本發(fā)明屬于振動控制與振動能量收集，具體涉及一種兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置。

背景技術(shù)：

1、飛機機體結(jié)構(gòu)上往往加裝了大量的傳感器、控制器等電子設(shè)備，而這些機載設(shè)備的精度和壽命等均嚴重依賴于結(jié)構(gòu)的振動特性；因此，隔絕動力機械等振動源的振動對基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的安全性、可靠性和耐久性具有重要的現(xiàn)實意義。

2、隨著機械結(jié)構(gòu)向極端環(huán)境和性能極限方向的發(fā)展，對低頻甚至超低頻隔振的需求日益迫切。傳統(tǒng)線性隔振理論中，只有在激勵頻率大于倍固有頻率時才能有效隔振。若要拓展低頻隔振帶需通過減小系統(tǒng)剛度來實現(xiàn)。但在降低剛度的情況下，將以改變系統(tǒng)空間布置和犧牲穩(wěn)定性為代價。

3、準零剛度隔振裝置通過引入負剛度解決了線性隔振器在低頻隔振方面剛度與大位移之間的矛盾。然而，現(xiàn)有的準零剛度隔振裝置大多只針對額定負載，不期望的載荷失諧會降低低頻隔振效果，甚至對隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生影響。

4、另一方面，微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使得以無線傳感器節(jié)點為典型代表的低功耗獨立設(shè)備廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。當涉及設(shè)備數(shù)量大、布置場合特殊等情況，利用傳統(tǒng)電池供電的方式將會面臨維護費用高、功能受限等困境。因此，從周圍環(huán)境收集振動能量為低功率元器件供電技術(shù)的研究是重要且緊迫的。

5、目前，還未出現(xiàn)兼顧低功耗獨立設(shè)備供電與低頻振動隔離兩方面的設(shè)備。本發(fā)明提出了一種兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是：提供一種兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置。本發(fā)明能夠有效隔離低頻振動源產(chǎn)生的能量，并適用于不同的負載質(zhì)量，同時還能采集低頻振動能量為低功率元器件供電。本發(fā)明結(jié)構(gòu)具有承載能力大、負載適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)緊湊、制工簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置，包括隔振平臺、隔振基座、中心承力機構(gòu)、負剛度機構(gòu)和壓電片；隔振平臺與隔振基座平行設(shè)置，中心承力機構(gòu)為一能沿隔振平臺垂向伸縮的伸縮機構(gòu)，安裝于隔振平臺與隔振基座間，用于提供垂向正剛度，并支撐隔振物體重量；所述的負剛度機構(gòu)設(shè)置于中心承力機構(gòu)旁，用于提供平行于隔振平臺方向的負剛度；所述的壓電片貼附于負剛度機構(gòu)上，用于振動過程中跟隨負剛度機構(gòu)彎曲振動產(chǎn)生拉壓變形，最后利用正壓電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

3、前述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置中，所述的負剛度機構(gòu)包括負剛度組件；負剛度組件包括頂端固連于中心承力機構(gòu)旁的隔振平臺上的多級凸輪結(jié)構(gòu)和底端固連于隔振基座上的懸臂梁，懸臂梁頂端連接有滾子；所述的壓電片貼附于懸臂梁上；隔振平臺垂向運動時，滾子沿多級凸輪結(jié)構(gòu)輪廓運動，使懸臂梁彎曲振動變形，進而對壓電片產(chǎn)生拉壓變形。

4、前述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置中，所述的多級凸輪結(jié)構(gòu)包括沿垂向線性排列的一個以上的凸輪。

5、前述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置中，在垂向正剛度確定后，負載質(zhì)量的層級由各個凸輪中心的垂向距離d確定。

6、前述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置中，所述的凸輪的輪廓曲線為拋物線。

7、前述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置中，每個凸輪輪廓線的最高位對應(yīng)一個靜平衡位置。

8、前述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置中，所述的負剛度組件包括一對，對稱分布在中心承力機構(gòu)的兩側(cè)。

9、前述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置中，所述的中心承力機構(gòu)包括頂端與隔振平臺固連的套筒，和底端與隔振基座固連的導(dǎo)向軸，導(dǎo)向軸頂端伸入套筒與套筒滑動連接；套筒底端與隔振基座間的導(dǎo)向軸上套有彈簧。

10、前述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置中，所述的彈簧為空氣彈簧。

11、本發(fā)明的優(yōu)點是：

12、1)本發(fā)明通過引入負剛度機構(gòu)與正剛度機構(gòu)并聯(lián)，實現(xiàn)了對低頻甚至超低頻振動能量的有效隔離；

13、2)相較于傳統(tǒng)低頻隔振器只針對額定負載，本發(fā)明裝置通過引入多個凸輪豎向陣列排布實現(xiàn)了多個低動剛度區(qū)域，進而達到對多種承載質(zhì)量的有效隔振；

14、3)本發(fā)明整合了低頻隔振和能量收集技術(shù)，在隔離低頻振動源的同時還能采集低頻振動能量為低功率元器件供電；

15、4)本發(fā)明裝置適用于低頻小振幅隔振場合，具有承載能力大、負載適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)緊湊、制工簡單、兼具能量收集等優(yōu)點；

16、5)本發(fā)明能自適應(yīng)負載質(zhì)量的變化，即負載質(zhì)量變化時不需要進行額外的手動調(diào)節(jié)，拓寬了隔振裝置的適用場景；

17、6)本發(fā)明引入了拋物線凸輪輪廓，簡化了理論分析的求解過程，避免了理論分析時截斷誤差的引入；同時，本發(fā)明還可以通過對凸輪輪廓參數(shù)進行設(shè)計，提高隔振場景的匹配度。

18、綜上所述，本發(fā)明能夠有效隔離低頻振動源產(chǎn)生的能量，并適用于不同的負載質(zhì)量，同時還能采集低頻振動能量為低功率元器件供電。本發(fā)明結(jié)構(gòu)具有承載能力大、負載適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)緊湊、制工簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。

技術(shù)特征：

1.一種兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置，其特征在于，包括隔振平臺(1)、隔振基座(2)、中心承力機構(gòu)(3)、負剛度機構(gòu)(4)和壓電片(5)；隔振平臺(1)與隔振基座(2)平行設(shè)置，中心承力機構(gòu)(3)為一能沿隔振平臺(1)垂向伸縮的伸縮機構(gòu)，安裝于隔振平臺(1)與隔振基座(2)間，用于提供垂向正剛度，并支撐隔振物體重量；所述的負剛度機構(gòu)(4)設(shè)置于中心承力機構(gòu)(3)旁，用于提供平行于隔振平臺(1)方向的負剛度；所述的壓電片(5)貼附于負剛度機構(gòu)(4)上，用于振動過程中跟隨負剛度機構(gòu)(4)彎曲振動產(chǎn)生拉壓變形，最后利用正壓電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置，其特征在于，所述的負剛度機構(gòu)(4)包括負剛度組件；負剛度組件包括頂端固連于中心承力機構(gòu)(3)旁的隔振平臺(1)上的多級凸輪結(jié)構(gòu)(41)和底端固連于隔振基座(2)上的懸臂梁(43)，懸臂梁(43)頂端連接有滾子(42)；所述的壓電片(5)貼附于懸臂梁(43)上；隔振平臺(1)垂向運動時，滾子(42)沿多級凸輪結(jié)構(gòu)(41)輪廓運動，使懸臂梁(43)彎曲振動變形，進而對壓電片(5)產(chǎn)生拉壓變形。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置，其特征在于，所述的多級凸輪結(jié)構(gòu)(41)包括沿垂向線性排列的一個以上的凸輪。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置，其特征在于，在垂向正剛度確定后，負載質(zhì)量的層級由各個凸輪中心的垂向距離d確定。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置，其特征在于，所述的凸輪的輪廓曲線為拋物線。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置，其特征在于，每個凸輪輪廓線的最高位對應(yīng)一個靜平衡位置。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置，其特征在于，所述的負剛度組件包括一對，對稱分布在中心承力機構(gòu)(3)的兩側(cè)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置，其特征在于，所述的中心承力機構(gòu)(3)包括頂端與隔振平臺(1)固連的套筒(1)，和底端與隔振基座(2)固連的導(dǎo)向軸(33)，導(dǎo)向軸(33)頂端伸入套筒(1)與套筒(1)滑動連接；套筒(1)底端與隔振基座(2)間的導(dǎo)向軸(33)上套有彈簧(32)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置，其特征在于，所述的彈簧(32)為空氣彈簧。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種兼具能量收集和變負載低頻隔振的裝置。包括隔振平臺(1)、隔振基座(2)、中心承力機構(gòu)(3)、負剛度機構(gòu)(4)和壓電片(5)；隔振平臺(1)與隔振基座(2)平行設(shè)置，中心承力機構(gòu)(3)為一能沿隔振平臺(1)垂向伸縮的伸縮機構(gòu)，安裝于隔振平臺(1)與隔振基座(2)間，用于提供垂向正剛度，并支撐隔振物體重量；所述的負剛度機構(gòu)(4)設(shè)置于中心承力機構(gòu)(3)旁，用于提供平行于隔振平臺(1)方向的負剛度；所述的壓電片(5)貼附于負剛度機構(gòu)(4)上，用于振動過程中跟隨負剛度機構(gòu)(4)彎曲振動產(chǎn)生拉壓變形，最后利用正壓電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)換為電能。本發(fā)明結(jié)構(gòu)具有承載能力大、負載適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)緊湊、制工簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。

技術(shù)研發(fā)人員：楊婧藝,倪磊,楊榮,楊仕福,葉夢良,李俊龍
受保護的技術(shù)使用者：中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6