CN104863810A - 轮轨振动发电及储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用齿条齿轮传动的轮轨发电及储能系统。为实现上述目的，本发明提供的轮轨振动发电及储能系统包括装夹结构、齿条、轮系结构、发电机、储存装置、底板；其特征在于：装夹结构夹紧轮轨下方，齿条固连于装夹结构上，齿条与轮系结构相啮合，轮系结构中设置有单向传动选择装置，轮系结构的输出轴连接发电机，发电机电连接储存装置；系统固定在底板上。

Description

轮轨振动发电及储能系统

技术领域

本发明涉及一种轮轨振动发电及储能系统，尤其涉及一种利用列车经过轮轨的机械能发电及储存系统。

背景技术

能源危机是当今世界最为关注的问题之一。

我国是世界上去屈指可数的铁路大国之一，铁路总里程超过了十万公里，居世界首位。众所周知，列车在行驶的过程中会引起轮轨和枕轨的非线性振动，在这些振动中蕴含着大量的机械能，通过将能量回收采集装置我们可以将其转为为可利用的电能，这些收集起来的能量可以用于道路与铁路平面交叉道口的辅助设备、紧急供电及其他边远地区小型站台等小型照明供电。

据检索，目前已有应用于轮轨振动发电的装置，如公开号为CA103780144A的轨道车振动能量收集系统，包括枕木底面内设置的一容设空间，和该容设空间内对于设置的压电元件，以及嵌入容设空间使压电元件定位的一塞件。该装置利用车辆行驶于轨道上产生的轨间振动，使压电元件受力变形而产生电荷，以转换成电力。

又如专利号为CN102355064A的中国专利公开了一种基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于：它由一组悬臂梁式压电振子和整流汇流储能电路组成，整流汇流储能电路由一组桥式整流器、齐纳二极管、第一超级电容和第二超级电容组成。

上述方案中涉及的装置利用铺设完毕的压电元件进行振动能量收集，存在以下缺陷：首先，压电元件发电效率低下，功率在微瓦级别，对于实际应用收效甚微；其次，该装置需在轮轨铺设前安装在枕木下，需要的空间大，易造成铁路安全隐患；并且，铺设在轮轨枕木下的压电元件相对机械结构而言寿命较低，也更加容易受外界物理因素的影响，保养和维护成本较高。

又如专利号为CN201443483U的中国专利公开了一种轨道车振动能量收集系统，包括发电机、设置在发电机上用以驱动发电机的叶片、固定在叶片下的滑轨和置于环形滑轨上并可沿环形滑轨自由滑动的牵引器。

上述方案是利用经过装置的列车所带来的振动进行发电，存在以下缺陷：首先，将振动通过牵引器和叶片进行传动，无法有效地将列车带来的上下飞线型振动整合和转化为单向的转动力矩输出给发电机，从而造成效率底下；同时，叶片结构脆弱，装置整体易损坏，造成了上述结构的稳定性较差。

综上所述，对于列车在行驶的过程中引起轮轨和枕轨的振动是蕴含着大量的能量这一点而言，当下已经有了普遍的共识，但是如何使用一个简便、高效、稳定的系统装置将这些机械能收集转化为可利用能量，却是当下急需解决的一个问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用齿条齿轮传动的轮轨发电及储能系统。

为实现上述目的，本发明提供的轮轨振动发电及储能系统包括装夹结构、齿条、轮系结构、发电机、储存装置、底板；其特征在于：装夹结构夹紧轮轨下方，齿条固连于装夹结构上，齿条与轮系结构相啮合，轮系结构中设置有单向传动选择装置，轮系结构的输出轴连接发电机，发电机电连接储存装置；系统固定在底板上。在上述系统中，整个装夹结构装夹在铁道的底部，主要通过装夹结构中的螺栓螺母和夹子将系统与轮轨下方夹紧，并且装夹结构的形状与轮轨底部形状相适应，以便于安装、拆卸以及携带；系统中设置有齿条固定连接于装夹结构，从而列车经过轮轨时产生的机械振动引起轮轨的挠性变化，产生上下波动的位移，此时由于振动产生的挠性位移通过固连在轮轨上的装夹结构传递给齿条，通过齿条与轮系的相互啮合传递扭矩到轮系；当机械振动传递到轮系时，通过轮系将振动进行整合和多级放大后，输出为旋转的运动，从而带动发电机旋转，进而发电；且在轮系结构中设置有单向传动选择装置，从而可以使齿条接收到的上下振动都可以转化为单向扭矩传递给发电机；当发电机将机械能转化为电能之后，将电能储存至储存装置，从而完成将列车经过轮轨产生的机械振动转为为电能并储存的过程。

进一步的是，轮系结构包括多级齿轮组。在上述轮系中，通过设置有多级齿轮传动机构，从而可以将齿条接受到的上下振动转化为转动扭矩，并且可以经过对轮系结构中齿轮参数的控制，而实现对输出转速控制为接近发电机的额定转速，从而加强机械能转化为电能的效率。

进一步的是，轮系结构中的单向传动选择装置采用单向离合器，该单向离合器安装在齿轮上。

就上述而言，再进一步的，在所述轮系结构中，第一小齿轮与齿条啮合，第一小齿轮与第一大齿轮同轴，第一大齿轮与第二小齿轮啮合，第二小齿轮与第二大齿轮同轴，第二大齿轮第三小齿轮啮合；第三小齿轮与第一传动齿轮同轴，第一传动齿轮与第二传动齿轮啮合；第一传动齿轮与第一输出齿轮同轴，第二传动齿轮与第二输出齿轮同轴，第三输出齿轮同时与第一输出齿轮和第二输出齿轮啮合；第一输出齿轮内圈设置有第一单向离合器，第二输出齿轮内圈设置有第二单向离合器，第一单向离合器与第二单向离合器的许动方向相同；第三输出齿轮与输出轴连接。通过上述轮系结构，从而可以将齿条所接收到的上下振动通过齿轮组转化为转动扭矩，通过第一小齿轮、第一大齿轮、第二小齿轮、第二大齿轮进行转动角速度和线速度的控制。当转动传递到第三小齿轮时，传递到与第三小齿轮同轴的第一传动齿轮，第一传动齿轮与第二传动齿轮相啮合，所以必然第一传动齿轮与第二传动齿轮的转动方向相反。而此时，第一传动齿轮与第一输出齿轮同轴，则第一输出齿轮转动方向与第一传动齿轮相同；第二传动齿轮与第二输出齿轮同轴，则第二输出齿轮转动方向与第二传动齿轮相同；所以，第一输出齿轮与第二输出齿轮的转动方向相反。在第一输出齿轮内圈设置第一单向离合器，在第二输出齿轮内圈设置第二单向离合器，且第一单向离合器与第二单向离合器许动方向相同，则此时，无论齿条传递接收到的振动方向是向上还是向下，第一输出齿轮与第二输出齿轮必然只有一个可以转动，并且，转动方向恒与单向离合器的许动方向一致。第一输出齿轮和第二输出齿轮同时与第三输出齿轮相啮合，则第三输出齿轮恒定转动方向为单向离合器的许动方向；第三输出齿轮与输出轴连接，从而确保无论齿条接收到的是向上振动或向下振动，输出轴转动方向恒为单向离合器的许动方向。

进一步的是，该系统中包括有飞轮，该飞轮设置在输出轴连接处。飞轮具有较大的转动惯量，可以进行转动动能的存放，在轮系结构的输出轴位置设置飞轮，可以使轮系结构输出给发电机的转速更加均匀，从而加强系统的稳定性。

进一步的是，发电机与储存装置之间设置有转换电路，同时发电机有正负两个电流输出端，分别与转换电路的输入端、地端连接；在该转换电路中，设置有稳压芯片和二极管。在发电机与储存装置之间设置有转换电路，从而可以实现发电机产生的电能在传输至储存装置之前的控制，从而发电机产生的电能可以更加均匀稳定地传输至从储存装置。在上述转换电路中，在发电机与储存装置之间的转换电路中设置有二极管，由于发电机含正负两个电流输出端子，分别与转换电路的输入端、地端连接，在发电机连接电路上设置有二极管，从而可以实现发电机在输入端、地端之间传导特定方向的电流，并且在转换电路上设置有稳压芯片，确保不论列车通过与否，输出电路的电流都是持续的、稳定的。

进一步的是，储存装置选用超级电容。在上述装置中，超级电容作为能量储存装置，其功率密度高，充放电时间短，循环寿命上，工作温度范围宽，从而具有相当大的优势。

通过上述可知，该轮轨振动发电及储能系统结构简单，安装简便；并且可以通过选取体积较小的轮系和发电机从而实现便于携带；较小的结构安装在轮轨上不会影响行车安全，并且能快速、方便地应用于铁路辅助设备或紧急情况的供电。同时，本系统可以根据实际需要通过对轮系结构中的齿轮组的参数进行控制，从而便捷地控制轮系输出的旋转参数。在该系统中，无论列车经过轮轨的振动方向是向上或向下，都可以经轮系结构传输给发电机为单向转动，从而实现机械能的高效利用。最后，由于机械轮系运行相对稳定，从而系统在工作过程中能够具有较高的稳定性。所以可以实现系统简便、高效、稳定地将这些机械能收集转化为可利用的电能。

附图说明

图1是轮轨振动发电及储能系统的安装示意图。

图2是轮轨振动发电及储能系统与轮轨、齿条及轮系连接示意图。

图3是轮轨振动发电及储能系统的结构示意图。

图4是轮轨振动发电及储能系统的轮系简示图。

图5是轮轨振动发电及储能系统的电路连接示意图。

图6是轮轨振动发电及储能系统的电路图。

在图1-图6中，1为装夹结构；3为齿条；2为齿轮轴，包括齿轮轴2A，齿轮轴2B，齿轮轴2C，齿轮轴2D；4为齿轮的轴支座，包括轴支座4A，轴支座4B，轴支座4C，轴支座4D，轴支座4E，轴支座4F，轴支座4G；5A为第一小齿轮，5B为第二小齿轮，5C为第三小齿轮；6A为第一大齿轮，6B为第二大齿轮；7A为第一传动齿轮，7B为第二传动齿轮；8A为第一输出齿轮，8B为第二输出齿轮，8C为第三输出齿轮；9为飞轮；10为输出轴；11A为第一单向离合器，11B为第二单向离合器；12为联轴器；13为发电机；14为底板；15为轮系结构；16为轮轨；17为枕轨；18为稳压芯片；19为储存装置；20为储存装置中的保护电阻；21为二极管；22为负载。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中的轮轨振动发电及储能系统，包括装夹结构1，齿条3，轮系结构15，发电机13(本实施例中选用的是直流发电机)，储存装置19，底板14。所述装夹结构1一端与齿条3固定连接，另一端可以夹住在轮轨16底部；齿条3与轮系结构15啮合，轮系结构15轴连接发电机13，发电机13电连接储存装置19，轮系结构15、发电机13安装在底板14上，所述底板14固定在枕轨17顶部。

在上述轮轨振动发电及储能系统中，装夹装置1、齿条3、轮系15与轮轨16的连接方式如图2所示。

上述系统可放在枕轨17上，或是枕轨17间的碎石面上，也可以采用半固定的便携式携带；其中，装夹装置1夹在轮轨16下方，齿条3固连于装夹结构1的下表面，并与轮系结构15啮合，其中轮系结构15的构成如图3和图4所示：齿条3与齿轮轴2A上的第一小齿轮5A啮合，齿轮轴2A的两端分别靠轴支座4A和轴支座4B支撑；齿轮轴2A上的第一大齿轮6A与齿轮轴2B上的第二小齿轮5B啮合，齿轮轴2B靠轴支座4C支撑；齿轮轴2B上的第二大齿轮6B与齿轮轴2C上的小齿轮5C啮合，齿轮轴2C的两端分别靠轴支座4D和轴支座4E支撑，齿轮轴2C上的第一传动齿轮7A与齿轮轴2D上的第二传动齿轮7B啮合，第一单向离合器11A嵌在第一输出齿轮8A内圈，并套在齿轮轴2C上，第一输出齿轮8A与第三输出齿轮8C相啮合；第三输出齿轮8C套接在输出轴10上；第三输出齿轮8C与第二输出齿轮8B相啮合；第二单向离合器11B嵌在第二输出齿轮8B内圈，并套在齿轮轴2D上；并且，上述第一单向离合器11A与第二单向离合器11B为许动方向相同的单向离合器；齿轮轴2D的两端分别靠轴支座4F和轴支座4G支撑；飞轮9安装在输出轴10上；输出轴10通过联轴器12与发电机13连接；以上所有的轴支座4都安装在底板14上。

本实施例的具体原理是，轮轨16在列车通过时产生剧烈振动，通过固连在轮轨16上的装夹结构1传递到齿条3，通过齿条3的啮合传递扭矩到轮系15，在所述轮系结构15中，第一小齿轮5A与齿条3啮合，第一小齿轮5A与第一大齿轮6A同轴，第一大齿轮6A与第二小齿轮5B啮合，第二小齿轮5B与第二大齿轮6B同轴，第二大齿轮6B第三小齿轮5C啮合；第三小齿轮5C与第一传动齿轮7A同轴，第一传动齿轮7A与第二传动齿轮7B啮合；第一传动齿轮7A与第一输出齿轮8A同轴，第二传动齿轮7B与第二输出齿轮8B同轴，第三输出齿轮8C同时与第一输出齿轮8A和第二输出齿轮8B啮合；第三输出齿轮8C与输出轴10连接；其中第一输出齿轮8A内圈设置有第一单向离合器11A，第二输出齿轮8B内圈设置有第二单向离合器11B，第一单向离合器11A与第二单向离合器11B的许动方向相同。从而，无论齿条3传递接收到的振动方向是向上还是向下，第一输出齿轮8A与第二输出齿轮8B必然只有一个可以转动，并且，转动方向恒与单向离合器的许动方向一致。第一输出齿轮8A和第二输出齿轮8B同时与第三输出齿轮8C相啮合，则第三输出齿轮8C转动方向恒为单向离合器的许动方向；第三输出齿轮8C输出轴10连接，从而确保无论齿条3接收到的是向上振动或向下振动，输出轴10转动方向恒为单向离合器的许动方向。轮系15中输出轴10带动飞轮9旋转，同时通过联轴器12带动发电机13发电。

本实施例所采用的轮系结构15，由齿条3与之啮合，将轮轨16的微小振动，经过两级传动放大，如上所述，轮系结构15将齿条3接收到的上下振动整合为单向旋转运动输出，同时经过飞轮9加强轮系转动的均匀稳定，最后转速接近发电机13的额定转速，达到最大发电效率。

此后，轮系15输出的单向旋转运动输入给发电机13，在本实施例中所采用的直流发电机，电路结构如图4和图5所示，发电机13发出的电通过转换电路传输给储存装置19，在本实施例中所采用的储存装置19为超级电容；在本实施例中的转换电路为加装了二极管21的单向电路，发电机13通过二极管输入到储存装置19，储存装置19再通过加装二极管21的单相电路将电能输出给负载22，此外，在储存装置19中加设保护电阻20，输出电路上加装了稳压芯片18，在本实施例中，稳压芯片18选用7812稳压芯片。从而确保不论列车通过与否、也就是不论存不存在大电流输出，供电系统得到的电能都是持续的、稳定的，也加强系统的电能充放过程的稳定性。

最后，可以通过选取体积较小的轮系和发电机从而实现便于携带，这对于铁道工作人员野外作业而言，有较强的实用性。

本实施例中的振动发电及储能系统的预计发电量：

根据一般统计而言，列车经过轮轨时，轮轨的振动振幅为A＝4mm，振动频率f＝2Hz；则可以计算齿条的上下移动速度：

$v=\frac{A}{\frac{1}{2}T}=2\mathrm{Af}=2\×4\mathrm{mm}\×2\mathrm{Hz}=16\mathrm{mm}/s$

由于存在杠杆机构，所以v＝64mm/s；又对于齿轮:

$r_1=\frac{m_1{z}_1}{2}=\frac{2\×17}{2}=17\mathrm{mm}$

$w_1=\frac{v_1}{r_1}=\frac{v}{r_1}=\frac{64\mathrm{mm}/s}{17\mathrm{mm}}=3.76\mathrm{rad}/s$

$n_1=\frac{w_1}{2\mathrm{\π}}=\frac{3.76}{2\mathrm{\π}}=0.6r/s=36r/\min$

根据三级齿轮传动：第一与第二级传动为5:1，第三级为2:1，则可得n＝n₁×5×5×2＝1800r/min。

设一天内有200辆列车进站，则：一天内所有车辆通过该站的发电量＝0.0056×200＝1.12度。

一年的发电量＝1.12×365＝408.8度，就上述而言，设安装10个装置，一年则可节约408.8×10＝4088度电。

Claims (10)

1.轮轨振动发电及储能系统，包括装夹结构(1)、齿条(3)、轮系结构(15)、发电机(13)、储存装置(19)、底板(14)；其特征在于：装夹结构(1)夹紧轮轨(16)下方，齿条(3)固连于装夹结构(1)上，齿条(3)与轮系结构(15)相啮合，轮系结构(15)中设置有单向传动选择装置，轮系结构(15)的输出轴(10)连接发电机(13)，发电机(13)电连接储存装置(19)；系统固定在底板(14)上。

2.根据权利要求1所述的轮轨振动发电及储能系统，其特征在于：轮系结构(15)包括多级齿轮组。

3.根据权利要求2所述的轮轨振动发电及储能系统，其特征在于：轮系结构(15)中的单向传动选择装置采用单向离合器，该单向离合器安装在齿轮上。

4.根据权利要求3所述的轮轨振动发电及储能系统，其特征在于：在所述轮系结构(15)中，第一小齿轮(5A)与齿条(3)啮合，第一小齿轮(5A)与第一大齿轮(6A)同轴，第一大齿轮(6A)与第二小齿轮(5B)啮合，第二小齿轮(5B)与第二大齿轮(6B)同轴，第二大齿轮(6B)第三小齿轮(5C)啮合；第三小齿轮(5C)与第一传动齿轮(7A)同轴，第一传动齿轮(7A)与第二传动齿轮(7B)啮合；第一传动齿轮(7A)与第一输出齿轮(8A)同轴，第二传动齿轮(7B)与第二输出齿轮(8B)同轴，第三输出齿轮(8C)同时与第一输出齿轮(8A)和第二输出齿轮(8B)啮合；第一输出齿轮(8A)内圈设置有第一单向离合器(11A)，第二输出齿轮(8B)内圈设置有第二单向离合器(11B)，第一单向离合器(11A)与第二单向离合器(11B)的许动方向相同；第三输出齿轮(8C)与输出轴(10)连接。

5.根据权利要求1所述的轮轨振动发电及储能系统，其特征在于：该系统中包括有飞轮(9)，该飞轮(9)设置在输出轴(10)连接处。

6.根据权利要求1所述的轮轨振动发电及储能系统，其特征在于：发电机(13)与储存装置(19)之间设置有转换电路。

7.根据权利要求6所述的轮轨振动发电及储能系统，其特征在于；发电机(13)有正负两个电流输出端，分别与转换电路的输入端、地端连接。

8.根据权利要求6所述的轮轨振动发电及储能系统，其特征在于：转换电路中设置有稳压芯片(18)和二极管(21)。

9.根据权利要求1所述的轮轨振动发电及储能系统，其特征在于：储存装置(19)选用超级电容，该超级电容中设置有保护电阻(20)。

10.根据权利要求1所述的轮轨振动发电及储能系统，其特征在于：发电机(13)选用直流发电机。