钢轨吸振器振动能量的多模态压电式俘能研究

提出一种结合钢轨吸振器与多模态压电式俘能器的新型振动能量回收技术,在有效减轻轨道振动的条件下,回收钢轨吸振器的振动能量为各类轨道监测设备供能.通过建立车轮-轨道-吸振器系统的振动分析模型,研究了能量回收模块对吸振器减振性能的影响规律,并使用谐响应分析研究了能量回收模块的发电能力.分析结果显示,当多模态能量回收装置安装在钢轨吸振器上时,不会对钢轨吸振器的减振性能产生明显影响.并且,多模态结构能有效拓宽0～600 Hz频率范围内的振动能量回收频带,提高振动能量的回收效率.     

阻尼吸振器与无阻尼吸振器吸振性能的比较

本文对阻尼吸振器及无阻尼吸振器的吸振性能作了分析与比较。同时，探讨了吸振器类型及其参数的选择方法。     

气体耦合式宽带/低频压电振动俘能器

为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制,提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理,对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明,俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的;其它条件确定时,存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率;增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率,但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9mm3双晶压电振子及Ф16×100mm3气缸制作了样机,测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明,俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55Hz左右;背压0.4 MPa、质量10kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25V输出电压有效带宽为9Hz/88V/72Hz,分别为质量2.5kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。     

吸振器的优化设计

针对目标函数结构复杂,不易求得偏导数,以及非优化参数是变值等问题,本文提出了优化设计程序,并进行了实例的优化计算,取得了理想的结果。本文的优化设计适用于各种类型的吸振器设计。     

可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器

针对现有风致振压电俘能器工作风速范围窄、高风速下振幅过大等问题,提出一种可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器,主要由可变形式翼型钝体、悬臂梁以及压电组合梁构成,钝体的弹性翼受风力影响产生形变,从而实现系统振动特性的自我调节,以期提高俘能器的环境适应性。建立了俘能器的COMSOL有限元模型,通过仿真与试验分析了风速对其钝体形状及振动特性的影响,并获得了迎风角和弹性翼厚对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：选取迎风角120°和弹性翼厚0.15 mm时俘能器的工作风速范围达到21 m/s,且当风速小于8 m/s时,弹性翼变形较小,系统以驰振为主,输出电压随风速增加而增大;当风速在8～17 m/s时,弹性翼形变量进一步增大,系统由驰振逐渐向涡振转变,输出电压变化较小;当风速在17～25 m/s时,钝体因弹性翼变形过大呈弯弧状,系统以涡振为主,其振幅被有效控制,输出电压随风速增加而减小;存在匹配电阻为250 kΩ时俘能器所产生的最大输出功率为3.78 mW。因此,该风致振压电俘能器在满足结构可靠、起振风速低及风速范围宽条件下同时可输出较大的电能。     

基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器

提出一种基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器来实现低频、高强度振动能量回收.介绍了浮能器的系统构成及工作原理并进行了理论及试验研究.理论分析结果表明,压电液压俘能器的性能是由环境振动频率/振动强度、液压缸/压电振子的结构性能参数、流体容积/特性以及系统背压(蓄能器预置压力)等多种要素共同决定的,仅当各要素配置合理时才能实现压电液压俘能器的预期功能.采用外径为60 mm、厚度为0.9 mm的双晶压电振子及外径为16 cm,长度为100 cm液压缸制作了试验样机,并以水为工作介质进行了不同频率/背压/激振器振幅条件下的试验测试.试验结果表明,存在最佳工作频率(8Hz)使压电液压俘能器输出电压最大,且输出电压随系统背压及液压缸振幅的增加而增加.其它条件不变时,0.4 MPa背压下的输出电压是背压0.2 MPa时的1.65倍.     

车轨耦合下钢轨复合吸振器的减振方法

以降低500~2 000 Hz频率范围内的钢轨垂向振动为目的,建立了包含钢轨复合吸振器的车辆?轨道垂向耦合振动模型。对比了耦合模型与轨道模型中各典型位置处的钢轨振动响应,说明了耦合模型的重要性;根据峰值频率处振动响应与频段内均方根值两个评价指标,指出了单自由度吸振器的局限性,提出了复合吸振器参数设计的一般步骤;利用振动衰减率对设计路段进行评价,验证了该设计方法的有效性。研究结果表明：考虑车辆影响,钢轨垂向振动能量峰值会产生偏移,且车速的提高会加剧振动响应;相同总质量下,单自由度吸振器对某一特定频率减振良好,而在较宽频带内,复合吸振器能达到更好的减振效果;对复合吸振器的参数设计,通过确定主要影响参数,利用遗传算法进行数值寻优,得到吸振器的最佳设计频率。本工作为钢轨复合吸振器的研究提供了重要的参考依据。     

间接激励式压电风力俘能器

为提高环境监测自供电系统的可靠性及风速适应性,提出一种间接激励式压电风力俘能器,通过圆柱型壳体与风场耦合作用产生的涡激振动间接激励壳体内的压电梁振动发电,具有可靠性高、动态特性调节范围宽等优点。介绍了其结构及原理,并进行了理论和试验研究。结果表明:壳体质量、压电梁质量对风力俘能器输出性能都有较大影响;当俘能器总质量确定时,试验范围内通过增加压电梁质量,减小壳体质量可以有效提高压电俘能器的输出性能;此外,不同风速下存在最佳负载使输出功率最大,且本文试验范围内输出功率及最佳负载均随风速增加而增大,风速为28m/s、电阻600kΩ时所获得的最大输出功率为0.4mW。因此,应根据实际风速范围确定合理的压电梁质量/壳体质量以提高俘能器输出能力。     

潜水式尾流激振压电俘能器的输出性能研究

为解决水下传感器的自供能问题,提出一种潜水式尾流激振压电俘能器。通过推导的俘能器流-固-电耦合场数学模型,结合有限元仿真模型,获得俘能器的流激力。仿真与试验数据具有良好的一致性,验证数学模型和仿真的正确性。对于振动柱直径为15 mm的俘能器,增加固定柱直径可有效提高其输出性能。当两柱中心距为20 mm时,PEH_05_15俘能器输出最大电压为23.36 V,是PEH_00_15俘能器最大输出电压的1.51倍。PEH_05_20俘能器在中心距为15 mm时输出最大电压为41.85 V,同比无固定柱俘能器的输出电压提升了1.21倍。     

单磁耦合式压电振动俘能器的建模与试验

为实现高可靠性及宽频带振动能量的回收,提出了一种单磁耦合式压电振动俘能器.建立了俘能器的动力学方程,采用COMSOL仿真分析了磁铁水平耦合距离d、竖直耦合距离h及耦合角α对势能的影响;设计制作了样机,并进行了试验测试.试验结果表明,俘能器的势能曲线随水平耦合距离d减小由单势阱变为双势阱,且存在较佳的磁铁水平耦合距离(d...     

扭摆式多方向压电振动俘能器的研究

为实现多方向振动能量回收,提出了一种扭摆式多方向压电振动俘能器,并从有限元仿真与试验两方面对其输出电压特性进行研究,获得了不同激励角(激励方向与X轴在XOY面内的夹角为激励角)时的谐振频率及其所对应幅值的变化规律。研究结果表明,激励角变化对两阶谐振频率影响均较小,但对输出电压的影响较大且影响规律不同;激励角从0°增加到90°时,一阶谐振电压减小、二阶谐振电压增大,激励角为44°时两阶谐振电压相等。在此基础上,进行了电容充电特性及输出功率特性的试验研究。沿X轴和Y轴方向激励时,电容的存储能速度分别达0.58 mJ/s和0.54 mJ/s;沿X轴和Y轴方向激励时,均存在两个最佳电阻使输出功率最大,即沿X轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,81) kΩ和(4.56,3.4) mW,沿Y轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,61) kΩ和(3.96,3.89) mW。     

微型压电振动能量采集器的研究进展

微型压电振动能量采集器具有结构简单、能量密度高、寿命长等优点,使其在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。着重介绍压电振动能量采集器的关键技术及围绕其关键技术国内外在压电振动能量采集器方面的研究现状和最新进展,以及未来的发展趋势。     

有色噪声激励下非线性吸振器的能量传递

将双稳态振子作为非线性吸振器,建立了含非线性吸振器的主系统力学模型,给出了有色噪声激励下系统的控制方程并进行了量纲一化。借助数值仿真,研究了系统初值、调谐频率比、质量比、阻尼系数对主系统和非线性吸振器振动能量的影响规律。通过系统结构参数的逐步优化选择,获得了将主系统振动能量最小化并使非线性吸振器振动能量最大化的最优结构参数配置区间。     

基于双稳态磁耦合效应的瓦级高功率电磁振动能量收集器

提出一种基于双稳态磁耦合效应的高密度电磁振动能量收集器,通过引入导磁铁心绕组对中间悬浮磁铁产生非线性磁力,可以产生双稳态势能阱实现低频段工作频带的拓宽。同时,导磁铁心与悬浮磁铁之间的强磁耦合作用能够增强线圈内部的磁通量变化进而提高输出功率。针对双稳态磁耦合振动能量收集器进行动力学建模仿真和试验测试分析,结果表明悬浮磁铁与导磁铁心之间的非线性磁耦合效应促使磁铁在两个势能阱之间进行大振幅的混沌或周期性振动,将工作频率范围拓宽至8～18 Hz。在受到加速度为4g的正弦振动直接激励时,能量收集器的输出功率为1.082 W,达到瓦级高功率输出,有望实现工业物联网传感节点的自供电,助力万物互联。     

基于导纳功率流方法的动力吸振系统研究

建立了动力吸振器对单自由度隔振系统吸振的导纳功率流理论模型,以主振系在整个吸振频带消耗的净功率为控制目标,通过数值仿真对动力吸振器结构参数变化对单层隔振系统隔振效果的影响进行了研究。研究结果表明:动力吸振器的加入对隔振系统共振区的振动有显著抑制作用,在动力吸振器各结构参数中阻尼比、调谐比对隔振系统的影响最为明显。     

悬臂式刚度自调谐吸振器动力学特性研究

根据轴力变化对悬臂式结构固有频率的改变规律,设计一种由压电材料驱动的刚度自调谐动力吸振器。首先,研究适用于这类吸振器的半主动控制方法,分别采用逐步寻优和遗传控制算法对吸振器固有振动频率进行实时调节;其次,结合实际受控系统进行动力学仿真分析;最后,在获得有效振动抑制的基础上进一步将吸振器应用于风洞测力模型的振动控制试验研究。试验结果表明：吸振器能够将风洞测力模型端部振动抑制效果提高至40dB以上,与其他类型的振动控制器相比具有更为优异的动力学性能。     

机械加工设备中减振器的设计

介绍了机械加工设备中有关减振器的设计理论,给出了具体的设计方法,实例证明该方法是有效的。     

多自由度无阻尼动力吸振器的理论研究

讨论了将简谐激振下无阻尼单自由度主系统的动力消振原理推广到多频谐波激励下无阻尼多自由度主系统的情况,通过选择一个合适的多自由度无阻尼动力吸振从系统。即从系统的固定频率正好是所有的激振力的频率,可以完全消除多频谐波激励下无阻尼多自由度主系统中某质点的振动响应。还讨论了根据给定弹簧-质量系统的特征值及对该系统进行小的、已知的修正后所得系统的特征值,来直接重构质量矩阵和刚度矩阵的方法。     

基于滚压的悬架振动俘能装置设计与特性分析

振动能量俘获装置能够回收路面不平引起的汽车悬架振动能量,为主动悬架提供动力,可有效降低主动悬架的能耗和使用成本。基于滚压原理,提出一种用于电动汽车自供能智能悬架的滚动压迫振动能量俘获装置概念设计。该装置通过滚珠滚压凸起金属片的方式将上下的随机振动转换为幅值相对稳定的单向压力,使其中的压电材料受压变形,从而输出电压。笔者建立了滚动压迫俘获振动能量的理论模型,并对其在随机路况下的振动俘能效果进行了仿真分析。结果显示,该俘能装置占用空间小,在悬架的各种运动状态下,都能俘获振动能量,具有较高的俘能效率,能满足悬架实际应用。