CN112663407B - 一种减振发电的智能粗颗粒 - Google Patents

Abstract

一种减振发电的智能粗颗粒，粗颗粒从外到内依次包括混凝土外壳、钢壳、若干压电减振俘能器及电能收集转化结构，压电减振俘能器两端分别与钢壳及电能收集转化结构相抵，用于将混凝土外壳及钢壳的应力转化为电力，电能收集转化结构将电力转化为稳定的电能并储存。本发明在保证强度和刚度的前提下，通过3D打印技术打印出混凝土外壳，接收外部结构的振动力量，利用压电效应，结合内部的压电减振俘能器、能量转化器和储能元件进行振动能量到电能的收集、转化与存储，不仅能直接减小外部结构的动应力，延长其使用寿命，还能利用压电材料将共振子振动能转化为电能，可实现变废为宝，是一种绿色能源。

Description

一种减振发电的智能粗颗粒

技术领域

本发明涉及一种减振发电的智能粗颗粒。

背景技术

在有砟铁路中，随着列车速度的提升和轴重的增加，道砟需要承受轨枕传来更大的振动能量，而道砟刚度大，动应变较小，消耗的能量较小，道砟减振效果不明显，传递到道床的振动能量就较大，也加快了道砟破碎速率，另外道砟受到的振动能量也无法收集利用。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有装置的不足，提供一种减振发电的智能粗颗粒，具有通过3D打印技术的混凝土外壳，利用压电效应，内部结构将振动能量转换为电能收集存储，尤其适用于有砟铁路的道砟。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种减振发电的智能粗颗粒，粗颗粒从外到内依次包括混凝土外壳、钢壳、若干压电减振俘能器及电能收集转化结构，压电减振俘能器两端分别与钢壳及电能收集转化结构相抵，用于将混凝土外壳及钢壳的应力转化为电力，电能收集转化结构将电力转化为稳定的电能并储存。混凝土外壳通过3D打印技术制造，外轮廓根据使用场景选择，内部具有平滑或圆滑的空腔，钢壳轮廓与空腔相匹配，更好的传递振动应力。

作为优选，所述压电减振俘能器包括位于两侧的金属端帽，两个金属端帽外侧分别与钢壳及电能收集转化结构相抵，内侧分别设有陶瓷保护层，两个陶瓷保护层之间设有若干片两侧设有电极层涂料的压电陶瓷。压电减振俘能器的各层结构间通过强力型粘结剂粘结在一起，电极层涂料通过导线连接到电能收集转化结构的收集电路两端。

作为优选，所述金属端帽向外呈球面状，内部呈空腔结构，增加压电减振俘能器转化效率，端帽可以采用黄铜材质。

作为优选，所述压电陶瓷的数量为三片，电极层涂料的数量为四层。

作为优选，所述电能收集转化结构包括呈多面体的高刚度钢架，高刚度钢架表面设有若干俘能器连接块，高刚度钢架内部设有通过能量转化器固定框固定的能量转化器以及通过储能元件固定框固定的储能元件。高刚度钢架用于保护内部结构，俘能器连接块与金属端帽相接，压电减振俘能器产生的电能先到能量转化器进行转化再储存到储能元件中。

作为优选，所述能量转化器包括整流桥及滤波电容，整流桥将压电减振俘能器产生的交流电压转化为直流电压，再通过滤波电容将杂波滤去，最后将稳定的电能有效存储。

作为优选，所述储能元件为超级电容、镍氢电池或锂离子电池中的一种。

作为优选，所述钢壳呈球形，所述压电减振俘能器数量为六个，所述高刚度钢架呈正方体，每个面上设有一个俘能器连接块。此设计为较优的一种方案，高刚度钢架也可以是长方体或其他多面体结构，钢壳形状及压电减振俘能器数量作相应调整。

作为优选，所述粗颗粒用于有砟铁路中的道砟。

本发明的有益效果在于：1、本发明在保证强度和刚度的前提下，通过3D打印技术打印出混凝土外壳，接收外部结构的振动力量，利用压电效应，结合内部的压电减振俘能器、能量转化器和储能元件进行振动能量到电能的收集、转化与存储，不仅能直接减小外部结构的动应力，延长其使用寿命，还能利用压电材料将共振子振动能转化为电能，可实现变废为宝，是一种绿色能源；

2、本发明的四部分构成结构可单独生产，最后拼装成体，实现规模化生产和施工。

3、尤其适用于有砟铁路中的道砟，能够消耗列车经过而从轨枕传来的振动能量，提高减振效果，降低传递到道床的振动能量，延长有砟铁路的使用寿命，并且产生可利用的电能。

附图说明

图1是本发明的剖视图；

图2是本发明中混凝土外壳的局部示意图；

图3是本发明中压电减振俘能器的主视图；

图4是本发明中电能收集转化结构的立体图；

图5是本发明压电收集储能电路图。

图中主要元件符号说明：1、混凝土外壳；2、钢壳；3、压电减振俘能器；3.1、金属端帽；3.2、陶瓷保护层；3.3、电极层涂料；3.4、压电陶瓷；4、电能收集转化结构；4.1、高刚度钢架；4.2、俘能器连接块；4.3、能量转化器固定框；4.4、能量转化器；4.5、储能元件固定框；4.6、储能元件。

具体实施方式

下面通过具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。

实施例一：如图1所示，一种减振发电的智能粗颗粒，用途例如有砟铁路中的道砟。粗颗粒从外到内依次包括混凝土外壳1、钢壳2、若干压电减振俘能器3及电能收集转化结构4，压电减振俘能器3两端分别与钢壳2及电能收集转化结构4相抵，用于将混凝土外壳1及钢壳2的应力转化为电力，电能收集转化结构4将电力转化为稳定的电能并储存。

结合图2所示，混凝土外壳1通过3D打印技术制造组装，外轮廓根据使用场景选择，如用作道砟，则打印的尺寸与普通道砟大小尺寸接近，强度和刚度满足普通道砟要求，内部具有平滑或圆滑的空腔。

结合图3所示，压电减振俘能器3包括位于两侧的金属端帽3.1，两个金属端帽3.1外侧分别与钢壳2及电能收集转化结构4相抵，内侧分别设有陶瓷保护层3.2，两个陶瓷保护层3.2之间设有若干片两侧设有电极层涂料3.3的压电陶瓷3.4。其中，金属端帽3.1向外呈球面状，内部呈空腔结构，材质为黄铜。作为一种优选的方案，采用压电陶瓷3.4的数量为三片，电极层涂料3.3的数量为四层。

结合图4所示，电能收集转化结构4包括呈多面体的高刚度钢架4.1，高刚度钢架4.1表面设有若干俘能器连接块4.2，高刚度钢架4.1内部设有通过能量转化器固定框4.3固定的能量转化器4.4以及通过储能元件固定框4.5固定的储能元件4.6。其中，能量转化器4.4包括整流桥及滤波电容，储能元件4.6为超级电容、镍氢电池或锂离子电池中的一种。

结合图5所示，本发明压电收集储能的原理是：压电减振俘能器3产生的电能首先通过能量转化器4.4里的整流桥将交流电压转化为直流电压，再通过滤波电容将杂波滤去，最后将稳定的电能有效的存储在储能元件4.6内。

需要注意的是，在本实施例中，钢壳2呈球形，压电减振俘能器3数量为六个，高刚度钢架4.1呈正方体，每个面上设有一个俘能器连接块4.2并对应连接一个压电减振俘能器3。

实施例二：与实施例一的区别在于，钢壳2及高刚度钢架4.1的形状，压电减振俘能器3的数量可以根据不同的使用场景进行相应的调整。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (6)

1.一种减振发电的智能粗颗粒，其特征在于：粗颗粒从外到内依次包括混凝土外壳（1）、钢壳（2）、若干压电减振俘能器（3）及电能收集转化结构（4），压电减振俘能器（3）两端分别与钢壳（2）及电能收集转化结构（4）相抵，用于将混凝土外壳（1）及钢壳（2）的应力转化为电力，电能收集转化结构（4）将电力转化为稳定的电能并储存；

所述压电减振俘能器（3）包括位于两侧的金属端帽（3.1），两个金属端帽（3.1）外侧分别与钢壳（2）及电能收集转化结构（4）相抵，内侧分别设有陶瓷保护层（3.2），两个陶瓷保护层（3.2）之间设有若干片两侧设有电极层涂料（3.3）的压电陶瓷（3.4）；

所述电能收集转化结构（4）包括呈多面体的高刚度钢架（4.1），高刚度钢架（4.1）表面设有若干俘能器连接块（4.2），高刚度钢架（4.1）内部设有通过能量转化器固定框（4.3）固定的能量转化器（4.4）以及通过储能元件固定框（4.5）固定的储能元件（4.6）；

粗颗粒用于有砟铁路中的道砟。

2.根据权利要求1所述的一种减振发电的智能粗颗粒，其特征在于：所述金属端帽（3.1）向外呈球面状，内部呈空腔结构。

3.根据权利要求2所述的一种减振发电的智能粗颗粒，其特征在于：所述压电陶瓷（3.4）的数量为三片，电极层涂料（3.3）的数量为四层。

4.根据权利要求1所述的一种减振发电的智能粗颗粒，其特征在于：所述能量转化器（4.4）包括整流桥及滤波电容。

5.根据权利要求1所述的一种减振发电的智能粗颗粒，其特征在于：所述储能元件（4.6）为超级电容、镍氢电池或锂离子电池中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种减振发电的智能粗颗粒，其特征在于：所述钢壳（2）呈球形，所述压电减振俘能器（3）数量为六个，所述高刚度钢架（4.1）呈正方体，每个面上设有一个俘能器连接块（4.2）。

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