CN111041899B - 基于磁致伸缩材料的智能发电轨道板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁致伸缩材料的智能发电轨道板，所述轨道板包括用于固定钢轨的轨下垫板，轨下垫板下方设置有磁致伸缩发电装置；所述磁致伸缩发电装置包括磁致伸缩棒，磁致伸缩棒外周设置有感应线圈，钢轨的振动影响磁致伸缩棒，使感应线圈产生感应电动势，从而将振动能量转换为电能。本发明利用磁致伸缩材料的逆效应实现振动能量转换，同时利用钢丝绳的摩擦阻尼实现轨道结构的再次减振，两种减振系统的共同作用使得该结构的减振频率宽，减振效果好。磁致伸缩材料在实现轨道结构减振的同时，完成了振动能量的收集，并将振动信号转换为电信号，可实现轨道结构振动的无源监测。

Description

基于磁致伸缩材料的智能发电轨道板

技术领域

本发明涉及智能轨道技术领域，具体涉及一种基于磁致伸缩材料的智能发电轨道板。

背景技术

随着我国城市化进展的不断加快和城市经济水平的不断提升，我国高速铁路及城市、城际轨道交通都得以快速发展。轨道交通在给人们生活带来便利的同时，其引起的振动与噪声也成为不可忽视的问题，尤其对于城市轨道交通。城市轨道一般采用地下隧道或高架线路穿越城市，距离建筑物较近，当地铁车辆通过时，轮轨相互作用使钢轨及车轮产生振动的同时且向外辐射噪声，振动逐渐向周围土体或建筑物中传播，对周围环境影响较大。目前已有较多的关于轨道结构减振降噪的研究，主要减振方式有阻尼钢轨、钢轨减振器、减振扣件、弹性轨枕、浮置板轨道等。

授权发明专利CN 106283963 A提出了一种通过杠杆的轨道减振装置。该装置杠杆的短边与钢轨底部相连，长端与减振终端相连，列车通过时钢轨振动带动短端及长端运动，长端的减振终端对该端振动位移进行衰减，从而减小短端及轨道的振动。公开发明专利CN109137640 A提出在轨道两个相邻扣件间安装由弹性体及配重块组成的减振单元，通过调整减振单元的质量并利用配重块的震颤作用，使得轨道减振装置的特征频率与钢轨特征频率相匹配，从而达到降低钢轨振动和噪声的目的。公开发明专利CN 108360309 A公开了一种设置有浮置铁垫板的双头螺栓加强型减振扣件，通过浮置铁垫板减小扣件系统的减振刚度，从而使扣件既能具有较高的减振性能，其减振刚度可根据轨道线路要求进行微调。授权发明专利CN 208379347 U发明了一种硫化一体成型由承轨板、安装基板和橡胶组成的轨道减振器，该减振器替代原有扣件系统铁垫板，增加轨道系统弹性，同时提高横向刚度。公开发明专利 CN 110318304 A发明了一种异形断面减振降噪阻尼钢轨，将轨头、轨底及轨腰围合区域形成中空墙体，在墙体中填充阻尼材料，通过阻尼材料耗散轨道结构的振动能量，从而达到减振效果。

由于车轮及钢轨无法达到理论上的完全光滑，轨道交通运营时产生的振动无法完全避免，目前仅能通过采取一些措施减小振动对环境造成的污染，那么我们是否能够对这种振动加以利用，变废为宝呢。随着社会的进步以及科学技术的发展，传统的化石能源已经难以满足人类对于能源的需要，人们开始研究新型能源的开发。目前太阳能，风能、水能的开发技术都较为成熟，而与轨道交通相关的振动能量的收集使用还处在初级阶段。

针对振动能量转换为电能的方式，目前主要有静电式、磁电式与压电式三大类。静电式能量收集是采用可变电容原理，当振动激励作用于静电式俘能器时，俘能器两电极之间会产生相对运动进而造成电容中电压或束缚电荷的变化，进而将机械能转化为电能。磁电式电能收集是基于法拉第电磁感应原理，利用振动带动永磁铁与电感线圈相对运动，电感线圈之中会产生相应的感应电流，此时部分振动能转换为电能。压电式俘能器是利用振动过程中的机械能来驱动压电材料变形，在压电材料两个相对表面出现正负相反电荷，产生电动势，从而实现能量转换。

授权发明专利CN 106341055 A 发明了一种由压电悬臂梁及质量块组成的振动能量收集器，悬臂梁包括横向设置的主梁、多个纵向设置的第一副梁及多个纵向设置的第二副梁，利用振动时压电悬臂梁的变形产生电能。公开发明专利CN 109428514 A提出了一种包括悬臂梁、设于悬臂梁的自由端的质量块、设于所述悬臂梁表面压电层以及悬臂梁自由端上方阻挡块的振动能量收集器，当悬臂梁自由端振动位移超过质量块与阻挡块之间的位移时，压电层变形从而产生电能。授权发明专利CN 105846711 A发明了一种包括变间距式可变电容结构以及偏置电压生成装置组成的静电式振动能量采集器，变间距式可变电容结构包括固定基板和运动极板，偏置电压可在固定极板与运动极板之间形成固定电场。

磁致伸缩材料本身具有非常优秀的压磁特性，其磁致伸缩系数很大，是Fe，Ni等传统材料的几十倍，是压电陶瓷的3到5倍；能量转换率高达49%~56%；能量密度大，是压电陶瓷的12~38倍；由于磁致伸缩时间较短，比压电材料更为敏感，在较小振幅下可产生更高的电压；工作频带宽。由于磁致伸缩材料的这些特性，它特别适合振动能量收集，可输出更大的能量密度。同时，相比于传统传感器，采用磁致伸缩材料制成的传感器，具有精度高、可靠性好、测量范围大、环境因素影响小、便于系统自动化和安装维护简便等特点。

针对轨道结构减振，目前已经提出了许多的实施方案，但这些方案存在着一些问题，这些问题大致可以归纳为以下几点：

（1）减振频率有限

现有减振结构的减振频率大多受材料固有频率影响较大，如现在采用较为普遍的钢弹簧浮置板轨道，其在直线段和曲线段的显著减振频率范围分布为25 Hz～200 Hz和40Hz～200 Hz，而在6.3 Hz～16 Hz表现出振动放大现象，其低频段的减振效果要低于高频段的减振效果。

（2）环境敏感性高

现有减振结构除钢弹簧浮置板外，多采用弹性材料增加轨道结构的弹性及阻尼，从而耗散部分振动能量。如公开发明专利CN 109137640 A在轨道两个相邻扣件间安装弹性体增加钢轨的阻尼，从而达到减振降噪的效果，授权发明专利CN 208379347 U也是主要是通过减振器中的橡胶达到减振效果。减振所用弹性材料多为橡胶等高分子材料，该类材料温度敏感性较高，随环境温度变化其性能变化较大，且材料耐久性较差。

（3）无法智能监测

目前的减振结构均只能做到减振降噪的效果，无法做到智能监测。若想对轨道结构状态及减振效果进行监测，均需要外接传感器，同时多数传感器还需连接供电设备，操作复杂，轨道上铺设线路较多。

针对振动发电，目前已经提出了一些实施方案，但这些方案大致存在以下问题：

（1）工作频带较窄

由于传统振动能量收集器通常采用线性振动结构，其工作频率为一固定谐振频率点，因此当振动频率偏离谐振频率较大时，其能量转换效果显著降低，因此其工作频带较窄。授权发明专利CN 106341055 A虽然通过设置多个第一副梁和第二副梁，增加了振动能量采集器的工作带宽，但其工作频率仍然受到结构本身谐振频率的影响，工作带宽有限。而轨道结构振动分布频率较宽，从几赫兹到上千赫兹，因此现有振动发电装置对于轨道振动适用性较差。

（2）对大冲击荷载适应性较差

现有振动发电装置多采用压电材料来设计制作，具有体积小，便于集成化的优点，然而压电振动发电装置在大冲击荷载的环境下适应能力较差。而轨道结构由于车辆的高速行驶，及轨道结构不平顺的存在，车辆通过瞬间将产生较大的轮轨冲击力，因此现有基于压电的振动发电装置不太适用于轨道结构振动能量采集。

（3）能量输出密度小

电磁式振动发电装置输出电压较小，压电式和静电式的输出电压相对较高，相比而言更适合振动换能。然而无论是压电式、静电式还是电磁式的振动发电装置，其能量输出密度都比较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁致伸缩材料的智能发电轨道板，减振并收集轨道结构振动能量，实现轨道结构振动状态的无源监测，克服现有技术存在的缺陷。

本发明所采用的技术方案为：

基于磁致伸缩材料的智能发电轨道板，其特征在于：

所述轨道板包括用于固定钢轨的轨下垫板，轨下垫板下方设置有磁致伸缩发电装置；

所述磁致伸缩发电装置包括磁致伸缩棒，磁致伸缩棒外周设置有感应线圈，钢轨的振动影响磁致伸缩棒，使感应线圈产生感应电动势，从而将振动能量转换为电能。

磁致伸缩发电装置下方设置有钢丝绳减振器。

磁致伸缩棒外设置有用于保护的套壳。

钢丝绳减振器下方设置有枕上垫板，枕上垫板与轨下垫板之间设置有浮动轴组件。

所述浮动轴组件包括轴承和浮动轴；

枕上垫板顶面和轨下垫板底面对应设置有轴承，轴承位置的枕上垫板和轨下垫板均设置开孔，浮动轴配合上下轴承并从枕上垫板和轨下垫板的开孔中穿出。

钢轨位于轨下垫板表面，两侧通过扣压件固定，

磁致伸缩发电装置在钢轨下方中线纵向成列布置。

磁致伸缩发电装置下方的钢丝绳减振器具有两列纵向的钢丝线圈，在磁致伸缩发电装置两侧对称布置。

浮动轴组件在钢轨两侧对称布置。

浮动轴外侧的轨下垫板表面设置有挡块。

本发明具有以下优点：

本发明利用磁致伸缩材料的逆效应实现振动能量转换，同时利用钢丝绳的摩擦阻尼实现轨道结构的再次减振，两种减振系统的共同作用使得该结构的减振频率宽，减振效果好。磁致伸缩材料在实现轨道结构减振的同时，完成了振动能量的收集，并将振动信号转换为电信号，可实现轨道结构振动的无源监测。

附图说明

图1为本发明立面图。

图2为本发明侧面图。

图中，1-钢轨、2-扣压件、3-轨下垫板、4-挡块、5-磁致伸缩棒、6-感应线圈、7-钢丝绳减振器、8-浮动轴、9-枕上垫板、10-轴承、11-套壳。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种基于磁致伸缩材料的智能发电轨道板，所述轨道板包括用于固定钢轨1的轨下垫板3，轨下垫板3下方设置有磁致伸缩发电装置；所述磁致伸缩发电装置包括磁致伸缩棒5，磁致伸缩棒5外周设置有感应线圈6，钢轨1的振动影响磁致伸缩棒5，使感应线圈6产生感应电动势，从而将振动能量转换为电能。磁致伸缩棒5外设置有用于保护的套壳11。

磁致伸缩发电装置下方设置有钢丝绳减振器7。钢丝绳减振器7下方设置有枕上垫板9，枕上垫板9与轨下垫板3之间设置有浮动轴组件。所述浮动轴组件包括轴承10和浮动轴8；枕上垫板9顶面和轨下垫板3底面对应设置有轴承10，轴承10位置的枕上垫板9和轨下垫板3均设置开孔，浮动轴8配合上下轴承10并从枕上垫板9和轨下垫板3的开孔中穿出。

钢轨1位于轨下垫板3表面，两侧通过扣压件2固定，磁致伸缩发电装置在钢轨1下方中线纵向成列布置。磁致伸缩发电装置下方的钢丝绳减振器7具有两列纵向的钢丝线圈，在磁致伸缩发电装置两侧对称布置。浮动轴组件在钢轨1两侧对称布置。浮动轴8外侧的轨下垫板3表面设置有挡块4。

上述结构中：

所述扣压件2主要用于固定钢轨1在轨道结构上。

所述轨下垫板3主要用于给钢轨1提供基础支撑面。

所述挡块4位于轨下垫板3上，主要用于限制钢轨1横向位移，增加钢轨1的横向稳定性。

所述磁致伸缩棒5与感应线圈6形成磁致伸缩发电装置，在荷载作用下，钢轨1产生振动，磁致伸缩棒5受到振动影响，内部产生偏置磁场和交变磁场，由于磁场变化而引起磁通密度改变，根据法拉第电磁感应原理，感应线圈6中产生感应电动势，从而将振动能量转换为电能，通过能量转换，实现轨道结构的减振，同时将实现了振动能量的收集。由该原理可知，由于磁致伸缩发电装置可以实现振动信号到电信号的转换，因此可以通过电信号了解轨道结构的振动状态，从而实现轨道结构振动状态的无源监测。

所述钢丝绳减振器7，当轨道结构振动时会带动钢丝绳的振动，钢丝绳减振器产生动态位移，钢丝绳内部各股之间和股内各丝之间会产生摩擦阻尼，从而削弱振动的影响，实现轨道结构的减振。

所述浮动轴8通过轴承10连接枕上垫板9及轨下垫板3，为磁致伸缩发电装置及钢丝绳减振器7提供工作空间，并将钢轨1与轨道板连接成整体。

所述套壳11主要用于保护磁致伸缩棒5，并将磁致伸缩发电装置固定于钢丝绳减振器7上。

本发明的技术方案具有以下特点：

（1）利用磁致伸缩材料的逆效应，将轨道结构的振动能转换为电能，实现部分减振功能；

（2）利用钢丝绳减振器具有渐软的非线性刚度特性及绳股之间摩擦产生的非线性阻尼，实现轨道结构的部分减振功能；

（3）利用磁致伸缩材料及钢丝绳共同减振，拓宽了减振频率，使在整个振动频率区间均有较好的减振效果；

（4）采用磁致伸缩材料与感应线圈，将轨道结构的振动能转换为电能，实现了轨道振动能量的采集。

（5）通过磁致伸缩材料，将轨道结构的振动信号转换为电信号，实现了轨道结构振动的无源监测。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.基于磁致伸缩材料的智能发电轨道板，其特征在于：

所述轨道板包括用于固定钢轨(1)的轨下垫板(3)，轨下垫板(3)下方设置有磁致伸缩发电装置；

所述磁致伸缩发电装置包括磁致伸缩棒(5)，磁致伸缩棒(5)外设置有用于保护的套壳(11)，并设置有感应线圈(6)，钢轨(1)的振动影响磁致伸缩棒(5)，使感应线圈(6)产生感应电动势，从而将振动能量转换为电能；

磁致伸缩发电装置下方设置有钢丝绳减振器(7)，钢丝绳减振器(7)具有两列纵向的钢丝线圈，在磁致伸缩发电装置两侧对称布置，钢丝线圈顶部与套壳(11)底部之间设置有支撑板；

钢丝绳减振器(7)下方设置有枕上垫板(9)，枕上垫板(9)与轨下垫板(3)之间设置有浮动轴组件；

所述浮动轴组件包括轴承(10)和浮动轴(8)；枕上垫板(9)顶面和轨下垫板(3)底面对应设置有轴承(10)，轴承(10)位置的枕上垫板(9)和轨下垫板(3)均设置开孔，浮动轴(8)配合上下轴承(10)并从枕上垫板(9)和轨下垫板(3)的开孔中穿出；

钢轨(1)位于轨下垫板(3)表面，两侧通过扣压件(2)固定，磁致伸缩发电装置在钢轨(1)下方中线纵向成列布置。

2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的智能发电轨道板，其特征在于：浮动轴组件在钢轨(1)两侧对称布置。

3.根据权利要求2所述的基于磁致伸缩材料的智能发电轨道板，其特征在于：浮动轴(8)外侧的轨下垫板(3)表面设置有挡块(4)。

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