氣動系統換向沖擊壓電俘能特性

張 添， 史偉杰，， 楊傳輝， 高公如， 葉桂友

(1.青島科技大學 機電工程學院， 山東 青島 266061； 2.山東常林機械集團股份有限公司， 山東 臨沂 276799)

引言

氣壓傳動系統在制造生產線、包裝自動化等場合應用廣泛[1-2]。然而，在其換向閥換向等過程中，會產生氣體沖擊和管路振動[3]，這些氣體沖擊具有一定的能量?；趬弘姴牧系恼龎弘娦蓪⒋藲怏w沖擊俘獲，轉化為電能，用于氣壓傳動系統低電功耗元件的供能[4]。

壓電材料具有較高的能量密度以及便于和結構集成等優點，國內外學者對基于壓電材料的沖擊式壓電俘能展開了廣泛的研究[5-11]。KIM S等[12-13]對圓盤式壓電俘能器分別進行了理論分析和實驗研究。程廷海等[14-17]提出了一種壓電片陣列式俘能器，并在密閉環境、氣動高壓、定質量分數等狀態下進行了氣體沖擊式實驗。劉文博[18]在氣動與磁力相結合條件下進行了壓電發電機理與試驗研究。王英廷等[19-20]利用分析、模擬與實驗的方式探討了多種密閉式和氣動式壓電俘能特性，為解決氣動系統中的低功耗元件的續能提供了理論與實驗基礎。闞君武等[21]提出一種錯位旋磁激勵壓電俘能器，進行了仿真，并實驗測試了動磁鐵轉速、徑向激勵距離、壓電振子端部附加質量等對俘能器發電性能的影響。肖旺等[22]對大型風力發電機組進行了設計與研究。文晟等[23]對鈸型陣列式壓電俘能器建立了有限元模型并進行結構優化，其研究結果表明，優化后的壓電俘能器產生的電壓幅值提高了大約87%。

本研究針對氣動換向閥換向時產生的氣體壓力沖擊，利用壓電材料的正壓電效應設計了一種新式壓電俘能器，研究了該俘能器的俘能特性，并分析了氣體壓力、換向時間對其俘能特性的影響。

1 壓電俘能器結構及俘能原理

圖1為壓電俘能器的結構與實物圖，壓電片邊緣部位與絕緣底座和絕緣蓋板之間互相壓緊，壓電片下表面中間部位和絕緣底座中間部位之間為密封空腔。氣體由進氣口流入俘能器后，密封空腔內壓力會變化而致使壓電片產生彎曲變形，從而將氣體壓力能轉化為電能。

1.殼體 2.絕緣環 3.絕緣蓋板 4.壓電片 5.絕緣底座 6.進氣口 7.引線口

圖1b為壓電俘能器零件的實物圖，殼體為304不銹鋼；考慮絕緣性，絕緣環采用聚甲醛材質，而絕緣蓋板和絕緣底座為聚四氟乙烯；圓形壓電片由銅基板與PZT-5H壓電陶瓷材料組成，其壓電常數d33為630 pC/N，銅基板的厚度為0.2 mm，直徑50 mm，PZT-5H壓電陶瓷材料厚度為0.2 mm，直徑為25 mm。

2 實驗測試系統

該實驗測試系統是基于氣動系統搭建的， 其原理如圖2所示。

1.氣源 2.調壓閥 3.壓力表 4.節流閥 5.電磁換向閥 6.壓力傳感器 7.氣缸 8.壓電俘能器

電磁換向閥的換向時間由PLC進行控制，壓電俘能器外部的兩根引線可接不同的負載電阻，負載電阻兩端電壓即為所測電壓值，并可計算出其對應的功率。

3 實驗結果分析

3.1 俘能特性

為了分析氣體沖擊壓電俘能的可行性，首先在外接電阻值為220 kΩ、氣體壓力為0.4 MPa、換向時間為0.4 s時，對氣體瞬時壓力pi、壓電俘能器輸出的瞬時電壓Ui進行了分析，其結果如圖3所示。

為更深入解釋瞬態壓電俘能特性，以圖3a實測壓力為輸入邊界條件，采用ANSYS對壓電俘能過程中壓電片形變進行了仿真分析。壓電陶瓷材料密度為7500 kg/m3，楊氏模量63 GPa；銅板基板密度為8600 kg/m3，楊氏模量為110 GPa，二者厚度均為0.2 mm，仿真后形變如圖3b所示。

結合圖3a及圖3b可知，A點壓力為0 MPa時，壓電片基本無形變；當高壓氣體進入俘能器時，系統內氣體對壓電片產生瞬時沖擊，該沖擊導致壓電片產生加速彎曲變形，由B點可看出壓電片中心形變量可達0.37 mm，由于此加速彎曲，壓電片的電荷全部溢出，因此達到了正向峰值電壓4.22 V；然后壓電片變形速度減緩，俘獲電壓逐漸降低，當氣體壓力達到0.4 MPa時，壓電片變形量達到最大值0.45 mm，如C點仿真云圖所示；當壓力維持0.4 MPa時，形變基本不變，壓電片的輸出電壓維持在0 V。換向閥換向后形變及俘能過程與上述過程相反，壓電片形變瞬間由最大值降至0.21 mm，如D點云圖所示，由此產生了負向峰值電壓-1.79 V。

圖3 俘能特性圖

3.2 氣體壓力對俘能特性的影響

圖4為瞬時電壓Ui和瞬時壓力pi隨時間t的變化情況。實驗時接入電阻值為660 kΩ的外接電阻，將換向時間分別設定為0.4 s和0.8 s，在每一換向時間狀態下分別將氣體壓力調節為0.3, 0.4, 0.5 MPa。

從圖4中可以看出，當外接電阻值和換向時間不變時，氣體壓力增大，正、負向峰值電壓也會隨之升高。如圖4a，當氣體壓力為0.3 MPa時，壓電片在瞬時沖擊壓力的作用下產生的正、負向峰值電壓分別為4.78 V和-2.11 V，0.4 MPa時為6.83 V和-3.15 V，0.5 MPa時為9.26 V和-4.46 V。這反映了氣體壓力增大時，瞬時沖擊壓力也增大，壓電片產生更大的變形和能量輸出。

圖4 瞬時電壓、瞬時壓力隨時間曲線圖

此外，增大氣體壓力，壓電片產生更大的形變后回到平衡位置所需的時間會變長。例如換向時間為0.8 s時，3條曲線幾乎在受到沖擊的瞬間達到了峰值電壓，而峰值電壓回到0 V時所需時間顯著不同：氣體壓力為0.3 MPa時所需時間為0.18 s，0.4 MPa時為0.20 s，0.5 MPa 時為0.22 s。這顯示了增大氣體壓力不僅可提高壓電片輸出的峰值電壓，而且會延長壓電片的電能輸出時間。

3.3 氣體壓力對峰值電壓、峰值功率的影響

圖5為峰值電壓Up、峰值功率Pp與氣體壓力p關系圖。實驗中，將換向時間設定為0.5 s，分別接入電阻值為220, 440, 660 kΩ的外接電阻，將氣體壓力從0.1 MPa調至0.5 MPa，其中以0.1 MPa為壓力間隔，測出正向峰值電壓并計算出所對應的峰值功率。

圖5a為峰值電壓與氣體壓力關系。當電磁換向閥的換向時間0.5 s保持不變時，隨著氣體壓力的升高，峰值電壓值明顯升高，且3條曲線在氣體壓力較小時峰值電壓上升幅度較小，氣體壓力較大時峰值電壓上升幅度較大。例如外接電阻為660 kΩ的變化曲線，壓力由0.1 MPa升至0.2 MPa，即壓力增幅為0.1 MPa時，峰值電壓由2.55 V升至3.52 V，峰值電壓增幅為0.97 V；而當壓力由0.4 MPa升至0.5 MPa，即壓力增幅也為0.1 MPa時，峰值電壓由6.87 V升至9.38 V，峰值電壓增幅達到了2.51 V。這說明了提高氣體壓力會使壓電俘能器的電能輸出量得到明顯的提升。

圖5b為峰值功率與氣體壓力關系。當換向時間0.5 s保持不變時，隨著氣體壓力的升高，峰值功率產生了明顯的升高，且3條曲線在氣體壓力較小時上升幅度較小，氣體壓力較大時上升幅度較大。例如外接電阻為660 kΩ的變化曲線，壓力由0.1 MPa升至0.2 MPa，即壓力增幅為0.1 MPa時，峰值功率由9.67 μW 升至18.38 μW，峰值功率增幅為8.71 μW；而當壓力由0.4 MPa升至0.5 MPa，即壓力增幅也為0.1 MPa時，峰值電壓由70.07 μW升至130.61 μW，峰值電壓增幅達到了60.54 μW。這說明了提高氣體壓力會使壓電俘能器的俘能效率得到明顯的提升。

圖5 峰值電壓、峰值功率與氣體壓力關系曲線圖

3.4 換向時間對峰值電壓、峰值功率的影響

圖6為峰值電壓、峰值功率與換向時間關系。實驗中，將氣體壓力設定為0.5 MPa，分別接入電阻值為220， 440， 660 kΩ的外接電阻，將換向閥換向時間從0.1 s調至1 s，其中時間間隔為0.1 s。測出正向峰值電壓并計算出所對應的峰值功率。

圖6a為峰值電壓與換向時間關系。從圖中可以看出，當氣體壓力0.5 MPa保持不變時，隨著換向閥換向時間的延長，峰值電壓值較為穩定，未出現較極端的改變。在外接電阻值分別為220, 440, 660 KΩ時，其輸出的峰值電壓分別維持在5.29, 7.60, 9.35 V左右。

圖6 峰值電壓、峰值功率與換向時間關系曲線圖

這說明了當氣體壓力和外接電阻值確定之后，換向時間的長短不會對壓電俘能器輸出的峰值電壓產生較大的影響。

圖6b為峰值功率與換向時間關系。從圖中可看出，當氣體壓力0.5 MPa保持不變時，外接電阻為220 kΩ 和440 kΩ的兩條曲線，除極端點外，呈現先略微增大再減小的趨勢，但其變化范圍非常小，220 kΩ時波動范圍在117.13～140.81 μW，440 kΩ時波動范圍在113.69～138.94 μW，660 kΩ時的變化曲線除極端點外波動極小，基本維持在130 μW左右，這說明當氣體壓力和外接電阻確定后，換向時間的改變不會對峰值功率的輸出產生較大影響；當氣體壓力0.5 MPa與換向時間均保持不變時，隨著外接電阻值的改變，峰值功率總體分布在120～140 μW，顯示了一定的穩定性，這說明當氣體壓力與換向周期均保持不變時，隨著外接電阻值的改變，俘能器的功率輸出總體上沒有顯著變化。

4 結論

利用壓電材料可直接將機械能轉化為電能的能量轉換特性，提出了一種可內置圓形壓電片的壓電俘能器，并搭建了基于氣動系統的實驗測試系統對其俘能特性進行了實驗研究。研究表明：

(1) 施加和撤掉沖擊壓力時，壓電片的形變急劇變化，引起正向和負向峰值電壓，且前者比后者的電壓值要高；

(2) 增大氣體壓力不僅會顯著提高壓電俘能器輸出的峰值電壓和峰值功率，也會延長其電能輸出時間；

(3) 延長換向時間并不會對峰值電壓和峰值功率產生較大影響。