CN102801361B - 轨道车辆轴系监测系统用旋转式压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轨道车辆轴系监测系统用旋转式压电发电机，属于轨道交通监测及压电发电技术领域。轮轴通过轴承安装在车架上；T型挡块小端安装在轮轴端部且压在轴承内圈上，大端两侧分别安装有通过导线组连接的压电换能器和传感监测系统；所述压电换能器由圆形金属基板、扇形压电晶片和扇形磁片粘接而成；轴承盖通过螺钉安装在车架上，所述轴承盖的内侧底部镶嵌有第一定磁铁和第二定磁铁；所述第一定磁铁和第二定磁铁的磁极配置方向相反。优点是：发电机随轴转动，便于为随轴转动的监测系统供电，变形量及发电量不受轮轴转动状态影响，发电能力及转速适应能力强、且可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通监测发电技术领域，具体涉及一种轨道车辆轴系监测系统用旋转式压电发电机。
背景技术
铁路列车及地铁等轨道交通运输系统承载着国民经济命脉，而轨道车辆的轮轴及轴承是确保轨道车辆安全运行的关键。以往，轨道车辆轮轴及轴承等关键运转部件的健康状况是以定期维护、检修加以保障的；随着车辆运行速度的不断提高以及人们安全意识的提升，车辆运行期间轮轴及轴承等的实时在线监测技术研究受到了国内外学者的广泛关注，所需监测要素包括轴及轴承的温度、转速、动态刚度、磨损及振动等诸多方面。
对于轮轴及轴承监测系统而言，理想的方法是将各类传感监测系统安装在旋转轴上或靠近轴承安装，从而实现其运行状态的直接在线监测；但这种监测方案因无法为传感监测系统的提供可靠、充足的电力供应而难于推广应用，原因在于：①轮系处于运动状态、且轮系与车厢间存在高频颠簸振动，采用电缆供电时可靠性低、且货运车厢本身也无配电系统；②如采用电池供电，因电池使用寿命有限而需经常更换，当电池电量不足而未及时更换时将无法实现有效的监测、甚至造成严重的安全隐患。
限于传感监测系统的能源供应问题，目前实际中普遍采用的是非实时的、间接的测量方法，即将传感监测系统至于路基之上，不随车体移动或不随轮轴转动，例如：中国专利CN101072985A、CN102278950A等提供的温度监测系统，中国专利CN102120461A、CN102101484A、CN102101485A等提供的车轴监测单元，等等。可见，由于轨道车辆轮轴及轴承工作环境特殊性以及由此所造成的电力供应难题，真正意义上的实时在线监测系统、尤其是直接测量轮轴及轴承状态的实时监测系统还难以推广应用。
发明内容
本发明提出一种轨道车辆轴系监测系统用旋转式压电发电机，用于轨道车辆轴、轮及轴承等的监测系统供电，以实现实时的、直接的轴系在线健康监测。
本发明采取的技术方案是：轮轴通过轴承安装在车架上；T型挡块的小端通过螺钉安装在轮轴端部、且压在轴承的内圈上，大端的两侧分别通过螺钉安装有压电换能器和传感监测系统，所述压电换能器和传感监测系统通过导线组连接；所述压电换能器由圆形金属基板、扇形压电晶片和扇形磁片粘接而成，所述圆形金属基板上开有均匀分布的径向窄槽；轴承盖通过螺钉安装在车架上，所述轴承盖的内侧底部镶嵌有第一定磁铁和第二定磁铁；所述第一、第二定磁铁的磁极配置方向相反，即第一定磁铁的N极、第二定磁铁的S极分别与压电换能器上的扇形磁片的N极靠近安装。
在本发明中，定磁铁和置于压电换能器上的扇形磁片的作用是通过相对转动产生交替的排斥力和吸引力，压电换能器的功能是将机械能转换成电能。
在轨道车辆运行期间，T型挡块以及安装于T型挡块上的压电换能器随轮轴转动，而安装在轴承盖内部的第一及第二定磁铁相对静止。当压电换能器上的扇形磁片转至第一定磁铁时，两个同性的N-N磁极间产生排斥力；当压电换能器上的扇形磁片转至第二定磁铁时，两个异性的N-S磁极间产生吸引力。随着轮轴的连续转动，压电换能器上的扇形磁片将交替地靠近并离开第一定磁铁和第二定磁铁，从而使磁极间的排斥力和吸引力交替变化；压电换能器在交替变化的排斥力及吸引力作用下产生往复的弯曲变形、并将机械能转换成电能；所生成的电能经一定的转换处理后即可用于驱动传感监测系统。
本发明的特色在于：压电换能器的弯曲变形量及单次激励发电量是由磁极间的磁场强度决定的，轮轴增速、减速、及速度高低等状态变化对其无直接影响，因此对轮轴的转速适应能力强，在各种转动状态下都有较强的发电能力；同时，可通过磁场强度设计限定压电换能器的变形量，进而提高发电装置的可靠性。
本发明优势在于：①发电机置于旋转的轮轴端部，通过磁力耦合实现非接触激励，无接触冲击、噪音及接触激励可能造成的压电换能器损毁，且便于将电能提供给随轴转动的监测系统；② 压电换能器沿轮轴轴向变形，变形量及发电量不受轮轴转动状态影响，匀速及高速时均可发电，且可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中压电发电装置的结构剖视简图；
图2是图1的A-A视图；
图3是本发明压电换能器的结构示意图；
图4是图3的B-B视图；
具体实施方式
轮轴3通过轴承2安装在车架1上；T型挡块4的小端401通过螺钉安装在轮轴3的端部、且压在轴承2的内圈上，大端402的两侧分别通过螺钉安装有压电换能器5和传感监测系统8，所述压电换能器5和传感监测系统8通过导线组9连接；所述压电换能器5由圆形金属基板501、扇形压电晶片502和扇形磁片503粘接而成，所述圆形金属基板501上开有均匀分布的径向窄槽5011；轴承盖6通过螺钉安装在车架1上，所述轴承盖6的内侧底部镶嵌有第一定磁铁7和第二定磁铁7’；所述第一定磁铁7和第二定磁铁7’的磁极配置方向相反，即第一定磁铁7的N极、第二定磁铁7’的S极分别与压电换能器5上的扇形磁片503的N极靠近安装。
在本发明中，定磁铁7和置于压电换能器5上的扇形磁片503的作用是通过相对转动产生交替的排斥力和吸引力，压电换能器5的功能是将机械能转换成电能。
在轨道车辆运行期间，T型挡块4以及安装于T型挡块4上的压电换能器5随轮轴3转动，而安装在轴承盖6内部的第一定磁铁7和第二定磁铁7’相对静止。当压电换能器5上的扇形磁片503转至第一定磁铁7附近时，扇形磁片503的N极与第一定磁铁7的N极靠近、磁极间产生排斥力，压电换能器5在磁力的作用下向右弯曲变形；压电换能器5上的扇形磁片503转离第一定磁铁7后，磁力消失、压电换能器5在自身弹性力的作用下逐渐恢复变形；同理，当压电换能器5上的扇形磁片503转至第而定磁铁7附近时，扇形磁片503的N极与第二定磁铁7的S极靠近、磁极间产生吸引力，压电换能器5在磁力的作用下向左弯曲变形。
随着轮轴的连续转动，压电换能器5上的扇形磁片将交替地靠近并离开第一定磁铁7和第二定磁铁7’，磁极的排斥力和吸引力交替变化，从而使压电换能器5产生往复的弯曲变形、并将机械能转换成电能；所生成的电能经导线组9输送给传感监测系统8。
Claims (1)
1.一种轨道车辆轴系监测系统用旋转式压电发电机，其特征在于：轮轴通过轴承安装在车架上；T型挡块的小端通过螺钉安装在轮轴端部、且压在轴承的内圈上，大端的一侧通过螺钉安装有压电换能器、另一侧通过螺钉安装有传感监测系统，所述压电换能器和传感监测系统通过导线组连接；所述压电换能器由圆形金属基板、扇形压电晶片和扇形磁片粘接而成，所述圆形金属基板上开有均匀分布的径向窄槽；轴承盖通过螺钉安装在车架上，所述轴承盖的内侧底部镶嵌有第一定磁铁和第二定磁铁；所述第一、第二定磁铁的磁极配置方向相反，即第一定磁铁的N极、第二定磁铁的S极分别与压电换能器上的扇形磁片的N极靠近安装。
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