CN110203246A - 一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明利用能量回收技术，结合货运列车编组站减速顶的工作过程，在不改变减速顶基本功能的情下，设计一个基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置。其实现过程是：当车轮压过减速顶的顶时，顶受压力向下运动，将力传递给变上下运动为旋转运动的齿轮齿条的机构上，并且使弹簧压缩，然后再将运动传递给与齿轮齿条相连接的三组有序啮合的齿轮组上，然后实现与齿轮组连接的发电机发电。当减速顶的顶下滑到最底端时，被压缩的弹簧带动齿条向上运动并且带动齿轮组运动，实现发电机发电，最终实现减速顶回程。而发电机是与超级电容相连接的，最终实现发电与储能的功能。

Description

一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置

技术领域

本发明属于轨道交通中的新能源技术领域，具体涉及一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置。

背景技术

传统减速顶是一种内部装有液压油，安装在钢轨的内侧或者外侧，通过滑动油缸和车轮相接触，使内部液压油发生挤压从而对车辆轮对做制动功来起到减速作用的一种调速设备。其工作原理是：

当车辆通过减速顶时，它的轮对走行速度低于了减速顶所设定的临界速度，此时滑动油缸上、下腔不会产生较大的压差，那么速度阀将会处于一直打开的状态，滑动油缸上腔的油液将会通过速度阀通道流向下腔，因为滑动油缸上腔比下腔空间大，所以油液不能全部进入下腔，多余的油液会使氮气压缩。但是因为油液通过速度阀产生的阻力很小，那么减速顶将基本不对车辆起减速作用；当车辆通过减速顶时，它的轮对走行速度高于了减速顶所设定的临界速度，此时滑动油缸将会很快的下滑，上下腔会产生很大的压差，因为上腔此时压力过大会使速度阀迅速关闭，然后会使压力阀打开，油液通过压力阀进入到下腔，因为上下腔产生的较大的压差，减速顶做制动功，对车辆会起减速作用。

随着我国铁路的高速发展，减速顶作为铁路编组站调速装置，其检修作业越发的繁重。因为多个减速顶组成一个减速系统,并且在编组站中减速顶有成千上万台减速顶,数量越大,减速顶容易出现故障的概率也越大,而在现有的减速顶的检测方式多是用于人工检测,其工作量大、效率低。

车轮压过减速顶时是否会做功，这样就可以及时的发现有问题的减速顶，方便工作人员进行更换维修。如果利用减速顶在与车辆作用过程中的做功过程实现能量回收并转化为电源，将很容易解决减速顶的性能检测和可控性的问题。

发明内容

针对现有的减速顶的检测方式多是用于人工检测,其工作量大、效率低的问题，本发明提供了一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置，利用能量回收技术，在实现减速顶基本功能前提下改变其液压机构为齿轮齿条结构，并将回收的能量转化为电力并储存在设备中，为实现智能化减速顶提供供电基础。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置，包括顶、滑动缸体和底座，所述顶与滑动缸体固定连接，所述滑动缸体与底座之间构成间隙配合，还包括发电机，所述滑动缸体下部固定连接有齿条，所述滑动缸体和底座之间设置有弹簧，所述齿条与发电机通过齿轮组构成传动。

采用该技术方案后，当车辆通过减速顶时，它的轮对走行速度低于了减速顶所设定的临界速度，此时滑动缸体下降速度慢，弹簧产生的阻力很小，那么减速顶将基本不对车辆起减速作用；当车辆通过减速顶时，它的轮对走行速度高于了减速顶所设定的临界速度，此时滑动缸体会很快的下滑，弹簧瞬间产生较大的阻力，减速顶做制动功，对车辆会起减速作用。而在车辆通过减速顶的过程中，滑动缸体的上下运动会导致齿条上下运动，进而传动至发电机，带动发电机发电。这即实现了减速顶的基本功能，同时又实现了将减速顶工作过程中的机械能转化为电能储存。这样，一方面能够通过监控车辆通过减速顶时是否产生电能来判断减速顶是否正常工作，另一方面能够将转化的电能用于监控系统等周边设备的供电。

优选的，齿轮组包括轴Ⅰ、轴Ⅱ和轴Ⅲ，所述轴Ⅰ上固定连接有齿轮Ⅰ，所述轴Ⅰ上分别通过棘轮Ⅰ和棘轮Ⅱ连接有齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ，所述棘轮Ⅰ和棘轮Ⅱ的设置方向相反，所述轴Ⅱ上固定连接有齿轮Ⅳ和齿轮Ⅴ，所述轴Ⅲ上固定连接有齿轮Ⅵ和齿轮Ⅶ，所述齿轮Ⅱ和齿轮Ⅶ外啮合，所述齿轮Ⅰ与齿条外啮合，所述齿轮Ⅲ与齿轮Ⅳ外啮合，所述齿轮Ⅵ与齿轮Ⅴ外啮合，所述轴Ⅲ与所述发电机的轴固定连接。

该优选方案中，由于设置棘轮Ⅰ，使得轴Ⅰ向某个方向转动时能够带动齿轮Ⅱ转动，而轴Ⅰ向另一个方向转动时则空转而无法带动齿轮Ⅱ。棘轮Ⅱ与棘轮Ⅰ转动方向相反，即棘轮Ⅱ带动齿轮Ⅲ转动的方向与棘轮Ⅰ带动齿轮Ⅱ转动的方向相反。此外，齿轮Ⅱ与轴Ⅲ上的齿轮Ⅶ直接啮合，齿轮Ⅲ与轴Ⅲ上的齿轮Ⅵ之间通过轴Ⅱ上的齿轮进行传动，这样，齿轮Ⅱ与齿轮Ⅲ的相反方向的转动传动至轴Ⅲ时，将转化为轴Ⅲ向同一方向的转动。该方案的优点是，使得无论齿条向上还是向下运动，轴Ⅲ带动发电机的转动方向始终是相同的，进而获得直流电，方便电能存储，且增加了发电机的使用寿命。

进一步优选的，轴Ⅰ、轴Ⅱ和轴Ⅲ平行设置于同一水平面内。该优选方案能够减小齿轮组在高度方向上的尺寸，便于将减速顶安装在狭窄的空间中。

进一步优选的，齿轮Ⅱ与齿轮Ⅶ的传动比等于齿轮Ⅲ与齿轮Ⅵ的传动比。该优选方案能够保证轴Ⅲ的转动速度恒定，使得保证发电机在发电过程中转速不变。

进一步优选的，棘轮Ⅰ为顺时针棘轮，所述棘轮Ⅱ为逆时针棘轮。棘轮Ⅰ与轴Ⅰ固定连接，棘轮Ⅰ外沿对称设置有数个棘爪Ⅰ，棘爪Ⅰ通过转动范围有限的弹性体与棘轮Ⅰ连接，棘爪Ⅰ的可摆动方向为顺时针方向；齿轮Ⅱ内沿设置有一圈内部轮齿Ⅱ，棘爪Ⅰ的端部与内部轮齿Ⅱ构成啮合结构。棘轮Ⅱ与轴Ⅰ固定连接，棘轮Ⅱ外沿对称设置有数个棘爪Ⅱ，棘爪Ⅱ通过转动范围有限的弹性体与棘轮Ⅱ连接，棘爪Ⅱ的可摆动方向为顺时针方向；齿轮Ⅲ内沿设置有一圈内部轮齿Ⅲ，棘爪Ⅱ的端部与内部轮齿Ⅲ构成啮合结构。本优选方案为棘轮Ⅰ和棘轮Ⅱ的一种优选的结构，具有结构简单的优点，有利于减小设备的体积。

优选的，发电机通过DC/DC变换器连接有超级电容。该优选方案中利用超级电容器组成储电设备，方便储存电能供其他设备使用。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.即实现了减速顶的基本功能，同时又实现了将减速顶工作过程中的机械能转化为电能储存。这样，一方面能够通过监控车辆通过减速顶时是否产生电能来判断减速顶是否正常工作，另一方面能够将转化的电能用于监控系统等周边设备的供电。

2.无论齿条向上还是向下运动，轴Ⅲ带动发电机的转动方向始终是相同的，进而获得直流电，方便电能存储，且增加了发电机的使用寿命。

3.能够减小齿轮组在高度方向上的尺寸，便于将减速顶安装在狭窄的空间中。

4.通过控制齿轮间的传动比，保证轴Ⅲ的转动速度恒定，使得保证发电机在发电过程中转速不变。

5.利用超级电容器组成储电设备，方便储存电能供其他设备使用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的三维结构示意图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明主视视角的内部结构示意图；

图5是本发明中齿轮组的俯视结构示意图；

图6是本发明中箱体内部的后视视角的内部结构示意图；

图7是本发明中齿轮Ⅱ与顺时针棘轮的配合关系示意图；

图8是本发明中齿轮Ⅲ与逆时针棘轮的配合关系示意图。

其中：1-顶，2-滑动缸体，3-底座，4-齿条杆，5-销钉，6-弹簧，7-垫板，8-箱体上盖，9-箱体，10-齿轮Ⅰ，11-齿轮Ⅱ，1101-内部轮齿Ⅱ，12-齿轮Ⅲ，1201-内部轮齿Ⅲ，13-齿轮Ⅳ，14-齿轮Ⅴ，15-齿轮Ⅵ，16-齿轮Ⅶ，17-齿条，18-轴套，19-发电机，20-轴Ⅰ，21-轴Ⅱ，22-轴Ⅲ，23-普通轴承，24-棘轮Ⅱ，2401-棘爪Ⅱ，25-棘轮Ⅰ，2501-棘爪Ⅰ，26-轴承机架，27-发电机机架。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

减速顶工作性能不良,会导致车辆连挂速度不合理,严重威胁铁路运输的安全,及时发现作业不良的减速顶,对现场日常管理和铁路运输正常运行非常重要。本发明是在对现有的减速顶的机械结构进行重新设计，并对在减速过程中列车对减速顶所做的功的能量转化为电能变加以储存。此发明所产生并储存的电能能够为后续实现减速顶设备智能化改造提供电源,智能化改造指能够在通过网络化调车线联控对每个减速顶进行实时的检测和信息反馈,并且根据车辆的实时情况,发送信息到网络中心,以调整达到最佳的运行状态,保证调车作业的平顺性，并减少人工检查工作量。

下面结合图1至图8对本发明作详细说明。

一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置，主要包含传动部分、增速部分和发电储电部分。传动部分包括顶1、滑动缸体2和底座3，所述顶1与滑动缸体2固定连接，所述滑动缸体2与底座3同轴心且构成间隙配合，底座3下方设置有箱体9，箱体9中设置有作为增速部分的齿轮组和发电储电部分。发电储电部分包括发电机19和超级电容器，发电机19通过DC/DC变换器连接有超级电容。

所述箱体9上方设置有箱体上盖8，所述箱体上盖8上固定连接有垫板7，垫板7与底座3下部固定连接。所述滑动缸体2下部通过齿条杆4固定连接有齿条17，所述滑动缸体2和垫板7之间设置有弹簧6，弹簧6有四个且均列分布。本实施例中，齿条杆4与齿条17通过焊接连接，弹簧6两端分别与滑动缸体2的底部和垫板7的上表面焊接。所述齿条17与发电机19通过齿轮组构成传动。

作为一种优选的方案，所述齿轮组包括轴Ⅰ20、轴Ⅱ21和轴Ⅲ22，轴Ⅰ20、轴Ⅱ21和轴Ⅲ22平行设置于同一水平面内。所述轴Ⅰ20上通过键连接有齿轮Ⅰ10，所述轴Ⅰ20上分别通过棘轮Ⅰ25和棘轮Ⅱ24连接有齿轮Ⅱ11和齿轮Ⅲ12，所述棘轮Ⅰ25和棘轮Ⅱ24的设置方向相反，所述轴Ⅱ21上通过键连接有齿轮Ⅳ13和齿轮Ⅴ14，所述轴Ⅲ22上通过键连接有齿轮Ⅵ15和齿轮Ⅶ16，所述齿轮Ⅰ10与齿条17外啮合，所述齿轮Ⅱ11和齿轮Ⅶ16外啮合，所述齿轮Ⅲ12与齿轮Ⅳ13外啮合，所述齿轮Ⅵ15与齿轮Ⅴ14外啮合。齿轮Ⅱ11与齿轮Ⅶ16的传动比等于齿轮Ⅲ12与齿轮Ⅵ15的传动比。轴Ⅰ20两端通过普通轴承与箱体9连接，轴Ⅱ21一端与箱体9通过普通轴承连接，另一端通过普通轴承与一个固定在箱体9中的轴承机架26通过普通轴承连接，所述轴Ⅲ22的一端与箱体9通过普通轴承连接，轴Ⅲ22的另一端与所述发电机19的轴固定连接。

作为一种优选的方案，所述棘轮Ⅰ25为顺时针棘轮，所述棘轮Ⅱ24为逆时针棘轮。齿轮Ⅱ11与顺时针棘轮沿主视视图方向的配合示意图如图7所示，棘轮Ⅰ25与轴Ⅰ20固定连接，棘轮Ⅰ25外沿对称设置有数个棘爪Ⅰ2501，棘爪Ⅰ2501通过转动范围有限的弹性体(例如扭转弹簧)与棘轮Ⅰ25连接，棘爪Ⅰ2501的可摆动方向为顺时针方向。齿轮Ⅱ11内沿设置有一圈内部轮齿Ⅱ1101，棘爪Ⅰ2501的端部与内部轮齿Ⅱ1101构成啮合结构。

该结构的工作原理为：当棘轮Ⅰ25为主动件时，只有棘轮Ⅰ25顺时针转动时才会带动外部的齿轮Ⅱ11顺时针转动；而当棘轮Ⅰ25逆时针转动时，棘轮Ⅰ25可随轴转动，但是不能带动齿轮Ⅱ11转动。

当齿轮Ⅱ11为主动件且顺时针转动的情况下，分为两种情况，第一种情况是棘轮Ⅰ25也顺时针转动则两者转速相同时互不影响；第二种情况是棘轮Ⅰ25逆时针转动时，由于棘轮Ⅰ25结构的特性，顺时棘爪Ⅰ2501在顺时针方向是能够活动的，所以当棘轮Ⅰ25逆时针转动时，棘爪Ⅰ2501由于内部轮齿Ⅱ1101的作用向顺时针方向摆动倾斜，也就是最终导致棘轮Ⅰ25与齿轮Ⅱ11互不影响。

当齿轮Ⅱ11为主动件而逆时针转动时，也分两种情况，一是当棘轮Ⅰ25逆时针转动时，若是转速相同则也互补影响；第二种情况是，当棘轮Ⅰ25顺时针转动，由于棘爪Ⅰ2501以及内部轮齿Ⅱ1101的结构的特点，最终导致二者会相互产生力的作用，最终导致机构不能运动。但是本次方案设计不会出现这种情况。

齿轮Ⅲ12与逆时针棘轮沿主视视图方向的配合示意图如图8所示，其结构及工作原理与齿轮Ⅱ11与顺时针棘轮的配合及工作原理相似，区别在于棘爪Ⅰ2501和内部轮齿Ⅲ1201的设置方向分别与棘爪Ⅱ2401和内部轮齿Ⅱ1101的设置方向相反。

整个发明装置的具体实现原理是当车轮压过时，顶1与滑动缸体2受力向下运动，滑动缸体2带动齿条17向下运动，与齿条17啮合的齿轮Ⅰ10开始转动。齿轮Ⅱ11、齿轮Ⅲ12和齿轮Ⅰ10同轴转动。在齿轮Ⅱ11中装有顺时针棘轮，齿轮Ⅲ12装有逆时针棘轮，当齿条17向下运动，齿轮Ⅰ10顺时针转动，轴Ⅰ20也开始顺时针转动时，顺时针棘轮带动外部的齿轮Ⅱ11顺时针转动，而此时逆时针棘轮不能带动其外部的齿轮Ⅲ12转动。

由于齿轮Ⅱ11转动就带动其啮合的齿轮Ⅶ16转动，齿轮Ⅶ16带动轴Ⅲ22转动，轴Ⅲ22带动同轴的齿轮Ⅵ15逆时针转动，则齿轮Ⅴ14、齿轮Ⅳ13顺时针转动，齿轮Ⅳ13带动齿轮Ⅲ12逆时针转动，由于齿轮Ⅲ12安装的是逆时针棘轮而且逆时针棘轮与齿轮Ⅲ12转速相同，就会导致两者之间互不影响，就可以顺利转动起来。

当车轮压过后，减速顶回程，齿条17由于弹簧6作用向上运动时，其运动的情况与上面所说的正好相反。最终达到轴Ⅲ22上的转速方向与齿条17向下运动时相同。轴Ⅲ22与发电机19的轴连接，发电机19发电，与其相连的超级电容进行电能的存储。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置，包括顶(1)、滑动缸体(2)和底座(3)，所述顶(1)与滑动缸体(2)固定连接，所述滑动缸体(2)与底座(3)之间构成间隙配合，其特征在于：还包括发电机(19)，所述滑动缸体(2)下部固定连接有齿条(17)，所述滑动缸体(2)和底座(3)之间设置有弹簧(6)，所述齿条(17)与发电机(19)通过齿轮组构成传动。

2.按照权利要求1所述的一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置，其特征在于：所述齿轮组包括轴Ⅰ(20)、轴Ⅱ(21)和轴Ⅲ(22)，所述轴Ⅰ(20)上固定连接有齿轮Ⅰ(10)，所述轴Ⅰ(20)上分别通过棘轮Ⅰ(25)和棘轮Ⅱ(24)连接有齿轮Ⅱ(11)和齿轮Ⅲ(12)，所述棘轮Ⅰ(25)和棘轮Ⅱ(24)的设置方向相反，所述轴Ⅱ(21)上固定连接有齿轮Ⅳ(13)和齿轮Ⅴ(14)，所述轴Ⅲ(22)上固定连接有齿轮Ⅵ(15)和齿轮Ⅶ(16)，所述齿轮Ⅰ(10)与齿条(17)外啮合，所述齿轮Ⅱ(11)和齿轮Ⅶ(16)外啮合，所述齿轮Ⅲ(12)与齿轮Ⅳ(13)外啮合，所述齿轮Ⅵ(15)与齿轮Ⅴ(14)外啮合，所述轴Ⅲ(22)与所述发电机(19)的轴固定连接。

3.按照权利要求2所述的一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置，其特征在于：所述轴Ⅰ(20)、轴Ⅱ(21)和轴Ⅲ(22)平行设置于同一水平面内。

4.按照权利要求2所述的一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置，其特征在于：所述齿轮Ⅱ(11)与齿轮Ⅶ(16)的传动比等于齿轮Ⅲ(12)与齿轮Ⅵ(15)的传动比。

5.按照权利要求2所述的一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置，其特征在于：所述棘轮Ⅰ(25)为顺时针棘轮，所述棘轮Ⅱ(24)为逆时针棘轮；

棘轮Ⅰ(25)与轴Ⅰ(20)固定连接，棘轮Ⅰ(25)外沿对称设置有数个棘爪Ⅰ(2501)，棘爪Ⅰ(2501)通过转动范围有限的弹性体与棘轮Ⅰ(25)连接，棘爪Ⅰ(2501)的可摆动方向为顺时针方向；齿轮Ⅱ(11)内沿设置有一圈内部轮齿Ⅱ(1101)，棘爪Ⅰ(2501)的端部与内部轮齿Ⅱ(1101)构成啮合结构；

棘轮Ⅱ(24)与轴Ⅰ(20)固定连接，棘轮Ⅱ(24)外沿对称设置有数个棘爪Ⅱ(2401)，棘爪Ⅱ(2401)通过转动范围有限的弹性体与棘轮Ⅱ(24)连接，棘爪Ⅱ(2401)的可摆动方向为顺时针方向；齿轮Ⅲ(12)内沿设置有一圈内部轮齿Ⅲ(1201)，棘爪Ⅱ(2401)的端部与内部轮齿Ⅲ(1201)构成啮合结构。

6.按照权利要求1至5任一项所述的一种基于齿轮齿条机构的减速顶能量回收装置，其特征在于：所述发电机(19)通过DC/DC变换器连接有超级电容。