CN107508491B - 一种自供电轮轴检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自供电轮轴检测装置，属检测技术领域。轮轴装在车架上，车架的壳体装有端盖；轮轴的端部装有带环槽的轴套，轴套的一端套在轮轴上并顶靠在轴承的内圈上；轴套的环槽两侧壁上都均布地装有数量相等的激励磁铁；车架壳体的凸台上安装有一组压电振子和一个簧片，簧片自由端的两侧安装有压板、一组悬浮磁铁及一块受激磁铁，受激磁铁置于压板的端部，受激磁铁与激励磁铁之间为吸引力；压电振子为由基板和压电片粘接而成弧形悬臂梁，压电振子对称地装在簧片两侧；与簧片相邻的压电振子的基板与簧片之间压接有垫片，相邻的两个压电振子的固定端之间压接有隔垫；压电振子的端部装有被悬磁铁，被悬磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装。
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，具体涉及一种自供电轮轴检测装置。
背景技术
轨道列车轮对是确保轨道车辆安全运行的关键。以往，轨道车辆轮系等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
本发明提出一种自供电轮轴检测装置，本发明采用的实施方案是：轮轴经轴承安装在车架上，车架上的壳体的端部经螺钉安装有端盖；轮轴的端部经压板及螺钉安装有带环槽的轴套，轴套的一端套在轮轴上并顶靠在轴承的内圈上；轴套的环槽的两侧壁上都经螺钉均布地安装有激励磁铁，两个轴截面上所有激励磁铁在同一轴截面上的投影依然均布且投影的数量与两个轴截面上所有激励磁铁的个数相同，即两个圆周方向上相邻的激励磁铁的投影间的夹角为Q＝180°/N，其中N为环槽一侧侧壁上安装的激励磁铁的数量；车架的壳体的凸台上经压块和螺钉安装有一组压电振子和一个簧片，簧片自由端的两侧经铆钉安装有压板、一组悬浮磁铁及一块受激磁铁，悬浮磁铁及受激磁铁镶嵌在压板内，受激磁铁置于压板的端部，受激磁铁与激励磁铁之间为吸引力；受激磁铁上的任一点到轴套中心的距离都比激励磁铁到轴套中心的距离短，即受激磁铁沿轴套轴向摆动时撞击不到激励磁铁；压电振子为由基板和压电片粘接而成弧形悬臂梁，基板的弯曲半径小于压电片的弯曲半径，压电振子对称地安装在簧片的两侧且基板靠近簧片安装；与簧片相邻的压电振子的基板与簧片之间压接有垫片，相邻的两个压电振子的固定端之间压接有隔垫；压电振子的端部经螺钉安装有被悬磁铁，被悬磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；受激磁铁不受激励磁铁作用、即簧片不发生弯曲变形时，压电振子的变形量为其许用值的一半；簧片向环槽某一侧的激励磁铁弯曲且激励磁铁与被激磁铁之间吸引力最大时，压电振子的变形量小于其许用值；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，轮轴带动轴套及激励磁铁转动，激励磁铁与被激磁铁间的吸引力使簧片产生弯曲变形，使悬浮磁铁与被悬磁铁间距离及相互作用力发生变化，进而使压电振子形状及压电片上的应力分布状态发生变化并将机械能转换成电能：簧片弯曲变形时，一侧的压电振子变形量逐渐增加、另一侧压电振子在其自身弹性力的作用下逐渐复位；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。
本发明中，压电振子变形量的许用值为其中R为压电片凸面上的半径，l为压电振子的悬臂长度；为使压电振子具有最大的发电能力并避免压电片因制作过程中拉应力过大而损坏，压电振子装配前的自然状态下压电片凸面上的半径最小值为其中H为压电振子厚度，E1、E2分别为基板和压电片的弹性模量，g31、T*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力。
优势与特色：应力分布较均匀、发电能力强；压电振子通过簧片与磁铁间接激励，无接触摩擦及撞击，能量损耗小；系统基频易通过簧片刚度加以调整；工作中压电振子仅承受单向激励、产生单向弯曲变形且变形量可控，故可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中自供电装置的结构示意图；
图2是图1的A-A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d；轮轴a的端部经压板e及螺钉安装有带环槽f1的轴套f，轴套f的一端套在轮轴a上并顶靠在轴承b的内圈上；轴套f的环槽f1的两侧壁上都经螺钉均布地安装有激励磁铁q，两个轴截面上所有激励磁铁q在同一轴截面上的投影依然均布且投影的数量与两个轴截面上所有激励磁铁的个数相同，即两个圆周方向上相邻的激励磁铁q的投影间的夹角为Q＝180°/N，其中N为环槽一侧侧壁上安装的激励磁铁q的数量；车架c的壳体c1的凸台上经压块g和螺钉安装有一组压电振子h和簧片i，簧片i自由端的两侧经铆钉安装有压板j、一组悬浮磁铁k及受激磁铁q’，悬浮磁铁k及受激磁铁q’镶嵌在压板j内，受激磁铁q’置于压板j的端部，受激磁铁q’与激励磁铁q之间为吸引力；受激磁铁q’任一点到轴套f中心的距离都比激励磁铁q到轴套f中心的距离短，即受激磁铁q’沿轴套f轴向摆动时撞击不到激励磁铁q；压电振子h为由基板h1和压电片h2粘接而成弧形悬臂梁，基板h1的弯曲半径小于压电片h2的弯曲半径，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；与簧片i相邻的压电振子h的基板h1与簧片i之间压接有垫片m，相邻的两个压电振子h的固定端之间压接有隔垫m’；压电振子h的端部经螺钉安装有被悬磁铁k’，被悬磁铁k’与悬浮磁铁k的同性磁极相对安装；受激磁铁q’不受激励磁铁q作用、即簧片i不发生弯曲变形时，压电振子h的变形量为其许用值的一半；簧片i向环槽f1某一侧的激励磁铁q弯曲且激励磁铁q与被激磁铁q’之间吸引力最大时，压电振子h的变形量小于其许用值；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。
工作时，轮轴a带动轴套f及激励磁铁q转动，激励磁铁q与被激磁铁q’间的吸引力使簧片i产生弯曲变形，使悬浮磁铁k与被悬磁铁k’间距离及相互作用力发生变化，进而使压电振子h形状及压电片h2上的应力分布状态发生变化并将机械能转换成电能：簧片i弯曲变形时，一侧的压电振子h变形量逐渐增加、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。
本发明中，压电振子h变形量的许用值为其中R为压电片h2凸面上的半径，l为压电振子h的悬臂长度；本发明中，为使压电振子h具有最大的发电能力并避免压电片h2因制作过程中拉应力过大而损坏，压电振子h装配前的自然状态下压电片h2凸面上的半径最小值为其中H为压电振子h的厚度，E1、E2分别为基板h1和压电片h2的弹性模量，g31、T*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力。
Claims (1)
1.一种自供电轮轴检测装置，其特征在于：轮轴经轴承安装在车架上，车架上的壳体的端部装有端盖；轮轴的端部装有带环槽的轴套，轴套的一端套在轮轴上并顶靠在轴承的内圈上；轴套的环槽的两侧壁上都均布地安装有数量相等的激励磁铁，两个轴截面上所有激励磁铁在同一轴截面上的投影依然均布且投影的数量与两个轴截面上所有激励磁铁的个数相同；车架的壳体的凸台上安装有一组压电振子和一个簧片，簧片自由端的两侧安装有压板、一组悬浮磁铁及一块受激磁铁，悬浮磁铁及受激磁铁镶嵌在压板内，受激磁铁置于压板的端部，受激磁铁与激励磁铁之间为吸引力；受激磁铁沿轴套轴向摆动时撞击不到激励磁铁；压电振子为由基板和压电片粘接而成弧形悬臂梁，基板的弯曲半径小于压电片的弯曲半径，压电振子对称地安装在簧片两侧且基板靠近簧片安装；压电振子的端部装有被悬磁铁，被悬磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；受激磁铁不受激励磁铁作用时、即簧片不发生弯曲变形时，压电振子的变形量为其许用值的一半；簧片向环槽某一侧的激励磁铁弯曲且激励磁铁与被激磁铁之间吸引力最大时，压电振子的变形量小于其许用值；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；压电振子所生成的电能经转换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。
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