Как называется сборщик энергии использующий вибрацию

Новое изобретение вырабатывает энергию при ходьбе человека

Японские ученые изобрели компактный пьезоэлектрический сборщик энергии вибрации, который может усиливать мощность, создаваемую импульсными вибрациями, например, при ходьбе человека, примерно в 90 раз. Он может питать самозаряжающиеся носимые устройства – смартфоны, часы или беспроводные наушники.

Одна из форм сбора энергии – сбор энергии вибрации – считается очень практичной, поскольку она может преобразовывать кинетическую энергию вибрации в электричество и не зависит от погоды или климата.

Команда из Высшей инженерной школы Осаки разработала накопитель энергии вибрации, использующий пьезоэлектрический эффект — явление, при котором определенные типы материалов производят электрический заряд или напряжение в ответ на приложенное давление. Изобретатели встроили в устройство особый компонент усиления вибрации, разработанный ими же. Он позволил улучшить выработку электроэнергии. При этом не потребовалось увеличивать размер устройства, который в диаметре достигает всего около двух сантиметров. Ожидается, что технология будет генерировать электроэнергию за счет нестационарных вибраций, в том числе при ходьбе пользователя.

Источник: портал «Научная Россия», фото: OSAKA METROPOLITAN UNIVERSITY

Виброметр – простой прибор для измерения вибрации

Виброметр – это прибор для измерения параметров вибрации: виброускорения, виброскорости, виброперемещения и частоты колебаний. Он простой в использовании и не требует специальной подготовки.

Выделяют две группы виброметров:

• для измерения вибрации вращающегося оборудования;
• для измерения вибрации, воздействующей на человека для целей охраны труда.

Виброметры для измерения вибрации вращающегося оборудования

Виброметр измеряет и оценивает вибрацию агрегатов с вращающимися частями. Это — двигатели, насосы, вентиляторы, генераторы. Вибрация таких агрегатов повторяется с каждым оборотом вала.

Виброметры измеряют интегральное значение вибрации (одно число). Самое популярное значение – СКЗ виброскорости, так как существуют стандарты для определения состояния агрегата по СКЗ виброскорости. Это число пропорционально мощности сил, вызывающих вибрацию агрегата.

Чаще всего вибрация в виброметрах измеряется в диапазоне 10 ÷ 1000 Гц. Этот диапазон указан в ГОСТ и позволяет измерять одинаковое значение вибрации на разных приборах.

Виброметр – это очень полезный прибор для оценки состояния оборудования. Максимальное значение вибрации, при котором состояние агрегата считается аварийным называется Норма. Значение задаётся в паспорте на агрегат или в ГОСТ ИСО 20816-1-2021. «Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях». Сравнение текущей вибрации с нормой позволяет оценить состояние агрегата.

Измерение вибрации виброметром очень быстрое и не требует подготовительных работ. Можно измерить 100 агрегатов за смену с выдачей отчётов о состоянии оборудования на предприятии.

Значения вибрации, измеренные через некоторое время (например, через 1 месяц) позволяют строить прогноз развития вибрации и планировать сроки следующих ремонтов. Это даёт значительную экономию денег, по сравнению с плановыми ремонтами. Такая система планирования ремонтов используется в нашей программе Аврора-2000.

Значение вибрации, измеренное виброметром можно использовать и для диагностики дефектов агрегата. Например, по СКЗ виброскорости отлично диагностируется расцентровка и небаланс. Состояние крепления к фундаменту тоже проще оценить виброметром. Виброметром даже можно балансировать агрегат не используя отметчик фазы (метод трех пусков с пробными массами).

При этом виброметры значительно дешевле виброанализаторов и проще в работе. Однако, для изучения сложных случаев дефектов необходим виброанализатор и опыт вибродиагностики.

Самые маленькие виброметры имеют размер авторучки и управление одной кнопкой. Такие приборы называют виброручки.

Современные виброметры дополнительно имеют режимы измерения спектров и сигналов, память для сохранения замеров и передачи их в компьютер, режим измерения по маршруту, датчики температуры, оборотов и ударных импульсов от подшипников качения.

В виброанализаторах всегда есть режим виброметра. Он делается программно и не удорожает изготовление прибора.

Виброметры имеют внутренний датчик вибрации, встроенный в корпус прибора или внешний датчик, подключённый к прибору проводом. Внутренний датчик – это компактность прибора, а внешний датчик позволяет измерить вибрацию в труднодоступных местах.

Мы выпускаем виброметры:

Виброметры для измерения вибрации, воздействующей на человека

Измерение такой вибрации используется в сфере охраны труда. Приборы отличаются от приборов для измерения вибрации вращающегося оборудования. Они называются виброметры-шумомеры.

Прибор измеряет мощность вибрации за какой-то период времени, например, за рабочую смену, показывает мощность вибрации в полосах частот. Вибрация разных частот оказывает разное влияние на человека, поэтому используются нормирующие коэфициенты для частных полос. В дополнение шумомеры умеют измерять акустический шум на рабочем месте.

Предельные значения вибрации нормируется СанПиНами. Библиотеку этих нормативных документов можно найти на сайте НТМ-Защита:

СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий»
Настоящие Санитарные нормы устанавливают классификацию, нормируемые параметры, предельно допустимые значения производственных вибраций, допустимые значения вибраций в жилых и общественных зданиях

МУ 3911-85 «Методические указания по проведению измерений и гигиенической оценки производственных вибраций»
Указания устанавливают методы и условия проведения измерений и гигиенической оценки производственной вибрации на рабочих местах или в местах контакта с руками оператора для установления их соответствия санитарным нормам

Разработан микрогенератор, использующий вибрации в качестве источника питания

Сотрудниками University of Southampton (Великобритания) разработан генератор, собирающий электромагнитную энергию колебаний. По заявлению разработчиков, новый микрогенератор может быть использован для обеспечения энергией беспроводных датчиков и даже медицинских имплантатов.

Генератор способен конвертировать до 30% кинетической энергии окружающей среды в электроэнергию. Он может обеспечивать работу разного рода устройств с пониженным энергопотреблением в том случае, когда альтернативные источники питания (например, солнечная энергия) недоступны.

Микрогенератор собирает энергию, используя раскачивание нескольких магнитов, закрепленных на кронштейне размером не более миллиметра. Не вдаваясь в научные подробности, принцип работы генератора можно описать следующим образом. «Отзываясь» на вибрацию, кронштейн начинает раскачиваться вверх и вниз. Прикрепленные на нем магниты также начинают двигаться, а создаваемое ими магнитное поле и используется для получения электрической энергии. Британские ученые не без гордости заявляют, что их разработка — самый эффективный из всех существующих микрогенераторов.

При тестировании генератора в лабораторных условиях с учетом вибраций, создаваемых таким сооружением как мост, устройство смогло сгенерировать 46 микроватт электроэнергии. По словам Стива Биби (руководителя проекта и команды, разработавшей микрогенератор), этой энергии вполне достаточно для питания небольших устройств, например, датчиков. Конечно, такого малого количества энергии не хватит для обеспечения работы телефона или MP3-проигрывателя. Но в ближайшем будущем применение микрогенератора возможно в медицинских имплантатах, таких как, например, электронный стимулятор сердца. В данном случае источником колебаний будет выступать биение сердца. Отличный симбиоз. Сердце «питает» генератор, генератор обеспечивает его работу…

Источники возникновения вибрации

Механическими источниками возникновения вибрации в работающих в номинальном режиме роторных машинах являются колебательные силы периодического, случайного и ударного происхождения. Причинами же возникновения самих колебательных сил являются: неточность изготовления и сборки деталей, неточность сборки узлов и машины в целом, недостаток или несоответствие смазки, эксплуатационные дефекты деталей и узлов и др. Результатом действия отдельно взятых колебательных сил и их комбинаций (как правило, сумм или произведений) являются компоненты вибрации с характерными частотными спектрами. Здесь необходимо отметить, что при описании произведения сил в вибродиагностике ограничиваются случаем, когда частота основной (модулируемой) силы во много раз превосходит частоту модулирующей силы, а сама модулирующая сила является периодической с частотами, как правило, определяемыми частотой вращения деталей и узлов машины.

1. Классификация колебательных сил.

По природе возникновения механические колебательные силы подразделяются на:

• центробежные силы, обусловленные дисбалансом вращающихся деталей;
• кинематические силы, вызванные движением тел по неровным поверхностям;
• ударные силы, вызванные упругими соударениями движущихся тел;
• параметрические силы, вызванные скачками во времени жесткости тел в направлении действия постоянной силы;
• силы сухого трения (чаще всего вызванные недостатком смазочных материалов).

(В целом же, помимо колебательных сил механического происхождения, источниками вибрации роторных машин могут быть и силы аэродинамического, гидродинамического и электромагнитного происхождения, которые мы здесь не рассматриваем).

1. Вибрация ротора с дисбалансом.

Статический дисбаланс ротора приводит к появлению центробежной силы f=emω 2 (здесь e—эксцентриситет; m—масса ротора; ω— частота вращения ротора), под действием которой вал ротора начинает вибрировать с этой же частотой и прогибаться. Прогиб ротора увеличивается с увеличением частоты его вращения вплоть до частоты резонанса ω_рез1, после прохождения которого ротор переходит в режим автобалансировки. Скорость вращения ротора на частоте резонанса ω_рез называется первой критической скоростью вращения, и роторы, вращающиеся с частотой ω≤0,75ω_рез1 принято считать жесткими, а роторы, вращающиеся на более высоких частотах – гибкими. Помимо статического дисбаланса в роторе может наблюдаться и моментная неуравновешенность, которая приводит к изгибу вала в форме волны. При такой форме изгиба жесткость вала существенно больше, чем в случае статической неуравновешенности, поэтому и частота резонанса ω_рез2в 3-4 раза больше частоты ω_рез1. Скорость вращения ротора на частоте резонанса ω_рез2называется второй критической скоростью вращения. Если уровень вибрации машины, обусловленный дисбалансом ротора, выше нормируемых значений, то необходимо провести 2-х или 4-х плоскостную балансировку ротора в собственных опорах, например, с помощью виброанализатора BALTECH VP-3470.

1. Источники и частоты вибрации в подшипниках качения

Вращающийся нагруженный подшипник качения может быть источником значительных колебательных сил, среди которых:

• силы трения;
• кинематические и ударные (импульсные) силы, обусловленные неровностями поверхностей качения;
• параметрические силы, обусловленные переменной жесткостью подшипника за счет периодического изменения нагруженных тел качения.

Частоты гармонических составляющих вибрации подшипника качения определяются частотами вращения его деталей (элементов) и комбинацией этих частот. Рассмотрим наиболее часто встречающийся вариант подшипника качения с неподвижным внешним и вращающимся внутренним кольцом. Для определения частот вибраций подшипника необходимо знать частоту вращения машины n (об/мин) и основные параметры подшипника: d_н–наружный диаметр; d_в– внутренний диаметр; d_тк–диаметр тел качения; z – число тел качения; α – угол контакта тел качения с дорожкой качения. Прежде всего, определим частоты вращения отдельных элементов подшипника:

• частота вращения внутреннего кольца f_об=n/60(Гц);
• частота вращения сепаратора f_c= 0,5f_об(1-(d_тк/d_cтк)*cosα) ,здесь d_c=(d_в+d_н)/2 – диаметр сепаратора;
• частота вращения тел качения f_тк=f_с((d_c/d_тк)+cosα) = 0,5f_об(d_c/d_тк)(1-(d_тк 2 /d_cтк 2 )*cos 2 α) ;
• частота перекатывания тел качения по наружному кольцу f_нар=f_cz=0,5zf_об(1-(d_тк/d_c)*cosα);
• частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу f_вн=(f_об-f_с)z=0,5zf_об(1+(d_тк/d_c)*cosα).

На всех указанных частотах и их комбинациях между деталями подшипника могут возникнуть гармонические колебательные силы, вызывающие вибрацию ротора и машины в целом. Кроме рассмотренных гармонических составляющих вибрации в подшипниках качения наблюдаются и случайные компоненты вибрации, обусловленные силами трения. В бездефектном подшипнике силы трения постоянны и соответственно остается постоянной и мощность случайной вибрации. При появлении дефектов, вызывающих изменение сил трения, мощность случайной вибрации модулируется рассмотренными выше подшипниковыми частотами или их комбинациями. Что касается ударных составляющих вибрации, то в бездефектном подшипнике ударные силы отсутствуют и, соответственно, отсутствуют и ударные вибрации. Появляются они при зарождении дефектов подшипника, что и используется для диагностических целей.

1. Источники и частоты вибрации в подшипниках скольжения

Основные источники вибрации в подшипниках скольжения – силы трения, кинематические и ударные силы. При этом гармонические составляющие вибрации, обусловленные неровностями шейки вала, наблюдаются на гармониках оборотной частоты f_об.Помимо этого, автоколебания ротора в подшипнике могут вызвать гармоническую вибрацию с частотами, кратными частоте автоколебаний ротора ≅0,5f_об. Силы трения в подшипниках скольжения существенно больше, чем силы трения в подшипниках качения, однако, мощность возбуждаемой случайной вибрации при этом, как правило, существенно меньше, чем в подшипниках качения. Ударные составляющие вибрации возникают при появлении дефектов смазки подшипника скольжения, при этом наибольший скачок мощности вибрации наблюдается при сухих ударах, сопровождающихся разрывом смазочного слоя и задеваниями шейки вала о поверхность вкладышей подшипника. В данной статье мы лишь рассмотрели основные источники вибрации и характерные частоты вибраций в роторах с дисбалансом, подшипниках качения и скольжения. Источники вибрации в вентиляторах, насосах, колесных парах, редукторах и др. подробно рассмотрены в соответствующих тематических статьях, но более глубокие систематические знания вы можете получить, пройдя обучение на курсе повышения квалификации ТОР-103 «Основы вибродиагностики. Источники возникновения вибрации» в Учебном центре компании «БАЛТЕХ».