面向压电振动能量俘获的电能管理电路综述

随着物联网(internet of things, IoT)技术的高速发展, 传统的电池供电方式已经不能满足其供电需求. 利用压电能量俘获技术将机械能转换为电能, 可为IoT提供持久的电能, 具有广阔的应用前景. 本文在讨论压电振动俘能器的电学特性基础上, 全面总结了面向压电振动俘能器的电能管理电路的最新研究成果. 电能管理电路通常由AC-DC变换和DC-DC开关变换器(包括控制算法)两部分组成, 前者用于将压电振动俘能器输出的交流电转变为直流电, 后者用于提高能量俘获效率. 首先, 针对AC-DC变换, 分析了全桥整流器、电压倍增器、同步开关电感电路和同步开关电容电路的工作原理和优缺点. 接着, 重点讨论了用于压电振动俘能器的典型开关变换器电路, 包括电感式、全电容式和变压器式DC-DC开关变换器以及AC-DC开关变换器, 分析了它们的特点和适用场合. 最后, 针对压电振动俘能器的特点, 分析了实现最大能量俘获的几种典型控制算法, 包括最大功率点跟踪、阻抗匹配和同步电荷提取控制算法. 本文通过对面向压电振动俘能器的电能管理电路的全面分析和综述, 揭示了该领域目前存在的瓶颈问题, 并展望了其未来发展方向, 对压电能量俘获自供电系统的研究和开发具有重要的参考价值.      

利用摩擦纳米发电机的流体能量俘获研究新进展

环境中的流体 (包括气体和液体) 动能是十分丰富且重要的清洁能源之一, 流体能量可通过不同的能量俘获技术 (电磁发电技术、压电能量俘获技术) 被转化为电能并供人们使用. 自2012年王中林研究团队发明摩擦纳米发电机 (triboelectric nanogenerator, TENG) 以来, TENG已成为了最重要的能量, 俘获技术之一, 并应用于流体能量俘获研究中. 论文综述了当前用于流体能量俘获的摩擦纳米发电机 (fluidic energy harvesting TENG, FEH-TENG) 的研究现状. 介绍了 FEH-TENG 中摩擦电材料之间的电荷转移原理以及基本的工作模式. 在气流动能俘获方面, 流致振动 (如涡激振动、驰振、颤振和尾流驰振等)是一种有效的将流体动力转化为机械能的物理机制, 基于该机制, 总结了FEH-TENG在风能和流致振动能量俘获中的研究进展以及各类能量俘获结构. 液体动能俘获方面总结了 FEH-TENG 在波浪和雨滴能量俘获中的研究进展. 介绍了基于 FEH-TENG的混合能量俘获系统和摩擦电材料优化在提升FEH-TENG流体能量俘获效率方面的研究. 接着介绍了FEH-TENG在不同领域中的应用. 最后讨论了目前 FEH-TENG 在流体能量俘获中存在的问题并提出了一些展望. 论文工作有助于推动FEH-TENG在流体能量俘获领域的发展以及促进相关研究人员对该领域的认识.      

非线性振动能量俘获技术的若干进展

随着工程中低功耗电子设备和自供能无线传感网络的迅速发展, 使得振动能量俘获在航空航天工程、机械工程、生物医学工程和可持续能源工程等领域得到了广泛地应用. 振动能量俘获不仅可以将振动能转化为可用的电能为微电子设备供电, 还能减少有害振动保护仪器设备. 根据振动能量不同转换机制, 可以将振动能量俘获系统分为静电式、电磁式、压电式、磁致伸缩式、摩擦起电式以及它们的混合式. 其中压电和电磁振动能量转化机制由于结构简单、容易组装、能量转换性能高等优点, 已被广泛应用于各种工程领域中. 受极端环境干扰, 工程中容易出现宽带、低频等振动, 迫使振动能量俘获技术向非线性方向迅猛发展, 进一步吸引了诸多学者对振动能量俘获系统的结构和电路进行优化设计研究. 本文首先综述了非线性振动能量俘获技术近十年来的研究进展, 主要包括设计技术基础、非线性结构设计、动力学分析等方面的研究现状. 其次, 重点阐述了振动能量俘获与振动抑制一体化的主要研究成果, 包括非线性准零刚度和非线性能量汇在振动能量俘获领域的应用. 最后, 总结了振动能量俘获外接电路和主动控制策略的优化设计, 分析了进一步提升非线性振动能量俘获效能的有效方法.      

柱体流激振动能量俘获理论与技术研究若干进展

潮流能分布广泛,且储量巨大,具备巨大的规模化开发利用价值.流激振动是一种常见的流固耦合现象,通过柱体流激振动能够在流速较低时实现有效的能量转换,基于柱体流激振动的能量俘获技术在未来具备广阔的工程应用前景.近年来,针对柱体结构流激振动特性和能量俘获性能,出现了大量的实验和数值仿真研究工作.文章全面阐述了多种截面形式的单个柱体、柱群结构流激振动能量俘获理论与技术方面的研究进展:对于单个圆柱流激振动能量俘获,目前已基本揭示了被动湍流控制器参数、系统阻尼、雷诺数和边界条件等因素对能量俘获性能的影响规律,基本完成了理论和技术积累;对于非圆截面柱体流激振动能量俘获,已初步明确特定来流攻角、系统质量比、系统阻尼、系统刚度和雷诺数条件下三角形、四边形、多边形与异形等多种截面形式柱体的流激振动作用机理和能量俘获能力;对于柱群的流激振动能量俘获,各柱体振子之间存在流场干涉,需要合理设计柱体排布形式、柱体间距和系统阻尼等参数,实现流体能量俘获最大化.通过综述国内外流激振动能量俘获理论和技术方面的研究进展,对今后该问题的研究进行了力所能及的展望,期望促进流激振动能量俘获理论的发展和流激振动能量转换装置的工程应...     

高速列车轴箱轴承健康监测与故障诊断研究综述

随着我国高速列车的发展, 针对其运营维护中的故障预测与健康管理问题日益受到关注. 轴箱轴承是高速列车走行部中的关键旋转部件, 在复杂的轮轨相互作用下极易出现由疲劳、过载等原因导致的失效, 影响列车的行车效率和运行安全. 而现有诊断方法和技术难以满足高速列车动态化、系统化的安全保障需求, 亟待进一步发展轴箱轴承健康监测和诊断技术. 首先, 介绍了工程中维修检测、轨边监测和车载监测系统的主要内容和发展现状. 然后, 从动力学正、反问题两个方面, 分析和总结了在轴箱轴承的理论建模方法和轴箱轴承与列车耦合系统的动态特性分析、基于先进信号处理技术和机器学习技术的诊断方法等方面的研究思路和研究进展. 最后, 对轴箱轴承健康监测与故障诊断技术的发展趋势进行了展望, 评述了在指导列车故障预测与健康管理方面的不足.      

多稳态俘能系统的准确磁力建模方法

混沌和分岔使得多稳态俘能系统的非线性动力学响应对系统结构参数非常敏感, 导致了系统的非线性特性正向设计比较困难. 为了定量地表征非线性恢复力与结构参数的关系, 提出了一种多稳态俘能系统的准确磁力建模方法. 推导了多稳态俘能系统端部磁铁和外部磁铁的相对距离和转角位置, 并采用磁荷理论建立了多稳态系统的非线性磁力模型. 通过搭建实验平台测量了不同结构参数条件下多稳态系统的非线性磁力, 并对比了本方法与传统方法和实验测量的结果. 结果表明: 本方法的磁力计算结果与实验测量值吻合较好, 双稳态系统和三稳态系统的磁力峰值误差分别仅为4.3%和6.49%, 验证了本方法计算多稳态系统非线性磁力的有效性. 此外, 基于本方法探究了多稳态系统结构参数对系统势阱的影响机理, 获取了多稳态系统的稳态临界位置, 研究了双稳态和三稳态系统在不同结构参数下的响应电压规律. 参数优化结果表明, 双稳态系统在竖直距离为34 mm时, 均方电压最大为10.22 V; 三稳态系统在竖直距离为28 mm且水平距离为8 mm时, 均方电压最大为12.7 V. 该研究提出的模型以期为多稳态系统的输出性能优化设计提供借鉴.      

径向轴承启动过程瞬态热效应的研究

联立求解广义雷诺方程、油膜瞬态三维能量方程、轴瓦瞬态三维固体热传导方程及轴颈的运动方程，并考虑粘度和密度随温度及压力的变化，在油膜与轴瓦界面使用热流连续性边界条件，确定了在承受稳态载荷时圆轴承在启动过程中的温度变化情况．介绍了一种有效的用于求解轴承瞬态性能的改进Newton—Raphson算法．结果表明：整个系统达到热平衡的时间与启动加速度的大小无关；启动加速度越高，温度升高越快；在启动过程中，油膜最高温度出现的位置沿膜厚方向而变化．同有关试验结果的对比证实所建模型和所用算法正确可行．     

弹性箔片动压径向气体轴承动特性的实验研究

建立了新型弹性箔片动压气体轴承性能测试实验台,在静载60N、转速9000r／min条件下进行轴承性能测试试验,通过中心插值法获得轴承中心的扰动速度和加速度,采用时域最小二乘法计算不同激振频率下的8个轴承动态线性刚度和阻尼系数,考察了激振频率对轴承动特性系数的影响．结果表明：轴颈中心扰动轨迹为椭圆形且振幅随动态激振频率增加而增大;刚度和阻尼系数的直接项随动态激振频率增加而减小;交叉刚度和阻尼相对激振频率的变化较小,且其值小于直接项;当激振频率与轴颈转动频率相同时,工频成分的影响较大,轴心扰动幅值明显增大,刚度和阻尼的直接项小于其它频率时的值．     

岩体变形监测时序分析与动态建模

基于时序ARMA模型, 分析了岩体变形监测数据的动态建模及其预测的基本方法, 并用ARMA模型对板岩山危岩体监测数据进行建模及预测, 取得了较好的效果。     

基于机电阻抗技术的管道法兰结构健康监测实验研究

基于机电阻抗技术,采用一种新型压电陶瓷纤维复合材料MFC(Macro-fiber composite),对管道连接处法兰的螺栓工况进行监测实验研究。首先,研究了螺栓扭矩大小对管道法兰结构的阻抗的影响程度。在对螺栓开始施加扭矩时阻抗值变化明显,当扭矩增大到一定程度后,阻抗变化减缓。同时进一步研究了松动螺栓数量与管道法兰结构的阻抗变化之间的关系。结果显示,结构的损伤值随松动螺栓个数的增加呈线性增长。采用均方根偏差统计算法,对在不同工况条件下管道法兰结构处测得的阻抗值进行了有效的分析和处理。结果表明,采用MFC作为压电敏感元件的机电阻抗法,用于管道法兰结构健康监测具有较好的稳定性和应用潜力。     

An Experimental Investigation of Condition Monitoring for Notched Rotors Through Transient Signals and Wavelet Transform

Experimental studies considering the dynamic transient signals of a notched rotor (i.e. a rotor with a transverse open crack) are investigated in order to examine the possibility of detecting the presence of open cracks in rotating machinery for low or high rotor accelerations. Firstly, the orbital patterns, spectrum cascade plots of the Power Spectral Density, evolutions of the 2× amplitudes of rotor with and without an open transverse crack are compared and discussed in the case of low accelerations of the rotor system. Secondly, the non-stationary vibration signals of the rotor with an open transverse crack at high accelerations are investigated. The timefrequency features and a tool based on the Continuous Wavelet Transform (CWT) to detect open cracks in a rotor system are discussed. It is demonstrated that both the Continuous Wavelet Transform (CWT) and changes on the 2× harmonic components are robust indicators for crack detection.     

永磁向心轴承承载能力与刚度的计算

目前，尽管磁浮轴承技术的研究与开发应用已经受到国内外学者的广泛重视，但在永磁向心轴承承载能力的研究方面，却还存在着两个尚待解决的问题：一是将环形磁体作为无限长条形磁体处理，二是只能对轴承承载能力进行估算。针对这种情况，根据等效磁荷理论，在圆环状态下对轴向控制的永磁向心轴承的承载能力和刚度进行了研究，建立了永磁向心轴承承载能力数学模型，并对其计算结果作了试验验证，同时还提出了利用刚度系数建立的可供工程设计应用的永磁轴承承载能力和刚度的计算公式。结果表明，承载能力的计算值与实测值相当吻合；在偏心距的实际应用范围内，永磁向心轴承的径向刚度是个常量；内外磁环的轴向位移对磁轴承的承载能力和刚度都有明显的影响．因此，为了最大限度地提高这种轴承的承载能力和刚度，就要在设计其结构的过程中注意尽力保证内外磁环轴向对齐。     

TiNi相变圆柱壳的径向压缩特性实验研究

对不同几何尺寸和边界约束条件的TiNi合金圆柱壳进行了准静态径向压缩实验研究,利用数字摄像和图像处理技术得到了不同位置柱壳的变形特征和应变分布,结果表明,在柱壳表面受压处先出现相变铰,随着名义应变的增大,相变铰将发展成相变铰区;在柱壳表面受拉处出现相变铰,但此处材料先进入马氏体相.当径厚比和边界约束不变时,随着名义应变的增大,柱壳的耗能率和比能不断增加.当名义应变不变时,柱壳的耗能率和比能随边界约束个数的增多而增加,吸能效果更好,随径厚比的增加而减小,吸能效率下降.     

四瓦可倾瓦径向滑动轴承动力特性的实验研究

采用在线分析方法考察了300MW汽轮发电机可倾瓦轴承的静、动力特性,探讨了载荷、轴颈转速以及动态激振力频率等参数变化对可倾瓦轴承的静、动态性能的影响,比较试验结果与理论计算结果发现,在不同频率激振力作用下,理论计算所得到的可倾瓦轴承动特性参数与试验结果有较大的差异。     

悬停状态下无铰式旋翼动力学参数试验研究

旋翼结构参数及动力学参数对旋翼动力学特性有着重要影响。随着旋翼结构型式的不断更新,在旋翼设计中需要考虑的动力学参数也相应增加,从而使旋翼的动力学问题更加复杂化。本文通过在２米旋翼试验台上进行的试验,用测量桨叶频响函数和稳态响应的方法研究了悬停状态预锥角、预掠角和总距角等旋翼结构参数对桨叶固有特性及气动弹性稳定性的影响规律,并同计算结果进行了比较,得到了一些对旋翼设计有实用意义的结论     

轴承内部润滑油分布及回流的试验观察与研究

润滑是轴承良好工作性能和长寿命的重要保证,而球-滚道接触区外润滑油层的分布直接决定了接触区内润滑油膜的形成.本文作者搭建了基于轴承模型的试验台,将轴承外圈替换成玻璃环,从而利用光学方法实现对钢球与外圈滚道形成的接触区及其附近润滑油层分布的直接观测和测量.本文作者重点探究了供油量、速度等工况参数和润滑油黏度等物化特性对接触区附近润滑油分布和回流的影响规律,结果表明气穴变化与回流特征均受供油量、速度和润滑油黏度影响.     

圆柱绕流电磁控制影响因素的实验研究

实验与数值模拟表明,利用电介质溶液中圆柱体侧表面附近分布的电磁场产生电磁力可有效改变圆柱流体边界层,控制圆柱绕流.本文对圆柱绕流电磁控制过程中的主要影响因素进行了实验研究,电磁包覆在圆柱表面后部时,其控制效果与全部包覆相当,而包覆在其它位置时,消涡效果较差;电磁极板窄的圆柱绕流控制效果较极板宽的消涡与减阻效果好.另外,电磁作用参数N愈大,消涡减阻的效果愈好.     

电场作用下导电射流稳定性的理论与实验研究

建立导电射流在径向电场作用下的线性稳定性粘性模型,通过正则模方法,推导了轴对称和非轴对称模态下的色散关系,通过计算求得增长率随波数及电欧拉数的变化,并在理论上预测了最有可能波长.选用酒精和酒精甘油混合物作实验液体,观察了径向电场对射流不稳定性行为的影响规律,并测量射流表面波的波长.实验结果和理论结果在定性方面取得了较好的一致.但通过与实验比较,理论预测的最有可能波长在非轴对称模态出现较大偏差,普遍比实验结果小.而且,实验表明,最大增长率并不是判断主导模态的好标准,因为在非轴对称的最大增长率小于轴对称的最大增长率情况下,实验显示非轴对称模态要比轴对称模态明显了.因此,对于非轴对称的不稳定机理,需要进一步研究.对轴对称模态,理论给出了较好的预测.     

Compact Energy Storage Device for Electromagnetic Launchers of Solids

Numerical study has been performed to investigate the operating characteristics and modes of an energy storage device based on a pulsed magnetohydrodynamic generator and a step-up transformer with a stored energy of 25 and 50 MJ and a secondary winding current of 250 kA at the final stage of operation. The operating parameters of such storage devices with rail launchers operating in the mode of rapid-fire launching of several projectiles were calculated.