基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能感知装置及其系统 |
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| 申请号 | CN202410155734.0 | 申请日 | 2024-02-04 | 公开(公告)号 | CN118010202A | 公开(公告)日 | 2024-05-10 |
| 申请人 | 交通运输部公路科学研究所; | 发明人 | 王兵见; 高小妮; 左新黛; 郝朝伟; 陈可; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及公路 桥梁 装备技术领域，特别涉及基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能 感知 装置及其系统，包括： 橡胶 支座、加劲 钢 板和压电片，所述橡胶支座内 水 平插接有多个加劲钢板，加劲钢板两端面均装有多个压电片，加劲钢板端面上的压电片间呈圆周等距设置，多个压电片之间通过第一 导线 与第二导线并联，当压电片受到外 力 作用后，压电片内产生 电流 ，传输至俘能感知系统中，以对桥梁的 健康状态 进行监测。 | ||||||
| 权利要求 | 1.基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能感知装置，其特征在于，包括：橡胶支座(1)、加劲钢板(2)和压电片(3)，所述橡胶支座(1)内水平插接有多个加劲钢板(2)，加劲钢板(2)两端面均装有多个压电片(3)，加劲钢板(2)端面上的压电片(3)间呈圆周等距设置，多个压电片(3)之间通过第一导线与第二导线并联。 |
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| 说明书全文 | 基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能感知装置及其系统技术领域[0001] 本发明涉及公路桥梁装备技术领域，特别涉及基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能感知装置及其系统。 背景技术[0002] 车辆荷载及环境脉动都将导致桥梁振动，主梁的荷载将通过支座传递到下部结构。橡胶支座包括板式和盆式构型，广泛应用于公路和铁路桥梁上。其主要功能是承载桥梁重量并允许桥梁在温度变化、车辆荷载等因素影响下进行适当的位移和转动。 [0003] 然而现有技术仍存在不足之处，例如专利号为：201110021763.0的桥梁振动智能供电系统及方法，包括能量转换装置、电能存储装置和电源管理装置。系统通过振动传递机构、连杆、曲柄和发电机将桥梁振动压力转换为电能。尽管这种系统能够有效地收集和转化桥梁产生的振动能量，但其结构复杂，可能不适合广泛推广； [0004] 专利号为：201210200874.2的利用桥梁振动的压电式能量转化收集装置采用由多个压电元件并行连接组成的压电设备，将机械振动转换为电能。其偏重于利用支座等采集能量，而不是关注于支座和桥梁结构本身的健康安全状态，不适用于公路桥梁支座分散，载荷较小的情况； [0005] 专利号为：202011618855.2的自俘能摩擦生电桥梁支座健康监测系统及调节支座的方法系统包括:摩擦发电机,其第一电极和第二电极分别设置在支座上钢板和支座上；功率放大器,其输入端接摩擦发电机的输出端；激振器,其输入端接功率放大器的输出端；能量收集装置,其设置在激振器上；该系统利用纳米摩擦发电装置采集支座振动能量，价格昂贵，不适合广泛推广。 发明内容[0006] 本发明提供基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能感知装置及其系统，用以解决背景技术提出的情况。 [0007] 为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能感知装置，包括：橡胶支座、加劲钢板和压电片，所述橡胶支座内水平插接有多个加劲钢板，加劲钢板两端面均装有多个压电片，加劲钢板端面上的压电片间呈圆周等距设置，多个压电片之间通过第一导线与第二导线并联。 [0008] 优选的是，还包括：上锚固座、下锚固座、导向管和定位柱，所述橡胶支座同轴设置在导向管内，导向管的顶端与上锚固座底面连接，上锚固座底面的上圆槽与橡胶支座顶端插接配合，橡胶支座的底端与圆槽插接配合，圆槽开设在定位柱的顶面，定位柱底面与下锚固座顶面连接，导向管底端设置在定位柱顶面的下方。 [0009] 优选的是，所述定位柱顶面开有环形槽，环形槽设置在凹槽外围，环形槽远离橡胶支座的内壁开有环形卡槽，环形槽内设有环形油囊，环形油囊侧壁设有卡环，卡环与环形卡槽卡接配合，环形油囊顶端与压环底端接触配合，压环顶端通过密封弹簧与安装槽顶壁连接，安装槽开设在安装管的底面，安装管的顶面与上锚固座底面连接，安装管设置在导向管内。 [0010] 优选的是，所述定位柱顶面圆周阵列开有多个冷却孔，冷却孔位于圆槽与环形槽之间，冷却孔底端朝向环形油囊侧壁设置，环形油囊侧壁连接有导热管，导热管与冷却孔插接配合，导热管侧壁与橡胶支座侧壁连接，定位柱内设有降温机构，以对环形油囊进行降温。 [0011] 优选的是，所述降温机构包括：散热翅片，所述定位柱侧壁装有多个散热翅片，定位柱内开有环形导热腔，环形导热腔内充有氮气，环形导热腔设置在定位柱侧壁与环形槽侧壁之间。 [0012] 优选的是，所述定位柱内开有安装腔，安装腔底壁上转动连接有转轴，转轴上的安装盘侧壁铰接有多个连杆的端部，安装盘底面通过复位扭簧与安装腔底壁连接，连杆与驱动机构连接，驱动机构与环形油囊接触配合，连杆穿处至定位柱外的另一端与导向管内壁接触配合。 [0013] 优选的是，所述驱动机构包括：驱动齿条、中转齿、从动齿条和推力弧，所述连杆上装有驱动齿条，驱动齿条与中转齿一侧啮合连接，中转齿转动安装在安装腔的底壁上，中转齿另一侧与从动齿条啮合连接，从动齿条与推力弧一端连接，安装腔内壁开有导向槽的一端，导向槽的另一端与环形槽连接，推力弧与导向槽滑动连接，推力弧另一端与环形油囊接触配合。 [0015] 优选的是，基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能感知系统，适用于上述任一项所述的基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能感知装置，包括：AC/DC放大电路模块、大容量电容器、电源管理芯片和锂电池，所述第一导线与供电线一端连接，第二导线与供电线另一端连接，供电线与上锚固座顶面的导线孔插接配合，供电线上依次串联有AC/DC放大电路模块、大容量电容器、电源管理芯片和锂电池。 [0016] 优选的是，还包括：边缘计算模块；所述边缘计算模块包括：无线采集单元、传输单元和云平台，所述锂电池一侧通过电源线与无线采集单元连接，锂电池另一侧通过第二电源线与传输单元连接，无线采集单元和传输单元串联在信号线上，信号线一端与第一导线连接，信号线另一端与第二导线连接，传输单元通过无线网络与云平台连接。 [0017] 本发明的有益效果如下： [0018] 在本发明的方案中： [0020] 2.通过在橡胶支座原有的基础上，添加加劲钢板和压电片，不改变既有支座结构特性，构造简单，便于工业规模化加工制造； [0021] 3.压电片产生的电能不仅可以被收集，还能通过与俘能感知系统的连接，监控支座和桥梁结构本身的健康安全状态，适用于公路桥梁支座分散，载荷较小的情况； [0022] 4.由于压电片采用压电陶瓷耐高温耐腐蚀的材料制成，因此压电片适用于支座高温高压的生产环境，且压电陶瓷价格低廉，适合广泛推广； [0024] 图1为本发明的橡胶支座结构示意图； [0025] 图2为本发明的橡胶支座俯视图； [0026] 图3为本发明的压电片剖视图； [0027] 图4为本发明的上锚固座安装位置示意图； [0028] 图5为本发明的上锚固座的局剖图； [0029] 图6为本发明图5中A处局部放大图； [0030] 图7为本发明的导热管安装位置示意图； [0031] 图8为本发明的降温机构剖视图； [0032] 图9为本发的转轴安装位置示意图； [0033] 图10为本发明图9中B处的局部放大图； [0034] 图11为本发明的从动齿条安装位置示意图。 [0035] 其中：橡胶支座1、加劲钢板2、压电片3、上锚固座4、下锚固座5、导向管6、定位柱7、环形油囊8、卡环9、压环10、安装管11、导热管12、降温机构13、散热翅片14、环形导热腔15、转轴16、连杆17、驱动机构18、驱动齿条19、中转齿20、从动齿条23、驱动块24、第二通孔25、环形动力腔26、动力环27、驱动杆28、压缩环29、中空簧30、平衡孔31、推力弧32。 具体实施方式[0036] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。 [0037] 实施例：参考图1‑图11，基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能感知装置及其系统，包括：橡胶支座1、加劲钢板2和压电片3，所述橡胶支座1内水平插接有多个加劲钢板2，加劲钢板2两端面均装有多个压电片3，加劲钢板2端面上的压电片3间呈圆周等距设置，多个压电片3之间通过第一导线与第二导线并联。 [0038] 上述方案的原理及有益效果为： [0039] 橡胶支座1内插接有多个加劲钢板2，加劲钢板2上下两个端面均粘接有多个压电片3，压电片3之间呈圆周阵列布置，粘接采用的胶水可为高性能环氧树脂、改性丙烯酸酯粘接剂、特种硅橡胶粘合剂、聚氨酯粘接剂、导电粘接剂中的一种或多种，每个压电片3之间通过第一导线与第二导线并联，当橡胶支座1受到轴向、水平方向或扭转的作用力时，橡胶支座1发生压缩、水平位移或扭转，相应的压电片3会被压缩或受到水平方向上的摩擦，当压电片3受到外力作用后，压电片3内产生电流，传输至俘能感知系统中，以对桥梁的健康状态进行监测；通过在橡胶支座1原有的基础上，添加加劲钢板2和压电片3，不改变既有支座结构特性，构造简单，便于工业规模化加工制造；压电片3产生的电能不仅可以被收集，还能通过与俘能感知系统的连接，监控支座和桥梁结构本身的健康安全状态，适用于公路桥梁支座分散，载荷较小的情况；由于压电片3采用压电陶瓷耐高温耐腐蚀的材料制成，因此压电片3适用于支座高温高压的生产环境，且压电陶瓷价格低廉，适合广泛推广；阵列式布置压电片3，并采用冗余设计布线，防止因局部导线损伤而导致整个支座传感器系统失效的情况，提高传感系统的鲁棒性。 [0040] 还包括：上锚固座4、下锚固座5、导向管6和定位柱7，所述橡胶支座1同轴设置在导向管6内，导向管6的顶端与上锚固座4底面连接，上锚固座4底面的上圆槽与橡胶支座1顶端插接配合，橡胶支座1的底端与圆槽插接配合，圆槽开设在定位柱7的顶面，定位柱7底面与下锚固座5顶面连接，导向管6底端设置在定位柱7顶面的下方。 [0041] 上述方案的原理及有益效果为： [0042] 在将橡胶支座1安装到桥梁与基础间之前，操作人员将橡胶支座1的底端插接在定位柱7顶面的圆槽内，移动上锚固座4使，上圆槽与橡胶支座1的顶端插接配合，通过上锚固座4和下锚固座5上的螺栓对基础与桥梁进行固定，通过设置在上锚固座4和下锚固座5内装设橡胶支座1，可减少基础与桥梁对橡胶支座1的磨损；通过将导向管6底端设置在定位柱7顶面的下方，可使用导向管6对橡胶支座1进行保护，防止阳光直射，或橡胶支座1与气流直接接触导致的风化。 [0043] 所述定位柱7顶面开有环形槽，环形槽设置在凹槽外围，环形槽远离橡胶支座1的内壁开有环形卡槽，环形槽内设有环形油囊8，环形油囊8侧壁设有卡环9，卡环9与环形卡槽卡接配合，环形油囊8顶端与压环10底端接触配合，压环10顶端通过密封弹簧与安装槽顶壁连接，安装槽开设在安装管11的底面，安装管11的顶面与上锚固座4底面连接，安装管11设置在导向管6内。 [0044] 上述方案的原理及有益效果为： [0045] 卡环9与环形卡槽卡接配合，环形油囊8设置在环形槽内，提高了环形油囊8安装的稳定性；环形油囊8顶端与压环10底端接触配合，压环10顶端通过密封弹簧与安装槽顶壁连接，安装槽开设在安装管11的底面，安装管11的顶面与上锚固座4底面连接，通过设置环形油囊8与压环10底端接触配合，进一步的提高了上锚固座4和下锚固座5对橡胶支座1的保护效果，且当橡胶支座1受到轴向、水平方向或扭转的作用力时，由于环形油囊8内充有油液，环形油囊8可为导向管6与定位柱7之间的相对移动进行缓冲，避免机构之间在突然受力后发生撞击，提高装置内的稳定性；当环境温度低时，环形油囊8内的油液体积收缩，环形油囊8的体积收缩，密封弹簧释放弹力使压环10始终能够与环形油囊8的顶端进行接触，保证装置内的橡胶支座1在各种温度下都受到良好的密封。 [0046] 所述定位柱7顶面圆周阵列开有多个冷却孔，冷却孔位于圆槽与环形槽之间，冷却孔底端朝向环形油囊8侧壁设置，环形油囊8侧壁连接有导热管12，导热管12与冷却孔插接配合，导热管12侧壁与橡胶支座1侧壁连接，定位柱7内设有降温机构13，以对环形油囊8进行降温。 [0047] 上述方案的原理及有益效果为： [0048] 当橡胶支座1受到轴向的挤压时，压环10顶面与环形油囊8的顶面接触，环形油囊8被向下挤压，通过降温机构13散热的油液被压至导热管12内，油液对橡胶支座1因轴向压缩而产生的热量进行吸收，待橡胶支座1的水平方向压力消失后，导热管12内吸收热量的油液重新进入至环形油囊8内，通过降温机构13进行降温，通过导热管12内的油液对橡胶支座1因轴向压力产生的热量进行吸收，避免橡胶支座1长期在高温的状态下进行工作导致的橡胶发生变性，降低温度的同时降低了橡胶的流动性，因为产生流动性的橡胶在冷却后发生形变，会导致其受力发生改变，受力的改变导致压电片3输出的电压不准确，因此通过导热管12内的油液对橡胶支座1进行降温可防止橡胶支座1的变形，进而可保证俘能感知系统始终能得到精准的监测数值；导热管12由硅胶材质制成，管体本身具有高导热性的功能，同时能同步与橡胶支座1进行各个方向的位移而不会发生损坏。 [0049] 所述降温机构13包括：散热翅片14，所述定位柱7侧壁装有多个散热翅片14，定位柱7内开有环形导热腔15，环形导热腔15内充有氮气，环形导热腔15设置在定位柱7侧壁与环形槽侧壁之间。 [0050] 所述环形导热腔15顶壁开有多个第二通孔25，第二通孔25顶端与环形动力腔26连接，环形动力腔26内滑动连接有动力环27，动力环27底面连接有驱动杆28，驱动杆28与第二通孔25滑动密封，驱动杆28置于环形导热腔15内的底端连接有压缩环29，动力环27与环形动力腔26底壁之间通过中空簧30连接，环形动力腔26内壁开有平衡孔31，平衡孔31另一端开设在定位柱7侧壁上。 [0051] 上述方案的原理及有益效果为： [0052] 环形导热腔15内充有氮气，由于氮气便于制备，且导热效率高，因此采用氮气作为导热介质，当环形油囊8内的油液温度高时，环形导热腔15通过氮气对油液的热量进行吸收，并通过散热翅片14进行散热，简化了散热装置的设计，同时减少动力装置的设置；当外界的环境温度过低时，冷空气通过平衡孔31进入至环形动力腔26内，由于外界的环境温度低，中空簧30受冷收缩，中空簧30的高度降低，中空簧30带动动力环27向下移动，动力环27带动驱动杆28和压缩环29向下移动，由于气温下降之后，氮气本身的气压降低便于对其进行一定程度的压缩，但其仍充满在整个环形导热腔15内，因此压缩环29向下移动时将环形导热腔15内的氮气向环形导热腔15的下部推动，同时改变氮气与散热翅片14和环形油囊8的相对位置，减少氮气作为导热介质时耗散掉的橡胶支座1的热量，防止橡胶支座1的橡胶在低温环境下发生硬化或碎裂，同时利用橡胶支座1在变形时产生的热量与外界的低温进行中和，保持橡胶支座1其在材料允许的范围内工作；当外界环境温度升高后，中空簧30受热膨胀，将动力环27向上顶起，动力环27带动驱动杆28向上移动，压缩环29同步向上移动，防止环形导热腔15内的压力过高，同时增加氮气充分作为导热介质耗散掉橡胶支座1的热量；平衡孔31同时可以为动力环27在内环形动力腔26提供泄压通道，防止环形导热腔15内的氮气在膨胀后，无法充满整个环形导热腔15内导致的降温效率下降。 [0053] 所述定位柱7内开有安装腔，安装腔底壁上转动连接有转轴16，转轴16上的安装盘侧壁铰接有多个连杆17的端部，安装盘底面通过复位扭簧与安装腔底壁连接，连杆17与驱动机构18连接，驱动机构18与环形油囊8接触配合，连杆17穿处至定位柱7外的另一端与导向管6内壁接触配合。 [0054] 上述方案的原理及有益效果为： [0055] 当橡胶支座1受到水平方向的力时，导向管6内壁与一个连杆17的端部接触，由于多个连杆17的另一端与安装盘铰接，因此多个连杆17同步的带动与之铰接的安装盘做逆时针的转动，复位扭簧储能，当橡胶支座1收到的水平方向的力消失时，导向管6内壁与一个连杆17的端部脱离接触，安装盘顺时针转动，复位扭簧复位；通过设置转轴16上设置安装盘，安装盘底端通过复位扭簧与安装腔底壁连接，安装盘铰接有多个连杆17，当一个连杆17受到导向管6内壁的推动时，全部的连杆17同步的向安装腔的中心移动，提高了装置同步运动的能力。 [0056] 所述驱动机构18包括：驱动齿条19、中转齿20、从动齿条23和推力弧32，所述连杆17上装有驱动齿条19，驱动齿条19与中转齿20一侧啮合连接，中转齿20转动安装在安装腔的底壁上，中转齿20另一侧与从动齿条23啮合连接，从动齿条23与推力弧32一端连接，安装腔内壁开有导向槽的一端，导向槽的另一端与环形槽连接，推力弧32与导向槽滑动连接，推力弧32另一端与环形油囊8接触配合。 [0057] 上述方案的原理及有益效果为： [0058] 当连杆17向安装腔的中心移动时，连杆17带动驱动齿条19移动，驱动齿条19带动与之啮合的中转齿20做逆时针转动，与中转齿20啮合的从动齿条23带动推力弧32对环形油囊8施加压力；当连杆17向安装腔外部的方向移动时，驱动齿条19带动与之啮合的中转齿20做顺时针转动，中转齿20带动从动齿条23向安装腔的中心移动，从动齿条23带动推力弧32解除对环形油囊8的压力，当橡胶支座1受到水平方向的力时，压环10只有一侧的内壁与环形油囊8顶端的侧壁进行接触，通过设置连杆17带动与之铰接的安装盘转动，连杆17上装设驱动齿条19，驱动齿条19通过中转齿20带动从动齿条23移动，从动齿条23移动带动推力弧32对环形油囊8进行挤压，使环形油囊8在装置受到水平方向上的力时，同样的能够向全部的导热管12进行油液的供应，以对橡胶支座1因水平形变而产生的热量进行吸收，提高装置的适用性。 [0059] 所述导向管6侧壁装有多个驱动块24，驱动块24两侧壁均设有圆角，驱动块24设置在连杆17的上方。 [0060] 上述方案的原理及有益效果为： [0061] 当橡胶支座1受压发生扭转时，驱动块24向下移动的同时发生转动，并在与连杆17相互接触后，将连杆17推至安装腔内，并使环形油囊8均匀的受压，进一步的提高了装置在不同工况下自我调节的能力。 [0062] 基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能感知系统，适用于以上任一项所述的基于全向阵列式压电陶瓷的桥梁俘能感知装置，包括：AC/DC放大电路模块、大容量电容器、电源管理芯片和锂电池，所述第一导线与供电线一端连接，第二导线与供电线另一端连接，供电线与上锚固座4顶面的导线孔插接配合，供电线上依次串联有AC/DC放大电路模块、大容量电容器、电源管理芯片和锂电池。 [0063] 上述方案的原理及有益效果为： [0064] 当橡胶支座1内的压电片3受到垂向、水平方向或扭转的作用力时，压电片3由于形变产生电压，此时的电压不稳定，因此在供电线上连接AC/DC放大电路模块，对来自压电片3的电压和电流进行整流、滤波、放大电压的作用，稳定的将电流输送至大容量电容器中，当大容量电容上的电压达到电源管理芯片工作电压时，电源管理芯片开始工作，大容量电容中电荷通过芯片充至锂电池中进行储存，通过桥梁俘能感知装置充分的利用桥梁的振动，将振动转化为电能并储存。 [0065] 还包括：边缘计算模块；所述边缘计算模块包括：无线采集单元、传输单元和云平台，所述锂电池一侧通过电源线与无线采集单元连接，锂电池另一侧通过第二电源线与传输单元连接，无线采集单元和传输单元串联在信号线上，信号线一端与第一导线连接，信号线另一端与第二导线连接，传输单元通过无线网络与云平台连接。 [0066] 上述方案的原理及有益效果为： |
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