一种用于研究摩擦振动能量回收效率的试验台的制作方法

本发明涉及能量采集装置的技术领域，具体涉及一种用于研究摩擦振动能量回收效率的试验装置。

背景技术：

随着近现代工业对于不可再生的石化能源的大肆开发和消耗，能源问题逐渐引起全世界的关注。人们意识到虽然自然界中的能源多种多样，但目前大部分能源还未被大规模的开发和利用，如太阳能、风能、振动能等。如何开发利用这些能源成了科研人员研究的重点，经过大量的研究与试验，最终实现了将这些能源转化为电能再加以利用。例如，通过光电转换形式将太阳能转换成电能；通过风力发电机将风力的动能转换成机械能，再将机械能转换成电能；通过回收装置将环境中的振动能装换成电能等。

振动能量回收的应用前景十分广泛，甚至可以覆盖到各个领域。许多蕴含振动的物体，如高速铁路、海事船舶、工厂机械、桥梁建筑等都有一定频率的振动来源。其中，摩擦振动作为一种振动源常见于具有对摩副的机械系统中，如车辆制动器、机械齿轮系统和丝杠系统等，这种振动是摩擦系统在工作过程中产生的一种自激振动，故不需要任何外加的环境振动对摩擦系统进行激励。然而，目前关于利用摩擦振动，并对该振动进行收集的研究较少，特别是针对不同工况下的摩擦振动能量回收效率的研究更是鲜见报道，以至于大量的摩擦振动能难以合理利用起来。

技术实现要素：

针对现有上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于研究摩擦振动能量回收效率的试验台，旨在以验证压电式摩擦振动能量采集的可行性，通过改变摩擦界面因素(制动力、转速、接触刚度、磨损特性、磨屑行为、摩擦热、外部环境)来模拟不同工况，产生不同频率的摩擦振动，再通过对不同工况下振动能的收集，来研究摩擦界面因素对于能量回收效率影响。

本发明的目的是这样实现的：一种基于摩擦振动的压电式能量采集装置，由机座、电机模块、以及加载模块组成；机座上开设有多条平行的倒T字形槽口；电机模块结构为：中空支座由左、右侧立板、上顶板、下底板围合而成，伺服电机安装在中空支座的下底板底面上，伺服电机的输出轴从中空支座的上顶板上的孔中伸出，制动盘经螺栓固定在法兰盘上，法兰盘固定在伺服电机的输出轴上，中空支座的下底板经四颗螺栓固定在机座上的两条倒T字形槽口上；

加载模块结构为：顶板经螺栓固定在两块竖向支撑板顶部，两块竖向支撑板的底部经四颗螺栓固定在机座上的另外两条倒T字形槽口(位于中空支座在机座上固定的上述两条T字形槽口以外，参见图1)上，液压缸安装在顶板上，竖板固定在顶板底面上，轴承座固定在竖板上，液压缸导杆从轴承座的内圈中向下穿出，液压缸导杆下部依次安装固定有法向力传感器、切向力传感器以及长方体或正方体形的制动块，制动块的三个侧面上分别经螺栓固定有一个夹具，每个夹具上粘接有一个弹簧钢片，每个弹簧钢片上均安装有一个压电元件，制动块的另一个侧面上固定有三向加速度传感器。

所述两块竖向支撑板上均开有圆形通孔；所述机座的形状为倒U字形。

还具有用作控制液压缸工作的液压控制系统。

所述制动盘与制动块的接触界面附近还设置有声音传感器。

还具有用作采集由压电元件输出的法向、切向和径向这三个方向压电电荷的电源管理电路。

还具有用作采集由压电元件输出的法向、切向和径向这三个方向压电电荷的信号采集仪。

所述制动盘与制动块的接触界面处加装有气氛罩或环境箱。

机座结构为：机座上表面开有多条倒T字形槽口，下部去除了多余材料，以降低装置重量；

电机模块结构为：长方体两相对面贯通的中空支座通过地脚螺栓固定在机座上，伺服电机安装在中空支座内，电机输出轴伸出中空支座，制动盘固定在输出轴上部；

加载模块结构为：顶板通过螺栓固定在两块支撑板顶部，两块支撑板内部均打了两个圆形通孔，可节省材料，降低装置重量，支撑板底部两侧均有平台用于安装地脚螺栓，通过地脚螺栓固定在机座的倒T字形槽口上，液压缸安装在顶板的上表面，竖板固定在呈水平位置的顶板底面，轴承座安装在竖版上，直线轴承安装在轴承座上，导杆通过直线轴承内圈与液压杆导杆同轴，导杆下部还安装有法向力、切向力传感器，传感器下端粘连着底板，制动块粘接在底板底部，制动块的三个侧面均与不同朝向的夹具通过螺钉连接，弹簧基底粘接在夹具上，压电元件粘接在弹簧基底上，三项加速度传感器粘接在摩擦块的最后一个侧面；

所述弹簧钢片为单晶悬臂梁、双晶L形梁、单晶螺旋形梁或者单晶之字形梁。

本发明的工作过程和原理是：

试验开始前，调整电机模块和加载模块的位置，先在基座上通过螺栓固定好电机模块的位置，再调整加载模块两侧支撑板的位置，确定好制动块的摩擦半径，通过螺栓将加载模块固定在机座的倒T字形槽口上；

试验开始后，通过控制系统控制伺服电机的通断、正反转以及转速，电机输出轴的转动带动制动盘的转动，通过控制系统控制转速以达到所需大小；再通过液压控制系统控制液压系统中的电磁阀，改变液压回路，使液压缸进入加载工况，液压缸导杆伸出，通过一系列的连接件推动制动块与制动盘接触；

制动块与制动盘接触的工作过程中会使整体装置产生自激振动，振动依次传递到与制动块相连接的夹具上，再传递到与夹具粘接的弹簧钢片上，最后传递到压电元件上，压电元件可粘接在弹簧钢片上，也可直接粘接在夹具上；

压电元件受到振动产生应变，由于压电效应在压电元件的两侧产生压电电荷，通过压电元件两侧的电极由电源管理电路收集法向、切向、径向这三个方向的压电电荷，也可经由专业的信号采集仪对三个方向产生的电信号加以采集；

试验完成后，通过液压控制系统控制液压系统中的电磁阀，改变液压回路，使液压缸进入卸载工况，液压缸导杆复位。再控制伺服电机，使制动盘停止转动，试验结束。

在试验过程中，粘接在制动块侧面的三向加速度传感器采集制动块三个方向上的振动加速度信号，安装在液压缸导杆和制动块之间的法向力传感器和切向力传感器实时监测制动过程中的制动压力和摩擦界面间的摩擦力，制动盘与制动块接触界面附近的声音传感器采集试验过程中的制动噪声信号，还可以通过专业的信号采集仪对三个方向产生的电信号加以采集。所采集到的信号均传送给信号采集分析系统进行分析处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明采用了压电式能量采集装置，其体积微小、能量转换率高、无电磁干扰、无污染排放、易于微型化处理。

二、本发明可实现对法向、切向、径向这三个方向的基于摩擦产生的振动能进行采集，并对三个方向振动能的回收效率进行研究。

三、试验台各部分实现模块化，便于安装、拆卸和维修。

四、试验台可以根据实际工况改变制动加载压力、制动盘转速、摩擦半径、接触刚度以及采集电路中电阻值，并根据从实验中采集的电信号，来验证压电式摩擦振动能量采集的可行性。再结合加速度信号，力信号，声音信号以及热成像图、磨损形貌、磨屑情况等信息对摩擦振动及噪声特性进行分析，并探究不同工况对摩擦振动能量回收效率的影响。

五、试验台可针对不同的环境气氛条件(如摩擦系统处于风沙环境、湿态环境、油污环境等)在摩擦界面处外加气氛罩或者环境箱，以探究不同的外部环境对摩擦振动能量回收效率的影响。

附图说明

图1是本发明所述的一种用于研究摩擦振动能量回收效率的试验台的整体装配图。

图1A是图1中A部(应旋转180度)的放大图。

图2是本发明所述的试验台加载模块的装配图。

图2A是图2中B部的放大图。

图3是本发明所述的试验台电机模块的装配图。

图3A是图3所示制动盘与法兰盘(由上、下法兰盘组成)部分的剖面图。

图4、图5、图6、图7分别是图2A所示弹簧钢片单晶(单个压电元件、下同)悬臂梁、双晶L形梁、单晶螺旋形梁以及单晶之字形梁的立体示意图。

具体实施方式

实施例

图1示出用于研究摩擦振动能量回收效率的试验台，由机座4、电机模块3、以及加载模块1组成；机座4上开设有多条平行的倒T字形槽口；电机模块3结构为：中空支座 21由左、右侧立板、上顶板、下底板围合而成，伺服电机20安装在中空支座21的下底板底面上，伺服电机的输出轴从中空支座21的上顶板上的孔中伸出，制动盘19经螺栓固定在法兰盘18上，法兰盘固定在伺服电机的输出轴上，(参见图3A，下法兰盘焊接在伺服电机的输出轴上端，制动盘经上法兰盘采用螺栓固定在下法兰盘上)中空支座21的下底板经四颗螺栓固定在机座4上的两条倒T字形槽口上；

加载模块1结构为：顶板6经螺栓固定在两块竖向支撑板2顶部，两块竖向支撑板2的底部经四颗螺栓固定在机座4上的另外两条倒T字形槽口上，液压缸5安装在顶板6上，竖板8 固定在顶板6底面上，轴承座10固定在竖板8上，液压缸导杆9从轴承座10的内圈中向下穿出，液压缸导杆9下部依次安装固定有法向力传感器14、切向力传感器12以及长方体或正方体形的制动块17，制动块的三个侧面上分别经螺栓固定有一个夹具13，每个夹具13上粘接有一个弹簧钢片11，每个弹簧钢片上均安装有一个压电元件15，制动块的另一个侧面上固定有三向力加速度传感器。

机座4结构为：机座4上表面开有多条相互平行的倒T字形槽口(参见图1A)，下部去除了多余材料，呈倒U字形以降低重量(一是为了节省材料，二是为了降低重量，方便搬运和安装)。

参见图3，电机模块3结构为：长方体两相对面贯通的中空支座21通过地脚螺栓固定在机座4上(两个螺栓位于机座的一条倒T字形槽口上，另外两个螺栓位于机座的另一条倒T字形槽口上)，伺服电机20安装在中空支座21内，电机输出轴伸出中空支座21，所述制动盘19通过螺栓与法兰盘18连接，并固定在输出轴上部；

参见图4、图5、图6、图7，弹簧钢片1为单晶悬臂梁、双晶L形梁、单晶螺旋形梁或者单晶之字形梁，上述四种弹簧钢片上分别粘贴一个、两个、三个和一个压电元件，弹簧基底和压电元件可以更换不同的材料、结构和尺寸(弹簧基底采用不同的材料、结构和尺寸可以使压电元件受到的振动频率发生改变，实现对更广泛的频谱范围内摩擦振动信号的响应；压电元件采用不同材料、结构、尺寸可以使摩擦振动能量回收的效率发生变化)，以探究在同一工况下弹簧基底和压电元件不同材料、结构、尺寸对于摩擦振动能量回收效率的影响。

参见图2、图2A，加载模块结构为：顶板6通过螺栓固定在两块支撑板2(位于中空支座以外)顶部，两块支撑板2内部均打了两个圆形通孔，可节省材料，降低装置重量，支撑板2底部两侧均有平台用于安装地脚螺栓，通过地脚螺栓固定在机座4的倒T字形槽口上 (参见图1、图1A)，液压缸5安装在顶板6的上表面，竖板8固定在呈水平位置的顶板6 底面，轴承座10安装在竖版8上，直线轴承7安装在轴承座10上，液压缸导杆9通过直线轴承7内圈，液压缸导杆9下部还安装有法向力传感器14、切向力传感器12，切向力传感器12下端粘连着底板16，制动块17粘接在底板16底部，制动块17的三个侧面均与不同朝向的夹具13通过螺钉连接，弹簧钢片11粘接在夹具13上(夹具也可为定位架，主要负责定位压电元件的方向，采用粘接的方式，操作较为方便，便于更换不同长度的弹簧钢片)，压电元件15粘接在弹簧钢片11上，三向加速度传感器粘接在制动块17的最后一个侧面上；制动盘19与制动块17的接触界面附近还设置有声音传感器。还具有用作控制液压缸工作的液压控制系统。还具有用作采集由压电元件输出的法向、切向和径向这三个方向压电电荷的电源管理电路。还具有用作采集由压电元件输出的法向、切向和径向这三个方向压电电荷的信号采集仪。制动盘19与制动块17的接触界面处加装有气氛罩或环境箱。