CN107740903B - 充液管道压电液阻俘能器 - Google Patents
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Abstract
充液管道压电液阻俘能器，属于振动控制技术领域，包括俘能器主壳体、上壳罩、活塞、活塞杆、弹簧、附加质量块、金属基板组、压电陶瓷复合板、橡胶压块、第一蓄能器、第二蓄能器、储能和供能单元、控制器及整流板，俘能器主壳体、上壳罩、活塞、活塞杆、弹簧、附加质量块、金属基板组、压电陶瓷复合板及橡胶压块构成充液管道压电液阻俘能器主体，充液管道压电液阻俘能器主体分别与第一蓄能器、第二蓄能器及储能和供能单元连接，本发明的结构实现了流体与压电体耦合振动传递动力驱动俘能器增阻减振，起到对管道增阻减振的作用并将振动能量转换成电能存储起来，管道中布置整流板，通过控制整流板改善由于输流管道中气泡破裂对管道产生的巨大冲击力。
Description
技术领域
本发明属于振动控制技术领域，特别是涉及到一种充液管道压电液阻俘能器。
背景技术
流固耦合效应几乎涉及所有的工业，而有压流动或输送过程中的互动问题则是这些领域中十分具有代表性的研究方向。
管道***作为一种最具代表性的输送***，在众多的工业领域中具有十分广泛的应用，发挥着极其重要的作用。但管道***工作过程不可避免地会出现由于***操作或其他扰动等原因而产生的非定常流动，而在输流管道中气泡破裂产生的巨大冲击力是极其有害的。引起***的振荡，降低***运行可靠性、恶化工作环境、影响仪器仪表精度、导致管道结合部渗漏，严重时会导致管道爆裂或***失效而成灾等。为了减少振动对输流管造成的危害，振动的控制方法及其实施的研究也是一个值得重视的方面。
目前，虽然人们提出了用于减轻管振动的阻尼器，详见公布号CN103090152A”和“用于管道振动能量收集的压电能量回收装置，详见公布号CN106685264A”。
但以上研究只是在管道外增加配重或能量收集装置，并未对气泡破裂产生的巨大冲击力直接在管道内部通过流固耦合进行减振和能量回收的研究，同时现有的油气管道隔振和压电发电装置大都结构复杂、体积大，不适于直径相对较小的管道。
为提高对管道振动能量的回收能力和振动控制效果，有必要发明一种压电液阻俘能器，即通过流体与压电体耦合振动传递动力驱动压电液阻俘能器增阻减振，并将振动能量转换成电能存储起来为管道微***控制装置进行供能，并用于振动的半主动控制，对维护管道***的运行安全具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对充液管道***的振动和压电减振控制特性进行分析后提出一种新型压电液阻俘能器，它利用载流压电材料的共振来衰减流体的脉动，通过压电与流体相互耦合作用来实现振动能量回收。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：充液管道压电液阻俘能器，其特征是：包括俘能器主壳体、上壳罩、活塞、活塞杆、弹簧、附加质量块、金属基板组、压电陶瓷复合板、橡胶压块、第一蓄能器、第二蓄能器、储能和供能单元、控制器及整流板，所述俘能器主壳体顶部中间位置开设有贯穿孔道，俘能器主壳体上设有接线柱组，接线柱组由上接线柱和下接线柱组成，其中上接线柱穿设于俘能器主壳体，上接线柱具有外螺纹，并通过该外螺纹与俘能器主壳体螺纹连接，上接线柱置于俘能器主壳体的内部端通过导线与压电陶瓷复合板连接，上接线柱置于俘能器主壳体的外部端通过导线与储能和供能单元连接；下接线柱穿设于俘能器主壳体，下接线柱具有外螺纹，并通过该外螺纹与俘能器主壳体螺纹连接，下接线柱置于俘能器主壳体的内部端通过导线与金属基板组连接，下接线柱置于俘能器主壳体的外部端通过导线与储能和供能单元连接；所述上壳罩为底部开口的罩体，上壳罩的开口一侧与俘能器主壳体通过螺钉连接，并在上壳罩与俘能器主壳体之间压接有密封垫，上壳罩通过所述贯穿孔道与俘能器主壳体连通，上壳罩顶部与充液管道通过管路连接；所述活塞置于上壳罩内并将其分隔成上外腔和下外腔，且上外腔通过管路与第一蓄能器连通，下外腔通过管路与第二蓄能器连通；活塞与下外腔及俘能器主壳体之间接有弹簧,且弹簧套置在活塞杆上；所述活塞杆的上端部法兰通过螺钉与活塞连接，活塞杆穿过俘能器主壳体顶部中间位置的贯穿孔道进行上下运动，活塞杆下端部连接有橡胶压块；所述附加质量块上设置有***槽；所述金属基板组包括第一金属基板和第二金属基板，第一金属基板和第二金属基板上下正对且呈平行布置，第一金属基板和第二金属基板的外边缘通过***槽插在附加质量块上，其中第一金属基板的上表面及第二金属基板的下表面固定有压电陶瓷复合板；在相邻两个压电陶瓷复合板之间及压电陶瓷复合板与俘能器主壳体之间均设置有橡胶压块；所述整流板通过法兰板安装在管道上，法兰板为圆环结构，且法兰板与管道在法兰连接处设置有密封圈，整流板包括压电片和立板，压电片与法兰板同轴布置，且压电片通过粘合剂固定在法兰板上，压电片的上表面均布有立板，且压电片与立板呈垂直布置，压电片由金属基板及压电陶瓷通过导电胶粘合而成。
进一步，所述俘能器主壳体为圆柱形壳体。
进一步，所述立板的形状为三角形。
通过上述设计本发明能带来以下有益效果：本发明提出一种充液管道压电液阻俘能器，通过流体与压电体耦合振动传递动力驱动充液管道压电液阻俘能器增阻减振，起到对管道增阻减振的作用，并将振动能量转换成电能存储起来，另外管道中布置整流板，并通过控制器控制整流板，使其进行振动，达到对管道流体进行整流的目的，从而改善管道流体流动特性，进一步改善由于输流管道中气泡破裂对管道产生的巨大冲击力。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明充液管道压电液阻俘能器的结构示意图。
图2为本发明充液管道压电液阻俘能器局部放大示意图。
图中：1-俘能器主壳体、2-上壳罩、3-活塞、4-活塞杆、5-弹簧、6-附件质量块、7-金属基板组、701-第一金属基板、702-第二金属基板、8-压电陶瓷复合板、9-橡胶压块、10-第一蓄能器、11-第二蓄能器、12-储能和供能单元、13-控制器、14-整流板、1401-压电片、1402-立板。
具体实施方式
本发明提出了一种充液管道压电液阻俘能器，如图1及图2所示，包括俘能器主壳体1、上壳罩2、活塞3、活塞杆4、弹簧5、附加质量块6、金属基板组7、压电陶瓷复合板8、橡胶压块9、第一蓄能器10、第二蓄能器11、储能和供能单元12、控制器13及整流板14，所述俘能器主壳体1顶部中间位置开设有贯穿孔道，俘能器主壳体1上设有接线柱组，接线柱组由上接线柱和下接线柱组成，其中上接线柱穿设于俘能器主壳体1，上接线柱具有外螺纹，并通过该外螺纹与俘能器主壳体1螺纹连接，上接线柱置于俘能器主壳体1的内部端通过导线与压电陶瓷复合板8连接，上接线柱置于俘能器主壳体1的外部端通过导线与储能和供能单元12连接；下接线柱穿设于俘能器主壳体1，下接线柱具有外螺纹，并通过该外螺纹与俘能器主壳体1螺纹连接，下接线柱置于俘能器主壳体1的内部端通过导线与金属基板组7连接，下接线柱置于俘能器主壳体1的外部端通过导线与储能和供能单元12连接；所述上壳罩2为底部开口的罩体，上壳罩2的开口一侧与俘能器主壳体1通过螺钉连接，并在上壳罩2与俘能器主壳体1之间压接有密封垫，上壳罩2通过所述贯穿孔道与俘能器主壳体1连通，上壳罩2顶部与充液管道通过管路连接；所述活塞3置于上壳罩2内并将其分隔成上外腔和下外腔，且上外腔通过管路与第一蓄能器10连通，下外腔通过管路与第二蓄能器11连通；活塞3与下外腔及俘能器主壳体1之间接有弹簧5,且弹簧5套置在活塞杆4上；所述活塞杆4的上端部法兰通过螺钉与活塞3连接，活塞杆4穿过俘能器主壳体1顶部中间位置的贯穿孔道进行上下运动，活塞杆4下端部连接有橡胶压块9；所述附加质量块6上设置有***槽；所述金属基板组7包括第一金属基板701和第二金属基板702，第一金属基板701和第二金属基板702上下正对且呈平行布置，第一金属基板701和第二金属基板702的外边缘通过***槽插在附加质量块6上，其中第一金属基板701的上表面及第二金属基板702的下表面固定有压电陶瓷复合板8；在相邻两个压电陶瓷复合板8之间及压电陶瓷复合板8与俘能器主壳体1之间均设置有橡胶压块9；所述整流板14通过法兰板安装在管道上，法兰板为圆环结构，且法兰板与管道在法兰连接处设置有密封圈，整流板14包括压电片1401和立板1402，压电片1401与法兰板同轴布置，且压电片1401通过粘合剂固定在法兰板上，压电片1401的上表面均布有立板1402，且压电片1401与立板1402呈垂直布置，压电片1401由金属基板及压电陶瓷通过导电胶粘合而成，所述立板1402的形状为三角形。控制器13控制整流板14的压电片1401使其振动，并使整流板14的立板1402随之振动，达到对管道流体进行整流目的。
工作过程：流体经管道入口a处进入管道，在管道的b处连接有分支管路，流体经此分支管路进入充液管道压电液阻俘能器，流体振动驱动活塞3振动，活塞3带动压电陶瓷复合板8振动，产生上下位移的变化，从而产生电能，流体经上壳罩2上面流出从管道的c处流入管道然后经过整流板14从管道的d处流出。
所述俘能器主壳体1、上壳罩2、活塞3、活塞杆4、弹簧5、附件质量块6、金属基板组7、压电陶瓷复合板8及橡胶压块9构成充液管道压电液阻俘能器主体，当充液管道压电液阻俘能器主体的数量为两个以上时，各个充液管道压电液阻俘能器主体之间采用并联方式连接，再分别与储能和供能单元12连接。
在非工作状态下，活塞3处于平衡状态，第一蓄能器10和第二蓄能器11提供预置压力和滤波作用，活塞3因上下表面所受流体作用力相等而处于平衡状态，此时压电陶瓷复合板8上下表面不受外力作用、无电压生成；进入稳态工作后，活塞3随流体振动而上下运动，使***内流体的压力分布状态以及活塞3的受力状态发生变化，由于上壳罩2上外腔体积不断变化，进而改变管道阻尼，同时压电陶瓷复合板8随着流体振动而发生形变，将流体的压力能转换成电能，此为发电过程；所生成电能经导线传输到储能和供电单元12，转换处理后输出给控制器13，控制器13驱动整流板14进行振动，从而改善管道流体流动特性。
管道振动流体流经分支管路进入充液管道压电液阻俘能器主体，通过流体与压电体耦合振动传递动力驱动充液管道压电液阻俘能器增阻减振，起到对管道增阻减振的作用，并将振动能量转换成电能存储起来，另外管道中布置整流板13，通过控制整流板13进一步改善由于输流管道中气泡破裂对管道产生的巨大冲击力，同时通过储能和供能单元12为控制器13进行供电，有效改善原来控制器供电难的问题，另外第一蓄能器10和第二蓄能器11为压电液阻俘能器提供***背压。其工作原理是分支管路的流体流动时存在波动，这就带动活塞3和活塞杆4运动，通过橡胶压块9把振动传递到压电陶瓷复合板8，使压电陶瓷复合板8进行上下振动，进而改变上壳罩2上外腔的体积，另一方面充液管道压电液阻俘能器外界蓄能，一方面可以实现对管道扰动进行动态可调，另一方面根据压电特性把振动的机械能传化为电能存储起来为其本身进行供电，该充液管道压电液阻俘能器通过改变上壳罩2上外腔的体积进而改变管道流体流动特性的方法起到对管道流体扰动进行控制，同时也具有回收能量的作用。
Claims (3)
1.充液管道压电液阻俘能器，其特征是：包括俘能器主壳体(1)、上壳罩(2)、活塞(3)、活塞杆(4)、弹簧(5)、附加质量块(6)、金属基板组(7)、压电陶瓷复合板(8)、橡胶压块(9)、第一蓄能器(10)、第二蓄能器(11)、储能和供能单元(12)、控制器(13)及整流板(14)，所述俘能器主壳体(1)顶部中间位置开设有贯穿孔道，俘能器主壳体(1)上设有接线柱组，接线柱组由上接线柱和下接线柱组成，其中上接线柱穿设于俘能器主壳体(1)，上接线柱具有外螺纹，并通过该外螺纹与俘能器主壳体(1)螺纹连接，上接线柱置于俘能器主壳体(1)的内部端通过导线与压电陶瓷复合板(8)连接，上接线柱置于俘能器主壳体(1)的外部端通过导线与储能和供能单元(12)连接；下接线柱穿设于俘能器主壳体(1)，下接线柱具有外螺纹，并通过该外螺纹与俘能器主壳体(1)螺纹连接，下接线柱置于俘能器主壳体(1)的内部端通过导线与金属基板组(7)连接，下接线柱置于俘能器主壳体(1)的外部端通过导线与储能和供能单元(12)连接；所述上壳罩(2)为底部开口的罩体，上壳罩(2)的开口一侧与俘能器主壳体(1)通过螺钉连接，并在上壳罩(2)与俘能器主壳体(1)之间压接有密封垫，上壳罩(2)通过所述贯穿孔道与俘能器主壳体(1)连通，上壳罩(2)顶部与充液管道通过管路连接；所述活塞(3)置于上壳罩(2)内并将其分隔成上外腔和下外腔，且上外腔通过管路与第一蓄能器(10)连通，下外腔通过管路与第二蓄能器(11)连通；活塞(3)与下外腔及俘能器主壳体(1)之间接有弹簧(5),且弹簧(5)套置在活塞杆(4)上；所述活塞杆(4)的上端部法兰通过螺钉与活塞(3)连接，活塞杆(4)穿过俘能器主壳体(1)顶部中间位置的贯穿孔道进行上下运动，活塞杆(4)下端部连接有橡胶压块(9)；所述附加质量块(6)上设置有***槽；所述金属基板组(7)包括第一金属基板(701)和第二金属基板(702)，第一金属基板(701)和第二金属基板(702)上下正对且呈平行布置，第一金属基板(701)和第二金属基板(702)的外边缘通过***槽插在附加质量块(6)上，其中第一金属基板(701)的上表面及第二金属基板(702)的下表面固定有压电陶瓷复合板(8)；在相邻两个压电陶瓷复合板(8)之间及压电陶瓷复合板(8)与俘能器主壳体(1)之间均设置有橡胶压块(9)；所述整流板(14)通过法兰板安装在管道上，法兰板为圆环结构，且法兰板与管道在法兰连接处设置有密封圈，整流板(14)包括压电片(1401)和立板(1402)，压电片(1401)与法兰板同轴布置，且压电片(1401)通过粘合剂固定在法兰板上，压电片(1401)的上表面均布有立板(1402)，且压电片(1401)与立板(1402)呈垂直布置，压电片(1401)由金属基板及压电陶瓷通过导电胶粘合而成。
2.根据权利要求1所述的充液管道压电液阻俘能器，其特征是：所述俘能器主壳体(1)为圆柱形壳体。
3.根据权利要求1所述的充液管道压电液阻俘能器，其特征是：所述立板(1402)的形状为三角形。
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