CN107332463B - 一种新型列车轴承监测系统用发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型列车轴承监测系统用发电机，属轨道车辆监测与压电发电领域。轮轴经轴承装在车架上，车架壳体端部装有端盖，端盖的斜槽中装有限位磁铁；轮轴端部装有激励器，激励器一端套在轮轴上并顶靠在轴承内圈上；激励器的轴截面上均布地嵌有激励磁铁，激励器的限位环上装有限位磁环；车架壳体的凸台上装有压电振子和簧片，压电振子自由端装有被悬浮磁铁，簧片自由端装有悬浮磁铁与受激磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁、限位磁铁的同性磁极相对安装，受激磁铁与激励磁铁的同性磁极靠近安装，激励磁铁与簧片的中介层共面；受激磁铁与限位磁环之间为排斥力；车架上安装有电路板和传感器，压电振子与电路板连接，电路板与传感器连接。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通监测及压电发电技术领域，具体涉及一种新型列车轴承监测系统用发电机。
背景技术
轨道车辆轮对正常工作是确保轨道车辆安全运行的关键。以往，轨道车辆轮系关键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，车辆运行期间轮对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。对于轮对监测系统而言，理想的方法是将各类传感监测系统安装在轮对上或靠近轮对安装，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提供可靠、充足的电力供应而难于推广应用，因为：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；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。限于电力供应问题的制约，目前依然普遍采用非实时的、间接的测量方法，即将传感监测系统置于路基之上，不随车体移动或不随轮轴转动。为解决列车轴系实时监测系统的供电问题，国内外学者提出了可与监测系统集成的微小型压电发电机，但现有压电发电机是周期激励的且压电片承受交变的拉压应力，故可靠性较低、有效带宽窄。
发明内容
本发明提出一种新型列车轴承监测系统用发电机，本发明采用的实施方案是：轮轴经轴承安装在车架上，车架上的壳体端部经螺钉安装有端盖，端盖的斜槽中经螺钉安装有限位磁铁；轮轴端部经压板及螺钉安装有激励器，激励器的一端套在轮轴上并顶靠在轴承的内圈上；激励器的轴截面上均布地镶嵌有激励磁铁，激励器两端的限位环上经螺钉安装有限位磁环；车架的壳体的凸台上经压块和螺钉安装有压电振子和簧片，簧片两侧的压电振子的数量相等；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近簧片安装，基板与簧片之间压接有垫片；压电振子的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁，簧片的自由端两侧经螺钉安装有悬浮磁铁、受激磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁、限位磁铁的同性磁极相对安装，受激磁铁与激励磁铁的同性磁极靠近安装，激励磁铁的中介层与簧片的中介层位于同一平面上；受激磁铁与限位磁环之间的作用力为排斥力；车架上安装有电路板和传感器，压电振子经导线与电路板连接，电路板经导线与传感器连接。
压电振子安装前为平直结构、安装后由于悬浮磁铁与被悬浮磁铁的排斥力作用变为弯曲结构；簧片不发生弯曲变形时，簧片两侧压电振子的变形及受力状态分别相同；簧片弯曲变形使受激磁铁与限位环接触时、压电振子由于被悬浮磁铁与限位磁铁的排斥力作用不发生相互接触，且当利用外力使压电振子与限位磁铁相接触时，压电片上的最大压应力不大于其许用值，即压电振子自由端的变形量不大于其许用变形量
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
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分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。
工作时，轮轴带动激励器及激励磁铁转动，激励磁铁与受激磁铁在圆周方向上的距离及相互作用力交替地增加和减小：激励磁铁与受激磁铁逐渐转近、排斥力逐渐增加时，簧片因失稳而向左或右侧弯曲变形并经悬浮磁铁与被悬浮磁铁间的排斥力驱动压电振子，簧片一侧的压电振子的变形量增加、另一侧压电振子的变形量减小；激励磁铁与受激磁铁逐渐转远、排斥力逐渐减小时，簧片及压电振子在其自身弹性力的作用复位；限位磁环于与限位磁铁的功能分别是限制簧片与压电振子的变形量，确保压电片上的最大压应力小于其许用值、另一侧压电片不受拉应力；随着激励磁铁与受激磁铁交替接近与离开，簧片带动压电振子产生连续的往复弯曲变形并将机械能转换成电能；所生成的电能经电路板上的转换电路处理后为传感器供电。
簧片受激励磁铁与受激磁铁之间排斥力作用而产生失稳现象时，随机地向左或右侧弯曲变形，具有随机振动的特点，可有效地避免一般性周期激励所引起的分频及倍频共振，提高了转速域内振幅的均匀性和有效带宽。
优势与特色：工作中压电片仅承受压应力，避免因受拉应力过大损毁、可靠性高；限位磁铁确保压电振子变形量不超过许用值，进一步提高了可靠性；簧片向两侧弯曲振动具有随机性，有效地避免了周期性共振，增加了有效频带宽度。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面图；
图2是图1的A-A的剖视图。
具体实施方式
轮轴a经轴承b安装在车架c上，车架c上的壳体c1的端部经螺钉安装有端盖r，端盖r的斜槽中经螺钉安装有限位磁铁t；轮轴a的端部经压板d及螺钉安装有激励器e，激励器e的一端套在轮轴a上并顶靠在轴承b的内圈上；激励器e的轴截面上均布地镶嵌有激励磁铁f，激励器e两端的限位环e1上经螺钉安装有限位磁环g；车架c的壳体c1的凸台上经压块m和螺钉安装有压电振子k和簧片i，簧片i两侧的压电振子k的数量相等；压电振子k由基板k1和压电片k2粘接而成，基板k1靠近簧片i安装，基板k1与簧片i之间压接有垫片n；压电振子k的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁s，簧片i的自由端两侧经螺钉安装有悬浮磁铁j、受激磁铁h，被悬浮磁铁s与悬浮磁铁j、限位磁铁t的同性磁极相对安装，受激磁铁h与激励磁铁f的同性磁极靠近安装，激励磁铁f的中介层与簧片i的中介层位于同一平面上；受激磁铁h与限位磁环g之间的作用力为排斥力；车架c上安装有电路板p和传感器q，压电振子k经导线与电路板p连接，电路板p经导线与传感器q连接。
压电振子k安装前为平直结构、安装后由于悬浮磁铁j与被悬浮磁铁s的排斥力作用变为弯曲结构；簧片i不发生弯曲变形时，簧片i两侧压电振子k的变形及受力状态分别相同；簧片i弯曲变形使受激磁铁h与限位环e1接触时、压电振子k由于被悬浮磁铁s与限位磁铁t的排斥力作用不发生相互接触，且当利用外力使压电振子k与限位磁铁t相接触时，压电片k2上的最大压应力不大于其许用值，即压电振子k自由端的变形量不大于其许用变形量
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分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子k的长度。
工作时，轮轴a带动激励器e及激励磁铁f转动，激励磁铁f与受激磁铁h在圆周方向上的距离及相互作用力交替地增加和减小：激励磁铁f与受激磁铁h逐渐转近、排斥力逐渐增加时，簧片i因失稳而向左或右侧弯曲变形并经悬浮磁铁j与被悬浮磁铁s间的排斥力驱动压电振子k，簧片i一侧的压电振子k的变形量增加、另一侧压电振子k的变形量减小；激励磁铁f与受激磁铁h逐渐转远、排斥力逐渐减小时，簧片i及压电振子k在其自身弹性力的作用下复位；限位磁环g与限位磁铁t的功能分别是限制簧片i与压电振子k的变形量，确保压电片k2上的最大压应力小于其许用值、另一侧压电片k2不受拉应力；随着激励磁铁f与受激磁铁h交替接近与离开，簧片i带动压电振子k产生连续的往复弯曲变形并将机械能转换成电能；所生成的电能经电路板p上的转换电路处理后为传感器q供电。
簧片i受激励磁铁f与受激磁铁h之间排斥力作用而产生失稳现象时，随机地向左或右侧弯曲变形，具有随机振动的特点，可有效地避免一般性周期激励所引起的分频及倍频共振，提高了转速域内振幅的均匀性和有效带宽。
Claims (1)
1.一种新型列车轴承监测系统用发电机，其特征在于：轮轴经轴承安装在车架上，车架上的壳体端部安装有端盖，端盖的斜槽中安装有限位磁铁；轮轴端部安装有激励器,激励器一端套在轮轴上并顶靠在轴承内圈上；激励器的轴截面上均布地镶嵌有激励磁铁,激励器两端的限位环上安装有限位磁环；车架的壳体的凸台上安装有压电振子和簧片,簧片两侧的压电振子数量相等；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近簧片安装,基板与簧片之间压接有垫片；压电振子的自由端安装有被悬浮磁铁，簧片的自由端两侧安装有悬浮磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁、限位磁铁的同性磁极相对安装；簧片自由端安装有受激磁铁,受激磁铁与激励磁铁的同性磁极靠近安装，激励磁铁的中截面与簧片的中截面位于同一平面上；受激磁铁与限位磁环之间的作用力为排斥力；车架上安装有电路板和传感器,压电振子经导线与电路板连接，电路板经导线与传感器连接；工作时，轮轴带动激励器及激励磁铁转动，激励磁铁与受激磁铁在圆周方向上的距离及相互作用力交替地增加和减小：激励磁铁与受激磁铁逐渐转近、排斥力逐渐增加时，簧片因失稳而向左或右侧弯曲变形并经悬浮磁铁与被悬浮磁铁间的排斥力驱动压电振子；激励磁铁与受激磁铁逐渐转远、排斥力逐渐减小时，簧片及压电振子在其自身弹性力的作用下复位。
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