振動(dòng)能量回收的液電減振裝置設(shè)計(jì)與測(cè)試

喻其炳，朱榮榮，李川

(重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

振動(dòng)是一種非常普遍的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)總是伴隨著能量的產(chǎn)生，所以振動(dòng)能廣泛存在于自然界中。但是，振動(dòng)常常對(duì)結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成破壞性的作用。因此，常常認(rèn)為振動(dòng)能是一種有害的能量形式[1]。為此，人們?cè)O(shè)計(jì)制作了阻尼器等減振裝置，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樵肼?、熱能等其他能量形式耗散掉，這樣，振動(dòng)能沒有得到有效利用，從而造成能量的浪費(fèi)，而且產(chǎn)生對(duì)環(huán)境的聲、熱等二次污染。如果能對(duì)減振裝置耗散的振動(dòng)能量進(jìn)行回收利用，不僅可以節(jié)約能源，還具有環(huán)保的作用。

在實(shí)現(xiàn)途徑上主要有液壓式和電磁式兩種振動(dòng)能量回收方式[2]。液壓式振動(dòng)能量回收通過適當(dāng)?shù)囊簤簜鲃?dòng)結(jié)構(gòu)將減振裝置受到的振動(dòng)能量傳遞給油壓或氣壓儲(chǔ)能裝置[3]，以液壓能或氣壓的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候釋放能量，以減小能耗。電磁式振動(dòng)能量回收[4]是將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)減振裝置兩端相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的線圈切割磁力線，向外輸出電流，存儲(chǔ)到儲(chǔ)能裝置中[5]。液壓式振動(dòng)能量回收響應(yīng)頻率較低，響應(yīng)速度較慢，回收的能量應(yīng)用范圍受到限制，而電磁式振動(dòng)能量回收有效地彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)[6]。

本文采用液電式振動(dòng)能量回收的方法，設(shè)計(jì)的裝置采用液壓阻尼器的液壓器結(jié)構(gòu)[7]，利用振動(dòng)條件下液壓缸兩個(gè)油腔之間的油液流動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，在液壓馬達(dá)的輸出端連接永磁同步電機(jī)。從而實(shí)現(xiàn)將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能[8]。

1 原理設(shè)計(jì)

液電振動(dòng)能量回收的原理如圖1所示，根據(jù)該原理，液電減振裝置主要由液壓缸、液壓馬達(dá)、注油閥、負(fù)載電阻、永磁發(fā)電機(jī)[9]等組成。

圖1 振動(dòng)能量回收的液電減振裝置原理

根據(jù)如圖1所示的工作原理，液電減振裝置液壓缸的活塞在外力（振動(dòng)）作用下作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在振動(dòng)條件下液壓缸兩個(gè)油腔之間的油液流動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而切割磁力線產(chǎn)生電能。根據(jù)磁電原理，一方面在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)回收振動(dòng)能量，另一方面產(chǎn)生阻尼轉(zhuǎn)子的電磁阻尼反過來消減振動(dòng)。回收的能量存儲(chǔ)到蓄電池等儲(chǔ)能裝置中可以進(jìn)行二次利用。

2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)與測(cè)試平臺(tái)

根據(jù)前述的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)樣機(jī)的參數(shù)如表1所示。

設(shè)計(jì)制作的樣機(jī)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中的活塞把液壓缸分為兩個(gè)油腔（上腔和下腔），活塞往上端運(yùn)動(dòng)時(shí)，上腔油液被擠壓溢出，同理，活塞往下運(yùn)動(dòng)時(shí)，下腔油液被擠壓溢出；油液經(jīng)過油管（其中一個(gè)油管連接一個(gè)注油閥）流到液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)；而一個(gè)發(fā)電機(jī)經(jīng)過一個(gè)聯(lián)軸器連接到液壓馬達(dá)輸出軸上面，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在相對(duì)于發(fā)電機(jī)定子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過電纜連接到負(fù)載電阻上。

為了測(cè)試具有振動(dòng)能量回收功能的液電減振裝置，研究搭建了如圖3所示測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集控制器、液壓泵、萬用表、示波器、可變電阻、液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)[10]搭建而成。在振動(dòng)激勵(lì)下，該減振器樣機(jī)不僅產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生電能，這些電能通過電纜輸出用以激勵(lì)可調(diào)電阻負(fù)載（0～50 Ω，最大功率100 W），電阻電壓由示波器測(cè)得，顯示在電腦上。

實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)信號(hào)被施加到實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的兩個(gè)端子[7]，兩個(gè)端子之間的振動(dòng)力可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，其具體操作過程為：首先開啟計(jì)算機(jī)、采集器和控制器、液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)和液壓泵，打開控制軟件，將實(shí)驗(yàn)樣機(jī)裝夾到液壓疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上。然后在實(shí)驗(yàn)軟件中設(shè)置實(shí)驗(yàn)所需的參數(shù)及條件，開始實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過采集器和控制器處理傳送到液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)下夾頭，下夾頭上裝有位移傳感器，同時(shí)控制電磁閥，下夾頭的運(yùn)動(dòng)位移和振動(dòng)力分別通過位移傳感器和力傳感器獲得，并由數(shù)據(jù)采集控制器反饋給計(jì)算機(jī)，示波器連接在負(fù)載兩端記錄負(fù)載的電壓變化。

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測(cè)試平臺(tái)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)在試驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)試了負(fù)載分別為0.5、2、5、10、20 Ω，頻率分別為0.5、1、2、10 Hz激勵(lì)時(shí)的電壓信號(hào)，分析不同激勵(lì)頻率及不同負(fù)載條件下對(duì)振動(dòng)能量回收發(fā)電性能的影響[11]。下面是負(fù)載為2 Ω時(shí)不同激振頻率及在激振頻率為2 Hz時(shí)不同負(fù)載的振動(dòng)及電壓相應(yīng)情況來分析。

3.1 不同激振頻率對(duì)電能轉(zhuǎn)換性能的影響

固定負(fù)載2 Ω，激振頻率分別為0.5 Hz、1 Hz、2 Hz及10 Hz進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4(a)和(b)所示。

圖4 不同激勵(lì)頻率產(chǎn)生的電壓信號(hào)

從圖4可看出，在負(fù)載為2 Ω，頻率為10 Hz時(shí)電壓響應(yīng)較弱，在頻率為0.5 Hz、1 Hz、2 Hz時(shí)有較強(qiáng)的電壓，其響應(yīng)幅值分別為1.8 V、4 V、4.2 V，表明實(shí)驗(yàn)過程中有電能產(chǎn)生，即振動(dòng)能可轉(zhuǎn)換為電能，電壓響應(yīng)幅值和發(fā)電功率隨頻率變化的關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同激勵(lì)頻率時(shí)的最大瞬時(shí)電壓及功率

從圖5中可得出，在頻率為1 Hz時(shí)瞬時(shí)發(fā)電功率達(dá)到最大，為49 W，在一定的頻率范圍內(nèi)，電壓及功率隨著頻率增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即負(fù)載一定時(shí)，最優(yōu)電能回收性能存在一個(gè)最佳頻率。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，頻率增大時(shí)振動(dòng)速度增大，但當(dāng)頻率增大到一定程度時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)功率的限制和樣機(jī)頻繁往復(fù)旋轉(zhuǎn)、反向間隙的存在反而降低了回收的電能。

3.2 不同負(fù)載對(duì)電能轉(zhuǎn)換性能的影響

固定頻率2 Hz，負(fù)載分別為0.5 Ω、2 Ω、5 Ω、10 Ω、20 Ω時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6(a)、(b)所示。

從圖6中可看出，當(dāng)固定頻率為2 Hz，負(fù)載分別為0.5 Ω、2 Ω、5 Ω、10 Ω、20 Ω時(shí)均有電壓響應(yīng)，不同負(fù)載的電壓最高響應(yīng)幅值與發(fā)電功率如圖7所示。

從圖7中可看出，在一定負(fù)載范圍內(nèi)，電壓隨負(fù)載的增加而不斷增加，但該裝置的發(fā)電功率卻在負(fù)載為2 Ω時(shí)達(dá)到最大，即最優(yōu)電能回收性能存在最佳負(fù)載。如表1所示，發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻為2.38 Ω，而試驗(yàn)中負(fù)載為2 Ω時(shí)達(dá)到最大，這表明阻抗匹配（即負(fù)載

圖6 不同負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)

圖7 不同負(fù)載時(shí)的最大瞬時(shí)電壓及功率

電阻與內(nèi)阻相匹配）情況下能夠回收最大的電能。

綜上所述，該樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)試過程中有電能產(chǎn)生，即該裝置可成功將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能加以利用，且電能轉(zhuǎn)化性能存在最佳負(fù)載及頻率。

4 結(jié)語

(1)采用液壓缸控馬達(dá)傳動(dòng)發(fā)電機(jī)，可以設(shè)計(jì)具有振動(dòng)能量回收功能的液電減振裝置；

(2)根據(jù)液電原理設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可以將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能；

(3)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中，振動(dòng)激勵(lì)頻率及負(fù)載電阻對(duì)發(fā)電功率均有影響，通過找到最佳激勵(lì)頻率及最佳負(fù)載便可實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電功率。

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