CN110912452B - 一种列车轮系监测系统用压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种列车轮系监测系统用压电发电机，属新能源技术领域。车架上装有壳体和带转盘的轮轴，转盘上均布有主磁铁；框架侧壁上设有安装面，销轴两端分别固定在壳体的上下壁上，销轴上套有支撑簧、激励器和缓冲簧，激励器将缓冲簧和支撑簧分别压接在壳体的上壁和下壁上；激励器上设有一组凸轮及凸台，凸台上装有副磁铁，主磁铁与副磁铁构成磁力副，凸轮面由依次相连的底面、斜面和顶面构成；自由端设有基板翻边的压电振子装在框架的安装面上，压电振子由等厚的基板和压电片粘接而成，基板翻边顶靠在凸轮面上；非工作时，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用值的一半；支撑簧和缓冲簧被压死时基板翻边分别与凸轮的顶面和底面保持接触。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种列车轮系监测系统用压电发电机。
背景技术
铁路列车及地铁等轨道交通运输系统承载着国民经济命脉，而轨道车辆轮对是确保轨道车辆安全运行的关键。以往，轨道车辆轮对等关键运转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。限于传感监测系统的能源供应问题，目前实际中依然普遍采用非实时的、间接的测量方法，即将传感监测系统至于路基之上，不随车体移动或不随轮轴转动。为解决轮对实时监测系统的供电问题、实现真正意义上的在线监测，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。现有的各种压电发电装置的共同特点是通过轴向激励发电的、且工作中压电晶片承受交变的拉压应力，故不适于轴向空间受限的场合、拉应力过大时会破裂损毁。
发明内容
本发明提出一种列车轮系监测系统用压电发电机，本发明采用的实施方案是：车架上经轴承安装有轮轴、经螺钉安装有壳体，轮轴的端部经螺钉安装有转盘，转盘的轴孔套在轮轴的端部并经螺钉固定，转盘的盘缘上经螺钉均布地安装有扇形的主磁铁，两个圆周方向相邻的主磁铁间的夹角小于主磁铁自身两条侧边间的夹角；框架的侧壁上设有倾斜的安装面，安装面与侧壁间的锐角大于30度；销轴的两端分别固定在壳体的上壁和下壁上，销轴上自下而上依次套有支撑簧、激励器和缓冲簧，激励器将缓冲簧和支撑簧分别压接在壳体的上壁和下壁上；激励器上设有一组凸轮、凸台及导孔，导孔套在销轴上，凸台上经螺钉安装有副磁铁；凸轮为移动凸轮，凸轮面由依次相连的底面、斜面和顶面构成，底面与顶面间的距离为凸轮升程，底面与斜面间构成的锐角为凸轮升角，凸轮升角为30～50度；主磁铁与副磁铁径向正对安装构成磁力副，主磁铁与副磁铁间的作用力为排斥力或吸引力。
自由端设有基板翻边的压电振子经螺钉和压条安装在框架的安装面上，压电振子由等厚的基板和压电片粘接而成，基板靠近激励器安装，基板翻边顶靠在凸轮面上；非工作时，即主副磁铁间无相互作用力时，基板翻边与凸轮的斜面中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用值的一半，压电振子的许用变形量大于凸轮升程；压电振子安装前的自然状态下为平直或预弯结构；安装前为预弯结构时，基板预弯半径小于压电片预弯半径，压电振子的预弯半径即基板与压电片粘接面的预弯半径为
压电振子安装前为平直结构且固定端两层都被夹持时，其许用变形量为
上述公式中：l和h分别为压电振子的悬臂长度和总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。
随着转盘转动，磁力副中的主磁铁和副磁铁间的距离及相互作用力交替地变化，从而迫使激励器与框架间的相对位置发生变化，压电振子产生往复的弯曲变形并将机械能转换成电能；具体过程为：①基板翻边离开平衡位置并沿凸轮的斜面上升时，压电振子变形量逐渐增加；基板翻边与凸轮的顶面接触时，压电振子变形量达最大、不再随基板翻边的继续移动而增加；②基板翻边离开平衡位置并沿凸轮的斜面下降时，压电振子变形量逐渐减小；基板翻边与凸轮的底面接触时，压电振子的变形量达最小、不再随基板翻边的继续移动而降低；支撑簧被压死时基板翻边与凸轮的顶面保持接触，缓冲簧被压死时基板翻边与凸轮的底面保持接触。本发明中，激励器同步激励多组压电振子，发电能力强；压电振子最大变形小于凸轮升程且压电片仅受压应力，可靠性高；发电机振动响应特性易于通过相关弹簧调整，故环境适应性强、频带宽。
优势与特色：激励器同步激励多个压电振子，发电机振动响应特性易于通过相关弹簧刚度及系统质量调节，故发电能力强、有效频带宽；压电振子单向弯曲变形且变形量可控，其最大变形都小于凸轮的升程、故发电能力强、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中转盘的结构示意图；
图3是图2的右视图；
图4是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图；
图5是本发明一个较佳实施例中壳体的结构示意图。
具体实施方式
车架X上经轴承安装有轮轴Y、经螺钉安装有壳体a，轮轴Y的端部经螺钉安装有转盘c，转盘c的轴孔套在轮轴Y的端部并经螺钉固定，转盘c的盘缘上经螺钉均布地安装有扇形的主磁铁n，两个圆周方向相邻的主磁铁n间的夹角c2小于主磁铁n自身两条侧边间的夹角c1；框架a的侧壁a1上设有倾斜的安装面a4，安装面a4与侧壁a1间的锐角a5大于30度；销轴b的两端分别固定在壳体a的上壁a2和下壁a3上，销轴b上自下而上依次套有支撑簧k1、激励器f和缓冲簧k2，激励器f将缓冲簧k2和支撑簧k1分别压接在壳体a的上壁a2和下壁a3上；激励器f左侧设有一组凸轮f0、右侧上方设有凸台f4、中间设有导孔f5，导孔f5套在销轴b上，凸台f4上经螺钉安装有副磁铁m；凸轮f0为移动凸轮，凸轮f0的凸轮面由依次相连的底面f1、斜面f2和顶面f3构成，底面f1与顶面f3间的距离为凸轮升程，底面f1与斜面f2间所构成的锐角为凸轮升角，凸轮升角为30～50度；主磁铁n与副磁铁m径向正对安装构成磁力副，主磁铁n与副磁铁m间的作用力为排斥力或吸引力。
压电振子d经螺钉和压条e安装在框架a的安装面a4上，压电振子d为由等厚的基板d1和压电片d2粘接而成的悬臂梁结构，压电振子d自由端设有基板翻边，基板d1靠近激励器f安装，基板翻边顶靠在凸轮面上；非工作时基板翻边与凸轮f0的斜面f2的中点接触，压电振子d安装产生的预弯变形量为其许用值的一半，压电振子d的许用变形量大于凸轮升程；压电振子d安装前的自然状态下为平直或预弯结构；安装前为预弯结构时，基板d1的预弯半径小于压电片d2的预弯半径，压电振子d的预弯半径即基板d1与压电片d2粘接面的预弯半径为
压电振子d安装前为平直结构且固定端两层都被夹持时，其许用变形量为
上述公式中：l和h分别为压电振子d的悬臂长度和总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。
随着转盘c转动，磁力副中的主磁铁和副磁铁间的距离及相互作用力交替地变化，从而迫使激励器f与框架a间的相对位置发生变化，压电振子d产生往复的弯曲变形并将机械能转换成电能；具体过程为：①基板翻边离开平衡位置并沿凸轮f0的斜面f2上升时，压电振子d变形量逐渐增加；基板翻边与凸轮f0的顶面f3接触时，压电振子d的变形量达最大、不再随基板翻边的继续移动而增加；②基板翻边离开平衡位置并沿凸轮f0的斜面f2下降时，压电振子d变形量逐渐减小；基板翻边与凸轮f0的底面f1接触时，压电振子d的变形量达最小、不再随基板翻边的继续移动而降低；支撑簧k1被压死时基板翻边与凸轮f0的顶面f3保持接触，缓冲簧k2被压死时基板翻边与凸轮f0的底面f1保持接触。本发明中，激励器f同步激励多组压电振子d，发电能力强；压电振子d的最大变形小于凸轮升程且压电片d2仅承受压应力，可靠性高；发电机的振动响应特性易于通过相关弹簧加以调整，故环境适应性强、频带宽。
Claims (1)
1.一种列车轮系监测系统用压电发电机，其特征在于：车架上装有轮轴和壳体,轮轴端部装有转盘,转盘的盘缘上均布地安装有扇形的主磁铁，两个圆周方向相邻的主磁铁间的夹角小于主磁铁自身两条侧边间的夹角；框架的侧壁上设有倾斜的安装面；销轴两端分别固定在壳体的上壁和下壁上，销轴上自下而上依次套有支撑簧、激励器和缓冲簧，激励器将缓冲簧和支撑簧分别压接在壳体的上壁和下壁上；激励器上设有一组凸轮、凸台及导孔，导孔套在销轴上，凸台上装有副磁铁，主磁铁与副磁铁构成磁力副；凸轮面由依次相连的底面、斜面和顶面构成，底面与顶面间的距离为凸轮升程，底面与斜面间构成的锐角为凸轮升角，凸轮升角为30～50度；自由端设有基板翻边的压电振子装在框架的安装面上，压电振子由等厚的基板和压电片粘接而成，基板靠近激励器安装，基板翻边顶靠在凸轮面上；非工作时，基板翻边与凸轮的斜面中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用值的一半，压电振子的许用变形量大于凸轮升程；支撑簧被压死时基板翻边与凸轮的顶面保持接触，缓冲簧被压死时基板翻边与凸轮的底面保持接触。
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN202718711U (zh) * | 2012-09-01 | 2013-02-06 | 浙江师范大学 | 用于油气管道监测系统的发电装置 |
| CN103023375A (zh) * | 2012-10-31 | 2013-04-03 | 南京航空航天大学 | 一种高效率压电发电装置 |
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| CN103023375A (zh) * | 2012-10-31 | 2013-04-03 | 南京航空航天大学 | 一种高效率压电发电装置 |
| CN107332463A (zh) * | 2017-08-17 | 2017-11-07 | 浙江师范大学 | 一种新型列车轴承监测系统用发电机 |
| CN107395051A (zh) * | 2017-08-17 | 2017-11-24 | 浙江师范大学 | 一种铁路列车轴承监测系统用发电机 |
| CN109067249A (zh) * | 2018-09-29 | 2018-12-21 | 扬州大学 | 一种水力压电发电装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Study on a piezo-disk energy harvester excited by rotary magnets;Junwu Kan 等;《Energy》;20170112;第62-69页 * |
| 磁铁夹持式压电俘能器输出性能分析与试验;阚君武 等;《振动工程学报》;20190228;第80-86页 * |
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