CN106882197B - 一种铁路货车振动自发电装置及其安全监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁路货车振动自发电装置，包括磨耗部和发电部，所述磨耗部设置在铁路货车转向架的摇枕的下端面上、且随所述摇枕振动，所述发电部设置在与所述摇枕下端面相对的弹簧托板上，振动的所述磨耗部与所述发电部保持接触并且驱动所述发电部发电。本发明针对铁路货车的振动自发电，为每节车厢的检测装置提供了独立电源，同时，基于此发电装置的安全监测系统，能及时的将安全监测信息输送至移动用户终端的APP上，对货车运行安全的提前预判及事故应急救援具有良好的保障作用，极大地提高了货车的运行安全性。

Description

一种铁路货车振动自发电装置及其安全监测系统
技术领域
本发明涉及铁路货车的安全监测领域，尤其涉及一种铁路货车振动自发电装置及其安全监测系统。
背景技术
我国由于幅员辽阔、人口众多，资源分布不均匀，铁路运输作为交通运输系统的重要组成部分，在远距离、大宗货物运输方面铁路运输有着不可比拟的优势。然而，数据表明，我国铁路一直运营在超负荷状态下，主要繁忙干线铁路利用率普遍在85％以上，甚至达到了100％，我国以仅占世界6％的总里程完成了世界20％的运输任务。随着国民经济的迅猛发展，我国铁路的运输能力已远远无法满足我国经济发展的需求，激化了运输能力与市场需求的矛盾，阻碍了我国经济的发展速度。国外的实践证明，发展快捷运输和重载运输是解决我国运能不足的最有效途径。未来铁路货运的高速化、重载化趋势都对货车安全行驶提出了更严格的要求。
目前，我国铁路货车主要使用5T系统对货车行车安全进行预警监测，其只能在固定的地点对货车进行检测，存在成本高、防护能力弱、间隔检测、实时性较差、对安全隐患的响应较慢等严重不足。究其原因有三：一是由于铁路货车运行工况的特殊性，货车上没有安装可靠的供电系统，导致在客车上成熟应用的电子监测及保护设备无法应用于铁路货车；二是铁路货车在运输中车厢随机编组，一路上装卸货的分配完全是流散性的，难以跟踪管理；三是铁路货车基本为无人值守，也无通信手段，具备了实时监测其结果也无法送报至管理中心。因此，研发出可安装于铁路货车的供电系统及基于此供电系统的实时安全监测装置，不仅能提高铁路货车的运行安全性，而且可以减少铁路地面设备的数量，带来巨大的经济效益。
要实现铁路货车的实时安全监测，就必须研制出高可靠性的自发电装置，并在铁路货车上实现全天候自动采集监测数据并无线组网传输数据。为铁路货车提供电能或改善铁路货车车厢长期有脚无脑、不知病痛的现状，已有人作了一些探索，如：
(1)中国中车集团公司眉山车辆厂申请的名称为“带发电装置的宽轨转向架”(ZL200620034961.5)的中国专利，该专利设计了一种以皮带传动带的发电机发电的方法，但货车工作环境恶劣，皮带又暴露在外面，易积雨水、灰尘影响发电机的工作并且需要经常维修。
(2)株洲科盟车辆配件有限责任公司申请的名称为“一种铁路货车自供电装置及方法(201510653776.8)”的中国专利；张健申请的名为“一种用于货运列车安全监测系统的自发电装置(201610134607.8)”的中国专利。这两项专利均是通过货车运行的车轴转动的机械能转化为电能，该供电方式对车辆的检修要求较高，且利用货车运行时的机械能，未实现能量的回收利用，装置较为笨重，不对称安装时可能会对货车转向架的动力学性能造成影响。
(3)专利号为201020651469.9的中国发明专利，公开了一种铁路货客车的轴温监测和风压监测的装置，在货车的车轴上安装有轴温监测装置，通过太阳能电池供电对轴温可以做到实时监控，但是并不是每天都会有太阳，且存在货车过隧道的情况，并不能实现货车的全天候实时监测。
(4)专利号为201120409567.6的名为“铁路货车的安全监测系统”的中国专利，介绍了一种基于ZigBee的安全监测系统，但是此系统所采用的供电装置完全改变了现有的货车转向架的结构，不能用于已有的货车转向架上。
(5)专利号为201610129023.1的名为“一种铁路货车行车安全监控系统和方法”的中国专利，较为系统的介绍了铁路货车的安全监测方法，但是该方法中的监测装置由轴端发电机中的蓄电池供电，蓄电池寿命较短，这对巨量的铁路货车带来了非常大的维修工作量。
综上，目前已有的铁路货车自供电装置和安全监测装置虽对铁路货车的安全运行有一定的帮助，但可靠性不高，难以真正用于已有的货车。
发明内容
本发明目的在于提供一种各车厢单独自己供电、多节车厢整体监控的检测系统，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明首先公开了一种铁路货车振动自发电装置，包括磨耗部和发电部，所述磨耗部设置在铁路货车转向架的摇枕的下端面上、且随所述摇枕振动，所述发电部设置在与所述摇枕下端面相对的弹簧托板上，振动的所述磨耗部与所述发电部保持接触并且驱动所述发电部发电，通过该种机械能与电能的转化方式，为铁路货车单节车厢自供电提供可能。
进一步的，所述发电部包括箱体、齿轮齿条机构和发电机，所述齿轮齿条机构和发电机位于所述箱体的内部，所述齿轮齿条机构包括相互啮合的齿条和第一齿轮，所述齿条的一端连接有一顶杆，另一端连接有一阻尼部件，所述顶杆与所述磨耗部接触并随所述磨耗部一起上下运动；所述第一齿轮驱动所述发电机转轴上固接的第二齿轮转动。
进一步的，所述阻尼部件为弹簧套筒，该弹簧套筒包括套筒部和弹簧部，所述套筒部设置在所述箱体的底部，所述弹簧部套接在所述套筒部内，且一端与所述齿条连接，所述弹簧部的弹簧处于预压缩状态。
进一步的，所述齿轮齿条机构还包括第二增速齿轮，所述第二增速齿轮与所述第一齿轮同轴且与所述第二齿轮啮合，所述第二增速齿轮的分度圆半径大于所述第一齿轮的分度圆半径。
进一步的，还包括多个带导向轮的杆，所述杆与所述箱体枢接，所述齿条通过所述导向轮导向限位。
进一步的，所述磨耗部包括依次平行设置且相互连接的固定板、第一活动板、磨耗板和第二活动板，所述固定板与所述摇枕的下端面连接，所述磨耗板通过第一活动板和第二活动板压紧固定，所述第二活动板上设有通孔，所述顶杆穿过所述通孔与所述磨耗板接触。
进一步的，所述磨耗板与所述顶杆接触的面为凹球面，所述顶杆与所述凹球面接触的面为凸球面。
然后，本发明公开了一种铁路货车安全监测系统，包括上述任一所述的振动自发电装置，还包括信息采集装置、协调器、主控电脑、云端服务器和显示终端，所述信息采集装置和协调器通过振动自发电装置供电，所述协调器与所述信息采集装置连接，所述协调器与所述主控电脑连接，所述主控电脑与所述云端服务器连接，所述云端服务器与所述显示终端连接交互，所述显示终端包括移动APP显示终端。
进一步的，所述信息采集装置设置在任一铁路货车的车厢上，包括温度传感器、终端和路由器，任一所述信息采集装置的所述温度传感器的数量为9个，其中8个所述温度传感器分别安装在货车转向架的承载鞍上，且与所述货车转向架的8个轴承的外圈接触，另外一个所述温度传感器为设置在转向架上测量环境温度的温度传感器。
进一步的，所述温度传感器采用DS18B20温度传感器，所述信息采集装置采用ZigBee模块建立网络。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明针对铁路货车的振动自发电，可有效地回收原本耗散的机械能，转化的电能整流滤波储存于超级电容后，可稳定地为轴温监测装置等电子设备供电，并基于此振动自发电的铁路货车安全监测装置，开发了一款铁路员工及领导可实时查看得货车安全监测系统APP，从而可实现铁路货车的安全信息实时在线监测，对货车运行安全的提前预判及事故应急救援具有良好的保障作用，极大地提高了货车的运行安全性，同时可减少铁路地面监测设备的数量，带来巨大的经济效益和社会效益。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例公开的铁路货车振动自发电装置的轴测示意图；
图2是本发明优选实施例公开的铁路货车振动自发电装置的箱体第一内部结构示意图；
图3是本发明优选实施例公开的铁路货车振动自发电装置的箱体第二内部结构示意图；
图4是本发明优选实施例公开的铁路货车振动自发电装置的安装示意图；
图5是本发明优选实施例公开的铁路货车安全监测系统示意图。
图例说明：
1、振动自发电装置；10、磨耗部；
11、固定板；12、第一活动板；13、磨耗板；14、第二活动板；141、通孔；
20、发电部；21、箱体；22、发电机；23、齿条；24、第一齿轮；25、顶杆；26、弹簧套筒；27、第二增速齿轮；28、第二齿轮；29、导向轮；30、杆；
2、安全监测系统；201、信息采集装置；2011、传感器组；2012、终端；2013、路由器；202、协调器；203、主控电脑；204、云端服务器；205、显示终端；
3、摇枕；4、弹簧托板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明实施例首先公开了一种铁路货车振动自发电装置1，如图1-图4所示，其主要工作原理为利用铁路货车运行过程中，将转向架的摇枕3上下振动的机械能转化为电能，并进一步为货车车厢上的其他装置供电。该振动自发电装置1包括磨耗部10和发电部20，磨耗部10与铁路货车转向架的摇枕3的下端面连接，发电部20设置在与摇枕3下端面相对的弹簧托板4上。
在本实施例中，发电部20包括一箱体21和设置在箱体21内的齿轮齿条机构和发电机22，齿轮齿条机构包括相互啮合的齿条23和第一齿轮24，齿条23的一端连接有一顶杆25，在箱体21的顶部密封板上开设有一孔，顶杆25从该孔向外伸出进而与磨耗部接触。齿条23的另一端连接有一阻尼部件，在本实施例中，该阻尼部件为弹簧套筒26，该弹簧套筒26包括套筒部和位于套筒部内的弹簧部，套筒部设置在箱体21的底部，弹簧部的一端与齿条23连接。
顶杆25与磨耗部10接触并随磨耗部10一起上下运动，在本实施例中，齿轮齿条机构还包括有第二增速齿轮27，该第二增速齿轮27的主要作用是起增加发电机22输入轴的转速，以提高发电的效率，其中，第二增速齿轮27与第一齿轮24同轴且与发电机22的输入轴上的第二齿轮28啮合，为了保证增速的效果，第二增速齿轮27的分度圆半径大于第一齿轮24的 分度圆半径，从而也实现了齿轮齿条机构对第二齿轮28的驱动。
在本实施例中，磨耗部10主要由四块相互平行的板组成，分别为固定板11、第一活动板12、磨耗板13和第二活动板14，其中，固定板11与摇枕3的下端面连接，磨耗板13通过第一活动板12和第二活动板14压紧固定后再与固定板11一同固定在摇枕3上，而第二活动板14上设有通孔141，顶杆25穿过通孔141与磨耗板13接触。进一步，在本实施例中，磨耗板13上与顶杆25接触的面为凹球面，顶杆25上与凹球面接触的面为凸球面，相应的凹球面和凸球面表面均通过热处理，加强了相对抗磨损能力。采用该种点高副配合，可以利用多个方向的振动机械能。在本实施例中，弹簧部的初始状态为预压缩状态，以保证磨耗板13与顶杆25在工作过程中一直保持接触的状态。
为了保证齿轮齿条机构的齿条23的上下直线运动，在本实施例中，还设置有多个带导向轮29的杆30，杆30与箱体21枢接，齿条23通过导向轮29导向限位，同时，在本实施例中，各运动机构之间采用了润滑油润滑。
然后，本发明实施例公开了基于振动自发电装置1供电的铁路货车安全监测系统2，如图5所示，该系统还包括信息采集装置201、协调器202、主控电脑203、云端服务器204和显示终端205，信息采集装置201和协调器202通过振动自发电装置1供电，协调器202接收信息采集装置201采集到的各类信号，并通过协调器202发送至主控电脑203，主控电脑203在将其数据上传至云端服务器204，最终云端服务器204与显示终端205连接交互，及时显示监测信息。在实际应用中，显示终端205可以为移动APP显示终端，可应用于个人移动设备。其中，信息采集装置201设置在任一铁路货车的车厢上，包括温度传感器和加速度传感器组成的传感器组2011、终端2012和路由器2013，终端2012就是传感器信息直接传达的ZigBee模块，然后终端(ZigBee模块)通过ZigBee网络无线传输数据至协调器202(可以采用ZigBee模块，当通信距离较远时需要路由器2013)，对于一节车厢内的信息采集装置201，可利用有线(如CAN、LonWorks、WorldFip、MVB、工业以太网等)或无线网络传输，对于多节车厢之间，利用无线组网传输(如ZigBee、GPRS、3G、GSM、WIFI、RFID、NFC、蓝牙、CD-MA等)，传输终端节点在采集数据并成功向协调器202发射数据后，由协调器202进行安全数据与列车头部GPS模块通过SPI总线返回的铁路货车位置数据整合，数据整合后协调器202通过串口与设置于货车头部的主控电脑203通信，主控电脑203通过铁路内部局域网实现互联网连接并将各节车厢的安全信息及货车运行位置编码数据解码出来上传至云端数据库，同时，主控电脑203会将该货车安全信息实时显示于显示屏上，当有出现异常时将发出声光报警提醒司机采取行动。云端数据存储后，铁路货车管理人员可以通过我们开发的移动APP对运行中的铁路货车的安全信息及货车位置进行实时监测，并且在选择目标货车后能直观的在地图 上显示货车位置信息及显示目标车厢的安全信息，云端将实时监测全部安全信息，一旦出现异常，将通过APP，或以短信的形式通知铁路货车管理人员采取相关行动及时避免产生重大损失，同时在发生事故后，可根据最近一次定位到的地理位置，实现紧急救援。具体工作过程如下(以ZigBee组网传输轴温、加速度数据为例)：
(1)针对每节列车有8个轴承的情况，考虑到与环境温度的对比，需要为每节列车布置9个DS18B20温度传感器，其中8个测轴温的温度传感器布置在货车转向架的承载鞍上，与轴承相接触；
(2)为处理这些传感器采集的安全数据，为每节车布置一个ZigBee模块并由铁路货车头部的协调器202ZigBee模块建立网络，其他ZigBee终端模块加入网络形成网状网络用于初步处理安全数据；
(3)为避免铁路货车ZigBee网络内终端节点连接到其他铁路货车ZigBee网络中对数据的采集产生偏差，ZigBee网络发送消息方式选择组播发送方式，具体处理方式：采用单总线技术通过线连接单节列车上的传感器，ZigBee模块通过识别传感器内部全球唯一的64位ROM码为传感器编号，通过轮询操作遍历读取传感器数据。对于轴温数据，还需结合温度传感器编号对轴温数据进行第一次以逗号为分隔符的编码，编码格式为(LA，LB，Lc，LD，RA，RB，RC，RD，ENV)，其分别代表单节车厢左边四个轴承和右边四个轴承及环境温度，单个列车轴温监测节点采集到数据后通过ZigBee网状网络结合ZigBee模块自身16位短地址对每节列车轴温数据进行第二次以’*’为分隔符的编码，编码格式为(XA*TEMPA)其中XA代表不同ZigBee模块在ZigBee网络中由协调器202分配的短地址，TEMPA代表第一次编码的数据，将ZigBee模块在网络中被分配的短地址与单节货车进行绑定后既能实现货车所有轴承的准确定位及温度的测量。
(4)ZigBee终端节点在采集数据并成功向协调器202发射数据后由协调器202进行轴承温度数据、货车三维加速度与铁路货车头部GPS模块通过SPI总线返回的列车位置数据整合，数据整合后ZigBee协调器202通过串口与设置于列车头部的主控电脑203通信，主控电脑203将该铁路货车轴温信息、各维加速度信息实时显示于显示屏上，并设置三级报警阈值，当出现异常时将发出声光报警提醒司机采取行动。
(5)主控电脑203通过铁路内部局域网实现互联网连接并将各节车厢的轴承温度、各维加速度及货车运行位置编码数据解码出来上传至云端数据库，云端数据库采用开源数据库mysql，云端数据处理系统采用开源Linux操作系统ubuntu。云端数据存储后，铁路货车管理人员可以通过我们开发的移动APP对运行中的铁路货车的安全信息及货车位置进行实时监测，并且在选择目标货车后能直观的在地图上显示货车位置信息及显示目标车厢的安全信息， 云端将实时监测全部安全信息，一旦出现异常，将通过APP，或以短信的形式通知铁路货车管理人员采取相关行动及时避免产生重大损失，同时在发生事故后，可根据最近一次定位到的地理位置，实现紧急救援。
在本实施例中，加速度信息的监测过程为：将振动自发电装置1的未整流滤波前的电信号接入电源管理芯片，再将此信号经通过ZigBee网状网络向协调器202发射数据，ZigBee协调器202通过串口与设置于列车头部的主控电脑203通信，主控电脑203通过铁路内部局域网实现互联网连接并将此电信号上传至云端数据库，监控室从云端获取电信号，经过二次开发的仿真软件处理后得到顶杆25加速度信号，再通过顶杆25的加速度与铁路货车加速度的转换关系，将顶杆25加速度信号转化为铁路货车在竖直方向的加速度信号，再将铁路货车加速度信号上传至云端，这样APP便可直接从云端获取铁路货车加速度，从而只利用振动自发电装置1便监测到铁路货车加速度信息的目的，这对于货车脱轨分析预测具有重大意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铁路货车安全监测系统，其特征在于，包括振动自发电装置(1)、信息采集装置(201)、协调器(202)、主控电脑(203)、云端服务器(204)和显示终端(205)，所述信息采集装置(201)和协调器(202)通过振动自发电装置(1)供电，所述协调器(202)与所述信息采集装置(201)连接，所述协调器(202)与所述主控电脑(203)连接，所述主控电脑(203)与所述云端服务器(204)连接，所述云端服务器(204)与所述显示终端(205)连接交互，所述显示终端(205)包括移动APP显示终端，所述振动自发电装置(1)包括磨耗部(10)和发电部(20)，所述磨耗部(10)设置在铁路货车转向架的摇枕(3)的下端面上、且随所述摇枕(3)振动，所述发电部(20)设置在与所述摇枕(3)下端面相对的弹簧托板(4)上，振动的所述磨耗部(10)与所述发电部(20)保持接触并且驱动所述发电部(20)发电，所述发电部(20)包括箱体(21)、齿轮齿条机构和发电机(22)，所述齿轮齿条机构和发电机(22)位于所述箱体(21)的内部，所述齿轮齿条机构包括相互啮合的齿条(23)和第一齿轮(24)，所述齿条(23)的一端连接有一顶杆(25)，另一端连接有一阻尼部件，所述顶杆(25)与所述磨耗部(10)接触并随所述磨耗部(10)一起运动；所述第一齿轮(24)驱动所述发电机(22)转轴上固接的第二齿轮(28)转动。
2.根据权利要求1所述的铁路货车安全监测系统，其特征在于，所述阻尼部件为弹簧套筒(26)，该弹簧套筒(26)包括套筒部和弹簧部，所述套筒部设置在所述箱体(21)的底部，所述弹簧部套接在所述套筒部内，且一端与所述齿条(23)连接，所述弹簧部的弹簧处于预压缩状态。
3.根据权利要求2所述的铁路货车安全监测系统，其特征在于，所述齿轮齿条机构还包括第二增速齿轮(27)，所述第二增速齿轮(27)与所述第一齿轮(24)同轴且与所述第二齿轮(28)啮合，所述第二增速齿轮(27)的分度圆半径大于所述第一齿轮(24)的分度圆半径。
4.根据权利要求3所述的铁路货车安全监测系统，其特征在于，还包括多个带导向轮(29)的杆(30)，所述杆(30)与所述箱体(21)枢接，所述齿条(23)通过所述导向轮(29)导向限位。
5.根据权利要求1-4任一所述的铁路货车安全监测系统，其特征在于，所述磨耗部(10)包括依次平行设置且相互连接的固定板(11)、第一活动板(12)、磨耗板(13)和第二活动板(14)，所述固定板(11)与所述摇枕(3)的下端面连接，所述磨耗板(13)通过第一活动板(12)和第二活动板(14)压紧固定，所述第二活动板(14)上设有通孔(141)，所述顶杆(25)穿过所述通孔(141)与所述磨耗板(13)接触。
6.根据权利要求5所述的铁路货车安全监测系统，其特征在于，所述磨耗板(13)与所述顶杆(25)接触的面为凹球面，所述顶杆(25)与所述凹球面接触的面为凸球面。
7.根据权利要求6所述的铁路货车安全监测系统，其特征在于，所述信息采集装置(201)设置在任一铁路货车的车厢上，包括传感器组(2011)、终端(2012)和路由器(2013)，任一所述传感器组(2011)包括9个温度传感器，其中8个所述温度传感器分别安装在货车转向架的承载鞍上，且与所述货车转向架的8个轴承的外圈接触，另外一个所述温度传感器为设置在转向架上测量环境温度的温度传感器。
8.根据权利要求7所述的铁路货车安全监测系统，其特征在于，所述温度传感器采用DS18B20温度传感器，所述信息采集装置(201)采用ZigBee模块建立网络。
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