一种环形阵列式预压可调的压电俘能器

1.本发明涉及一种俘能器，具体涉及一种环形阵列式预压可调的压电俘能器。


背景技术：

2.随着中国工业的高速发展，液压与气动系统被广泛于工程机械、冶金、机床、轻纺、汽车和农业机械等众多领域。在这众多工业场合中，流体的传动都需要依靠管道输送，管道是流体传输和控制中不可或缺的系统元件。当液压或气动设备正常运行时，管道中势必会存在压力脉动，在引起设备振动和噪声污染的同时更会造成这些丰富的流致振动能量被浪费。
3.近年来，国家对节能环保的要求不断提高，流致振动压电俘能技术也得以广泛研究。其中，采用压电材料的压电式俘能技术是目前国内外能量收集技术研究的热点。该技术通过流固耦合效应利用压电材料在阻流过程中发上形变，进而产生电能，具有结构简单、无电磁干扰、无污染、不发热、易于集成化等优点。但现阶段国内对压电俘能器的研究功能过于单一、能量收集效率低下，为提高对管道中流致振动能量的收集效率，即开发一种功能更多、效率更高、实用性更强的压电俘能器，这对流致振动能量的收集、流体传动设备的节能具有十分重要的现实意义。


技术实现要素：

4.针对液压或气动系统中流体介质流动所产生的流致振动，本发明设计了一款多功能压电俘能器，采用活塞往复运动形式带动触头触及压电片发生形变。为了增大俘能器的发电量，本发明将多个压电片进行环形阵列式排布；针对气动和液压系统的工况差异，本发明内置弹簧进行预压，即通过调节弹簧的压缩量来控制弹簧弹力，间接的来控制压电陶瓷的俘能频率，从而使俘能器在不同环境中更高效、更稳定的工作。
5.所述的一种环形阵列式预压可调的压电俘能器包括外壳体、下端盖、盖板、压电俘能组件、俘能控制组件和预压可调装置等。其中，压电俘能组件包括上内衬、下内衬、压电陶瓷片和弹性缓冲块；俘能控制组件包括活塞、主推杆、o型圈、格莱圈、花键、上推盘、触头螺栓、弹性触头和触头推杆等；预压可调装置包括弹簧、下推盘、预紧座和预紧旋钮等。
6.所述的外壳体为圆柱形壳体，其内部包含压力空腔和压电空腔，压力空腔侧外部为外螺纹，用于连接外部管道系统；压电空腔侧开有六个螺纹孔用于与螺栓进行螺纹连接来固定下端盖。所述的下端盖为圆柱形，其边缘开有六个盲孔用于螺栓固定，中间部位为预压可调装置固定孔，其中孔内部设有内螺纹和矩形凹槽，内螺纹用于连接预压可调装置的预紧座，矩形凹槽用于限定下推盘只能进行上下滑动；围绕下端盖的中轴线阵列出多个圆形压电俘能组件固定槽，用于放置压电俘能组件。
7.所述的压电俘能组件中的上内衬和下内衬均为不同截面形状的圆环形绝缘材质，弹性缓冲块为圆柱状橡胶材质。俘能器工作时，弹性触头触及压电片发生形变而产生电能，当管道系统中流体压力过大时，弹性缓冲块会起到缓冲作用；当压电片发生形变还原时，弹
性缓冲块也能起到很好地促进作用。
8.所述的俘能控制组件是通过流体介质流动产生的流致振动和弹簧弹力进行工作。活塞放置于外壳体的压力空腔内，并用o型圈和格莱圈进行密封，当工作介质为液体时，能有效避免流体进入压电空腔而造成压电元件损坏。
9.所述的上推盘、弹性触头和触头推杆放置于外壳体的压电空腔中，其中上推盘为圆盘形状，中间开有圆柱形固定孔，边缘阵列多个沉头孔口用于放置触头螺栓固定触头推杆；弹性触头为软材质，其作用是接触压电片后使压电片产生形变，上推盘沉头孔口、触头螺栓、触头推杆、弹性触头的数量均与下端盖的圆形压电俘能组件固定槽数量保持一致，且每组触头螺栓、触头推杆、弹性触头的中轴线均与相对应的圆形压电俘能组件固定槽中轴线重合。
10.所述的活塞和上推盘通过主推杆连接，花键置于外壳体和主推杆之间，其作用是为了保证主推杆上下滑动的同时防止因主推杆转动造成触头螺栓、触头推杆和弹性触头的中轴线与下端盖的圆形压电俘能组件固定槽中轴线发生偏离，进而最大程度保证压电片的形变效果。
11.所述的预压可调装置中各元件的放置顺序自上而下依次为弹簧、下推盘、预紧旋钮和预紧座。所述的弹簧为普通压缩弹簧，下推盘为圆柱形钢制材料中间开有螺纹孔，边缘部位加工有六个矩形限位凸起，与下底座上的六个矩形凹槽配合，共同完成下推盘的上下滑动。
12.所述的下推盘和预紧旋钮之间为螺纹连接，初始时下推盘与预紧座接触，此时弹簧处于轻微压缩，通过顶起上推盘进而顶起整个俘能控制组件，随着预紧旋钮转动，在螺纹作用下使下推盘向上滑动，从而弹簧被压缩，当下推盘与盖板接触后，下推盘无法再向上滑动，此时弹簧预压最大。
13.与现有技术相比，本发明能带来以下有益效果：
14.(1)本发明将液压与气动系统管路中流致振动所产生的能量利用压电俘能技术进行收集，用于驱动液压与气动系统中的低功耗元件或者变为电能进行储存。
15.(2)为了增大发电量，本发明采用环形阵列多个压电陶瓷此片进行发电，以此来增大发电量，提高能量收集效率。
16.(3)通过采用主动调整弹簧压缩量，使弹簧进行预压，压电俘能器可在不同工况下进行工作，解决了传统压电俘能器功能的单一性。
附图说明
17.图1是本发明的总装结构示意图；
18.图2是图1中ⅰ处的局部放大图；
19.图3是图1中a
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a截面的剖视图；
20.图4是外壳体的结构示意图；
21.图5是主推杆的结构示意图；
22.图6是上推盘的结构示意图；
23.图7是触头推杆的结构示意图；
24.图8是下端盖的结构示意图；
25.图9是下推盘的结构示意图；
26.图10是预紧旋钮的结构示意图；
27.图11是预紧座的结构示意图；
28.图12是压力空腔无压时弹簧预压最小的工作示意图；
29.图13是压力空腔有压时弹簧预压最大的工作示意图。
30.上述图中标识为：1、外壳体；2、活塞；3、主推杆；4、o型圈；5、格莱圈；6、上推盘；7、触头螺栓；8、触头推杆；9、弹性触头；10、盖板；11、壳体螺栓；12、下端盖；13、下推盘；14、预紧旋钮；15、预紧座；16、弹簧；17、下内衬；18、压电片；19、弹性缓冲块；20、上内衬；21、花键；22、导线；23、引线孔；24、盖板螺栓；25、螺母；1.1、3.1、3.3、14.2、外螺纹；1.2、压力空腔；1.3、花键限位口；1.4、螺纹孔；1.5、压电空腔；1.6、上推盘接触面；3.2、花键固定槽；3.4主推杆下底面；6.1、13.2、弹簧固定槽；6.2、沉头孔孔口；6.3、主推杆限位口；6.4、上推盘上底面；8.1、12.3、13.3、内螺纹；8.2、防滑凸起；12.1、压电固定槽；12.2、下推盘限位槽；12.4、通孔；13.1、限位凸起；14.1、预紧旋钮上底面；14.3、14.5、预紧旋钮限位面；14.4、手动旋钮；15.1、外六角平面；15.2、15.3、预紧限位槽槽面；15.4、预紧座上底面。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
32.图1、图2、图3是本发明的一种实施例，包括外壳体1、活塞2、主推杆3、o型圈4、格莱圈5、上推盘6、触头螺栓7、触头推杆8、弹性触头9、盖板10、壳体螺栓11、下端盖12、下推盘13、预紧旋钮14、预紧座15、弹簧16、下内衬17、压电片18、弹性缓冲块19、上内衬20、花键21、导线22、引线孔23、盖板螺栓24、螺母25。本实施例采用六个压电片环形阵列排布结构，下端盖上面的圆形压电俘能组件固定槽、上推盘沉头孔口、触头螺栓、触头推杆和弹性触头的数量也均为六个。
33.所述的外壳体1如图4所示，其内部包含压力空腔1.2和压电空腔1.5，压力空腔1.2侧外部为外螺纹1.1，用于连接外部管道系统；外壳体1上压电空腔1.5侧开有六个螺纹孔1.4用于固定下端盖12。下端盖12的结构如图8所示，其边缘开有六个通孔12.4用于螺栓11固定，中间部位为预压可调装置固定孔，其中孔内部设有内螺纹12.3和六个矩形凹槽12.2，内螺纹12.3用于连接预压可调装置的预紧座15的外螺纹15.5，预紧座结构如图11所示；矩形凹槽12.2用于限定下推盘13的13.1处只能进行上下滑动，下推盘结构如图9所示,弹簧固定槽13.2用于弹簧限位，内螺纹13.3与预紧旋钮14上的外螺纹14.2旋合连接；下端盖12的压电固定槽12.1用于放置压电俘能组件。
34.在所述的压电俘能组件中，上内衬20和下内衬17把压电片18包围在其中，弹性缓冲块19放置在压电片18的下方。压电俘能器工作时，弹性触头9接触压电片20发生形变而产生电能，当管道系统中流体压力过大时，弹性缓冲块19会起到缓冲作用；当压电片20发生形变还原时，弹性缓冲块19也能起到很好地促进作用。
35.所述的活塞2放置于外壳体1的压力空腔1.2内，并用o型圈4和格莱圈5进行密封，当工作介质为液体时，能有效避免流体进入压电空腔1.5而造成压电元件损坏；上推盘6、弹性触头9和触头推杆8放置于外壳体1的压电空腔1.5中，其中上推盘6中间开有圆柱形固定
孔，边缘阵列六个沉头孔口6.2；活塞2和上推盘6通过主推杆3进行螺纹连接，主推杆3结构如图5所示，上推盘6结构如图6所示，图5中的外螺纹3.1用于连接活塞8，外螺纹3.4用于拧紧螺母25以固定上推盘6，主推杆3的花键固定槽3.2和外螺纹3.3之前有一个矩形凸起，其作用是与上推盘6的主推杆限位口6.3配合，防止上推盘旋转。
36.所述的花键21置于主推杆3的花键固定槽3.2内，与外壳体1的1.3位置接触，其作用是为了防止主推杆3转动而带动上推盘6转动，从而防止弹性触头9位置发生偏置，进而最大程度保证压电片18的形变效果。所述的弹性触头9通过触头推杆8与上推盘6进行连接，触头推杆结构示意图如图7所示，其中内螺纹8.1与触头螺栓7进行装配固定在上推盘6的沉头孔口6.2处，防滑凸起8.2作用是固定弹性触头9。
37.又进一步的，在所述预压可调装置中下推盘13和预紧旋钮14之间的连接是内螺纹13.3和外螺纹14.2旋合连接，预紧旋钮与预紧座之间是通过图10中的预紧旋钮限位面14.3、14.5和图11中的预紧限位槽槽面15.2、15.3发生面接触。预紧旋钮14结构如图10所示，由于下推盘13在限位凸起13.1与下推盘限位槽12.2作用下只能进行上下滑动，所以当顺时针旋转预紧旋钮14上的手动旋钮14.4时，下推盘13只能向上移，逆时针旋转时，下推盘13只能向下移。在预压调节初始时，如图12所示下推盘13与预紧座15的预紧座上底面15.4接触，此时弹簧16处于轻微压缩，通过弹簧16顶起上推盘6进而顶起整个俘能控制组件，随着预紧旋钮14转动，使下推盘13向上滑动，从而弹簧16被压缩，当下推盘13与盖板10接触后，即如图13所示位置，下推盘13无法再向上滑动，此时弹簧16预压最大。
38.所述的压电俘能器的工作原理为：当外壳体1的压力空腔1.2中有压力时，由于空腔1.2中压力始终比弹簧16弹力大，故而俘能控制组件向下运动，使俘能控制组件的弹性触头9与压电片18接触，进而使的压电片18发生形变，当俘能控制组件向下运动直至主推杆3下底面3.4和预紧旋钮14上底面14.1接触时，此时预紧旋钮14顶住俘能控制组件；由于压力空腔1.2内流体介质的流致振动作用加上弹簧16有始终向上的弹力，使的俘能控制组件不停地上下滑动，进而使得压电片18不停地发生形变，从而不停地产生电能，并通过导线22把所产生的的电能进行储存或者直接对低功耗元件进行驱动。
39.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。