多振子串联压电俘能器性能分析与测试

为实现低频、大振幅、高强度振动能量回收,提出多振子串联压电振动俘能器,在理论、试验两方面研究压电振子数量/电学连接方式、集中质量及激励频率等对其性能影响规律。结果表明,增加集中质量及压电振子数量均可有效降低俘能器基频、提高发电量/输出功率;压电振子电学串/并联时输出电压及使输出功率最大、最佳负载不同,但产生的电能及在最佳负载下的输出功率相同。制作1/2/4组压电振子构成的俘能器,进行不同集中质量、频率、压电振子电学连接方式及负载的对比试验。单组压电振子在集中质量292 g的最佳频率及发电量分别为集中质量36.5 g的0.6倍、1.92倍;4组压电振子电学并联时的最佳频率及发电量分别为单组的0.58倍、2.2倍;两组压电振子电学串/并联的最佳负载及最大输出功率分别为42.3/10.6 kΩ、232.8/202.7 mW。     

液压流体吸振器用圆形压电发电装置的建模与性能分析

提出一种用于液压流体吸振器的压电发电装置。为提高所用圆形压电振子的发电能力,获得最优的结构及材料性能参数,利用板壳理论建立了固支边界条件下的位移曲线及发电量的理论分析模型,研究了半径比(陶瓷/基板)、厚度比(陶瓷/总厚度)及弹性模量比(基板/陶瓷)等对其发电能力的影响规律。研究表明,在压电振子材料确定时,存在最佳的半径比和厚度比使其发电能力最大;在压电振子结构尺寸确定时,存在最佳的弹性模量比使发电量最大,且厚度比确定时的最佳弹性模量比与半径比无关、半径比确定时的最佳弹性模量比随厚度比的减小而降低;减小弹性模量比有助于提高压电振子的发电能力。铝基板及铍青铜基板压电振子的最佳半径比/厚度比分别为0.45/0.45和0.585/0.60,最大发电量分别为1.146 43×10-4J和1.018 93×10-4 J。     

腔高对压电液压驱动器性能的影响

为满足大行程、高输出力精密驱动及振动控制的需求,设计了压电叠堆隔膜泵驱动的压电液压驱动器并进行了试验.利用实际液体可压缩的特性,建立了压电液压驱动器理论分析模型,分析了液体体积模量以及压电泵腔高对其输出性能的影响规律.结果表明,其他结构参数确定时压电液压驱动器输出能力随液体体积模量的减小而降低,并存在最佳腔高使其输出能力最大.利用尺寸为4 mm×4 mm×80 mm的压电叠堆制作了泵腔直径30 mm、高度分别为0.3 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.3 mm的压电泵,用于驱动尺寸为20×100 mm3的液压缸.以水为工作介质,在电压150 V、频率60～400 Hz条件下测试了驱动器的输出速度及驱动力.工作频率为300 Hz时,腔高0.6 mm(最佳值)时的输出速度为13.2 mm/s,分别为腔高0.3 mm和1.3 mm时的1.1倍和2.28倍;工作频率为80Hz时,腔高0.3 mm(最小腔高)时的驱动力为105 N,是腔高1.3 mm时驱动力的2.3倍,说明选取合理的泵腔高度可有效提高驱动器的输出性能.     

基于SD振子理论的浮置板几何非线性隔振器研究

基于SD(smooth and discontinuous)振子几何非线性理论,根据城市轨道交通实际载荷条件和隔振需求,对钢弹簧浮置板隔振器的非线性刚度曲线及其浮置板轨道系统的动态性能进行优化设计,研发了一种浮置板用几何非线性隔振器,其同时具有良好的低频隔振性能和振动位移控制能力。对非线性隔振器进行了理论分析、结构参数设计、仿真分析及试验验证,研究表明:非线性隔振器对浮置板的振动位移具有较好的控制能力和低频隔振效果,单隔振器试验表明,相对传统的钢弹簧隔振器,非线性隔振器后浮置板的振动位移可以降低40%以上;隔振器支反力在4 Hz, 6 Hz, 8 Hz, 11 Hz, 15 Hz和20 Hz分别有3.25%,15.47%,18.77%,25.18%,31.27%和37.60%的振动衰减量。     

二维声学黑洞应用于压电振动能量收集

声学黑洞(acoustic black hole, ABH)效应可以产生强烈的能量集中,能够将高频率低振幅的低品质振动能量转化为高振幅的高品质振动能量,从而便于利用。提出并研究了一种环形二维声学黑洞压电能量收集装置。有限元分析结果表明,环形二维ABH结构能在宽频域内显著提高能量收集效率。搭建了环形二维声学黑洞压电能量收集器试验测试平台,通过试验验证了仿真结果的正确性。与经典二维ABH结构相比,环形二维ABH结构具有更好的能量收集效率和结构强度。分析了压电片几何尺寸等因素对装置能量收集效率的影响,得到了能获得较高输出功率的几何尺寸范围,并进行了正交试验设计,研究了截断厚度、压电片尺寸、中央平台直径、幂指数等多因素的综合影响。     

聚丙烯压电驻极体的振动能量采集研究

以线性聚丙烯(PP)为原材料,经压缩气体膨化处理和电晕极化处理后,使其具有压电效应,并将其应用在振动能量采集器中。结果表明,PP压电驻极体在厚度方向上的弹性模量和机械品质因数(FOM,d33·g33)分别为1.7 MPa和8.4GPa~(-1),利用面积为3.14cm~2单层膜进行能量采集,当振子质量为25.6,33.7和57.7g时,其共振频率分别为2 300,2 000和1 800 Hz,在各自的匹配负载条件下,获得的输出功率分别为10.1,13.2和16.9μW/g~2。将两片PP膜电学串联,当振子质量为33.7g时,在共振频率1 400Hz和匹配负载4.3 MΩ的条件下,可以获得的输出功率为15μW/g~2。     

厚度振动模态优化设计

实际工作中,压电陶瓷圆片振子的尺寸是有限的,振子在厚度振动基频处与径向振动高阶模有较强的耦合作用。通过理论计算和有限元仿真分析耦合作用的影响。为优化厚度振动模态,提出在压电圆片振子的中心打孔的方法,用孔径大小来调节径向高阶振动频率。实验证明压电圆片振子在中心打孔对优化厚度振动模态有效。     

减振缓冲的钢丝绳隔振器

一、钢丝绳隔振器 隔振器和冲击隔振器的种类很多,本文介绍一种新型的非线性隔振器,它既能吸收冲击的能量,又能隔离高低频振动,也能衰减掉隔振器本身的驻波效应。 隔振器的形状如图1所示,弹簧材料为一种多股不锈钢丝绳,隔振器的刚度和阻尼取决于钢丝绳直径、钢丝绳的股数,长度、圈数和缠绕式式。阻尼特性与隔振器的变形有关,因为当隔振器振幅足够大时,钢丝绳各股之间发生摩擦,消耗振动能量干摩擦阻     

船舶管路系统弹性隔振试验

针对船舶某管路系统夹环隔振和弹性隔振两种隔振方式,采用激振器和水泵两种激励源对该管路系统进行激励试验,并用振动测量系统采集隔振器的振动加速度值,通过频谱分析方法分析振级落差来评判两种隔振方式的隔振效果,为正确选用管路系统弹性隔振方式提供理论依据。试验结果表明,激励源对管路隔振性能影响很大,弹性隔振器能有效控制低频管路振动,降低传递到试验平台板上的振动能量,其隔振效果优于一般的管路隔振器。     

声桥系统压电植入振子力学建模及参数优化

根据作用于圆窗的压电式振动声桥的工作原理,建立了压电振子与圆窗耦合的动力学模型,由此推导出该模型的电-机能量转化的传递函数.通过在Matlab环境中进行仿真试验,讨论了压电应变常数、振子支座质量及支座刚度等参数对传递函数的影响,并分别优化了各个参数.研究结果为新型振动压电植入振子的研制奠定了理论基础.     

Triboelectric energy harvesting with surface-charge-fixed polymer based on ionic liquid

A novel triboelectric energy harvester has been developed using an ionic liquid polymer with cations fixed at the surface. In this report, the fabrication of the device and the characterization of its energy harvesting performance are detailed. An electrical double layer was induced in the ionic liquid polymer precursor to attract the cations to the surface where they are immobilized using a UV-based crosslinking reaction. The finalized polymer is capable of generating an electrical current when contacted by a metal electrode. Using this property, energy harvesting experiments were conducted by cyclically contacting a gold-surface electrode with the charge fixed surface of the polymer. Control experiments verified the effect of immobilizing the cations at the surface. By synthesizing a polymer with the optimal composition ratio of ionic liquid to macromonomer, an output of 77 nW/cm² was obtained with a load resistance of 1 MΩ at 1 Hz. This tuneable power supply with a μA level current output may contribute to Internet of Things networks requiring numerous sensor nodes at remote places in the environment.     

双弹簧电液激振缸振幅补偿性能的研究

传统的电液激振缸随着激振频率的提高,振动幅值急剧衰减,振幅补偿性能变差。为了解决这一问题,设计了一种双弹簧电液激振缸结构。分析了双弹簧电液激振缸的工作原理,建立了其数学模型和AMESim仿真模型,研究了激振频率、补偿弹簧刚度对其活塞杆位移的影响。结果表明：当激振频率为28 Hz、补偿弹簧刚度为31 N/mm时,激振缸活塞杆的位移增大6.24 mm,相比同一条件下的传统电液激振缸增大了15倍多;在双弹簧电液激振缸的工作过程中,其活塞杆位移振幅存在振荡区和稳定区,稳定区内的振幅大小直接决定了振幅补偿效果的优劣;在补偿弹簧刚度一定的情况下,活塞杆位移振幅不与激振频率呈简单的正相关或负相关关系,而在某一激振频率下谐振现象最明显,能使振幅补偿效果达到最优;激振频率不同,则补偿弹簧最优刚度不同,随着激振频率的提高,补偿弹簧刚度应相应增大。相比于传统的电液激振缸,双弹簧电液激振缸的振动幅值有较大提升,在工程应用中能取得更好的振幅补偿效果。     

振动能量回收的液电减振装置设计与测试

振动能是环境中广泛存在的,为了减小振动的负面影响,这些振动能常常被人们设计的减振装置所耗散,造成了能量浪费。提出一种能够将振动能转换成电能的减振装置,采用液压传动发电的原理进行设计,制作了试验样机,并在实验平台上进行测试。实验结果表明,振动激励频率和负载电阻对收集的电能都有影响,当采用2 Ω负载电阻,频率为1 Hz的正弦振动激励条件下,最大瞬时发电功率可达到49 W。因此,将减振装置运行过程中的部分振动能转换为电能是可行的。     

Dielectric and piezoelectric properties of CeO2-added nonstoichiometric (Na0.5K0.5)0.97(Nb0.96Sb0.04)O3 ceramics for piezoelectric energy harvesting device applications

In this study, nonstoichiometric (Na(0.5)K(0.5))(0.97)(Nb(0.96)Sb(0.04))O(3) ceramics were fabricated and their dielectric and piezoelectric properties were investigated according to the CeO(2) addition. In this ceramic composition, CeO(2) addition improved sinterability, electromechanical coupling factor k(p), mechanical quality factor Q(m), piezoelectric constant d(33), and g(33). At the sintering temperature of 1100°C, for the 0.2wt% CeO(2) added specimen, the optimum values of density = 4.359 g/cm(3), k(p) = 0.443, Q(m) = 588, ε(r) = 444, d(33) = 159 pC/N, and g(33) = 35 × 10(-3) V·m/N, were obtained. A piezoelectric energy harvesting device using 0.2 wt% CeO(2)- added lead-free (K(0.5)Na(0.5))(0.97)(Nb(0.96)Sb(0.04))O(3) ceramics and a rectifying circuit for energy harvesting were fabricated and their electrical characteristics were investigated. Under an external vibration acceleration of 0.7 g, when the mass, the frequency of vibration generator, and matching load resistance were 2.4 g, 70 Hz, and 721 Ω, respectively, output voltage and power of piezoelectric harvesting device indicated the optimum values of 24.6 mV(rms) and 0.839 μW, respectively-suitable for application as the electric power source of a ubiquitous sensor network (USN) sensor node.     

共振频率可调式非线性压电振动能量收集器

振动能量回收技术能够将环境中的机械振动能转换成电能,进而为微功耗装置供电,具有良好的应用前景。设计了一种利用压电材料的新型振动能量收集器,该机电耦合结构由一对非对称压电悬臂梁组成,悬臂梁末端固定有永磁体,利用永磁体产生的非线性力,实现了悬臂梁共振频率与外界激振频率的匹配调节。提出了该结构的理论模型,借助Matlab/Simulink数值分析软件对理论模型进行了仿真分析,并通过实验进行了验证。实验结果表明外界激励加速度幅值为3 m/s~2的时,结构即能实现较大频带范围内的频率匹配调节,频带范围不低于6.5Hz,最大回收功率不低于2 mW。     

液态CO2爆破系统地震波时频分析

为了研究液态CO_2爆破系统地震波时频特性,现场微震监测试验获得液态CO_2爆破地震波信号,根据爆破地震波信号具有非平稳的特点,首先采用自适应最优核时频分析方法对地震波信号的基本时频特征进行研究,在此基础上通过结合小波包变换分解与重构技术和自适应最优核时频分析方法,对地震波信号的能量分布进行了精细化分析。结果表明:液态CO_2爆破地震波的衰减速度较快,震动速度处于很低的水平;主频范围在30~70 Hz之间,持续时间约为20~30 ms;能量主要分布在0~125 Hz,由两个两个主要区域组成,表明在液态CO_2爆破作用过程中高压流体产生两次不同峰值压力的爆炸冲击波。     

Electrolysis-based diaphragm actuators

This work presents a new electrolysis-based microelectromechanical systems (MEMS) diaphragm actuator. Electrolysis is a technique for converting electrical energy to pneumatic energy. Theoretically electrolysis can achieve a strain of 136?000% and is capable of generating a pressure above 200?MPa. Electrolysis actuators require modest electrical power and produce minimal heat. Due to the large volume expansion obtained via electrolysis, small actuators can create a large force. Up to 100?μm of movement was achieved by a 3?mm diaphragm. The actuator operates at room temperature and has a latching and reversing capability.     

Effect of subgrade on piezoelectric energy harvesting under traffic loads

Piezoelectric energy harvesting in roads generated by traffic loads was theoretically and experimentally investigated, and an indoor model of a layered road for piezoelectric transformation was developed using the traffic load model groove. Elastic double-layer beams resting on the subgrade soil were used to consider piezoelectric energy harvesting under traffic loads. Based on the vibration differential equations of elastic double-layer beams, the electromechanical equation was obtained using the Fourier transform. The experimental results of the piezoelectric energy harvesting were close to the theoretical ones, which indicated that the proposed method was useful in predicting piezoelectric energy harvesting from roads under traffic loads. The results also show that the influence of the transducer position on the output voltage and power should be considered, and that the thickness of the concrete panel and the condition of the subgrade soil can affect the output voltage and output power of the piezoelectric transducer. Moreover, the electrical energy was proportional to the vibration frequency and the excitation load.     

基于脉冲液流换能器的振动能量回收原理与实验研究

针对自供电磁流变阻尼调节系统的能量供给问题,提出基于脉冲液流换能器的振动能量回收方法,通过振动能-液流能-机械能-电能的变换,实现振动能量回收。建立了基于齿轮马达、飞轮和永磁发动机的脉冲液流换能器分析模型,利用Matlab软件对正弦振动下换能器的电压输出特性、功率转换特性和转换效率进行仿真。为验证理论分析的正确性,设计制作了基于脉冲液流换能器的振动能量回收装置,利用J95-I减振器测试台上对振动能量回收装置实验测试,比较了正弦激励条件下换能器的理论电压特性与实测电压特性、理论转换效率与实验转换效率。实验研究表明,脉冲液流换能器是能够实现振动能量的转换,在带30 负载情况下,效率可以达到 46.85%,平均输出功率可以达到37.4W。     

锥角参数对单向聚能药柱爆破破岩效果的影响

为研究聚能穴锥角参数对爆炸应力和岩石损伤破裂范围的影响,以获得最优的聚能穴参数,从而达到最佳的破岩效果,利用有限元模拟软件LS DYNA建立了6种锥角参数下的单向聚能药柱模型。锥角的深度为15 mm,6种锥角高度分别为10、12、14、16、18 mm和20 mm。研究了岩石裂纹扩展的影响规律,测得聚能方向与非聚能方向上不同位置的有效应力,得到不同锥角参数对应的岩石单元的最大破坏距离。结果表明:聚能锥角会对爆破产生定向作用,特别是对岩石破碎和拉伸裂纹所带来的破岩效果影响明显;当锥角高度为10 mm时,距炮孔25 cm测点处聚能方向上的有效应力比非聚能方向同样距离处高110.8 MPa,同时,聚能方向上单元损伤比要比非聚能方向高21%,聚能效果最佳;随着锥角高度逐渐增大,聚能方向上岩石裂纹逐渐减少,裂纹分叉减少,单元破坏最大距离可达108.1 cm,并且呈下降趋势。