基於共振的四路並列式異步轉化振動能量採集器的製作方法
2023-05-03 12:39:46 2
專利名稱：基於共振的四路並列式異步轉化振動能量採集器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種振動能量採集裝置，具體涉及一種基於共振的四路並列式異步轉化振動能量採集器，可不主動消耗能源，通過系統自身與振動環境發生共振來實現環境振動能量的採集，屬於機械振動、能源再利用、振動發電等技術領域。
背景技術：
振動無處不在，如車輛抖動，隧道橋梁的振動甚至娛樂器械的來回運動都是振動的表現，振動能是環境中普遍存在的一種能量源形式。目前對環境中振動能量的採集利用多集中在無線電等微電子領域，採集功率小、應用範圍較窄，而地鐵、橋梁、隧道等大型結構體的振動蘊含著的強大能量卻很少被人們利用。現有一些通過懸臂梁與外界環境諧振來獲取環境振動能量的發明專利還存在諧振頻率過高、採集效率低下的問題，一些利用膜片泵拾取振動能量的發明專利也還存在採集效率低、製造成本高、難以實現空間大範圍組網採集等不足。為解決目前振動能量採集的上述問題，本發明提出了一種基於共振原理的新型振動能量採集裝置。本裝置從原理上實現了振動能量的高效採集且對被採集物體的振動頻率要求較低，其輸出端可以直接對外做功，也可與普通發電機串聯實現振動能量的進一步存儲和再利用。此外，多個該種採集器還可與液壓系統組合建立多頻段、大範圍的網絡化採集系統，實現振動能量的最大化採集利用。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於共振的四路並列式異步轉化振動能量採集器，該採集器以環境中宏觀結構體的振動為動力源(如地鐵路基，隧道的振動等)，通過採集器的共振系統與外界振源發生共振，從而獲得大幅度的往返運動，再通過換向機構將往返運動轉化為連續周轉運動，最後通過輸出系統將四路並列的異步轉動整合為輸出端的一路高速轉動。該能量採集器是基於兩自由度系統的共振原理實現能量採集的，採集效率高、效果明顯。振動能量採集器的輸出端經四路並列異步輸入整合後可以實現連續高速整周轉動，故可以直接帶負載工作，也可以將輸出端與普通發電機相聯實現振動能量的轉化和存儲。此外，多個該種採集器可與液壓系統聯合組網，形成三維空間內多頻段、高效能的振動能量採集網絡系統。該基於共振的四路並列式異步轉化振動能量採集器主要由共振系統、換向系統、 輸出系統三部分組成。(I)共振系統共振系統由四組沿圓周均布的共振機構並列組成，四組共振機構結構完全相同，如圖6。轉動支座A101、A106分別通過螺栓與第一層安裝板B120緊固聯接。 螺紋軸A102依次穿過轉動支座AlOl、A106,並通過彈性墊圈和六角螺母與轉動支座AlOl、 A106緊固。螺紋軸A102中部通過深溝球軸承與增力連杆A130配合聯接。增力連杆A130 通過深溝球軸承與主彈簧振子A126 —側的小軸聯接。主彈簧振子A126另一側的小軸通過深溝球軸承與增力連杆Alll配合聯接。輔助彈簧振子A131和滑塊座A124分別穿過主彈簧振子上下端的細長軸，並通過彈簧A132和A133與主彈簧振子A126聯接。滑塊座A124 通過螺釘與滑塊A125緊固。滑塊A125通過下端的燕尾槽與導軌A107形成滑動副。導軌 A107通過螺釘與第二層安裝板BI 18緊固。增力連杆Al 11、滑塊座A135與滑塊軸Al 17 (見圖3)通過深溝球軸承配合聯接。滑塊A118通過螺釘緊固在滑塊軸A117(見圖3)端面的法蘭上。滑塊A118通過下端燕尾槽與導軌A119形成滑動副。導軌A119通過螺栓與擺動臂A120緊固。滑塊座A135通過螺釘與滑塊A134緊固。滑塊A134通過下端的燕尾槽與導軌A116形成滑動副。導軌A116通過螺栓與第一層安裝板B120緊固。第一層安裝板B120 通過多個底板支座B119以螺栓聯接與第二層安裝板B118緊固，構成採集器的整體支架。(2)換向系統換向系統由四組沿圓周均布的換向機構並列組成，四組換向機構結構完全相同，如圖7。換向機構通過擺動臂A120與共振機構形成功能過渡聯接。擺動臂 A120通過普通A型平鍵與擺動軸B105周向定位，擺動臂A120通過彈簧墊圈和六角螺母與擺動軸B105緊固。擺動軸B105通過一對深溝球軸承與雙臂軸承座B103配合聯接。雙臂軸承座B103通過螺栓與第一層安裝板B120緊固(見圖4、6)。棘爪盤B108通過彈簧墊圈和六角螺母緊固在擺動軸B105的另一端，並通過普通A型平鍵與擺動軸B105周向定位。 擋塊G通過螺釘緊固在棘爪盤B108圓環端面上。棘爪F通過螺釘限定在棘爪盤B108圓環端面上只能繞螺釘轉動，扭轉彈簧(圖中被遮擋未標出)穿過螺釘分別與棘爪盤B108和棘爪F焊接聯接。小錐齒輪軸B117通過深溝球軸承與雙臂軸承座B112配合聯接。雙臂軸承座BI 12通過螺栓與第一層安裝板B120緊固。棘輪B109通過普通A型平鍵與小錐齒輪軸 B117周向定位，棘輪B109通過彈簧墊圈、六角螺母與小錐齒輪軸BI 17緊固。棘輪B109與棘爪F、擋塊G及棘爪盤B108形成棘輪機構。小錐齒輪BI 14通過普通A型平鍵與小錐齒輪軸B117周向定位，並通過彈簧墊圈、六角螺母與小錐齒輪軸B117緊固。小錐齒輪B114作為換向結構的輸出端，通過錐齒輪副與輸出系統形成功能聯接。(3)輸出系統輸出系統能夠將四路並列小錐齒輪的異步周轉運動，整合為一路連續高速整周轉動並通過負載輪對輸出功率，如圖8。大錐齒輪C103通過普通A型平鍵與大錐齒輪軸C107周向定位，大錐齒輪C103通過彈簧墊圈，六角螺母與大錐齒輪軸C107緊固。大錐齒輪軸C107通過一對深溝球軸承與大錐齒輪軸筒C106配合聯接。大錐齒輪上端蓋C104 (見圖4)、大錐齒輪下端蓋C109的柱面分別與大錐齒輪軸筒C106內表面配合，並通過螺栓與大錐齒輪軸筒緊固，同時使大錐齒輪上端蓋C104(見圖4)、大錐齒輪下端蓋C109 分別緊靠大錐齒輪軸筒C106內一對軸承的外圈。大錐齒輪軸筒C106、大錐齒輪下端蓋C109 通過螺栓與第一層安裝板B120緊固。負載輪C108(見圖4)通過普通A型平鍵與大錐齒輪軸C107周向定位，負載輪C108通過彈簧墊圈、六角螺母與大錐齒輪軸C107的下端緊固。負載輪C108為輸出系統的末端，也是整個振動能量採集器的輸出端。本發明的一種基於共振的四路並列式異步轉化振動能量採集器的工作原理在振動能量採集器共振系統的每一路共振機構中，主彈簧振子A126、輔助彈簧振子A131及相應的彈簧A132、A133構成一個兩自由度振動系統，將採集器固定在大型宏觀振動體(如地鐵路基、隧道、橋梁等)上，當宏觀振動體帶動採集器振動時，宏觀振動體將為採集器提供位移激勵，當外界振源頻率處於採集器的一階共振頻帶範圍內時，共振機構的主彈簧振子 A126、輔助彈簧振子A131將與外界發生強烈共振。此時，主彈簧振子A126將獲得與振源頻率相等且幅值增大若干倍的穩定振動。主彈簧振子A126在豎直面內的往復運動，通過增力連杆A130、Alll及增力連杆末端水平滑塊A134的力放大作用和換向作用，轉化為擺動臂 A120的擺動振動。擺動臂A120帶動擺動軸B105以及擺動軸B105上的棘爪盤B108擺動振動。棘爪盤B108上安裝有擋塊G和棘爪F，棘爪F與棘輪B109形成具有單向傳動功能的棘輪機構。棘爪盤B108的擺動振動通過棘輪機構轉化為棘輪B109的連續周轉運動。棘輪機構具有單向傳動功能當某時刻棘輪B109在棘爪F推力作用後轉動速度大於棘爪盤 B108的轉速，棘輪B109將推動棘爪F克服扭轉彈簧微小恢復力繞棘爪定位螺釘轉動，同時棘輪B109的輪齒滑過棘爪F繼續沿原來方向轉動；當棘輪B109轉動速度小於棘爪盤B108 速度，棘爪F將在扭轉彈簧恢復力的作用下繞定位螺釘迴轉，並輕靠在擋塊G的側面上，棘爪盤B108將帶動擋塊G和棘爪F同步轉動，由此推動棘輪B109再次加速。棘輪B109的連續周轉運動通過小錐齒輪軸BI 17傳遞給小錐齒輪BI 14，小錐齒輪BI 14與輸出系統的大錐齒輪C103嚙合。最終，四路並列換向機構末端小錐齒輪B114的異步周轉運動，經過棘輪機構的換向和四對錐齒輪副的整合作用轉化為大錐齒輪C103高速連續周轉的運動，大錐齒輪C103再帶動大錐齒輪軸C107及軸上的負載輪C108連續高速轉動。由此，宏觀結構體的振動能量被振動能量採集器採集，並轉化為負載輪C108上的轉動動能，從而實現對外輸出功率。由於在實際工程中，宏觀結構體的振動為多頻率疊加振動，而且採集器的共振機構在機械機構上存在無法避免的差異性，因此無論將振動能量採集器共振系統的四路共振機構設置為同一固有頻率還是不同的固有頻率，四路共振機構的振動峰值總是交替出現， 採集器的輸出系統從四路換向機構獲得的轉矩激勵也是異步交替的，從而輸出系統的轉動激勵的頻率總是四路並列的共振機構的振動頻率之和，因而該振動能量採集器能夠達到高效採集的目的。倘若外界振源頻率變化範圍較大，無法保證激勵頻率始終處於採集器共振的頻帶寬度以內，則採集器將不能工作在最佳的採集狀態，但由於本採集器具有並列四路異步轉化的結構特點，只要四路共振機構沒有同時處於反共振點，則總是能夠保證採集器的輸出系統能夠具有將強的對外做功能力，然而適當的調整四路共振機構固有頻率的差值是可以消除採集器處於反共振點這種情況的，因此該採集器兼具有採集效率高和適應性強的優點。由於此振動能量採集器負載輪可以獲得連續高速的周轉運動，故其可直接聯接負載做功，也可以將其與普通發電機聯接將振動能轉化為電能進一步實現能量轉化和再利用。此外，該採集器還可以與液壓系統結合建立如圖5所示的採集網絡。將採集器Hl的負載輪與普通液壓泵H2聯接，液壓泵H2的出口再聯接一個單向閥H3形成一套振動-液壓採集單元H。多個振動-液壓採集單元H並聯後，高壓油經高壓油管道N輸入一個普通單向液壓馬達P，普通單向液壓馬達P聚集多路振動-液壓單元H的輸入油壓後對外做功，經液壓馬達做功後的低壓油再經低壓油管道M回流到各個振動液壓採集單元H，由此整個網絡便形成了一套循環的液壓油路系統採集網絡。由於該採集網絡具有振動-液壓單元多點分布採集特點和多路並聯輸入油壓放大的作用，液壓馬達將具備更強的對外做功能力，整個採集網絡比單個採集器具有更強的振動能量採集能力，更利于振動能量的規模化採集利用。此發明優點及功效(I)該振動採集器無需主動耗能，無汙染排放，基於兩自由度系統共振的採集原理，使得採集器採集效果明顯，採集能量輸出大。
(2)採集器的四路共振機構可以根據宏觀振動體振動頻率特點設定在同一固有頻率附近，實現特定頻率針對性採集，也可將四路共振機構設定為不同固有頻率實現多頻段大範圍採集。(3)採集器負載輪可直接聯接發電機，將振動能轉化為電能，方便存儲和再利用。(4)多個採集器與液壓系統可組網建立空間範圍內大跨度、多頻段的綜合採集系統，利于振動能量的規模化採集利用。
圖I為本發明振動能量採集器整體結構的軸測圖2為本發明振動能量採集器整體結構的俯視圖3為本發明振動能量採集器共振機構的局部裝配圖4為本發明振動能量採集器的整體剖視 閱圖5為本振動能量採集器與液壓系統組網建立的空間網絡化振動能量採圖;
圖6為共振機構三維結構圖7為換向機構三維結構圖8為輸出系統三維結構圖。
圖中標號說明如下
A、共振系統 B、換向系統 C、輸出系統
A1、A2、A3、A4、共振機構B1、B2、B 3、B4、換向機構
A101、轉動支座A102、螺紋軸A103、深溝球軸承
A104、彈性擋圈A105、軸承頂盤A106、轉動支座
A107、軌道A108、軸承頂盤A109、深溝球軸承
Al 10、軸承擋片Al 11、增力連杆Al 12、滑塊座
Al 13、軸承擋片Al 14、深溝球軸承Al 15、軸承頂盤
Al 16、軌道Al 17、滑塊軸Al 18、滑塊
Al 19、軌道A120、擺動臂A121、彈性擋圈
A122、深溝球軸承A123、軸承頂盤A124、滑塊座
A125、滑塊A126、主彈簧振子A127、軸承頂盤
A128、深溝球軸承A129、軸承擋片A130、增力連杆
A131、輔助彈簧振子A132、A133、彈簧
A134、滑塊A135、滑塊座B101、普通A型平鍵
B102、軸承頂盤B103、雙臂軸承座B104、深溝球軸承
B105、擺動軸B106、深溝球軸承B107、普通A型平鍵
B108、棘爪盤B109、棘輪B110、普通A型平鍵
BI 11、軸承頂盤BI 12、雙臂軸承座BI 13、深溝球軸承
BI 14、小錐齒輪B115、普通A型平鍵B116、深溝球軸承
BI 17、小錐齒輪軸B118、第二層安裝板B119、底板支座
B120、第一層安裝板C101、套筒C102、普通A型平鍵
C103、大錐齒輪C104、大錐齒輪上端蓋 C105、深溝球軸承
C106、大錐齒輪軸筒C107、大錐齒輪軸 C108、負載盤
C109、大錐齒輪下端蓋 Cl 10、深溝球軸承 Cl 11、普通A型平鍵
通用標準件T101、彈性墊圈T102、大六角螺母
T103、小螺母T104、普通墊片T105、小螺栓
G、擋塊F、棘爪Hl、振動能量採集器
H2、普通液壓泵H3、單向閥H、振動-液壓米集單兀
P、普通單向液壓馬達N、高壓油管道M、低壓油管道具體實施方式
以下將結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明本發明，基於共振的四路
並列式異步轉化振動能量採集器由共振系統A、換向系統B、輸出系統C三部分組成(如圖
2)。共振系統由四組並列的共振機構Al、A2、A3、A4組成，換向系統由四組並列換向機構 BI、B2、B3、B4組成，四路共振結構與四路換向機構共同作用構成四路異步輸入與輸出系統相連，輸出系統整合四路輸入再對外輸出功率(如圖I)。如圖3、4所示，共振系統A中四路共振機構的結構相同。轉動支座A101、A106通過通用標準件螺母T103、平墊T104、螺栓T105與第一層安裝板B120緊固。螺紋軸A102兩端分別穿過轉動支座A101、A106上端通孔，螺紋軸A102的兩端的軸肩分別緊靠轉動支座 AlOU A106的內側面。螺紋軸A102兩端螺紋分別由通用標準件彈簧墊圈TlOl和大螺母 T102緊固聯接。深溝球軸承A103內圈與螺紋軸A102過盈配合，內圈的一側緊靠在螺紋軸 A102中部軸肩，內圈的另一側與卡在螺紋軸A102上擋圈槽內的擋圈A104緊靠。軸承A103 外圈與增力連杆A130過盈配合,外圈的一側緊靠增力連杆A130的環形凸臺，外圈的另一側與軸承頂盤A105的環形端面緊靠。軸承頂盤A105的柱面與增力連杆A130圓柱內表面間隙配合，並通過螺釘與增力連杆A130緊固。增力連杆A130另一端的軸承座與深溝球軸承 A128過盈配合，軸承A128外圈的一側緊靠增力連杆A130的環形凸臺，另一側緊靠軸承頂盤 A127的圓環端面。軸承頂盤A127的柱面與增力連杆A130圓柱內表面間隙配合，並通過螺釘與增力連杆A130緊固。軸承A128的內圈與主彈簧振子A126的小軸過盈配合，內圈的一側緊靠小軸的軸肩，內圈的另一側與軸承擋片A129緊靠，螺釘穿過軸承擋片A129的通孔， 並且旋入主彈簧振子A126小軸的螺紋孔，將軸承擋片A129與主彈簧振子A126緊固。主彈簧振子A126另一端小軸與深溝球軸承A109的內圈過盈配合，小軸軸肩緊靠軸承A109內圈的一側，內圈的另一側緊靠軸承擋片A110。螺釘穿過軸承擋片AllO的通孔，並且旋入主彈簧振子A126小軸的螺紋孔，將軸承擋片AllO與主彈簧振子A126緊固。軸承A109的外圈與增力連杆Alll的軸承座過盈配合，外圈的一側緊靠增力連杆Alll的環形凸臺，另一側緊靠軸承頂盤A108的環形端面。軸承頂盤A108的柱面與增力連杆Alll的圓柱形內表面間隙配合，並通過螺釘與增力連杆Alll緊固。增力連杆Alll另一端的軸承座與深溝球軸承 A122的外圈過盈配合，軸承座內的環形凸臺緊靠軸承A122外圈的一側，軸承A122外圈的另一側與軸承頂盤A123的環形端面緊靠。軸承頂盤A123的柱面與增力連杆Alll的圓柱形內表面間隙配合，並通過螺釘與增力連杆Alll緊固。軸承A122的內圈與滑塊軸A117過盈配合，內圈的一側緊靠滑塊軸A117的軸肩，內圈的另一側與卡在滑塊軸擋圈槽內的彈性擋圈A121緊靠。滑塊軸A117 —端的法蘭端面與滑塊A118緊靠，並通過螺釘與滑塊A118緊固。 滑塊A118通過滑塊下部的燕尾槽與軌道A119形成滑動副。軌道A119通過螺栓聯接與擺動臂A120緊固。滑塊軸A118與深溝球軸承A114的內圈過盈配合，軸承A114內圈的一側緊靠滑塊軸軸肩，另一側緊靠軸承擋片A113。螺釘A112穿過軸承擋片A113的通孔並旋入滑塊軸A114的螺紋孔，將軸承擋片A113與滑塊軸A118緊固。軸承A114的外圈與滑塊座 A135過盈配合,外圈的一側緊靠滑塊座A135的環形凸臺，外圈的另一側與軸承頂盤Al 15緊靠。軸承頂盤A115的柱面與滑塊座A135的圓柱形內表面間隙配合，並通過螺釘與滑塊座 A135緊固。滑塊座A135通過螺釘與滑塊A134緊固。滑塊A134通過滑塊下部的燕尾槽與軌道A116形成滑動副。軌道A116通過螺栓聯接與第一層安裝板B120緊固。主彈簧陣子 A126上下端各有一細長軸，彈簧A132穿過上端細長軸，彈簧A132下端與主彈簧振子A126 的上表面焊接連接。輔助彈簧振子A131上開有通孔，輔助彈簧振子A131穿過主彈簧振子 A126上端的細長軸，輔助彈簧振子A131的通孔與主彈簧振子上端細長軸形成滑動副，輔助彈簧振子A131下表面與彈簧A132的另一端焊接連接。彈簧A133穿過主彈簧振子下端的細長軸，彈A133的上端與主彈簧振子A126的下表面焊接連接。滑動座A124上開有通孔， 滑動座A124穿過主彈簧振子A126下端的細長軸，滑動座A124的上表面與彈簧A133的下端焊接連接。滑動座A124上面開有四個小通孔，螺釘穿過滑動座A124的通孔並旋入滑塊 A125的螺紋孔，將滑動座A124與滑塊A125緊固。滑塊A125下端開有燕尾槽，滑塊A125通過燕尾槽與軌道A107形成滑動副。軌道A107下表面緊靠第二層安裝板BI 18上表面，並通過螺栓與第二層安裝板緊固。共振系統的核心是主彈簧振子A126、輔助彈簧振子A131及彈簧A132、A133，它們共同組成一個兩自由度振動系統。當振動系統的一階頻率與被採集結構體的振動頻率接近時，此振動系統會在外界位移激勵的作用下發生強烈的共振，此時，主彈簧振子A126獲得與外部結構體同頻率大振幅的往復運動。主彈簧振子A126作用於增力連杆A111、A130上， 從而推動滑塊A125在軌道A116上往復運動，由於增力連杆的作用滑塊獲得的推動力是比較大的。滑塊A125又通過滑塊軸Al 17、滑塊Al 19及軌道Al 19帶動擺動臂A120往復擺動， 從而為換向系統提供了擺動輸入。共振系統是由四路共振機構組成，這四路共振機構的主彈簧振子、輔助彈簧振子及彈簧阻尼器的參數可以根據被採集振動體的頻率特點而確定，既可以將四路共振機構設定為同一頻率，集中採集振動體某一特定頻率的振動能量，也可以將四路共振機構設定為不同頻率，以更寬的頻段來採集振動體的振動能。如圖4、8所示，換向系統B由四路結構相同的換向機構並列組成。擺動軸B105 — 端開有鍵槽，鍵槽中過盈配合有普通A型平鍵BlOl。擺動臂A120 —端開有帶鍵槽的通孔， 擺動臂A120通過帶鍵槽的通孔，與擺動臂B105及軸上平鍵BlOl過盈配合實現周向定位， 擺動臂A120的一側面緊靠擺動軸B105的軸肩。彈簧墊圈穿過擺動軸緊靠擺動臂A120的另一側面，大螺母旋緊在擺動軸上，將彈簧墊圈、擺動臂A120及擺動軸B105緊固。擺動軸 B105與深溝球軸承B104和B106的內圈過盈配合，擺動軸B105中部的兩軸肩分別與軸承 B104和B106內圈的一側緊靠。軸承B104、B105的外圈與雙臂軸承座B103過盈配合，軸承 B106的外圈的一側緊靠雙臂軸承座B103的圓環凸臺。軸承B104外圈的一側與軸承頂盤 B102緊靠，軸承頂盤B102柱面與雙臂軸承座B103圓柱內表面間隙配合，並通過螺釘與雙臂軸承座B103緊固。雙臂軸承座B103則通過螺栓聯接與第一層安裝板B120緊固。擺動軸 B105 一端的鍵槽內過盈配合有普通A型平鍵B107，棘爪盤B108開有帶鍵槽的通孔，棘爪盤 B108通過鍵槽通孔與平鍵B107及擺動軸B105過盈配合，棘爪盤B108的大端面緊靠擺動軸B105的軸肩。彈簧墊圈穿過擺動軸B105與棘爪盤B108另一斷面緊靠，大螺母旋緊在擺動軸B105上將彈簧墊圈、棘爪盤B108及擺動軸B105緊固。墊塊G通過兩螺釘緊固在棘爪盤B108的圓環端面上，棘爪F通過螺釘限定在棘爪盤B108的圓環端面內僅能轉動。扭轉彈簧(在棘爪後，圖中未標出)穿過限定棘爪F的螺釘，彈簧的一端與棘爪盤G焊接連接， 一端與棘爪F焊接連接，此扭轉彈簧作為棘爪F的回覆力彈簧。棘輪B109開有帶鍵槽的通孔，小錐齒輪軸BI 17兩端開有鍵槽，鍵槽中過盈配合有普通A型平鍵BllO和B115。棘輪B109通過鍵槽孔與小錐齒輪軸B117及平鍵BllO過盈配合，棘輪B109—側端面緊靠小錐齒輪軸BI 17的軸肩。彈簧墊圈穿過小錐齒輪軸BI 17緊靠棘輪B109的另一側端面，大螺母旋緊在小錐齒輪軸B117軸端的螺紋上，將彈簧墊圈、棘輪 B109及小齒輪軸B117緊固。棘輪B109與棘爪F及擋塊G共同組成棘輪機構。小錐齒輪軸 B117與深溝球軸承B113、B116的內圈過盈配合，軸承B113、B116內圈的一側分別於小錐齒輪軸B117中部的軸肩緊靠。軸承B113、B116的外圈分別與雙臂軸承座B112過盈配合，軸承B116外圈的一側與雙臂軸承座的環形凸臺緊靠，軸承B113外圈的一側與軸承頂盤Blll 緊靠。軸承頂盤Blll的柱面與雙臂軸承座B112的圓柱形內表面間隙配合，軸承頂盤Blll 通過螺釘與雙臂軸承座BI 12緊固。雙臂軸承座BI 12通過螺栓聯接與第一層安裝板B120 緊固。小齒輪BI 14開有帶鍵槽的通孔，小錐齒輪BI 14與小錐齒輪軸BI 17及A型平鍵BI 15 過盈配合，小錐齒輪B114的小端面緊靠小錐齒輪軸B117的軸肩。彈簧墊圈穿過小錐齒輪軸B117緊靠小錐齒輪B114的大端面，大螺母旋緊在小錐齒輪軸的螺紋處，將彈簧墊圈、小錐齒輪BI 14及小錐齒輪軸BI 17緊固。小錐齒輪BI 14的安裝位置滿足於大錐齒輪C103形成錐齒輪副。換向系統是振動能量採集器中整合方向的核心環節。換向系統中的每路換向機構都與前端共振機構串聯，換向機構能夠將擺動臂A120的擺動振動經過棘輪機構轉化為小錐齒輪B114的連續周轉運動，從而為輸出機構提供動力輸入。如圖4、8所示，振動能量採集器的輸出系統與四路換向機構聯接，能夠將四路動力輸入整合後再對外輸出。大錐齒輪軸C107兩端鍵槽分別與普通A型平鍵C102、Clll過盈配合。大錐齒輪C103開有帶鍵槽的通孔，大錐齒輪C103與大錐齒輪軸C107及平鍵C102 過盈配合，大錐齒輪C103大端面緊靠大錐齒輪軸C107軸肩。套筒ClOl穿過大錐齒輪軸 C107並緊靠大錐齒輪C103側小端面。彈簧墊圈穿過大錐齒輪軸C107並緊靠套筒C101，大螺母旋緊在大錐齒輪軸C107上端螺紋軸處並將彈簧墊圈、套筒ClOI、大錐齒輪C103、大錐齒輪軸C107緊固。深溝球軸承C105、C110的內圈與大錐齒輪軸C107過盈配合，軸承C105、 CllO內圈的一側分別與大錐齒輪軸C107中部的軸肩緊靠。軸承C105、C110的外圈分別與大錐齒輪軸筒C106圓柱內表面過盈配合，軸承C105、C110外圈的一側分別緊靠大錐齒輪軸筒C106筒內的環形端面。大錐齒輪上端蓋C104的柱面與大錐齒輪軸筒C106圓柱內表面間隙配合，大錐齒輪上端蓋C104的環形端面緊靠軸承C105外圈的一側，大錐齒輪上端蓋C104 通過螺釘與大錐齒輪軸筒C106緊固。大錐齒輪下端蓋C109的環形端面緊靠軸承CllO外圈的一側，大錐齒輪下端蓋C109的柱面與大錐齒輪軸筒C106圓柱內表面間隙配合。螺栓穿過大錐齒輪軸筒C106、大錐齒輪下端蓋C109、第一層安裝板上的通孔B120，並將三者緊固聯接。負載輪C108開有帶鍵槽的通孔，負載輪C108與大錐齒輪軸C107及平鍵Clll過盈配合，負載輪C108大端面緊靠大錐齒輪軸C107的軸肩。彈簧墊圈穿過大錐齒輪軸C107 緊靠負載輪C108小端面，大螺母旋緊在大錐齒輪軸C107軸端的螺紋上將彈簧墊圈、負載輪 C108及大錐齒輪軸C107緊固。底板支座B119上下板面均開有通孔，底板支座B119通過螺栓聯接分別與第一層安裝板B120和第二層B118安裝板緊固，從而將整個系統聯接成為一個整體。負載輪C108被安裝在第一層安裝板B120和第二層安裝板B118之間。負載輪 B118可以直接與某些外界負載相連做功，也可以將負載輪與普通發電機相連，將振動能量採集器採集的機械能轉化為電能進一步存儲和利用。此外，此振動能量採集器還可以與液壓系統組網，建立網絡化的振動能量採集系統如圖5所示。該採集系統由振動能量採集器H1、普通液壓泵H2、單向閥H3、普通單向液壓馬達P 等組成。普通液壓泵H2的輸入端與振動能量採集器Hl的輸出端聯接，普通液壓泵H2從振動能量採集器獲得機械能，將液壓油從低壓管道M泵入單向閥H3，再流入高壓管道N。多路液壓泵共同作用使得高壓管道N中充滿了高壓油，高壓管路聯接一臺普通單向液壓馬達P， 普通單向液壓馬達P在高壓油的作用下高速轉動，從而獲得更強的對外做功能力(該輸出可直接對外做功或者再與發電機組網，形成大規模振動發電系統)，高壓油流經普通單向液壓馬達P洩壓後再次流入低壓管道M，因此整個系統形成閉合迴路。整個系統在物質上自我封閉，系統不斷汲取外部振動能量，系統內部流體自循環，因此該系統特別適用於地鐵、橋梁、隧道等大型機構體的振動能量的採集利用。
權利要求
1.一種基於共振的四路並列式異步轉化振動能量採集器，其特徵在於該採集器包括共振系統、換向系統、輸出系統(一)共振系統共振系統由四組沿圓周均布的共振機構並列組成，四組共振機構結構完全相同；結構如下兩轉動支座(A101、A106)分別通過螺栓與第一層安裝板(B120)緊固聯接；螺紋軸(A102)依次穿過兩轉動支座(A101、A106)，並與兩轉動支座(A101、A106)緊固；螺紋軸(A102)中部通過深溝球軸承與增力連杆(A130)配合聯接；增力連杆(A130)通過深溝球軸承與主彈簧振子(A126) —側的小軸聯接；主彈簧振子(A126)另一側的小軸通過深溝球軸承與增力連杆(Alll)配合聯接；輔助彈簧振子(A131)和滑塊座(A124)分別穿過主彈簧振子上下端的細長軸，並通過兩彈簧(A132、A133)與主彈簧振子(A126)聯接；滑塊座(A124)通過螺釘與滑塊(A125)緊固；滑塊(A125)通過下端的燕尾槽與導軌(A107) 形成滑動副；導軌(A107)通過螺釘與第二層安裝板(B118)緊固；增力連杆(Alll)、滑塊座(A135)與滑塊軸(A117)通過深溝球軸承配合聯接；滑塊(A118)通過螺釘緊固在滑塊軸(A117)端面的法蘭上；滑塊(A118)通過下端燕尾槽與導軌(A119)形成滑動副；導軌 (Al 19)通過螺栓與擺動臂(A120)緊固；滑塊座(A135)通過螺釘與滑塊(A134)緊固；滑塊 (A134)通過下端的燕尾槽與導軌(A116)形成滑動副；導軌(A116)通過螺栓與第一層安裝板(B120)緊固；第一層安裝板(B120)通過多個底板支座(B119)以螺栓聯接與第二層安裝板(B118)緊固，構成採集器的整體支架；(二)換向系統換向系統由四組沿圓周均布的換向機構並列組成，四組換向機構結構完全相同；換向機構通過擺動臂(A120)與共振機構形成功能過渡聯接；擺動臂(A120) 通過普通A型平鍵與擺動軸(B105)周向定位，擺動臂(A120)通過彈簧墊圈和六角螺母與擺動軸(B105)緊固；擺動軸(B105)通過一對深溝球軸承與雙臂軸承座(B103)配合聯接； 雙臂軸承座(B103)通過螺栓與第一層安裝板(B120)緊固；棘爪盤(B108)通過彈簧墊圈和六角螺母緊固在擺動軸(B105)的另一端，並通過普通A型平鍵與擺動軸(B105)周向定位；擋塊(G)通過螺釘緊固在棘爪盤(B108)圓環端面上；棘爪(F)通過螺釘限定在棘爪盤 (B108)圓環端面上只能繞螺釘轉動，扭轉彈簧穿過螺釘分別與棘爪盤(B108)和棘爪(F)焊接聯接；小錐齒輪軸(B117)通過深溝球軸承與雙臂軸承座(B112)配合聯接；雙臂軸承座 (B112)通過螺栓與第一層安裝板(B120)緊固；棘輪(B109)通過普通A型平鍵與小錐齒輪軸(B117)周向定位，棘輪(B109)通過彈簧墊圈、六角螺母與小錐齒輪軸(B117)緊固；棘輪 (B109)與棘爪(F)、擋塊(G)及棘爪盤(B108)形成棘輪機構；小錐齒輪(B114)通過普通A 型平鍵與小錐齒輪軸(B117)周向定位，並通過彈簧墊圈、六角螺母與小錐齒輪軸(B117)緊固；小錐齒輪(B114)作為換向結構的輸出端，通過錐齒輪副與輸出系統形成功能聯接；(三)輸出系統輸出系統能夠將四路並列小錐齒輪的異步周轉運動，整合為一路連續高速整周轉動並通過負載輪對輸出功率；具體結構如下大錐齒輪(C103)通過普通A型平鍵與大錐齒輪軸(C107)周向定位，大錐齒輪(C103)通過彈簧墊圈、六角螺母與大錐齒輪軸 (C107)緊固；大錐齒輪軸(C107)通過一對深溝球軸承與大錐齒輪軸筒(C106)配合聯接； 大錐齒輪上端蓋(C104)、大錐齒輪下端蓋(C109)的柱面分別與大錐齒輪軸筒(C106)內表面配合，並通過螺栓與大錐齒輪軸筒緊固，同時使大錐齒輪上端蓋(C104)、大錐齒輪下端蓋 (C109)分別緊靠大錐齒輪軸筒(C106)內一對軸承的外圈；大錐齒輪軸筒(C106)、大錐齒輪下端蓋(C109)通過螺栓與第一層安裝板(B120)緊固；負載輪(C108)通過普通A型平鍵與大錐齒輪軸(C107)周向定位，負載輪(C108)通過彈簧墊圈、六角螺母與大錐齒輪軸(C107) 的下端緊固；負載輪(C108)為輸出系統的末端，也是整個振動能量採集器的輸出端。
2.一種利用如權利要求I所述的採集器所組成的採集網絡，其特徵在於基於共振的四路並列式異步轉化振動能量採集器與液壓系統結合即可建立採集網絡將採集器(Hl) 的負載輪與普通液壓泵(H2)聯接，液壓泵(H2)的出口再聯接一個單向閥(H3)形成一套振動-液壓採集單元(H);多個振動-液壓採集單元(H)並聯後，高壓油經高壓油管道(N)輸入一個普通單向液壓馬達(P)，普通單向液壓馬達(P)聚集多路振動-液壓單元(H)的輸入油壓後對外做功，經液壓馬達做功後的低壓油再經低壓油管道(M)回流到各個振動液壓採集單元(H)，由此整個網絡便形成了一套循環的液壓油路系統採集網絡。
全文摘要
本發明涉及一種基於共振的四路並列式異步轉化振動能量採集器，由共振系統，換向系統和輸出系統三部分組成，三大系統之間由機械聯接保證相對運動關係。多個該種振動能量採集器還可與液壓系統組合應用，形成網絡化的振動能量採集系統，實現三維空間內大跨度、多頻段振動能量的聯合採集利用。該採集器應用了兩自由度振動系統在共振頻帶內可獲得較大振幅的採集原理，可實現特定頻段振動能量針對性採集和多頻段振動能量大範圍採集，具有採集效率高、頻率適應範圍大和採集效果明顯的特點。
文檔編號F03G7/08GK102606434SQ20111044238
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者李 傑, 邊宇樞, 高智慧 申請人:北京航空航天大學