一种串并联可调的层叠式液压压电能量俘获装置

1.本发明涉及一种液压压电能量俘获装置，具体涉及一种串并联可调的层叠式液压压电能量俘获装置。


背景技术：

2.随着中国工业的高速发展，液压系统在众多的领域中被广泛地应用，当系统运行时，管道中产生的压力脉动将会造成设备振动和噪声污染的不利影响，且其流致振动能量也会因为无法利用而产生浪费。近年来，国家对节能环保的要求在不断提高，流致振动压电俘能技术也正在被广泛研究中。目前，在国内外对于能量收集技术的研究中的热点，是采用压电材料的压电式俘能技术，此技术利用了流固耦合效应，当压电材料在阻流过程中发生形变时会产生电能。这一项技术具有多种优点，包括结构简单、无电磁干扰、无污染、不发热、易于集成化等。
3.然而，现阶段压电能量俘获装置仍存在一些不足，单片压电片的功率较低，难以满足低电功耗元件的需求；压电能量俘获装置在安装后，其电压与电流无法调节，导致装置仅能配合特定元件使用，泛用性不高、灵活性较低；在高压的液压系统中密封与绝缘仍有很多问题，且压电片受到的脉动压力较大，压电片损坏的可能性更高，增加了维护成本。为了改善这一状况，亟需开发一种功率更大、效率更高、泛用性更好、灵活性更高的压电能量俘获装置，提高对管道中流致振动能量的收集效率。


技术实现要素：

4.针对液压系统中流体介质流动所产生的流致振动，本发明设计了一种串并联可调的层叠式液压压电能量俘获装置。为解决单片压电片功率较低的问题，本发明将多个压电片进行层叠配置。为了提高装置泛用性和灵活性，本发明采用压电片串并联可调的方式，将每个压电片的正负极用导线引出，方便将电能传输到外部低电功耗元件，并进行压电片的任意片数的串并联组合；为了解决装置在高压的液压系统中的密封和绝缘的问题，本发明在装置中注入了绝缘胶，用以保护压电片，降低其损坏的概率，减少漏电情况的发生，降低装置的维护成本；使用水密接头，与导线连接，并对绝缘胶进行密封；在装置中注入了润滑油，用以减小摩擦损耗，提高发电效率，减少漏电情况的发生；本发明在装置的空腔中安装了用于导流的导流孔板，使流体压力能够更加充分的作用于压电片上，提高发电效率。
5.一种串并联可调的层叠式液压压电能量俘获装置，包括壳体、导流孔板、绝缘底座、绝缘薄膜、压电片、绝缘压环、堵头、端盖、水密接头、导线、密封圈、缓冲块、绝缘胶、润滑油；壳体中间为壳体空腔，外围直径大小不同，呈阶梯形状，壳体小直径部分的一端设有外螺纹用于连接管道系统，另一端设有内螺纹用于连接导流孔板，壳体大直径部分的中部设有螺纹孔用于注入润滑油并连接堵头，壳体大直径部分的端面设有内螺纹用于连接端盖；端盖外围直径大小不同，呈阶梯形状并设有螺纹孔用于连接水密接头，其中大直径部分的外侧设有螺纹，用于连接壳体；绝缘底座紧贴壳体空腔内直径变化一侧的端面，其两侧通过
密封圈密封；绝缘薄膜、压电片、绝缘压环、缓冲块构成压电能量俘获组件；压电能量俘获组件有绝缘薄膜的一侧通过绝缘底座端面定位，另一侧用端盖的大直径部分的端面进行定位；所述的压电能量俘获组件中的压电片、绝缘压环、缓冲块有n组，n为大于等于2的正整数，靠近绝缘底座一侧的压电片与绝缘底座之间安装有与压电片直径相同的绝缘薄膜，紧靠端盖的缓冲块的侧面与邻近端盖面通过密封圈进行密封，压电片的正负极通过导线穿过绝缘压环、压电片、缓冲块、端盖所设的孔与水密接头连接；在一组压电片、绝缘压环、缓冲块的组合中，缓冲块的外侧紧靠绝缘压环的内侧，缓冲块和绝缘压环的两端面分别紧贴相邻的两压电片的不同面。
6.进一步地，所述的导流孔板设有一个直孔、四个对称分布的沿流向向外扩散的斜孔用于导流，使得流体压力更加均匀地作用于压电片上，从而使压电片的变形更加充分，增加发电效率，设有内六角槽用于上紧导流孔板。
7.进一步地，所述的压电能量俘获组件中，压电片的正负极通过导线穿过绝缘压环、压电片、缓冲块、端盖所设的孔与水密接头进行连接，用于实现n个压电片(n为大于等于2的正整数)不同组合的串并联的调节与转换，提高装置泛用性和灵活性；所述的绝缘胶通过绝缘压环、压电片、端盖、缓冲块设置的孔注入装置中，同时使用水密接头进行密封，用于保护压电片、降低过大的流体压力所产生的影响，使装置能够在更加复杂的环境下更加稳定的工作。
8.进一步地，所述的润滑油通过壳体、绝缘压环设置的孔注入装置中，用于对绝缘压环进行润滑，降低其移动时的摩擦，从而减少能量损耗以增加发电效率。所述的绝缘底座、绝缘压环设有密封圈固定槽用于固定密封圈，可以防止高压液体、绝缘胶泄漏，同时可以配合堵头防止润滑油泄漏；所述的绝缘压环与绝缘底座的连接处、两个相邻绝缘压环的连接处涂密封胶，用于防止润滑油泄漏。
9.进一步地，所述的绝缘压环所用材料的弹性模量大于缓冲块所用材料的弹性模量、缓冲块的弹性模量大于绝缘胶的弹性模量。采用弹性材料可以更好地保护压电片，同时材料的弹性模量的差别保证了压电片能够正常变形。当流体压力过大时，缓冲块会起到缓冲作用；当压电片发生形变还原时，缓冲块能够起到很好的促进作用。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
11.(1)本发明采用n个压电片(n为大于等于2的正整数)层叠式装配并用导线将其正负极引出与水密接头连接，使其能够实现n个压电片(n为大于等于2的正整数)任意组合的串并联调节，提高了装置的泛用性和灵活性，同时能够对装置进行良好的密封。
12.(2)本发明采用导流孔板将流体压力更加均匀地作用于压电片上，能够使其更加充分地形变，提高了装置的发电效率。
13.(3)本发明在壳体、绝缘压环之间的空腔内注入润滑油，有效降低了壳体与绝缘压环之间的摩擦，降低了能量的损耗，提高了装置的发电效率。
14.(4)本发明在压电片、缓冲块、绝缘压环之间的空腔内注入绝缘胶，能够更好地对压电片进行保护，减少漏电情况的发生，降低高压液压环境产生的影响，降低装置的维护成本，使其可应用于更复杂的场合之中。
附图说明
15.图1是本装置在安装三片压电片时的整体结构示意图；
16.图2是壳体的结构示意图；
17.图3是导流孔板的结构示意图；
18.图4是绝缘底座的结构示意图；
19.图5是绝缘压环a、绝缘压环b、绝缘压环c的结构示意图；
20.图6是带孔压电片a、带孔压电片b的结构示意图；
21.图7是端盖的结构示意图；
22.图8是缓冲块c的结构示意图；
23.上述图中标识为：1、壳体；2、导流孔板；3、绝缘底座；4、绝缘薄膜；5、压电片；6、绝缘压环a；7、绝缘压环b；8、堵头；9、带孔压电片a；10、带孔压电片b；11、绝缘压环c；12、端盖；13、水密接头；14、导线；15、密封圈d；16、密封圈c；17、缓冲块c；18、绝缘胶；19、润滑油；20、缓冲块b；21、密封圈b；22、缓冲块a；23、密封圈a；1.1、外螺纹；1.2、内螺纹；1.3、6.2、7.2孔；1.4、内螺纹；2.1、直孔；2.2、斜孔；2.3、外螺纹；2.4、内六角槽；3.1、3.2、11.2、11.3、密封圈固定槽；6.1、7.1、9.1、10.1、11.1、12.2、17.1、引流引线孔；12.1外螺纹；12.3、螺纹孔。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合安装三片压电片的压电能量俘获装置的附图，对本发明进行进一步详细说明。
25.图1为本发明一种的实施例，包括壳体(1)、导流孔板(2)、绝缘底座(3)、绝缘薄膜(4)、压电片(5)、绝缘压环a(6)、绝缘压环b(7)、堵头(8)、带孔压电片a(9)、带孔压电片b(10)、绝缘压环c(11)、端盖(12)、水密接头(13)、导线(14)、密封圈d(15)、密封圈c(16)、缓冲块c(17)、绝缘胶(18)、润滑油(19)、缓冲块b(20)、密封圈b(21)、缓冲块a(22)、密封圈a(23)；壳体(1)中间为壳体空腔，外围直径大小不同，呈阶梯形状，壳体(1)小直径部分的一端设有外螺纹用于连接管道系统，另一端设有内螺纹用于连接导流孔板(2)，壳体(1)大直径部分的中部设有螺纹孔用于注入润滑油(19)并连接堵头(8)，壳体(1)大直径部分的端面设有内螺纹用于连接端盖(12)；端盖(12)外围直径大小不同，呈阶梯形状并设有螺纹孔用于连接水密接头(13)，其中大直径部分的外侧设有螺纹，用于连接壳体(1)；绝缘底座(3)紧贴壳体空腔内直径变化一侧的端面，其两侧通过密封圈a(23)、密封圈b(21)密封；绝缘薄膜(4)、压电片(5)、带孔压电片a(9)、带孔压电片b(10)、绝缘压环a(6)、绝缘压环b(7)、绝缘压环c(11)、缓冲块a(22)、缓冲块b(20)、缓冲块c(17)构成压电能量俘获组件；压电能量俘获组件有绝缘薄膜(4)的一侧通过绝缘底座(3)端面定位，另一侧用端盖(12)大直径部分的端面进行定位；压电片(5)与绝缘底座(3)之间安装有与压电片(5)直径相同的绝缘薄膜(4)，缓冲块(17)的侧面通过密封圈(16)密封，临近端盖面通过密封圈(15)进行密封，压电片(5)、带孔压电片a(9)、带孔压电片b(10)的正负极通过导线(14)穿过绝缘压环a(6)、绝缘压环b(7)、绝缘压环c(11)、带孔压电片a(9)、带孔压电片b(10)、缓冲块c(17)、端盖(12)所设的孔与水密接头(13)连接。
26.所述的壳体(1)中，设有外螺纹(1.1)用于连接管道系统，设有内螺纹(1.2)用于连接导流孔板(2)，设有孔(1.3)用于注入润滑油(19)以及连接堵头(8)，设有内螺纹(1.4)用
于连接端盖(12)；所述的导流孔板(2)设有一个直孔(2.1)、四个对称分布的沿流向向外扩散的斜孔(2.2)用于导流，使得流体压力更加均匀地作用于压电片(5)、带孔压电片a(9)、带孔压电片b(10)上，从而使它们变形更加充分，设有内六角槽(2.3)用于上紧导流孔板(2)。
27.所述绝缘底座(3)设有密封圈固定槽(3.1)、密封圈固定槽(3.2)用于固定密封圈a(23)、密封圈b(21)；绝缘压环c(11)设有密封圈固定槽(11.2)、密封圈固定槽(11.3)用于固定密封圈c(16)、密封圈d(15)以防止绝缘胶(18)泄漏并配合堵头(8)防止润滑油(19)泄漏；所述的绝缘压环a(6)与绝缘底座(3)的连接处、绝缘压环a(6)与绝缘压环b(7)的连接处、绝缘压环b(7)与绝缘压环c(11)的连接处涂密封胶，用于防止润滑油泄漏。
28.所述的绝缘压环a(6)、绝缘压环b(7)、带孔压电片a(9)、带孔压电片b(10)、绝缘压环c(11)、端盖(12)、缓冲块c(17)中，设有孔(6.1)、孔(7.1)、孔(9.1)、孔(10.1)、孔(11.1)、孔(12.2)、孔(17.1)用于引出导线(14)并灌注绝缘胶(18)用于保护压电片(5)、带孔压电片a(9)、带孔压电片b(10)，降低过大的流体压力所产生的影响，减少漏电情况的发生，使它们能够在更加复杂的环境下更加稳定的工作；所述的端盖(12)设有一个螺纹孔(12.3)用于连接水密接头(13)以防止绝缘胶(18)泄漏并实现串并联调节；所述的绝缘压环a(6)、绝缘压环b(7)设有孔(6.2)、孔(7.2)于注入润滑油(19)，用于对绝缘压环a(6)、绝缘压环b(7)、绝缘压环c(11)进行润滑，降低其变形移动时受到的摩擦，从而减少能量损耗以增加发电效率。
29.所述绝缘压环a(6)、绝缘压环b(7)、绝缘压环c(11)采用材料的弹性模量大于缓冲块a(22)、缓冲块b(20)、缓冲块c(17)所用材料的弹性模量；缓冲块a(22)、缓冲块b(20)、缓冲块c(17)所用材料的弹性模量大于绝缘胶(18)的弹性模量。
30.所述一种串并联可调的层叠式液压压电能量俘获装置的此实施例的工作原理为：流体进入装置后，经过导流孔板(2)的导流，流体所产生的压力脉动将更加均匀地作用于压电片(5)上，此时压电片(5)发生形变，同时将压力传递给与之层叠在一起的缓冲块a(22)、缓冲块b(20)、缓冲块c(17)和带孔压电片a(9)、带孔压电片b(10)，使它们一同发生形变；当没有压力时，缓冲块a(22)、缓冲块b(20)、缓冲块c(17)将会辅助压电片(5)、带孔压电片a(9)、带孔压电片b(10)恢复至初始状态。压电片(5)、带孔压电片a(9)、带孔压电片b(10)在不停地形变过程中，会产生电能，此时通过导线(14)将压电片(5)和带孔压电片a(9)、带孔压电片b(10)的正负极与水密接头(13)相连接，以此实现串并联的可调节，最终将电能传输至外部低电功耗元件，实现对其供电或蓄电。
31.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做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。