CN107370416B - 一种自供电列车轴系监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自供电列车轴系监测装置，属轨道车辆监测与压电发电领域。轮轴经轴承安装在车架上，车架上的壳体端部装有端盖；轮轴的端部装有激励器，激励器的一端套在轮轴上并顶靠在轴承的内圈上；激励器上设有凸轮槽，凸轮槽左右两侧的凸轮面上安装有磁凸轮环；车架的壳体的凸台上装有压电振子和簧片，簧片自由端装有受激磁铁和顶块，受激磁铁与其相邻的磁凸轮环的同性磁极靠近安装，受激磁铁置于凸轮槽内；压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子对称地安装在簧片两侧且基板靠近簧片安装，基板与簧片之间压接有垫片，压电振子自由端顶靠在顶块上；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。

Description

一种自供电列车轴系监测装置

技术领域

本发明属于轨道交通监测及压电发电技术领域，具体涉及一种自供电列车轴系监测装置。

背景技术

轮对是轨道车辆的关键部件，其健康状况以往是通过定期维护、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

本发明提出一种自供电列车轴系监测装置，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；轮轴的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；激励器上设有凸轮槽，凸轮槽左右两侧的凸轮面上安装有磁凸轮环，磁凸轮环可为多段拼接结构；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，簧片自由端两侧经螺钉安装有受激磁铁，簧片自由端两侧经螺钉安装有顶块，受激磁铁与其相邻的磁凸轮环的同性磁极靠近安装，受激磁铁置于凸轮槽内；压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子对称地安装在簧片的两侧且基板靠近簧片安装，基板与簧片之间压接有垫片，压电振子的自由端顶靠在顶块上；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，且压电片上的最大应力为其许用值的一半；受激磁铁与其左侧磁凸轮环的顶点或右侧磁凸轮环的顶点相互接触且使簧片弯曲变形达到最大时，压电片上的最大压应力不大于其许用值、压电振子自由端的变形量不大于其许用变形量，即小于

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板的厚度和压电振子的总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，k₃₁和

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，轮轴带动激励器及磁凸轮环转动，受激磁铁与两个磁凸轮环间的距离及相互排斥力逐渐地增加或减小，从而使受激磁铁在凸轮槽内沿激励器轴向作往复运动，再经簧片及顶块激励压电振子往复振动，从而将机械能转换成电能：簧片弯曲变形时，一侧压电振子受簧片的作用力及变形量逐渐增加、压电片所受压应力逐渐增加但不至大于许用值；另一侧压电振子在其自身弹性力的作用下逐渐复位、压电片所受压应力逐渐降低但不至出现拉应力；压电振子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，传感器实时地获得轴承的温度、转速或振动信息并经无线发射系统发射出去。

优势与特色：工作中压电振子受单向激励变形、压电片仅承受压应力，避免因受拉应力过大损毁、可靠性高；任何转速时压电振子变形量都一样、为凸轮升程的一半，故可靠性高、有效频带宽、发电与供电能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中监测装置的结构剖面图；

图2是本发明一个较佳实施例中激励器与磁凸轮环装配后的结构示意图；

图3是图1的A-A的剖视图；

图4是图1所示监测装置中轮轴旋转180度后的结构剖面图。

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d；轮轴a的端部经压板e及螺钉安装有激励器f，激励器f的一端套在轮轴a上并顶靠在轴承b的内圈上；激励器f上设有凸轮槽f1，凸轮槽f1左右两侧的凸轮面上安装有磁凸轮环g，磁凸轮环g可为多段拼接结构；车架c的壳体c1的凸台上经压块y和螺钉安装有压电振子h和簧片i，簧片i自由端两侧经螺钉安装有受激磁铁k，簧片i自由端两侧经螺钉安装有顶块j，受激磁铁k与其相邻的磁凸轮环g的同性磁极靠近安装，受激磁铁k置于凸轮槽f1内；压电振子h由基板h1和压电片h2粘接而成，压电振子h对称地安装在簧片i的两侧且基板h1靠近簧片i安装，基板h1与簧片i之间压接有垫片m，压电振子h的自由端顶靠在顶块j上；车架c上安装有电路板n和传感器p，压电振子h经导线与电路板n连接，电路板n经导线与传感器p连接。

压电振子h安装前为平直结构、安装后为弯曲结构；簧片i不发生弯曲变形时，簧片i两侧压电振子h的变形及受力状态分别相同，且压电片h2上的最大应力为其许用值的一半；受激磁铁k与其左侧磁凸轮环g的顶点Z或右侧磁凸轮环g的顶点Y相互接触且使簧片i弯曲变形达到最大时，压电片h2上的最大压应力不大于其许用值、压电振子h自由端的变形量不大于其许用变形量，即小于

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板h1的厚度和压电振子h的总厚度，E_m和E_p分别为基板h1和压电片h2的杨氏模量，k₃₁和

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h的长度。

工作时，轮轴a带动激励器f及磁凸轮环g转动，受激磁铁k与两个磁凸轮环g间的距离及相互排斥力逐渐地增加或减小，从而使受激磁铁k在凸轮槽f1内沿激励器f的轴向作往复运动，再经簧片i及顶块k激励压电振子h往复振动，从而将机械能转换成电能：簧片i弯曲变形时，一侧压电振子h受簧片i的作用力及变形量逐渐增加、压电片h2所受压应力逐渐增加但不至大于许用值；另一侧压电振子h在其自身弹性力的作用下逐渐复位、压电片h2所受压应力逐渐降低但不至出现拉应力；压电振子h所生成的电能经电路板n上的转换电路处理后为传感器p供电，传感器p实时地获得轴承的温度、转速或振动信息并经无线发射系统发射出去。

Claims (1)

1.一种自供电列车轴系监测装置，其特征在于：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，壳体设置在车架的两端，端盖与车架平行；轮轴的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；激励器上设有圆周方向的环形凸轮槽,凸轮槽左右两侧的凸轮面上安装有磁凸轮环，磁凸轮环可为多段拼接结构；车架的壳体上壁内侧的凸台上经压块和螺钉安装有压电振子和簧片,簧片自由端两侧安装有受激磁铁,簧片自由端两侧安装有顶块,受激磁铁与其相邻的磁凸轮环的同性磁极靠近安装，受激磁铁置于凸轮槽内；压电振子和簧片与激励器的轴线垂直；压电振子由基板与其一侧所粘接的压电片构成，压电振子对称地安装在簧片两侧且基板靠近簧片安装，基板与簧片之间压接有垫片,压电振子自由端顶靠在顶块上；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，且压电片上的最大应力为其许用值的一半；受激磁铁与其左侧磁凸轮环的顶点或右侧磁凸轮环的顶点相互接触且使簧片弯曲变形达到最大时，压电片上的最大压应力不大于其许用值、压电振子自由端的变形量不大于其许用变形量，即小于

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板的厚度和压电振子的总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，k₃₁和

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。

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