故易发生故障;此外，风电齿轮箱出现故障时维修困 难、且成本高，风电齿轮箱运行及维护成本可高达总体运行成本的30%。因此，人们提出了 多种形式的齿轮箱状态实时监测系统与方法，W期实时获得齿轮箱的各相关参数、及时发 现并解决问题，从而降低设备损坏程度及维修成本。目前，风电齿轮箱监测的要素包括齿 轮、轴承及轮轴等运动部件的载荷、振动及溫度等诸多方面。
[0003] 对于齿轮及轴的监测而言，理想的方法是将各类传感监测系统安装在齿轮或轴上 或靠近齿轮或轴安装，从而实现其运行状态的直接在线监测；但运种监测方案因无法为传 感监测系统的提供可靠、充足的电力供应而难于推广应用，原因在于:①齿轮和轴处于旋转 运动状态，无法通过电缆供电；②如采用电池供电，因电池使用寿命有限而需经常更换，当 电池电量不足而未及时更换时将无法实现有效的监测;③远离轴承座的悬臂轴及其端部齿 轮W及多个齿轮共轴时，都无法通过旋转齿轮或轴与固定支撑件间相对运动构造微小型发 电机。鉴于风电齿轮箱齿轮及轴的监测系统能源供应问题，目前实际中还无法实现真正意 义上的实时在线监测。
【发明内容】
[0004] 针对现有风电齿轮箱中齿轮监测系统所面临的供电难题，本实用新型提出一种风 电齿轮箱监测用旋流激励压电俘能器。本实用新型采用的实施方案是:齿轮的主轴上自左 至右依次套有设有出口的左壁板、左轴套、安装有叶片的轮缘、右轴套及设有进口的右壁 板，主轴端部经螺钉安装有挡板;左壁板和右壁板分别经轴承套在主轴上，左壁板上的轴承 内圈左侧顶靠在主轴的轴肩上，右壁板上的轴承内圈右侧顶靠在挡板上;轮缘与主轴间经 键连接，叶片与轮缘母线间存在一定的夹角;壳体的两端分别经螺钉与左壁板和右壁板相 连，壳体的外壁上经螺钉安装有配重块;壳体的左端经螺钉依次安装有限位框和压电振子， 壳体右端经螺钉依次安装有限位框、压电振子和压块;所述压电振子由金属基板和压电晶 片粘接而成，压电振子自由端通过螺钉安装有调频质量块;压电振子安装时压电晶片靠近 限位框安装，压电晶片长度和宽度分别小于限位框空腔的长度和宽度，金属基板的长度和 宽度分别大于限位框空腔的长度和宽度;壳体、左壁板、右壁板及压电振子共同构成工作 腔。
[0005] 本实用新型中，为提高压电振子的动态响应特性、发电能力及可靠性，压电晶片为 0.2~0.3mm厚的PZT4,金属基板为被青铜且金属基板与压电晶片的厚度比为a = l~2.5,此 时压电振子发电能力较佳、即电力比较大;能量比是指各不同厚度比压电振子一次弯曲变 形所产生的电能与其中的最大值之比，一次弯曲变形是指压电振子从自由状态到金属基板 完全贴靠在限位框的限位曲面上的变形过程；限位曲面为圆弧面且其合理的半径为
其中，a = hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和 压电晶片厚度;压电晶片为0.2mm~0.3mm厚的PZT4，金属基板为被青铜，且金属基板与压电 晶片的厚度之比范围为1~2.5。
[0006] 非工作时，主轴不转动、压电振子与主轴轴线垂直，左壁板上的出口和右壁板上的 入口均被压电振子挡住;工作状态下，即主轴带动叶片转动时，由于叶片与轮缘母线间存在 夹角，叶片将迫使流体自右向左流动，从而使工作腔内部流体压强发生变化:右壁板一侧的 流体压力降低、左壁板一侧的流体压力增加，置于左壁板及右壁板上的压电振子在流体压 力差的作用下均向左弯曲变形、并达到某一相对固定的动平衡转角，此后便开始往复振动、 将流体动能转换成电能;压电振子的动平衡转角随主轴转速的增加而增加，当主轴转速过 高、压电振子所受流体作用力较大时，压电振子的弯曲部分的金属基板将贴靠在限位框上， 从而避免压电晶片因所受应力过大而损毁。
[0007] 优势与特色:①利用旋转引起的流体运动激励压电振子发电，无刚性冲击及电磁 干扰;②压电晶片工作在压应力状态下、且最大应力可控;③无需固定支撑、适用范围广，悬 臂轴齿轮及多齿轮共轴的场合均可应用，可实现真正意义的齿轮在线监测。
【附图说明】
[0008] 图1是本实用新型一个较佳实施例中俘能器的结构剖面图；
[0009] 图2是图1的A-A剖视图；
[0010] 图3是本实用新型一个较佳实施例中限位框的结构示意图；
[0011] 图4是图3的左视图；
[0012] 图5是本实用新型一个较佳实施例中叶片与轮缘装配后的结构示意图；
[0013] 图6是压电振子的能量比与厚度比的关系曲线。
【具体实施方式】
[0014] 齿轮a安装在主轴d上，主轴d上自左至右依次套有设有出口rl的左壁板r、左轴套 C、安装有叶片n的轮缘m、右轴套j、及设有进口 Pl的右壁板P，主轴d的端部经螺钉安装有挡 板k;左壁板r和右壁板P分别经轴承b套在主轴d上，左壁板r上的轴承b的内圈左侧顶靠在主 轴d的轴肩上，壁板P上的轴承b的内圈右侧顶靠在挡板k上;轮缘m与主轴d间经键1连接，叶 片n与轮缘m的母线间存在一定的夹角Q;壳体q的两端分别经螺钉与左壁板r和右壁板P相 连，壳体q的外壁上经螺钉安装有配重块g;壳体q的左端经螺钉依次安装有限位框i和压电 振子f，壳体q右端经螺钉依次安装有限位框i、压电振子f和压块h;所述压电振子f由金属基 板n和压电晶片f2粘接而成，压电振子f自由度通过螺钉安装有调频质量块e;压电晶片f2 靠近限位框i安装，压电晶片f2长度和宽度分别小于限位框i的空腔il的长度和宽度，金属 基板n的长度和宽度分别大于限位框i的空腔il的长度和宽度;壳体q、左壁板r、右壁板P及 压电振子f共同构成工作腔；
[0015] 本实用新型中，为提高压电振子f的动态响应特性、发电量及可靠性，压电晶片f2 为0.2~0.3mm厚的PZT4,金属基板n为被青铜、且金属基板n与压电晶片f 2的厚度比为a = 1~2.5,此时压电振子发电能力较佳、即电能比较大;能量比是指各不同厚度比压电振子f 一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比，一次弯曲变形是指压电振子f从自由状 态到金属基板n完全贴靠在限位框i的服仿曲而1' 2 H的巧化讨賴.服仿巧1?的限位曲面i2为 圆弧面，且限位曲面i2的合理半径为
，其中，a = hm/hp 为厚度比，hm和hp分别为金属基板n和压电晶片f2的厚度。
[0016] 非工作时，主轴d不转动、压电振子f与主轴d的轴线垂直，左壁板r上的出口 rl和右 壁板P上的入口Pl均被压电振子f挡住;工作状态下，即主轴d带动叶片n转动时，由于叶片n 与轮缘m的母线间存在夹角Q，片n将迫使流体自右向左流动，从而使工作腔内部流体压强发 生变化:右壁板P-侧的流体压力降低、左壁板r 一侧的流体压力增加，置于左壁板r及右壁 板P上的压电振子f在流体压力差的作用下均向左弯曲变形、并达到某一相对固定的动平衡 转角，此后便开始往复振动、将流体动能转换成电能;压电振子f的动平衡转角随主轴d转速 的增加而增加，当主轴d转速过高、压电振子f所受流体作用力较大时，压电振子f的弯曲部 分的金属基板n将贴靠在限位框i上，从而避免压电晶片f2因所受应力过大而损毁。
【主权项】
1. 一种风电齿轮箱监测用旋流激励压电俘能器，其特征在于：齿轮的主轴上自左至右 依次套有设有出口的左壁板、左轴套、装有叶片的轮缘、右轴套及设有进口的右壁板，主轴 端部装有挡板;左右壁板分别经轴承套在主轴上，左壁板上的轴承内圈左侧顶靠在主轴的 轴肩上，右壁板上的轴承内圈右侧顶靠在挡板上;轮缘与主轴间经键连接，叶片与轮缘母线 间存在一定的夹角;壳体两端分别经螺钉与左右壁板相连，壳体的外壁上安装有配重块;壳 体左端经螺钉依次安装有限位框和压电振子，壳体右端经螺钉依次安装有限位框、压电振 子和压块;压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，压电振子自由端装有调频质量块;压 电晶片为0 · 2~0 · 3mm厚的PZT4。
【文档编号】H02N2/18GK205681351SQ201620626220
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月15日 公开号201620626220.X, CN 201620626220, CN 205681351 U, CN 205681351U, CN-U-205681351, CN201620626220, CN201620626220.X, CN205681351 U, CN205681351U
【发明人】曾平, 范春涛, 阚君武, 王鸿云, 王淑云
【申请人】浙江师范大学