气动系统换向冲击压电俘能特性

张 添， 史伟杰，， 杨传辉， 高公如， 叶桂友

(1.青岛科技大学 机电工程学院， 山东 青岛 266061； 2.山东常林机械集团股份有限公司， 山东 临沂 276799)

引言

气压传动系统在制造生产线、包装自动化等场合应用广泛[1-2]。然而，在其换向阀换向等过程中，会产生气体冲击和管路振动[3]，这些气体冲击具有一定的能量。基于压电材料的正压电效应，可将此气体冲击俘获，转化为电能，用于气压传动系统低电功耗元件的供能[4]。

压电材料具有较高的能量密度以及便于和结构集成等优点，国内外学者对基于压电材料的冲击式压电俘能展开了广泛的研究[5-11]。KIM S等[12-13]对圆盘式压电俘能器分别进行了理论分析和实验研究。程廷海等[14-17]提出了一种压电片阵列式俘能器，并在密闭环境、气动高压、定质量分数等状态下进行了气体冲击式实验。刘文博[18]在气动与磁力相结合条件下进行了压电发电机理与试验研究。王英廷等[19-20]利用分析、模拟与实验的方式探讨了多种密闭式和气动式压电俘能特性，为解决气动系统中的低功耗元件的续能提供了理论与实验基础。阚君武等[21]提出一种错位旋磁激励压电俘能器，进行了仿真，并实验测试了动磁铁转速、径向激励距离、压电振子端部附加质量等对俘能器发电性能的影响。肖旺等[22]对大型风力发电机组进行了设计与研究。文晟等[23]对钹型阵列式压电俘能器建立了有限元模型并进行结构优化，其研究结果表明，优化后的压电俘能器产生的电压幅值提高了大约87%。

本研究针对气动换向阀换向时产生的气体压力冲击，利用压电材料的正压电效应设计了一种新式压电俘能器，研究了该俘能器的俘能特性，并分析了气体压力、换向时间对其俘能特性的影响。

1 压电俘能器结构及俘能原理

图1为压电俘能器的结构与实物图，压电片边缘部位与绝缘底座和绝缘盖板之间互相压紧，压电片下表面中间部位和绝缘底座中间部位之间为密封空腔。气体由进气口流入俘能器后，密封空腔内压力会变化而致使压电片产生弯曲变形，从而将气体压力能转化为电能。

1.壳体 2.绝缘环 3.绝缘盖板 4.压电片 5.绝缘底座 6.进气口 7.引线口

图1b为压电俘能器零件的实物图，壳体为304不锈钢；考虑绝缘性，绝缘环采用聚甲醛材质，而绝缘盖板和绝缘底座为聚四氟乙烯；圆形压电片由铜基板与PZT-5H压电陶瓷材料组成，其压电常数d33为630 pC/N，铜基板的厚度为0.2 mm，直径50 mm，PZT-5H压电陶瓷材料厚度为0.2 mm，直径为25 mm。

2 实验测试系统

该实验测试系统是基于气动系统搭建的， 其原理如图2所示。

1.气源 2.调压阀 3.压力表 4.节流阀 5.电磁换向阀 6.压力传感器 7.气缸 8.压电俘能器

电磁换向阀的换向时间由PLC进行控制，压电俘能器外部的两根引线可接不同的负载电阻，负载电阻两端电压即为所测电压值，并可计算出其对应的功率。

3 实验结果分析

3.1 俘能特性

为了分析气体冲击压电俘能的可行性，首先在外接电阻值为220 kΩ、气体压力为0.4 MPa、换向时间为0.4 s时，对气体瞬时压力pi、压电俘能器输出的瞬时电压Ui进行了分析，其结果如图3所示。

为更深入解释瞬态压电俘能特性，以图3a实测压力为输入边界条件，采用ANSYS对压电俘能过程中压电片形变进行了仿真分析。压电陶瓷材料密度为7500 kg/m3，杨氏模量63 GPa；铜板基板密度为8600 kg/m3，杨氏模量为110 GPa，二者厚度均为0.2 mm，仿真后形变如图3b所示。

结合图3a及图3b可知，A点压力为0 MPa时，压电片基本无形变；当高压气体进入俘能器时，系统内气体对压电片产生瞬时冲击，该冲击导致压电片产生加速弯曲变形，由B点可看出压电片中心形变量可达0.37 mm，由于此加速弯曲，压电片的电荷全部溢出，因此达到了正向峰值电压4.22 V；然后压电片变形速度减缓，俘获电压逐渐降低，当气体压力达到0.4 MPa时，压电片变形量达到最大值0.45 mm，如C点仿真云图所示；当压力维持0.4 MPa时，形变基本不变，压电片的输出电压维持在0 V。换向阀换向后形变及俘能过程与上述过程相反，压电片形变瞬间由最大值降至0.21 mm，如D点云图所示，由此产生了负向峰值电压-1.79 V。

图3 俘能特性图

3.2 气体压力对俘能特性的影响

图4为瞬时电压Ui和瞬时压力pi随时间t的变化情况。实验时接入电阻值为660 kΩ的外接电阻，将换向时间分别设定为0.4 s和0.8 s，在每一换向时间状态下分别将气体压力调节为0.3, 0.4, 0.5 MPa。

从图4中可以看出，当外接电阻值和换向时间不变时，气体压力增大，正、负向峰值电压也会随之升高。如图4a，当气体压力为0.3 MPa时，压电片在瞬时冲击压力的作用下产生的正、负向峰值电压分别为4.78 V和-2.11 V，0.4 MPa时为6.83 V和-3.15 V，0.5 MPa时为9.26 V和-4.46 V。这反映了气体压力增大时，瞬时冲击压力也增大，压电片产生更大的变形和能量输出。

图4 瞬时电压、瞬时压力随时间曲线图

此外，增大气体压力，压电片产生更大的形变后回到平衡位置所需的时间会变长。例如换向时间为0.8 s时，3条曲线几乎在受到冲击的瞬间达到了峰值电压，而峰值电压回到0 V时所需时间显著不同：气体压力为0.3 MPa时所需时间为0.18 s，0.4 MPa时为0.20 s，0.5 MPa 时为0.22 s。这显示了增大气体压力不仅可提高压电片输出的峰值电压，而且会延长压电片的电能输出时间。

3.3 气体压力对峰值电压、峰值功率的影响

图5为峰值电压Up、峰值功率Pp与气体压力p关系图。实验中，将换向时间设定为0.5 s，分别接入电阻值为220, 440, 660 kΩ的外接电阻，将气体压力从0.1 MPa调至0.5 MPa，其中以0.1 MPa为压力间隔，测出正向峰值电压并计算出所对应的峰值功率。

图5a为峰值电压与气体压力关系。当电磁换向阀的换向时间0.5 s保持不变时，随着气体压力的升高，峰值电压值明显升高，且3条曲线在气体压力较小时峰值电压上升幅度较小，气体压力较大时峰值电压上升幅度较大。例如外接电阻为660 kΩ的变化曲线，压力由0.1 MPa升至0.2 MPa，即压力增幅为0.1 MPa时，峰值电压由2.55 V升至3.52 V，峰值电压增幅为0.97 V；而当压力由0.4 MPa升至0.5 MPa，即压力增幅也为0.1 MPa时，峰值电压由6.87 V升至9.38 V，峰值电压增幅达到了2.51 V。这说明了提高气体压力会使压电俘能器的电能输出量得到明显的提升。

图5b为峰值功率与气体压力关系。当换向时间0.5 s保持不变时，随着气体压力的升高，峰值功率产生了明显的升高，且3条曲线在气体压力较小时上升幅度较小，气体压力较大时上升幅度较大。例如外接电阻为660 kΩ的变化曲线，压力由0.1 MPa升至0.2 MPa，即压力增幅为0.1 MPa时，峰值功率由9.67 μW 升至18.38 μW，峰值功率增幅为8.71 μW；而当压力由0.4 MPa升至0.5 MPa，即压力增幅也为0.1 MPa时，峰值电压由70.07 μW升至130.61 μW，峰值电压增幅达到了60.54 μW。这说明了提高气体压力会使压电俘能器的俘能效率得到明显的提升。

图5 峰值电压、峰值功率与气体压力关系曲线图

3.4 换向时间对峰值电压、峰值功率的影响

图6为峰值电压、峰值功率与换向时间关系。实验中，将气体压力设定为0.5 MPa，分别接入电阻值为220， 440， 660 kΩ的外接电阻，将换向阀换向时间从0.1 s调至1 s，其中时间间隔为0.1 s。测出正向峰值电压并计算出所对应的峰值功率。

图6a为峰值电压与换向时间关系。从图中可以看出，当气体压力0.5 MPa保持不变时，随着换向阀换向时间的延长，峰值电压值较为稳定，未出现较极端的改变。在外接电阻值分别为220, 440, 660 KΩ时，其输出的峰值电压分别维持在5.29, 7.60, 9.35 V左右。

图6 峰值电压、峰值功率与换向时间关系曲线图

这说明了当气体压力和外接电阻值确定之后，换向时间的长短不会对压电俘能器输出的峰值电压产生较大的影响。

图6b为峰值功率与换向时间关系。从图中可看出，当气体压力0.5 MPa保持不变时，外接电阻为220 kΩ 和440 kΩ的两条曲线，除极端点外，呈现先略微增大再减小的趋势，但其变化范围非常小，220 kΩ时波动范围在117.13～140.81 μW，440 kΩ时波动范围在113.69～138.94 μW，660 kΩ时的变化曲线除极端点外波动极小，基本维持在130 μW左右，这说明当气体压力和外接电阻确定后，换向时间的改变不会对峰值功率的输出产生较大影响；当气体压力0.5 MPa与换向时间均保持不变时，随着外接电阻值的改变，峰值功率总体分布在120～140 μW，显示了一定的稳定性，这说明当气体压力与换向周期均保持不变时，随着外接电阻值的改变，俘能器的功率输出总体上没有显著变化。

4 结论

利用压电材料可直接将机械能转化为电能的能量转换特性，提出了一种可内置圆形压电片的压电俘能器，并搭建了基于气动系统的实验测试系统对其俘能特性进行了实验研究。研究表明：

(1) 施加和撤掉冲击压力时，压电片的形变急剧变化，引起正向和负向峰值电压，且前者比后者的电压值要高；

(2) 增大气体压力不仅会显著提高压电俘能器输出的峰值电压和峰值功率，也会延长其电能输出时间；

(3) 延长换向时间并不会对峰值电压和峰值功率产生较大影响。