CN107634635A - 一种高速铁路轨旁风致振动能量回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速铁路轨旁风致振动能量回收装置，属于能源交通技术领域，该装置包括引起振动的钝体，电磁能量回收部件，悬臂梁以及多个支撑结构；其中，第一支撑结构固定安装在地面上，悬臂梁一端通过第二支撑结构与第一支撑结构固定连接，悬臂梁另一端与钝体刚性连接，该钝体的轴向与列车行驶方向平行；所述电磁能量回收部件一端固定在悬臂梁与钝体连接处附近，该电磁能量回收部件另一端通过第三支撑结构与第一支撑结构固定连接。本发明能够回收高速列车带来的强风引起的悬臂梁振动能量，对无线传感器网络进行供电，本设计具有结构简单，适应性强，可维护性好的特点。
Description
技术领域
本发明属于能源交通技术领域，特别涉及一种利用风致振动能量对高速铁路轨旁无线传感器网络进行供电的能量回收装置。
技术背景
随着我国高速铁路飞速发展，列车运行安全受到越来越多的关注。在目前的列控系统监测体系中，主要的监测数据还是来源于室内设备，室外综合监测是一个薄弱环节，同时轨旁设备室外监测数据对于保证列控系统整体的良好运行状态又至关重要。为了克服这一薄弱环节，需要建立较完备的室外监测网(主要包括各类无线传感器节点)，用于监测轨道电路轨面电压电流、调谐单元电压电流等信号。因为增加了轨旁信号的信息，轨道电路的故障预测以及诊断将会更加准确。车站内的道岔转辙机、信号机等关键设备也需要有效的监测。除此之外，随着高速铁路智能化、信息化的推进，轨道沿线的无线监测网的布设，还可以用于扩展其他功能，如采集铁路沿线温度湿度、振动强度等数据。轨旁监测网络的设计应该是高可靠性、大容量、可扩展的。
轨旁监测网络的建立有一个很大的难题，就是无法供电。铁路线路分布极其广阔，常规的供电方法不能满足。监测需要有长期稳定的供电设备，传统电池需要频繁更换存在不便。对于无线传感器节点的供电问题，国内外有着大量研究,S Roundy等人在文献《PowerSources for Wireless Sensor Networks》以及Z Watral等人在文献《Selected problemsof power sources for wireless sensors networks》中讨论了不同应用场景下无线传感器结点供电的可能解决方法。但是，在铁路沿线这种特殊的应用场景下，要求供电方案提出了高可靠性、高耐用性等要求。
此外，由于风力发电是一种无污染、能再生反复使用的绿色能源，而被人们所广发关注。风力发电装置已由最初的设置在海岸或空旷高地等利用天然风力条件的适当处，而逐渐应用在高速公路、道路或铁路等由过往交通工具产生风能等场合。如中国专利曳引风力能量回收发电装置(201120007936.9)、一种风力发电装置(201410795434.5)、基于汽车风速的高速公路风力发电装置及其工作方法(201610899263.X)等，该类装置依赖扇叶状结构，一旦轴承损坏或老化，装置即失效，维护成本较高。
发明内容
本发明为克服高速铁路轨旁无线传感器网络难以获得的稳定能量供应，及传统风机式能量回收装置维护成本高的问题，提出一种高速铁路轨旁风致振动能量回收装置。
本发明采用如下技术方案：
一种高速铁路轨旁风致振动能量回收装置，其特征在于，该装置包括引起振动的钝体，电磁能量回收部件，悬臂梁以及多个支撑结构；其中，第一支撑结构固定安装在地面上，悬臂梁一端通过第二支撑结构与第一支撑结构固定连接，悬臂梁另一端与钝体刚性连接，该钝体的轴向与轨道布设方向平行；所述电磁能量回收部件一端固定在悬臂梁与钝体连接处附近，该电磁能量回收部件另一端通过第三支撑结构与第一支撑结构固定连接。
可选地，当所述钝体的自由振动频率f1等于悬臂梁的一阶固有频率f2时，该装置达到能量回收功率的最大值；所述钝体的自由振动频率f1和悬臂梁的一阶固有频率f2分别按照以下公式计算：
式中：
St为斯特劳哈尔数；
U为安装在轨旁的本能量回收装置处风速，单位为m/s，该值根据列车速度与该处风速之间的关系得到；
h0为钝体高度或者为钝体直径，单位为m；
E为悬臂梁材料的弹性模量，单位为Pa；
b为悬臂梁宽度，即悬臂梁平行于钝体轴向方向的长度，单位为m；
h悬臂梁厚度，单位为m；
ρ悬臂梁材料的密度，单位为Kg/m3；
l悬臂梁长度，即悬臂梁与第二支撑结构的连接处至悬臂梁与钝体连接处的距离，单位为m。
可选地，所述电磁能量回收部件为由线圈与磁铁构成的音圈电机；其中，音圈电机的线圈部分通过螺栓固定在悬臂梁与钝体连接处附近，音圈电机的磁铁部分通过第三支撑结构与第一支撑结构固定连接。
本发明的特点及有益效果：
本发明提出一种高速铁路轨旁风致振动能量回收装置，特别适用于高速列车轨旁的特有的强风环境，能够回收高速列车带来的强风造成的悬臂梁振动的能量对无线传感器网络进行供电，根据应用需求计算得出的最适频率优化钝体与悬臂梁，以使得回收功率最大化；
本发明装置结构简单，成本较低，且安装基础要求低，运行可靠性高，解决了风机安装基础要求高，维护保养需求大等问题，具有较强的工程实用性。
附图说明
图1是本发明的高速铁路轨旁风致振动能量回收装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明：
本发明提出的一种高速铁路轨旁风致振动能量回收装置，结构如图1所示，该装置包括引起振动的钝体1，电磁能量回收部件2，悬臂梁4，以及多个支撑结构(3,5,6)；其中，第一支撑结构6固定安装在地面上，悬臂梁4一端通过第二支撑结构5与第一支撑结构6固定连接，悬臂梁4另一端与钝体1刚性连接，该钝体的轴向与轨道布设方向平行；电磁能量回收部件2一端固定在悬臂梁4与钝体1连接处附近，该电磁能量回收部件2另一端通过第三支撑结构3与第一支撑结构6固定连接。
所述钝体1为采用泡沫塑料制成的空心结构，本实施例钝体1为圆柱形空心结构。
所述电磁能量回收部件2为由线圈与磁铁(本实施例采用环形磁铁)构成的音圈电机，其中，音圈电机的线圈通过螺栓固定在悬臂梁4与钝体1连接处附近(音圈电机与悬臂梁之间的连接为弱连接，忽略音圈电机对悬臂梁的支撑作用)，音圈电机的磁铁通过第三支撑结构3与第一支撑结构6固定连接。
列车经过本发明装置形成风场，引起钝体及悬臂梁的自由振动，当钝体的自由振动频率f1等于悬臂梁的一阶固有频率f2时，本发明装置达到能量回收功率的最大值；所述钝体的自由振动频率f1和悬臂梁的一阶固有频率f2分别按照以下公式计算：
式中：
St为斯特劳哈尔数，本发明实施例(钝体形状为圆柱形)中为0.2，斯特劳哈尔数的取值与结构的形状断面有关，对于圆柱体其值为0.2；
U为安装在轨旁的能量回收装置处风速，其单位为m/s，该值可根据列车速度，以及列车速度与该处风速之间的关系(由实验测得)得到；
h0为钝体高度或者为钝体直径，其单位为m；
E为悬臂梁材料的弹性模量，其单位为Pa；
b为悬臂梁宽度，即悬臂梁平行于钝体轴向方向的长度，其单位为m；
h悬臂梁厚度，其单位为m；
ρ悬臂梁材料的密度，其单位为Kg/m3；
l悬臂梁长度，即悬臂梁4与第二支撑结构5的连接处至悬臂梁与钝体1连接处的距离，其单位为m。
本发明装置的工作原理如下：当高速列车驶过时，引起车身附近空气流动，进而使气流在钝体1附近产生脱体涡，脱体涡产生的升力脉动驱动悬臂梁4结构上的线圈部分，使线圈部分与磁铁部分两者产生相对运动，磁铁部分切割线圈部分的磁感线产生电能。
悬臂梁4结构上的线圈部分引出导线，可直接连接外部无线传感器节点的电池为其充电或者直接连接外部无线传感器节点为其供电。本发明装置的安装方式为：将第一支撑结构6紧贴于地面，钝体1所在的一侧靠近铁轨，同时保证钝体1的轴向与轨道布设的方向平行，利用螺丝钉穿过第一支撑结构6中间的螺丝孔空隙中，将其固定于地面上。根据实际需要的电源功率选择相邻两个装置之间的距离，所需要的电源功率越大，则相邻两个装置之间的安装距离越近。
实施例：
本发明实施例装置在风洞条件下进行了测试。测试实验中，钝体1采用硬质聚氨酯泡沫塑料材质，其直径h0为0.1m；悬臂梁4采用不锈钢材质，其宽度b为0.1m，厚度h为0.01m，长度l为0.3m。支撑结构3采用不锈钢材质，其高度为0.14m；支撑结构5采用不锈钢材质，其高度为0.18m，宽度为0.06m；支撑结构6采用不锈钢材质，其长度为0.4m，厚度为0.02m；音圈电机的磁铁使用环形磁铁，线圈通过螺栓固定在悬臂梁4与钝体1连接处附近。将本发明装置安装固定后，测试可得当钝体处风速为4.8m/s时，单个装置的发电功率为0.05mW；当钝体处风速为11.8m/s时，单个装置的发电功率为0.13mW。
Claims (4)
1.一种高速铁路轨旁风致振动能量回收装置，其特征在于，该装置包括引起振动的钝体，电磁能量回收部件，悬臂梁以及多个支撑结构；其中，第一支撑结构固定安装在地面上，悬臂梁一端通过第二支撑结构与第一支撑结构固定连接，悬臂梁另一端与钝体刚性连接，该钝体的轴向与轨道布设方向平行；所述电磁能量回收部件一端固定在悬臂梁与钝体连接处附近，该电磁能量回收部件另一端通过第三支撑结构与第一支撑结构固定连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述钝体的自由振动频率f1等于悬臂梁的一阶固有频率f2时，该装置达到能量回收功率的最大值；所述钝体的自由振动频率f1和悬臂梁的一阶固有频率f2分别按照以下公式计算：
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<mn>1</mn>
<mn>12</mn>
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<msup>
<mi>bh</mi>
<mn>3</mn>
</msup>
</mrow>
式中：
St为斯特劳哈尔数；
U为安装在轨旁的本能量回收装置处风速，单位为m/s，该值根据列车速度与该处风速之间的关系得到；
h0为钝体高度或者为钝体直径，单位为m；
E为悬臂梁材料的弹性模量，单位为Pa；
b为悬臂梁宽度，即悬臂梁平行于钝体轴向方向的长度，单位为m；
h悬臂梁厚度，单位为m；
ρ悬臂梁材料的密度，单位为Kg/m3；
l悬臂梁长度，即悬臂梁与第二支撑结构的连接处至悬臂梁与钝体连接处的距离，单位为m。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述钝体为采用泡沫塑料制成的空心结构。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁能量回收部件为由线圈与磁铁构成的音圈电机；其中，音圈电机的线圈部分通过螺栓固定在悬臂梁与钝体连接处附近，音圈电机的磁铁部分通过第三支撑结构与第一支撑结构固定连接。
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