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申请/专利权人：上海工程技术大学

摘要：本发明涉及一种压电式振动能量采集转换装置，用以在轨道交通列车运行环境中，采集列车运行时振动产生的机械能并转化为电能，该装置包括、用以固定在列车上且上端开口的底座、与底座扣合形成内部空间的外壳、设置在底座底面上的限位仓以及设置在内部空间内且在限位仓的约束下垂直运动的压电振子。与现有技术相比，本发明具有有效形变量大、发电效率高、可靠性强、免维护、安全性高、使用寿命长、便于拆卸和安装等优点。

主权项：1.一种压电式振动能量采集转换装置，用以在轨道交通列车运行环境中，采集列车运行时振动产生的机械能并转化为电能，其特征在于，该装置包括、用以固定在列车上且上端开口的底座（2）、与底座（2）扣合形成内部空间的外壳（1）、设置在底座（2）底面上的限位仓（4）以及设置在内部空间内且在限位仓（4）的约束下垂直运动的压电振子（3）；所述的压电振子（3）包括防松螺栓（35）、固定在防松螺栓（35）底端且受限位仓约束的限位块（36）、设置在防松螺栓（35）顶端的上自锁螺母（37）、质量块（33）、下自锁螺母、黄铜基底（31）以及同轴贴设在黄铜基底（31）上下两侧的压电陶瓷片（32），所述的下自锁螺母、质量块（33）、下压电陶瓷片、黄铜基底（31）、上压电陶瓷片的中心在限位块（36）与上自锁螺母（37）之间依次自下至上由防松螺栓（35）穿过，所述黄铜基底（31）为矩形，所述的黄铜基底（31）两侧通过螺栓固定在底座（2）与外壳（1）的扣合面上，所述限位块（36）用于限制压电振子（3）在Z方向的振幅，避免振动过大而使压电陶瓷片（32）失效；所述的质量块（33）为可调质量的黄铜质量块，通过改变质量来改变压电振子（3）的固有频率，所述的质量块（33）的质量根据实际环境频率由公式计算得出，为弹簧的弹性系数，为质量块的质量；该装置的发电功率计算式为： 其中，为压电材料发电系数，为加速度，为压电振子总质量，为基底中心距离螺栓孔长度，为基底宽度，为基底厚度，综合考虑体积因素，得出的使发电功率最大时的各个参数值。

全文数据：一种压电式振动能量采集转换装置技术领域本发明涉及列车收集振动能量，尤其是涉及一种压电式振动能量采集转换装置。背景技术列车运行过程中的安全问题一直是人们关注的重点，随着无线传输和监测技术飞速发展，低功耗的无线传感器已经在列车监测领域中承担了重要的角色。而在实际运用过程中，供电困难等问题限制了无线传感器的大规模普及使用。机械振动能是轨道列车运行环境下普遍存在的一种能量，利用列车运行时振动产生的能量，通过能量采集装置转化为电能为监测设备供能是一种既具有经济效益、又解决了实际问题的方法。但目前大多数的压电式振动能量采集装置结构存在缺陷，出现了压电材料寿命短、发电效率不足、可靠性差等问题，以待解决。因此，针对上述情况，本发明在提高装置可靠性的前提下，通过优化结构与参数提出一种获得更高的能量采集功率、安全性更高的振动能量采集装置。发明内容本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压电式振动能量采集转换装置。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种压电式振动能量采集转换装置，用以在轨道交通列车运行环境中，采集列车运行时振动产生的机械能并转化为电能，该装置包括、用以固定在列车上且上端开口的底座、与底座扣合形成内部空间的外壳、设置在底座底面上的限位仓以及设置在内部空间内且在限位仓的约束下垂直运动的压电振子。所述的压电振子包括防松螺栓、固定在防松螺栓底端且受限位仓约束的限位块、设置在防松螺栓底端顶端的上自锁螺母、质量块、下自锁螺母、黄铜基底以及同轴贴设在黄铜基底上下两侧的压电陶瓷片，所述的下自锁螺母、质量块、下压电陶瓷片、黄铜基底、上压电陶瓷片的中心在限位块与自锁螺母之间依次自下至上由防松螺栓穿过，所述的黄铜基底两侧通过螺栓固定在底座与外壳的扣合面上。所述的质量块为可调质量的黄铜质量块，通过改变质量来改变压电振子的固有频率。所述的压电振子还包括设置在黄铜基底与质量块中心通孔处的垫圈，该垫圈的外径小于下压电陶瓷片中心通孔的孔径，使得质量块受到的力仅通过防松螺栓与垫圈作用在黄铜基底上，以保证压电陶瓷片应力分散。该装置的发电功率P计算式为：其中，K为压电材料发电系数，a为加速度，m为压电振子总质量，l为基底中心距离螺栓孔长度，b为基底宽度，h为基底厚度，综合考虑体积因素，得出的使发电功率最大时的各个参数值。所述的防松螺栓在与孔的连接处均预涂粘合剂。所述的限位仓呈下端开口的圆筒形且倒扣在底座底面上，其侧壁设有限位块入口，其顶面设有与限位块入口配合的L形导向槽，用以使限位块安装在限位仓内，并在X-Y平面限制其位移，在Z方向限制振幅。所述的底座和外壳上设有用以引出压电振子导线的引出孔。与现有技术相比，本发明具有以下优点：一、本发明专利通过在压电陶瓷中心开孔，将外力直接传递至黄铜基底，不作用于压电陶瓷，以保证表面应力分散，增加使用寿命。二、本发明专利设置了导轨式限位装置，包括限位块与设有导向槽的限位仓。该限位装置通过螺栓连接，结构简单，便于拆卸和安装，免维护，安全性高，并在列车工作环境中可承受较大冲击。三、本发明专利所述的压电振子由质量块、黄铜基底、压电陶瓷等多部分组装而成，每个零件的参数均可改变，可以根据环境的不同调整适用频率。附图说明图1为本发明的结构俯视图。图2为本发明的结构剖面图。图3为压电振子的分解图。图4为底座与限位仓的结构示意图。图5为压电振子的结构示意图。图中标记说明：其中：1、外壳，2、底座，3、压电振子，31、黄铜基底，32、压电陶瓷片，33、质量块，34、垫圈，35、防松螺栓，36、限位块，37、上自锁螺母，38，基底垫圈，11、引出孔，4、限位仓。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例如图1所示，本发明提供一种振动能量采集装置，适用于轨道交通列车环境。该装置包括该装置包括外壳1、底座2、限位仓4与压电振子3。其中压电振子3包括黄铜基底31，同轴贴于基底两侧的压电陶瓷片32，质量块33，设在质量块33与黄铜基底31之间的垫圈34，依次连接黄铜基底、垫圈、质量块的防松螺栓35，上自锁螺母37、下自锁螺母，以及固定在防松螺栓底端的限位块36。质量块33的质量根据实际环境频率由公式计算得出，k为弹簧的弹性系数，m为质量块的质量。改用不同的质量块可以改变系统固有频率，使其在工作时发生共振，以增大压电陶瓷片32的形变量。压电陶瓷片32贴于黄铜基底31上下表面，带动其发生形变，垫圈34的设置可以避免质量块33与压电陶瓷32直接接触，损伤压片陶瓷。本例中，质量块33使用高密度黄铜制成，通过防松螺栓35与垫圈34、黄铜基底31连接，并且可以更换质量不同的质量块以改变装置固有频率，保证工作时装置处于共振状态，垫圈34外径为4mm，小于压电陶瓷片32的中心开孔直径5mm，因此质量块受到的力仅通过防松螺栓35与垫圈34作用于黄铜基底31，以保证压电陶瓷片32应力分散，增加使用寿命。黄铜基底31的具体安装方式为：使用M3螺栓穿过外壳1、基底垫圈38、黄铜基底31、底座2进行固定。该装置的发电功率P计算式为：其中，K为压电材料发电系数，a为加速度，m为压电振子总质量，l为基底中心距离螺栓孔长度，b为基底宽度，h为基底厚度，综合考虑体积因素，得出的使发电功率最大时的各个参数值。装置的具体安装方式为：使用M3螺栓将底座2固定在安装位置，避免与安装体的相对位移。压电振子的具体连接方式为：先在防松螺栓35的螺纹旋合表面预涂粘合剂，再使用防松螺栓35依次连接下自锁螺母、质量块33、垫圈34、黄铜基底31、上自锁螺母37。防松螺栓35底部连接限位块36，伸入限位仓4。限位仓4通过螺钉固定在底座的中心，防松螺栓35与限位块36通过导向槽进入限位仓后，可以在X-Y平面限制位移；限位块可以限制压电振子在Z方向的振幅，避免振动过大而使压电陶瓷片失效。外壳1和底座2箱体设有两个引出口，便于导线引出。根据附图1-5所示的结构加工出装置的各个部件。压电陶瓷32同轴贴在矩形黄铜基底31的上下表面，使用一根防松螺栓预涂粘合剂，再配合两个自锁螺母37固定矩形黄铜基底31、垫圈34、质量块33、限位块36，由通道伸入限位仓4，再将导线由引出孔11引出。通过M3螺栓将基底固定于底座2，安装好外壳。最后通过螺栓将底座2固定于安装位置。该装置具体使用方法如下：首先通过检测装置测定工作环境的振动频率大致范围，由公式计算对应的质量块质量；然后组装好装置，将底座固定于安装位置，连接导线。当振动输入时，质量块带动黄铜基底，基底带动压电陶瓷片进行Z轴方向振动，压电陶瓷片收集振动产生的机械能转化为电能通过导线输出，当系统振幅稳定，系统稳定运行。最后有必要在此指出的是：以上仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。

权利要求：1.一种压电式振动能量采集转换装置，用以在轨道交通列车运行环境中，采集列车运行时振动产生的机械能并转化为电能，其特征在于，该装置包括、用以固定在列车上且上端开口的底座2、与底座2扣合形成内部空间的外壳1、设置在底座2底面上的限位仓4以及设置在内部空间内且在限位仓4的约束下垂直运动的压电振子3。2.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所述的压电振子3包括防松螺栓35、固定在防松螺栓35底端且受限位仓约束的限位块36、设置在防松螺栓35底端顶端的上自锁螺母37、质量块33、下自锁螺母、黄铜基底31以及同轴贴设在黄铜基底31上下两侧的压电陶瓷片32，所述的下自锁螺母、质量块33、下压电陶瓷片、黄铜基底31、上压电陶瓷片的中心在限位块36与自锁螺母37之间依次自下至上由防松螺栓35穿过，所述的黄铜基底31两侧通过螺栓固定在底座2与外壳1的扣合面上。3.根据权利要求2所述的一种压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所述的质量块33为可调质量的黄铜质量块，通过改变质量来改变压电振子3的固有频率。4.根据权利要求2所述的一种压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所述的压电振子3还包括设置在黄铜基底31与质量块33中心通孔处的垫圈34，该垫圈34的外径小于下压电陶瓷片中心通孔的孔径，使得质量块33受到的力仅通过防松螺栓35与垫圈34作用在黄铜基底31上，以保证压电陶瓷片应力分散。5.根据权利要求2所述的一种压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，该装置的发电功率P计算式为：其中，K为压电材料发电系数，a为加速度，m为压电振子总质量，l为基底中心距离螺栓孔长度，b为基底宽度，h为基底厚度。6.根据权利要求2所述的一种压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所述的防松螺栓35在与孔的连接处均预涂粘合剂。7.根据权利要求2所述的一种压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所述的限位仓4呈下端开口的圆筒形且倒扣在底座2底面上，其侧壁设有限位块入口，其顶面设有与限位块入口配合的L形导向槽，用以使限位块36安装在限位仓4内，并在X-Y平面限制其位移，在Z方向限制振幅。8.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量采集转换装置，其特征在于，所述的底座2和外壳1上设有用以引出压电振子导线的引出孔11。

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