CN111365206A - 一种基于能量回收的减振装置和系统以及列车 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于能量回收的减振装置和系统以及列车，包括U形双齿组件、传动组件、安装板组件和直流发电机，传动组件包括主动轴、设置在主动轴两端的第一齿轮、通过单向轴承设置在主动轴中部的第二齿轮，安装板组件包括下底板以及安装在下底板左右两侧的安装板，主动轴可转动的设置在安装板上，下底板可滑动的设置在U形双齿组件的底面上，U形双齿组件的两支臂上设置有齿条，齿条与所述第一齿轮啮合，当U形双齿组件与下底板产生相对滑动时，齿条带动第一齿轮发生转动，第二齿轮与直流发电机的输入端相连接。本发明提高了减振装置的结构强度，避免其因偏心受力而发生失稳，从而提高能量回收减振装置的工作效率以及使用寿命。

Description

一种基于能量回收的减振装置和系统以及列车

技术领域

本发明涉及减振装置领域，特别是涉及一种基于能量回收的减振装置及系统。

背景技术

目前，多数车辆使用的减振器主要考虑隔振和能量耗散两个方面。现有减振器主要将机械振动能量通过摩擦或其他方式转化为热能耗散在空气，无法对这一过程中的机械能进行回收利用，造成能源浪费。而现有货运列车有许多不配备电力系统，这为开展货运列车安全状态监测带来了极大挑战。货运铁路轨道状态一般较客运铁路状态差，在运营过程中列车的振动更为剧烈。将货运列车运行过程中振动能量转化为电能，并用于监测设备供电。这样既可以解决能源供应短缺问题，又可以实现能源的高效清洁利用，达到节能减排的效果。

调研结果显示，在汽车交通领域已有振动能量回收的减振器见诸报道。如授权发明专利CN 108386330 B公开了一种利用齿条与齿轮组相互配合，将直线振动转化为齿轮组的旋转运动，进而驱动直流电机将机械能转化为电能。授权发明专利CN 106763400 B公开了一种类似的利用齿轮与齿条组合，实现能量收集的减振装置。除了采用齿条与齿轮组进行传动外，还有利用流体如液压油或者空气来进行能量传递的案例被报道。申请公开专利CN 109004727 A公布了一种利用液压传动的具有能量回收的减振器装置。该装置将柱塞缸连接在车桥与车架之间，将柱塞缸上下油腔通过软管分别与齿轮泵的出油口和进油口相连，利用振动条件下柱塞缸内液压油的流动驱动齿轮泵，进而带动所连接的直流电机发电。授权专利CN 106438275 B则使用气体的可压缩特性来实现减振效果，并利用压缩空气驱动涡轮增压器，实现能量的再次利用。

由于货运列车运营区域范围较大，环境温度会发生急剧变化，这对流体介质工作性能将会产生很大影响，此外连接管也是流体传动装置的一个薄弱环节，材料老化以及疲劳荷载等因素易导致管路泄露，影响系统的可靠性。因此现有技术中利用流体进行能量传递的减振器并不适用于货运列车。

齿条齿轮组合式的能量回收减振装置受外界环境因素较小，适用于货运列车的应用，比如申请号为CN201710171674.1的发明专利公开了铁路货车振动发电装置，装置采用齿轮齿条机构，置于转向架摇枕内，将摇枕的振动转化为发电机的转动。此装置为单边齿条齿轮，在货车运动过程中承受横向冲击力和弯矩，尤其是重载铁路货车的动态冲击荷载作用下，极易发生弯曲和断裂，从而严重影响能量回收减振装置的工作效率以及使用寿命。

另外还有针对于铁路货车的特点，利用丝杆和丝母的配合进行运动转换的案例，如申请号为CN201810498301.X的发明专利申请公开了一种铁路货车振动发电装置，包括换向机构、变速装置以及振动发电机，换向机构的动力输入端与枕簧对应，枕簧用于将其垂直振动力传递至换向机构，换向机构用于将枕簧传递来的垂直振动力转换为旋转运动并输出至变速装置，最终通过发电机发电。申请号为CN201820768730.X的实用新型专利为上述系统的具体换向机构。换向机构主要包括换向丝杠和换向丝母，通过将换向丝杠在作用力驱动下的竖向移动转换为换向丝母的旋转运动并输出，从而实现了对铁路货车中枕簧垂向振动力的转换。上述发电装置通过丝杆螺母-复位弹簧机构，将枕簧的直线运动转化为螺母的旋转运动，进而带动变速器和发电机。枕簧与换向丝杠接触时限制了丝杆的转动，使丝杆只能直线运动，从而与丝杆配合的螺母做旋转运动；当枕簧与丝杠脱离后，枕簧对丝杠的旋转限制力消失，换向丝杠在复位弹簧的作用下，在旋转的同时向下移动，此时螺母保持不动。枕簧与丝杆的反复接触脱离过程会产生动态的冲击回复力，加剧了系统的损耗，从而使能量回收的效率降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于能量回收的减振装置和系统以及列车，使结构具有更强的抗弯刚度，避免因偏心受力而发生失稳，从而提高能量回收减振装置的工作效率以及使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于能量回收的减振装置，包括U形双齿组件、传动组件、安装板组件和直流发电机，所述传动组件包括主动轴、设置在所述主动轴两端的第一齿轮、通过单向轴承设置在所述主动轴中部的第二齿轮，所述安装板组件包括下底板以及安装在下底板左右两侧的安装板，所述主动轴可转动的设置在所述安装板上，所述下底板可滑动的设置在所述U形双齿组件的底面上，所述U形双齿组件的两支臂上设置有齿条，所述齿条与所述第一齿轮啮合，当所述U形双齿组件与所述下底板产生相对滑动时，所述齿条带动所述第一齿轮发生转动，所述第二齿轮与所述直流发电机的输入端相连接。

优选地，所述主动轴包括主动左轴和主动右轴，所述主动左轴和所述主动右轴通过滑环连接，所述第二齿轮包括左锥齿轮和右锥齿轮，所述左锥齿轮通过左单向轴承设置在所述主动左轴上，所述右锥齿轮通过右单向轴承设置在所述主动右轴上，所述左单向轴承和所述右单向轴承设置为相同工作方向，所述第二齿轮与所述直流发电机之间设置有减速器，所述减速器的中心轴端部固定连接有第三锥齿轮，所述第三锥齿轮同时与所述左锥齿轮和所述右锥齿轮啮合。

优选地，所述第一齿轮设置在所述安装板外侧，所述第二齿轮设置在所述安装板内侧。

优选地，所述U形双齿组件包括底部连接板和竖直且对称设置在所述底部连接板上的带齿肋板，所述底部连接板内侧设置有滑块，所述下底板外侧设置有直线滑轨，所述直线滑轨的上下两端分别设置限位挡块。

优选地，所述安装板组件还包括安装在下底板上且与两个所述安装板相接的减速器安装板，所述减速器安装在所述减速器安装板上。

优选地，所述安装板组件还包括上底板，所述上底板与所述安装板、所述减速器安装板连接并与所述下底板相对设置。

优选地，所述底部连接板一端设置有上耳环，所述下底板上设置有上耳环反向设置的下耳环，所述下耳环位于所述底部连接板的另一端。

优选地，所述主动轴端部、所述减速器中心轴端部均设置有齿轮压块，所述齿轮压块对所述第一齿轮、所述第三锥齿轮限位。

本发明提供一种基于能量回收的减振系统，包括基于能量回收的减振装置、直流升压模块和超级电容能量存储模块，所述基于能量回收的减振装置通过直流发电机转动过程中所提供的阻力矩进行减振，同时直流发电机将机械能转换为电能，所述直流升压模块对所述直流发电机产生的不稳定电信号进行滤波和升压处理，所述超级电容能量存储模块储存和调配电能。

本发明提供一种列车，包括基于能量回收的减振系统，列车转向架的侧架及摇枕分别通过连接结构与所述U形双齿组件和所述下底板连接，列车产生振动时，所述侧架和所述摇枕产生相对位移，带动所述U形双齿组件和所述下底板产生相对滑动。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明通过设置U形双齿组件，使U形双齿组件支臂上的两条齿条分别于主动轴两端的齿轮相啮合的形式，提高了减振装置的结构强度，避免因偏心受力而发生失稳，提高能量回收减振装置的工作效率以及使用寿命。

2、本发明通过设置主动左轴和主动右轴通过滑环相连，左锥齿轮通过左单向轴承和主动左轴相连，右锥齿轮通过右单向轴承和主动右轴相连，并且将左单向轴承和右单向轴承的工作方向设置为同向的方式，使得主动轴两端的第一齿轮顺时针或者逆时针转动都可以通过左锥齿轮或右锥齿轮中的一个传递至第三锥齿轮，实现了双向传递；左右对称的结构，可抵消单侧锥齿轮的轴向冲力，并提高转动轴的抗弯能力。

3、通过采用锥齿轮啮合的形式，将振动的线性运动转化为减速器中心轴的定向转动，实现了振动方向和减速器中心轴轴向相同，缩减了装置的径向尺寸，更加适合铁路货车的悬挂系统尺寸参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于能量回收的减振装置内部结构示意图；

图2为传动组件结构示意图；

图3为齿条向上移动时力的传递示意图；

图4为齿条向下移动时力的传递示意图；

图5为滑块与直线滑轨装配示意图；

图6为安装板组件结构示意图；

图7为U形双齿组件结构示意图；

图8为基于能量回收的减振装置罩壳示意图；

其中，10-U形双齿组件，11-底部连接板；12-带齿肋板，13-滑块，20-传动组件，21-第一齿轮，22-主动左轴，23-主动右轴，24-左单向轴承，25-左锥齿轮，26-右单向轴承，27-右锥齿轮，28-滑环，29-齿轮压块一，30-安装板组件，31-下底板，32-安装板，33-减速器安装板，34-上底板，35-直线滑轨，36-限位挡块，41-直流发电机，42-减速器，43-第三锥齿轮，44-齿轮压块二，51-上耳环，52-下耳环，53-上罩，54-下罩。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于能量回收的减振装置和系统以及列车，使结构具有更强的抗弯刚度，不易因偏心受力而发生失稳，从而提高能量回收减振装置的工作效率以及使用寿命。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-8。

实施例一

本实施例提供一种基于能量回收的减振装置，如图1所示，包括U形双齿组件10、传动组件20、安装板组件30和直流发电机41。如图1和图2所示，传动组件20包括主动轴、设置在主动轴两端的第一齿轮21和通过单向轴承设置在主动轴中部的第二齿轮。安装板组件30包括下底板31以及安装在下底板31左右两侧的两块安装板32，主动轴可转动的设置在安装板32上，U形双齿组件10可滑动的连接在下底板31上，U形双齿组件10的两支臂上设置有齿条，齿条与第一齿轮21啮合。齿条可以设置在两支臂的顶端也可以设置在两支臂的侧面上，只要齿条能够与第一齿轮啮合即可，本实施例中优选将齿条设置在两支臂的顶端。当U形双齿组件10与下底板31产生相对滑动时，齿条带动第一齿轮发生转动，直流发电机的输入端通过链传动、齿轮传动或其它能够实现动力传递的连接方式与第二齿轮相连，从而将动力传递到直流发电机。通过设置U形双齿组件10，使U形双齿组件10支臂上的两条齿条分别于主动轴两端的第一齿轮21相啮合的形式，提高了减振装置的结构强度，避免因偏心受力而发生失稳，提高能量回收减振装置的工作效率以及使用寿命。

作为优选，如图2所示，本实施例中主动轴包括主动左轴22和主动右轴23，一个第一齿轮21安装在主动左轴22的左端，另一个第一齿轮21安装在主动右轴23的右端。第二齿轮包括左锥齿轮25和右锥齿轮27，左锥齿轮25通过左单向轴承24安装在主动左轴22上，右锥齿轮27通过右单向轴承26安装在主动右轴23上，主动左轴22与主动右轴23的内侧轴端通过滑环28相连。通过滑环28将主动左轴22和主动右轴23连接为一个整体，从而提高了主动轴的抗侧弯能力。主动左轴22的左端部和主动右轴23的右端部均设置有齿轮压块一29，用于对第一齿轮21进行限位。

在传动组件20中，左单向轴承24和右单向轴承26设置为相同的工作方向。例如：当U形双齿组件向上移动时，如图3所示，从装置的左侧看，主动左轴22上的第一齿轮21顺时针转动，左单向轴承24在该方向锁死，从而带动左锥齿轮25顺时针转动，左锥齿轮25与第三锥齿轮43啮合，使第三锥齿轮43顺时针转动(俯视)。而当U形双齿组件向下移动时，如图4所示，从装置的右侧看，主动右轴23上的第一齿轮21顺时针转动，右单向轴承26在该方向锁死，从而带动右锥齿轮27顺时针转动，右锥齿轮27与第三锥齿轮43啮合，使第三锥齿轮43顺时针转动(俯视)。左单向轴承24和右单向轴承26也可以同时设置为与上述过程中相反的转动方向。通过上述过程，实现了无论U形双齿组件10向上移动还是向下移动，均能驱动第三锥齿轮43朝同一方向转动，从而实现了振动过程中产生的双向力均能够被有效传递、利用，提高了能量的转化效率。

优选地，本实施例中，安装板32上设置有通孔，主动左轴22和主动右轴23分别穿过通孔，并且主动左轴22和主动右轴23相对于安装板32均能够转动。第一齿轮21设置在安装板32的外侧，左锥齿轮25和右锥齿轮27设置在安装板32的内侧，U形双齿组件10两支臂上设置的齿条与第一齿轮21相啮合。

优选地，本实施例中，U形双齿组件10和安装板组件30之间的相对滑动还可以通过以下结构实现：下底板外侧设置有直线滑轨35，滑轨35的截面为T型，底部连接板内侧设置有滑块13，滑块13开设有滑槽，滑槽的截面形状与滑轨35的截面形状相同，滑块13可沿直线滑轨35上下滑动，但在其它方向被限位。在直线滑轨35的上下两端分别设置限位挡块36，限位挡块36能够限制滑块13的滑动空间，如图5所示。

作为一个优选实施方式，如图7所示，U形双齿组件10由底部连接板11和位于底部连接板11两侧的带齿肋板12装配而成，该装配结构使U形双齿组件的生产更加简单。

优选地，如图1和图6所示，安装板组件30还包括减速器安装板33和上底板34，减速器安装板33安装在下底板31上并与两块安装板32的端部相接，上底板34与两块安装板32、减速器安装板33相连。下底板31、安装板32、减速器安装板33以及上底板34共同构成一个稳定框架结构，提高安装板32的承载力。

优选地，本实施例中直流发电机与减速器42相连，减速器42安装在减速器安装板33上，减速器42的中心轴端部设置有第三锥齿轮43，减速器42的中心轴端部设置有齿轮压块二44，用于对第三锥齿轮43进行限位。第三锥齿轮43与左锥齿轮25、右锥齿轮27啮合。优选地，减速器42采用行星齿轮减速器，行星齿轮减速器通过行星齿轮组的配合实现转动速度的调整，以实现与发电机性能的最佳匹配，从而实现最大效率的电能转化。

优选地，本实施例中在底部连接板11上方设置上耳环51，下底板31下方设置下耳环52，上耳环51和下耳环52分别与列车转向架的侧架和摇枕通过销栓连接，也可以通过其它连接件连接。

优选地，本实施例中基于能量回收的减振装置还包括上罩53和下罩54，下罩54设置在减速器42和直流发电机41外侧，与下底板31相连。上罩53设置在传动组件20外侧，与底部连接板11相连。上罩53和下罩54共同对传动组件20、减速器42和直流发电机41进行保护。

本发明的工作原理为：列车在行驶时，会产生较为剧烈的振动，此时，侧架与摇枕之间的相对位移会带动上耳环51和下耳环52以及与其相连的结构进行相对运动，振动产生的直线运动经传动组件20转化为旋转运动，再通过左锥齿轮25或右锥齿轮27传递到第三锥齿轮43，第三锥齿轮带动减速器42中心轴旋转，转动经减速器再传递到直流发电机，从而将机械能转换成电能。同时，通过直流发电机在旋转过程中产生的阻力矩实现减振的功能。

实施例二

本实施例提供一种基于能量回收的减振系统，包括实施例一中的基于能量回收的减振装置，还包括直流升压模块和超级电容能量存储模块。能量回收减振装置通过直流发电机转动过程中所提供的阻力矩进行减振，同时直流发电机将机械能转换为电能，直流升压模块对直流发电机产生的不稳定电信号进行滤波和升压处理，超级电容能量存储模块储存和调配电能。

实施例三

本实施例提供一种列车，包括实施例二中的基于能量回收的减振系统，其中基于能量回收的减振装置与列车转向架的侧架和摇枕相连。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于能量回收的减振装置，其特征在于：包括U形双齿组件、传动组件、安装板组件和直流发电机，所述传动组件包括主动轴、设置在所述主动轴两端的第一齿轮、通过单向轴承设置在所述主动轴中部的第二齿轮，所述安装板组件包括下底板以及安装在下底板左右两侧的安装板，所述主动轴可转动的设置在所述安装板上，所述下底板可滑动的设置在所述U形双齿组件的底面上，所述U形双齿组件的两支臂上设置有齿条，所述齿条与所述第一齿轮啮合，当所述U形双齿组件与所述下底板产生相对滑动时，所述齿条带动所述第一齿轮发生转动，所述第二齿轮与所述直流发电机的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量回收的减振装置，其特征在于：所述主动轴包括主动左轴和主动右轴，所述主动左轴和所述主动右轴通过滑环连接，所述第二齿轮包括左锥齿轮和右锥齿轮，所述左锥齿轮通过左单向轴承设置在所述主动左轴上，所述右锥齿轮通过右单向轴承设置在所述主动右轴上，所述左单向轴承和所述右单向轴承设置为相同工作方向，所述第二齿轮与所述直流发电机之间设置有减速器，所述减速器的中心轴端部固定连接有第三锥齿轮，所述第三锥齿轮同时与所述左锥齿轮和所述右锥齿轮啮合。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于能量回收的减振装置，其特征在于：所述第一齿轮设置在所述安装板外侧，所述第二齿轮设置在所述安装板内侧。

4.根据权利要求3所述的一种基于能量回收的减振装置，其特征在于：所述U形双齿组件包括底部连接板和竖直且对称设置在所述底部连接板上的带齿肋板，所述底部连接板内侧设置有滑块，所述下底板外侧设置有直线滑轨，所述直线滑轨的上下两端分别设置限位挡块。

5.根据权利要求2所述的一种基于能量回收的减振装置，其特征在于：所述安装板组件还包括安装在下底板上且与两个所述安装板相接的减速器安装板，所述减速器安装在所述减速器安装板上。

6.根据权利要求5所述的一种基于能量回收的减振装置，其特征在于：所述安装板组件还包括上底板，所述上底板与所述安装板、所述减速器安装板连接并与所述下底板相对设置。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于能量回收的减振装置，其特征在于：所述底部连接板一端设置有上耳环，所述下底板上设置有上耳环反向设置的下耳环，所述下耳环位于所述底部连接板的另一端。

8.根据权利要求2所述的一种基于能量回收的减振装置，其特征在于：所述主动轴端部、所述减速器中心轴端部均设置有齿轮压块，所述齿轮压块对所述第一齿轮、所述第三锥齿轮限位。

9.一种基于能量回收的减振系统，其特征在于：包括如权利要求1-8任一项所述的基于能量回收的减振装置、直流升压模块和超级电容能量存储模块，所述基于能量回收的减振装置通过直流发电机转动过程中所提供的阻力矩进行减振，同时直流发电机将机械能转换为电能，所述直流升压模块对所述直流发电机产生的不稳定电信号进行滤波和升压处理，所述超级电容能量存储模块储存和调配电能。

10.一种列车，其特征在于：包括如权利要求9所述的基于能量回收的减振系统，列车转向架的侧架及摇枕分别通过连接结构与所述U形双齿组件和所述下底板连接，列车产生振动时，所述侧架和所述摇枕产生相对位移，带动所述U形双齿组件和所述下底板产生相对滑动。

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