双稳态减速带振动能量捕获器动力学特性研究

发布时间：2020-03-22 12:46

【摘要】：随着环境污染的加重,发展新能源已经成为我国推进生态文明建设的现实需求;另一方面,随着减速带的广泛使用,汽车通过减速带时所产生的大量振动能未被合理利用。减速带振动能量捕获器能将这部分振动能进行收集并转化成电能,代替传统供电方式为小型用电设备提供可持续电源,能够带来良好的社会与经济效益。目前减速带振动能量捕获器多采用线性系统进行能量捕获,工作带宽很窄,发电效率较低。本文以提高减速带振动能量捕获器的发电效率为目标,提出了一种新型的双稳态减速带振动能量捕获器,采用理论建模和数值仿真的方法,深入研究了不同激励条件下双稳态减速带振动能量捕获器系统的动力学特性。主要研究工作如下:根据车辆振动的简化模型,建立了车辆一减速带系统和双稳态发电系统的力学模型。在1/4和1/2车辆模型下,研究了减速带形状对系统的平均输出功率及动力学响应的影响,得到了最优减速带形状;研究了车型对系统输出功率及动力学响应的影响,得出双稳态减速带振动能量捕获器系统的发电量随着车重的增加而增大。同时研究了负载电阻对系统输出功率的影响,得到了最优负载电阻。研究了车型和车速分别符合正态随机分布时,均值和方差对双稳态减速带振动能量捕获器系统均方根功率的影响。在车辆类型呈正态分布时,研究了质量均值对系统均方根功率的影响,得出激励频率不变,激励幅值越大,发电性能越好;通过分析质量方差对系统发电性能的影响,得出质量方差越大,激励幅值变化越大,大型车辆增多,发电量增大。在车速服从正态分布时,研究了车速均值和方差对系统均方根功率的影响,得到了系统具有较好发电效果的车速范围。在车型和车速同时符合正态分布的基础上,研究均值和方差对双稳态减速带振动能量捕获器系统发电性能的影响。研究了不同速度方差下质量均值对发电性能的影响,得出系统的均方根功率随着质量均值的增大而逐渐增大,最后趋于稳定;通过分析不同质量均值下质量方差对系统发电性能的影响,得出当通过减速带的汽车质量较小时,系统的均方根功率值会随着质量方差的增大而缓慢变大,但当汽车质量增大到一定值时,系统的输出功率又随着质量方差的增大而减小。研究了不同条件下速度均值和方差对发电性能的影响,得到了双稳态减速带振动能量捕获器系统最大均方根功率时的最佳车速均值。通过以上研究工作,得出了不同车速和车重对双稳态减速带振动能量捕获器系统动力学响应的影响规律,为双稳态减速带振动能量捕获器设计提供理论基础,有利于实现能源可持续发展。
【图文】：

新能源发电

1 绪论绪论.1 研究背景和意义能源是社会繁荣昌盛和人类赖以生存的保障。中国飞速发展，各项能源需求不断增大别是电能的需求无处不在[1-4]，目前的发电方式可分为两大类，第一类传统形式的发电如火力发电；第二类新能源发电，，比如海洋能发电[5-6]、太阳能发电[7-8]、风能发电[9-1；而在各种发电方式中，80%以上是火力发电[11-12]，且由于煤炭资源具有不可再生性致能源缺乏问题越来越突出。相较于传统能源，新能源的可再生性、污染少等优点使对新能源越来越青睐，但是新能源发电受到一些条件限制会制约其广泛应用[13]，比如理条件不同会制约风能发电，天气情况会影响太阳能发电，所以设计一种不受传统能制、不受环境影响的新型发电方式迫在眉睫。

机械式,能量,减速带

图 1-2 机械式能量捕获装置Fig.1-2 Mechanical energy harvesterHayder Aqeel[18]等人提出了一种机械式振动能量捕获装置，当汽车从减速带上减速带受力垂直向下运动，把齿条的垂直运动转化为齿轮的转动，从而带动发电生电能，最后通过储存装置把电压存储到电池中。研究表明该能量捕获器可给路号灯供电。梅潇[19]也设计了一种机械式的减速带能量捕获装置，主要通过纯机机转动进行发电，但是汽车经过减速带的不连续以及不确定性使该装置的使用寿降。李珂[20]设计了一种利用齿轮组来增大位移的减速带能量捕获装置，如图 1-3 所从减速带上方经过时，减速带下方的弹簧 2 将被压缩，弹簧产生形变并且储存滑块机构 3 带动齿轮组转动，用齿轮放大机构来放大电机 7 的转动速度，从而快感线进行发电。最后通过计算得出每一次的发电量为 0.0175 度，但未进行试验正确性有待考证。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM61

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