專利名稱：基于共振的四路并列式異步轉(zhuǎn)化振動能量采集器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種振動能量采集裝置，具體涉及一種基于共振的四路并列式異步轉(zhuǎn)化振動能量采集器，可不主動消耗能源，通過系統(tǒng)自身與振動環(huán)境發(fā)生共振來實現(xiàn)環(huán)境振動能量的采集，屬于機械振動、能源再利用、振動發(fā)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(xiàn)，振動能是環(huán)境中普遍存在的一種能量源形式。目前對環(huán)境中振動能量的采集利用多集中在無線電等微電子領域，采集功率小、應用范圍較窄，而地鐵、橋梁、隧道等大型結(jié)構體的振動蘊含著的強大能量卻很少被人們利用?，F(xiàn)有一些通過懸臂梁與外界環(huán)境諧振來獲取環(huán)境振動能量的發(fā)明專利還存在諧振頻率過高、采集效率低下的問題，一些利用膜片泵拾取振動能量的發(fā)明專利也還存在采集效率低、制造成本高、難以實現(xiàn)空間大范圍組網(wǎng)采集等不足。為解決目前振動能量采集的上述問題，本發(fā)明提出了一種基于共振原理的新型振動能量采集裝置。本裝置從原理上實現(xiàn)了振動能量的高效采集且對被采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(fā)電機串聯(lián)實現(xiàn)振動能量的進一步存儲和再利用。此外，多個該種采集器還可與液壓系統(tǒng)組合建立多頻段、大范圍的網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)，實現(xiàn)振動能量的最大化采集利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于共振的四路并列式異步轉(zhuǎn)化振動能量采集器，該采集器以環(huán)境中宏觀結(jié)構體的振動為動力源(如地鐵路基，隧道的振動等)，通過采集器的共振系統(tǒng)與外界振源發(fā)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(zhuǎn)化為連續(xù)周轉(zhuǎn)運動，最后通過輸出系統(tǒng)將四路并列的異步轉(zhuǎn)動整合為輸出端的一路高速轉(zhuǎn)動。該能量采集器是基于兩自由度系統(tǒng)的共振原理實現(xiàn)能量采集的，采集效率高、效果明顯。振動能量采集器的輸出端經(jīng)四路并列異步輸入整合后可以實現(xiàn)連續(xù)高速整周轉(zhuǎn)動，故可以直接帶負載工作，也可以將輸出端與普通發(fā)電機相聯(lián)實現(xiàn)振動能量的轉(zhuǎn)化和存儲。此外，多個該種采集器可與液壓系統(tǒng)聯(lián)合組網(wǎng)，形成三維空間內(nèi)多頻段、高效能的振動能量采集網(wǎng)絡系統(tǒng)。該基于共振的四路并列式異步轉(zhuǎn)化振動能量采集器主要由共振系統(tǒng)、換向系統(tǒng)、 輸出系統(tǒng)三部分組成。(I)共振系統(tǒng)共振系統(tǒng)由四組沿圓周均布的共振機構并列組成，四組共振機構結(jié)構完全相同，如圖6。轉(zhuǎn)動支座A101、A106分別通過螺栓與第一層安裝板B120緊固聯(lián)接。 螺紋軸A102依次穿過轉(zhuǎn)動支座AlOl、A106,并通過彈性墊圈和六角螺母與轉(zhuǎn)動支座AlOl、 A106緊固。螺紋軸A102中部通過深溝球軸承與增力連桿A130配合聯(lián)接。增力連桿A130 通過深溝球軸承與主彈簧振子A126 —側(cè)的小軸聯(lián)接。主彈簧振子A126另一側(cè)的小軸通過深溝球軸承與增力連桿Alll配合聯(lián)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，并通過彈簧A132和A133與主彈簧振子A126聯(lián)接?；瑝K座A124 通過螺釘與滑塊A125緊固?；瑝KA125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。增力連桿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(lián)接。滑塊A118通過螺釘緊固在滑塊軸A117(見圖3)端面的法蘭上?；瑝KA118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?；瑝K座A135通過螺釘與滑塊A134緊固?；瑝KA134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(lián)接與第二層安裝板B118緊固，構成采集器的整體支架。(2)換向系統(tǒng)換向系統(tǒng)由四組沿圓周均布的換向機構并列組成，四組換向機構結(jié)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(lián)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(lián)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，并通過普通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(huán)端面上。棘爪F通過螺釘限定在棘爪盤B108圓環(huán)端面上只能繞螺釘轉(zhuǎn)動，扭轉(zhuǎn)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(lián)接。小錐齒輪軸B117通過深溝球軸承與雙臂軸承座B112配合聯(lián)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，并通過彈簧墊圈、六角螺母與小錐齒輪軸B117緊固。小錐齒輪B114作為換向結(jié)構的輸出端，通過錐齒輪副與輸出系統(tǒng)形成功能聯(lián)接。(3)輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)能夠?qū)⑺穆凡⒘行″F齒輪的異步周轉(zhuǎn)運動，整合為一路連續(xù)高速整周轉(zhuǎn)動并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(lián)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(nèi)表面配合，并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(nèi)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(tǒng)的末端，也是整個振動能量采集器的輸出端。本發(fā)明的一種基于共振的四路并列式異步轉(zhuǎn)化振動能量采集器的工作原理在振動能量采集器共振系統(tǒng)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(tǒng)，將采集器固定在大型宏觀振動體(如地鐵路基、隧道、橋梁等)上，當宏觀振動體帶動采集器振動時，宏觀振動體將為采集器提供位移激勵，當外界振源頻率處于采集器的一階共振頻帶范圍內(nèi)時，共振機構的主彈簧振子 A126、輔助彈簧振子A131將與外界發(fā)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(wěn)定振動。主彈簧振子A126在豎直面內(nèi)的往復運動，通過增力連桿A130、Alll及增力連桿末端水平滑塊A134的力放大作用和換向作用，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為棘輪B109的連續(xù)周轉(zhuǎn)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推力作用后轉(zhuǎn)動速度大于棘爪盤 B108的轉(zhuǎn)速，棘輪B109將推動棘爪F克服扭轉(zhuǎn)彈簧微小恢復力繞棘爪定位螺釘轉(zhuǎn)動，同時棘輪B109的輪齒滑過棘爪F繼續(xù)沿原來方向轉(zhuǎn)動；當棘輪B109轉(zhuǎn)動速度小于棘爪盤B108 速度，棘爪F將在扭轉(zhuǎn)彈簧恢復力的作用下繞定位螺釘回轉(zhuǎn)，并輕靠在擋塊G的側(cè)面上，棘爪盤B108將帶動擋塊G和棘爪F同步轉(zhuǎn)動，由此推動棘輪B109再次加速。棘輪B109的連續(xù)周轉(zhuǎn)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(tǒng)的大錐齒輪C103嚙合。最終，四路并列換向機構末端小錐齒輪B114的異步周轉(zhuǎn)運動，經(jīng)過棘輪機構的換向和四對錐齒輪副的整合作用轉(zhuǎn)化為大錐齒輪C103高速連續(xù)周轉(zhuǎn)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(xù)高速轉(zhuǎn)動。由此，宏觀結(jié)構體的振動能量被振動能量采集器采集，并轉(zhuǎn)化為負載輪C108上的轉(zhuǎn)動動能，從而實現(xiàn)對外輸出功率。由于在實際工程中，宏觀結(jié)構體的振動為多頻率疊加振動，而且采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采集器共振系統(tǒng)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(xiàn)， 采集器的輸出系統(tǒng)從四路換向機構獲得的轉(zhuǎn)矩激勵也是異步交替的，從而輸出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動激勵的頻率總是四路并列的共振機構的振動頻率之和，因而該振動能量采集器能夠達到高效采集的目的。倘若外界振源頻率變化范圍較大，無法保證激勵頻率始終處于采集器共振的頻帶寬度以內(nèi)，則采集器將不能工作在最佳的采集狀態(tài)，但由于本采集器具有并列四路異步轉(zhuǎn)化的結(jié)構特點，只要四路共振機構沒有同時處于反共振點，則總是能夠保證采集器的輸出系統(tǒng)能夠具有將強的對外做功能力，然而適當?shù)恼{(diào)整四路共振機構固有頻率的差值是可以消除采集器處于反共振點這種情況的，因此該采集器兼具有采集效率高和適應性強的優(yōu)點。由于此振動能量采集器負載輪可以獲得連續(xù)高速的周轉(zhuǎn)運動，故其可直接聯(lián)接負載做功，也可以將其與普通發(fā)電機聯(lián)接將振動能轉(zhuǎn)化為電能進一步實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化和再利用。此外，該采集器還可以與液壓系統(tǒng)結(jié)合建立如圖5所示的采集網(wǎng)絡。將采集器Hl的負載輪與普通液壓泵H2聯(lián)接，液壓泵H2的出口再聯(lián)接一個單向閥H3形成一套振動-液壓采集單元H。多個振動-液壓采集單元H并聯(lián)后，高壓油經(jīng)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的輸入油壓后對外做功，經(jīng)液壓馬達做功后的低壓油再經(jīng)低壓油管道M回流到各個振動液壓采集單元H，由此整個網(wǎng)絡便形成了一套循環(huán)的液壓油路系統(tǒng)采集網(wǎng)絡。由于該采集網(wǎng)絡具有振動-液壓單元多點分布采集特點和多路并聯(lián)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，整個采集網(wǎng)絡比單個采集器具有更強的振動能量采集能力，更利于振動能量的規(guī)?；杉?。此發(fā)明優(yōu)點及功效(I)該振動采集器無需主動耗能，無污染排放，基于兩自由度系統(tǒng)共振的采集原理，使得采集器采集效果明顯，采集能量輸出大。
(2)采集器的四路共振機構可以根據(jù)宏觀振動體振動頻率特點設定在同一固有頻率附近，實現(xiàn)特定頻率針對性采集，也可將四路共振機構設定為不同固有頻率實現(xiàn)多頻段大范圍采集。(3)采集器負載輪可直接聯(lián)接發(fā)電機，將振動能轉(zhuǎn)化為電能，方便存儲和再利用。(4)多個采集器與液壓系統(tǒng)可組網(wǎng)建立空間范圍內(nèi)大跨度、多頻段的綜合采集系統(tǒng)，利于振動能量的規(guī)?；杉?。


圖I為本發(fā)明振動能量采集器整體結(jié)構的軸測圖2為本發(fā)明振動能量采集器整體結(jié)構的俯視圖3為本發(fā)明振動能量采集器共振機構的局部裝配圖4為本發(fā)明振動能量采集器的整體剖視 閱圖5為本振動能量采集器與液壓系統(tǒng)組網(wǎng)建立的空間網(wǎng)絡化振動能量采圖;
圖6為共振機構三維結(jié)構圖7為換向機構三維結(jié)構圖8為輸出系統(tǒng)三維結(jié)構圖。
圖中標號說明如下
A、共振系統(tǒng) B、換向系統(tǒng) C、輸出系統(tǒng)
A1、A2、A3、A4、共振機構B1、B2、B 3、B4、換向機構
A101、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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、增力連桿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、增力連桿
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、振動能量采集器
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(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明本發(fā)明，基于共振的四路
并列式異步轉(zhuǎn)化振動能量采集器由共振系統(tǒng)A、換向系統(tǒng)B、輸出系統(tǒng)C三部分組成(如圖
2)。共振系統(tǒng)由四組并列的共振機構Al、A2、A3、A4組成，換向系統(tǒng)由四組并列換向機構 BI、B2、B3、B4組成，四路共振結(jié)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(tǒng)相連，輸出系統(tǒng)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(tǒng)A中四路共振機構的結(jié)構相同。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動支座A101、A106上端通孔，螺紋軸A102的兩端的軸肩分別緊靠轉(zhuǎn)動支座 AlOU A106的內(nèi)側(cè)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(lián)接。深溝球軸承A103內(nèi)圈與螺紋軸A102過盈配合，內(nèi)圈的一側(cè)緊靠在螺紋軸 A102中部軸肩，內(nèi)圈的另一側(cè)與卡在螺紋軸A102上擋圈槽內(nèi)的擋圈A104緊靠。軸承A103 外圈與增力連桿A130過盈配合,外圈的一側(cè)緊靠增力連桿A130的環(huán)形凸臺，外圈的另一側(cè)與軸承頂盤A105的環(huán)形端面緊靠。軸承頂盤A105的柱面與增力連桿A130圓柱內(nèi)表面間隙配合，并通過螺釘與增力連桿A130緊固。增力連桿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(cè)緊靠增力連桿A130的環(huán)形凸臺，另一側(cè)緊靠軸承頂盤 A127的圓環(huán)端面。軸承頂盤A127的柱面與增力連桿A130圓柱內(nèi)表面間隙配合，并通過螺釘與增力連桿A130緊固。軸承A128的內(nèi)圈與主彈簧振子A126的小軸過盈配合，內(nèi)圈的一側(cè)緊靠小軸的軸肩，內(nèi)圈的另一側(cè)與軸承擋片A129緊靠，螺釘穿過軸承擋片A129的通孔， 并且旋入主彈簧振子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(nèi)圈過盈配合，小軸軸肩緊靠軸承A109內(nèi)圈的一側(cè)，內(nèi)圈的另一側(cè)緊靠軸承擋片A110。螺釘穿過軸承擋片AllO的通孔，并且旋入主彈簧振子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的外圈與增力連桿Alll的軸承座過盈配合，外圈的一側(cè)緊靠增力連桿Alll的環(huán)形凸臺，另一側(cè)緊靠軸承頂盤A108的環(huán)形端面。軸承頂盤A108的柱面與增力連桿Alll的圓柱形內(nèi)表面間隙配合，并通過螺釘與增力連桿Alll緊固。增力連桿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(nèi)的環(huán)形凸臺緊靠軸承A122外圈的一側(cè)，軸承A122外圈的另一側(cè)與軸承頂盤A123的環(huán)形端面緊靠。軸承頂盤A123的柱面與增力連桿Alll的圓柱形內(nèi)表面間隙配合，并通過螺釘與增力連桿Alll緊固。軸承A122的內(nèi)圈與滑塊軸A117過盈配合，內(nèi)圈的一側(cè)緊靠滑塊軸A117的軸肩，內(nèi)圈的另一側(cè)與卡在滑塊軸擋圈槽內(nèi)的彈性擋圈A121緊靠?；瑝K軸A117 —端的法蘭端面與滑塊A118緊靠，并通過螺釘與滑塊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(lián)接與擺動臂A120緊固?；瑝K軸A118與深溝球軸承A114的內(nèi)圈過盈配合，軸承A114內(nèi)圈的一側(cè)緊靠滑塊軸軸肩，另一側(cè)緊靠軸承擋片A113。螺釘A112穿過軸承擋片A113的通孔并旋入滑塊軸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(cè)緊靠滑塊座A135的環(huán)形凸臺，外圈的另一側(cè)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(nèi)表面間隙配合，并通過螺釘與滑塊座 A135緊固?；瑝K座A135通過螺釘與滑塊A134緊固?；瑝KA134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(lián)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?；瑒幼鵄124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?；瑒幼鵄124上面開有四個小通孔，螺釘穿過滑動座A124的通孔并旋入滑塊 A125的螺紋孔，將滑動座A124與滑塊A125緊固?；瑝KA125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，并通過螺栓與第二層安裝板緊固。共振系統(tǒng)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(tǒng)。當振動系統(tǒng)的一階頻率與被采集結(jié)構體的振動頻率接近時，此振動系統(tǒng)會在外界位移激勵的作用下發(fā)生強烈的共振，此時，主彈簧振子A126獲得與外部結(jié)構體同頻率大振幅的往復運動。主彈簧振子A126作用于增力連桿A111、A130上， 從而推動滑塊A125在軌道A116上往復運動，由于增力連桿的作用滑塊獲得的推動力是比較大的?；瑝KA125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(tǒng)提供了擺動輸入。共振系統(tǒng)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(shù)可以根據(jù)被采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，集中采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，以更寬的頻段來采集振動體的振動能。如圖4、8所示，換向系統(tǒng)B由四路結(jié)構相同的換向機構并列組成。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(xiàn)周向定位， 擺動臂A120的一側(cè)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(cè)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(nèi)圈過盈配合，擺動軸B105中部的兩軸肩分別與軸承 B104和B106內(nèi)圈的一側(cè)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(cè)緊靠雙臂軸承座B103的圓環(huán)凸臺。軸承B104外圈的一側(cè)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(nèi)表面間隙配合，并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(lián)接與第一層安裝板B120緊固。擺動軸 B105 一端的鍵槽內(nèi)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(huán)端面上，棘爪F通過螺釘限定在棘爪盤B108的圓環(huán)端面內(nèi)僅能轉(zhuǎn)動。扭轉(zhuǎn)彈簧(在棘爪后，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(zhuǎn)彈簧作為棘爪F的回復力彈簧。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(cè)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(cè)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(nèi)圈過盈配合，軸承B113、B116內(nèi)圈的一側(cè)分別于小錐齒輪軸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(cè)與雙臂軸承座的環(huán)形凸臺緊靠，軸承B113外圈的一側(cè)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(nèi)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(lián)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的安裝位置滿足于大錐齒輪C103形成錐齒輪副。換向系統(tǒng)是振動能量采集器中整合方向的核心環(huán)節(jié)。換向系統(tǒng)中的每路換向機構都與前端共振機構串聯(lián)，換向機構能夠?qū)[動臂A120的擺動振動經(jīng)過棘輪機構轉(zhuǎn)化為小錐齒輪B114的連續(xù)周轉(zhuǎn)運動，從而為輸出機構提供動力輸入。如圖4、8所示，振動能量采集器的輸出系統(tǒng)與四路換向機構聯(lián)接，能夠?qū)⑺穆穭恿斎胝虾笤賹ν廨敵?。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并緊靠大錐齒輪C103側(cè)小端面。彈簧墊圈穿過大錐齒輪軸C107并緊靠套筒C101，大螺母旋緊在大錐齒輪軸C107上端螺紋軸處并將彈簧墊圈、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(nèi)圈與大錐齒輪軸C107過盈配合，軸承C105、 CllO內(nèi)圈的一側(cè)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(nèi)表面過盈配合，軸承C105、C110外圈的一側(cè)分別緊靠大錐齒輪軸筒C106筒內(nèi)的環(huán)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(nèi)表面間隙配合，大錐齒輪上端蓋C104的環(huán)形端面緊靠軸承C105外圈的一側(cè)，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(huán)形端面緊靠軸承CllO外圈的一側(cè)，大錐齒輪下端蓋C109的柱面與大錐齒輪軸筒C106圓柱內(nèi)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，并將三者緊固聯(lián)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(lián)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(tǒng)聯(lián)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(fā)電機相連，將振動能量采集器采集的機械能轉(zhuǎn)化為電能進一步存儲和利用。此外，此振動能量采集器還可以與液壓系統(tǒng)組網(wǎng)，建立網(wǎng)絡化的振動能量采集系統(tǒng)如圖5所示。該采集系統(tǒng)由振動能量采集器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采集器Hl的輸出端聯(lián)接，普通液壓泵H2從振動能量采集器獲得機械能，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(lián)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(zhuǎn)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(fā)電機組網(wǎng)，形成大規(guī)模振動發(fā)電系統(tǒng))，高壓油流經(jīng)普通單向液壓馬達P泄壓后再次流入低壓管道M，因此整個系統(tǒng)形成閉合回路。整個系統(tǒng)在物質(zhì)上自我封閉，系統(tǒng)不斷汲取外部振動能量，系統(tǒng)內(nèi)部流體自循環(huán)，因此該系統(tǒng)特別適用于地鐵、橋梁、隧道等大型機構體的振動能量的采集利用。
權利要求
1.一種基于共振的四路并列式異步轉(zhuǎn)化振動能量采集器，其特征在于該采集器包括共振系統(tǒng)、換向系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)(一)共振系統(tǒng)共振系統(tǒng)由四組沿圓周均布的共振機構并列組成，四組共振機構結(jié)構完全相同；結(jié)構如下兩轉(zhuǎn)動支座(A101、A106)分別通過螺栓與第一層安裝板(B120)緊固聯(lián)接；螺紋軸(A102)依次穿過兩轉(zhuǎn)動支座(A101、A106)，并與兩轉(zhuǎn)動支座(A101、A106)緊固；螺紋軸(A102)中部通過深溝球軸承與增力連桿(A130)配合聯(lián)接；增力連桿(A130)通過深溝球軸承與主彈簧振子(A126) —側(cè)的小軸聯(lián)接；主彈簧振子(A126)另一側(cè)的小軸通過深溝球軸承與增力連桿(Alll)配合聯(lián)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，并通過兩彈簧(A132、A133)與主彈簧振子(A126)聯(lián)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；增力連桿(Alll)、滑塊座(A135)與滑塊軸(A117)通過深溝球軸承配合聯(lián)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(lián)接與第二層安裝板(B118)緊固，構成采集器的整體支架；(二)換向系統(tǒng)換向系統(tǒng)由四組沿圓周均布的換向機構并列組成，四組換向機構結(jié)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(lián)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(lián)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，并通過普通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(huán)端面上；棘爪(F)通過螺釘限定在棘爪盤 (B108)圓環(huán)端面上只能繞螺釘轉(zhuǎn)動，扭轉(zhuǎn)彈簧穿過螺釘分別與棘爪盤(B108)和棘爪(F)焊接聯(lián)接；小錐齒輪軸(B117)通過深溝球軸承與雙臂軸承座(B112)配合聯(lián)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，并通過彈簧墊圈、六角螺母與小錐齒輪軸(B117)緊固；小錐齒輪(B114)作為換向結(jié)構的輸出端，通過錐齒輪副與輸出系統(tǒng)形成功能聯(lián)接；(三)輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)能夠?qū)⑺穆凡⒘行″F齒輪的異步周轉(zhuǎn)運動，整合為一路連續(xù)高速整周轉(zhuǎn)動并通過負載輪對輸出功率；具體結(jié)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(lián)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(nèi)表面配合，并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(nèi)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(tǒng)的末端，也是整個振動能量采集器的輸出端。
2.一種利用如權利要求I所述的采集器所組成的采集網(wǎng)絡，其特征在于基于共振的四路并列式異步轉(zhuǎn)化振動能量采集器與液壓系統(tǒng)結(jié)合即可建立采集網(wǎng)絡將采集器(Hl) 的負載輪與普通液壓泵(H2)聯(lián)接，液壓泵(H2)的出口再聯(lián)接一個單向閥(H3)形成一套振動-液壓采集單元(H);多個振動-液壓采集單元(H)并聯(lián)后，高壓油經(jīng)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)的輸入油壓后對外做功，經(jīng)液壓馬達做功后的低壓油再經(jīng)低壓油管道(M)回流到各個振動液壓采集單元(H)，由此整個網(wǎng)絡便形成了一套循環(huán)的液壓油路系統(tǒng)采集網(wǎng)絡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于共振的四路并列式異步轉(zhuǎn)化振動能量采集器，由共振系統(tǒng)，換向系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)三部分組成，三大系統(tǒng)之間由機械聯(lián)接保證相對運動關系。多個該種振動能量采集器還可與液壓系統(tǒng)組合應用，形成網(wǎng)絡化的振動能量采集系統(tǒng)，實現(xiàn)三維空間內(nèi)大跨度、多頻段振動能量的聯(lián)合采集利用。該采集器應用了兩自由度振動系統(tǒng)在共振頻帶內(nèi)可獲得較大振幅的采集原理，可實現(xiàn)特定頻段振動能量針對性采集和多頻段振動能量大范圍采集，具有采集效率高、頻率適應范圍大和采集效果明顯的特點。
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(yōu)先權日2011年12月26日
發(fā)明者李 杰, 邊宇樞, 高智慧 申請人:北京航空航天大學