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    振動(dòng)能量回收的液電減振裝置設(shè)計(jì)與測(cè)試

    2014-02-24 03:26:50喻其炳朱榮榮李川
    噪聲與振動(dòng)控制 2014年2期
    關(guān)鍵詞:樣機(jī)電能液壓

    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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