一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器及设计方法

本发明涉及振动能量收集，具体涉及一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器及设计方法。

背景技术：

1、振动存在于人类社会的方方面面，振动在带来许多便利的同时，也产生了许多危害：不仅可能会使得轨道交通、飞机乘客的舒适性降低，还有可能对应用于轨道交通、航空航天的精密仪器产生更严重的损害，因此，需要通过减振来减少振动带来的负面影响。

2、在现代工程领域，振动能量的捕获和利用逐渐成为一项重要的研究领域。随着能源资源的逐渐枯竭和环境意识的增强，人们对于开发可持续、高效的能源转换和捕获技术的需求日益迫切。传统的振动能量捕获方法主要依赖于线性振动系统，然而，对于低频振动，传统的线性弹簧无法有效的隔离振动，而最有效的方法是降低系统的固有频率从而达到低频减振。

3、此外，非线性准零刚度在一些物理系统中也开始引起越来越多的关注。这些非线性效应在机械、结构和电子领域中广泛存在，其能够导致系统的复杂动力学行为，包括周期性、亚周期性和混沌振动等。然而，迄今为止，尚未有广泛应用于振动能量捕获领域的基于非线性效应的装置设计；同时，准零刚度是材料科学和工程领域的一个新兴研究方向，近年来受到广泛关注。其主要特点是在一定的应变范围内，其刚度非常接近零，这意味着它们在受力时可以表现出高度的柔软性和可塑性。准零刚度材料具有许多潜在应用，如减振器、生物医学材料、机器人技术和可穿戴设备。可以通过开发新的准零刚度材料，以满足不同领域的需求，并改进其性能，增加其可控性和耐久性。

4、目前，对于轨道交通和航天领域所需的精密测量仪器，虽然采用了准零刚度隔振器来有效隔离振动，但这种方法只解决了振动隔离的问题。然而，在实际应用中，这些仪器还需要可靠的电源供应。事实上，如果在轨道等位置铺设专用供电线路，成本可能过高；而采用电池供电则会带来周期性更换问题和昂贵的人工维护费用。因此，我们需要一种能够俘获振动能量的准零刚度隔振器来面对这项挑战。

5、因此，需要提供一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器及设计方法以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器及设计方法，以解决现有的问题。

2、本发明的一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器采用如下技术方案：包括：

3、安装框架，其上安装有支撑轴；

4、振荡组件，沿轴向滑动设置在支撑轴上；

5、两个转动组件，关于振荡组件对称设置，且转动组件转动连接在支撑轴上；

6、传动组件，设置在振荡组件和转动组件的相邻面之间，用于将振荡组件的振荡运动传递至转动组件，使得转动组件绕支撑轴转动；

7、隔振复位组件，用于为振荡组件提供上下振动时的线性恢复力以及非线性恢复力；

8、以及能量转换俘能组件，用于将振荡组件受振荡过程中沿支撑轴移动的动能转化为电能，用于将转动组件转动过程中的旋转动能转化为电能为测量仪器供电。

9、优选地，安装框架包括：

10、多个支撑杆，关于支撑轴中心对称设置，且多个支撑杆的端部连接至同一个连接点，且连接点与支撑杆连接。

11、优选地，振荡组件包括：振荡板，其外周与支撑杆滑动连接；其中部设置有与支撑轴配合的安装孔。

12、优选地，转动组件包括：上转盘和下转盘，上转盘和下转盘均通过轴承对称设置在振荡板两侧的支撑轴上。

13、优选地，能量转换俘能组件包括：

14、电磁转换俘能组件，其包括：永磁体以及线圈，永磁体设置于振荡板的安装孔内壁上；线圈绕设于支撑轴的中部，用于在振荡板上下振动时进行磁生电；

15、以及摩擦发电俘能组件，其包括：摩擦发电材料制成的薄膜，薄膜设置在上转盘和下转盘的表面，以及安装框架上的连接点的位置，且在转盘转动时安装框架上的薄膜与对应的转盘的表面的薄膜摩擦生电。

16、优选地，隔振复位组件包括：

17、复位弹簧，套设在其中一个转动组件与振荡板之间的支撑轴上，且其一个端部与转动组件连接，另一个端部与振荡板连接，用于为振荡组件提供上下振动时的线性恢复力；

18、以及扭转隔振复位组件，设置在安装框架与上转盘之间，用于为上转盘提供转动时的非线性恢复力，同时为振荡板提供上下振动时的非线性恢复力。

19、优选地，所述扭转隔振复位组件包括：连接弹簧，其水平设置，其一端与上转盘上设置的第一拉环连接，其另一端与安装框架上设置的第二拉环连接。

20、优选地，所述传动组件包括：

21、传动杆，倾斜设置在振荡组件与转动组件之间；

22、其中，传动杆的端部通过万向接头与对应的振荡组件、转动组件连接。

23、优选地，万向接头包括：

24、十字轴；

25、两个u型件，其u型内壁分别与十字轴的一个轴端转动连接；

26、以及连接轴，其连接在背离u型件开口的一侧。

27、本发明的一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器的设计方法，包括：

28、振荡板(5)受到的非线性恢复力的大小满足：

29、f(d)＝f(d)+k0(d-d)

30、

31、l≥2r

32、

33、式中，f(d)表示振荡板受到的恢复力，即连接弹簧和复位弹簧对振荡板总恢复力；

34、f(d)表示连接弹簧对振荡板的非线性恢复力；

35、k为连接弹簧的弹性系数；

36、k0为复位弹簧的弹性系数

37、l为第二拉环与第一拉环之间的距离；

38、r为支撑轴的轴心到第一拉环的中心之间的距离；

39、l为传动杆的长度；

40、d为非振动时刻时转盘到振荡板之间的距离；

41、d表示振荡板到转盘的实际距离；

42、复位弹簧的参数满足关系为：

43、

44、式中：m0为振荡板的质量；

45、l0为复位弹簧的原长；

46、g为当地重力加速度。

47、本发明的有益效果是：

48、通过转动组件、传动组件、隔振复位组件以及振荡组件构成了双足装置，在振荡组件受到振动上下运动时隔振复位组件产生的非线性恢复力使得转动组件转动，即将直线运动转化为旋转运动，利用隔振复位组件为振荡组件提供上下振动时的非线性恢复力，同时结合能量转换俘能组件将振动使得振荡组件产生的直线运动能量转化为电能，并将转动组件转动过程的动能转化为电能，以使得本装置在进行隔振的同时，进行能量的收集，以用于后续的轨道交通、航天航海的精密测量仪器的供电，保证轨道交通、航天航海的精密测量仪器用电的稳定。

技术特征：

1.一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器，其特征在于，安装框架(11)包括：

3.根据权利要求2所述的一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器，其特征在于，振荡组件包括：振荡板(5)，其外周与支撑杆滑动连接；其中部设置有与支撑轴(3)配合的安装孔。

4.根据权利要求3所述的一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器，其特征在于，转动组件包括：上转盘(2)和下转盘(7)，上转盘(2)和下转盘(7)均通过轴承对称设置在振荡板(5)两侧的支撑轴(3)上。

5.根据权利要求4所述的一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器，其特征在于，能量转换俘能组件包括：

6.根据权利要求3所述的一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器，其特征在于，隔振复位组件包括：

7.根据权利要求7所述的一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器，其特征在于，所述扭转隔振复位组件包括：连接弹簧(8)，其水平设置，其一端与上转盘(2)上设置的第一拉环(22)连接，其另一端与安装框架(11)上设置的第二拉环(12)连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器，其特征在于，所述传动组件包括：

9.根据权利要求8所述的一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器，其特征在于，万向接头(9)包括：

10.一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器的设计方法，其特征在于，包括：

技术总结本发明涉及一种基于双足装置的非线性准零刚度振动俘能器，包括：安装框架、振荡组件、两个转动组件、传动组件、隔振复位组件以及能量转换俘能组件；安装框架上安装有支撑轴；振荡组件滑动设置在支撑轴上；转动组件转动连接在支撑轴上；传动组件设置在振荡组件和转动组件的相邻面之间；隔振复位组件用于为振荡组件提供上下振动时的线性恢复力，同时为转动组件提供转动时的非线性恢复力；能量转换俘能组件用于将振荡组件受振荡过程中沿支撑轴移动的动能转化为电能，并用于将转动组件转动过程中的旋转动转化为电能。本装置在进行隔振的同时，能进行能量的收集，为装置的测量仪器进行供电。技术研发人员：杨涛,潘昊德受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25