CN113162468B - 一种橡胶混凝土道床用压电俘能装置及俘能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种橡胶混凝土道床用压电俘能装置及俘能方法，该俘能装置由球型俘能器和柱型俘能器串联而成的元胞结构进行轴向周期性排布而成。所述的球型俘能器由空心橡胶球体和空腔内部的多层压电异形梁组成，每层压电异形梁以环向等角度均匀排布。所述的柱型俘能器由橡胶套筒、电极和压电层组成，其中，电极与压电层进行轴向周期性排布组成柱型俘能器的主体结构。本发明中利用橡胶的吸收能量的特性，将压电俘能器设置在橡胶混凝土道床内部，相比设置在普通混凝土道床中具有更好的俘能效果，且俘能器外表面被空心橡胶球体和橡胶套筒组成的橡胶包覆层所包裹，保证了其与道床的交界面是橡胶‑混凝土特征，能量俘获更加稳定长久。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通减振和压电俘能领域，具体是一种橡胶混凝土道床用压电俘能装置及俘能方法。
背景技术
近年来，随着城市的发展，轨道交通路网逐渐密集，不可避免会下穿居民建筑物等一些振动敏感区域，这也对轨道交通减振提出更高要求。
橡胶混凝土(Crumb rubber Concrete，CRC)是一种水泥基复合材料，以混凝土为基材并均匀掺入非连续的橡胶粉或橡胶颗粒，其性能介于传统水泥混凝士与沥青混凝土之间，也称为橡胶改性混凝土或弹性混凝土。橡胶混凝土的抗压强度于相对普通混凝土有一定的降低，其抗压强度和抗折强度与橡胶微粒的粒径大小掺量及胶粉表面的粗糙程度有关的，可通过加入添加剂来增强橡胶混凝土的强度，得到高强橡胶混凝土。橡胶混凝土的阻尼相比普通混凝土有显著提高，弹性模量和基频随橡胶掺量的增加而降低，较低的弹性模量可以使得道床在相同荷载下产生更大的变形，更有利于能量俘获。
橡胶混凝土道床成本低，可以作为整条线路使用的基础减振措施进行应用，从而降低全线的振动影响水平，且在轨道交通运营期间，对列车运行环境的长期监测有助于人们了解线路运营状况，保障行车安全，而压电换能器是解决监测传感器的能源供给问题的有效、环境友好的途径，故这种橡胶混凝土道床用压电俘能器装置具有很广泛的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种橡胶混凝土道床用压电俘能器装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种橡胶混凝土道床用压电俘能装置，所述压电俘能装置铅垂向埋入道床内部，单个压电俘能装置由球型俘能器和柱型俘能器串联而成的元胞结构进行轴向周期性排布而成；
所述的球型俘能器外形为圆球状，球体上、下两级削平便于与柱型俘能器串联连接；
所述的球型俘能器由空心橡胶球体和空腔内部的多层压电异形梁组成，相邻两层之间梁体交错排列，每层压电异形梁以环向等角度均匀排布；
所述压电异形梁包括第一电极、第一压电层，梁体和质量球，
所述空心橡胶球体，其下表面与柱型俘能器的上表面相平齐，内部有空腔，用于安装俘能元件；
所述梁体外端穿过空心橡胶球体与道床内部混凝土相连接，梁体内端与质量球相连，为自由端；
所述第一压电层黏贴在梁体上、下两侧；
所述第一电极黏贴在第一压电层外侧；
所述的柱型俘能器包括橡胶套筒、第二电极和第二压电层，其中，所述第二电极与第二压电层进行轴向周期性排布组成柱型俘能器的主体结构；
所述的橡胶套筒套设在所述柱型俘能器主体结构外部。
所述空心橡胶球体的内径为46mm，外径为50mm，厚度为2mm。
所述梁体厚度为1mm，宽度为5mm，材料为钢。
所述第一压电层厚度为0.5mm，宽度为5mm，材料为带聚酯片的PVDF压电薄膜。
所述第一电极厚度为1mm，宽度为5mm，材料为铜。
所述质量球为实心球体，直径为7mm，材料为铅。
所述橡胶套筒内径为26mm，外径为30mm，高度为30mm，材料为橡胶。
所述第二电极为实心圆柱结构，直径为26mm，厚度为2mm，材料为铜。
所述第二压电层为实心圆柱结构，直径为26mm，厚度为3mm，材料为压电陶瓷。
本发明进一步公开了一种基于所述橡胶混凝土道床用压电俘能装置的俘能方法，沿橡胶混凝土道床横向等间距排布多列压电俘能装置，沿橡胶混凝土道床纵向等间距排布多列所述压电俘能装置，上部列车荷载作用下，道床产生振动，振动通过梁体传递到球型俘能器的空腔内部，梁体的内端的质量球起到振动放大的作用，因此梁体会产生一定的弯曲变形；而与梁体上、下表面贴合的第一压电层随梁体产生相应的弯曲变形，故第一压电层中压电材料会依据d31模态进行俘能，产生电能，电能会随第一电极传递到外部加以利用；
此外，柱型俘能器中的第二压电层会在上部列车荷载下产生应力和相应的应变，第二压电层中的压电材料会依据d33模态进行俘能，产生电能，电能会随第二电极传递到外部加以利用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）本技术方案中的橡胶混凝土道床采用的材料为废弃轮胎橡胶，总体成本较低，道床内部橡胶材料的使用明显提高了轨道结构的减振性能。
2）本技术方案中的橡胶混凝土道床用压电俘能装置预制在道床内部，可将聚集在橡胶混凝土道床内的振动能量转换为电能，实现了能量的俘获，进一步耗散了轨道系统的振动能量，并且实现了地铁系统内监测传感器的自供电。
3）本发明将橡胶混凝土道床与压电俘能装置结合，在实现轨道交通减振的同时为监测传感器解决了供能问题，具有广泛的应用前景。本发明实现了能量循环利用，传感器的自供电，因此可实现长期监测，从而保障运营安全，同时实现减振。
附图说明
图1为本发明在道床内部布置方案示意图；
图2为本发明俘能装置的结构示意图；
图3为本发明球型俘能器俯视图。
图4为本发明球型俘能器内部构造图。
图5为柱型俘能器构造示意图；
其中，1、球型俘能器，2、柱型俘能器，3、空心橡胶球体，4、第一电极，5、第一压电层，6、梁体，7、质量球；8、橡胶套筒，9、第二电极，10、第二压电层，11、橡胶混凝土道床，12、俘能装置。
具体实施方式
如图1所示，为本发明在道床内部布置方案示意图，所述道床是橡胶混凝土道床，即在道床浇筑混凝土过程中添加进去经过表面改性的橡胶颗粒，得到较高阻尼比和较低弹性模量的橡胶混凝土道床。所述的橡胶颗粒的粒径为3-5mm，含量为3%-15%。采用的材料为弹性模量在2~4*1010Pa，泊松比为0.4~0.47，密度为1200~1400kg﹒m-3的橡胶材料。
所述道床横向宽度3.5m，纵向长度2m，道床顶面距地面最低处0.6m。因列车荷载是竖向加载到道床结构上，故所述压电俘能装置铅垂向埋入道床内部，俘能效率更高。
本实施例中，压电俘能装置横向排布间距为0.65m，排布3列，纵向间距为0.4m，排布4列。依据道床内部几何限界，俘能装置在轴向由6~7组俘能元胞结构不等排列。
如图2所示，一种橡胶混凝土道床用压电俘能装置，单个压电俘能装置由球型俘能器和柱型俘能器串联而成的元胞结构进行轴向周期性排布而成；
所述的球型俘能器外形为圆球状，球体上、下两级削平便于与柱型俘能器串联连接；
所述的球型俘能器由空心橡胶球体3和空腔内部的多层压电异形梁组成，相邻两层之间梁体交错排列，每层压电异形梁以环向等角度均匀排布；
所述压电异形梁包括第一电极4、第一压电层5，梁体6和质量球7，
所述空心橡胶球体3，其下表面与柱型俘能器的上表面相平齐，内部有空腔，用于安装俘能元件；
所述梁体6外端穿过空心橡胶球体3与道床内部混凝土相连接，梁体6内端与质量球7相连，为自由端；
所述第一压电层5黏贴在梁体6上、下两侧；
所述第一电极4黏贴在第一压电层5外侧；
所述的柱型俘能器包括橡胶套筒8、第二电极9和第二压电层10，其中，所述第二电极9与第二压电层10进行轴向周期性排布组成柱型俘能器的主体结构；
所述的橡胶套筒8套设在所述柱型俘能器主体结构外部。
一种橡胶混凝土道床用压电俘能器装置，其俘能过程如下：上部列车荷载作用下，道床产生振动，振动依据梁体6传递到球型俘能器1的空腔内部，梁体6的内端的质量球7起到振动放大的作用，因此梁体6会产生一定的弯曲变形。而与梁体6上下表面贴合的第一压电层5随梁体产生相应的弯曲变形，故第一压电层中压电材料PVDF会依据d31模态进行俘能，产生电能，电能会随第一电极4传递到外部加以利用。
此外，柱型俘能器2中的第二压电层10会在上部列车荷载下产生应力和相应的应变，第二压电层中的压电陶瓷会依据d33模态进行俘能，产生电能，电能会随第二电极9传递到外部加以利用。
优选的，图3为本发明球型俘能器俯视图，可知相邻两层之间梁体交错排列，避免质量球在上下振动过程中产生撞击。每层压电异形梁以环向等角度均匀排布，此实例中角度为90度。
优选的，图4为本发明球型俘能器内部构造图。梁体6材料为钢，第一压电层5材料为PVDF，第一电极4材料为铜。空心橡胶球体3外壳为橡胶材料，质量球7材料为铅。
如图5为柱型俘能器构造示意图。第二电极9材料为铜。第二压电层10主体材料为压电陶瓷。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种橡胶混凝土道床用压电俘能装置，所述压电俘能装置铅垂向埋入道床内部，其特征在于，单个压电俘能装置由球型俘能器（1）和柱型俘能器（2）串联而成的元胞结构进行轴向周期性排布而成；
所述的球型俘能器（1）外形为圆球状，球体上、下两级削平便于与柱型俘能器（2）串联连接；
所述的球型俘能器（1）由空心橡胶球体（3）和空腔内部的多层压电异形梁组成，相邻两层之间梁体交错排列，每层压电异形梁以环向等角度均匀排布；
所述压电异形梁包括第一电极（4）、第一压电层（5），梁体（6）和质量球（7），
所述空心橡胶球体（3），其下表面与柱型俘能器（2）的上表面相平齐，内部有空腔，用于安装俘能元件；
所述梁体（6）外端穿过空心橡胶球体（3）与道床内部混凝土相连接，梁体（6）内端与质量球（7）相连，为自由端；
所述第一压电层（5）黏贴在梁体（6）上、下两侧；
所述第一电极（4）黏贴在第一压电层（5）外侧；
所述的柱型俘能器（2）包括橡胶套筒（8）、第二电极（9）和第二压电层（10），其中，所述第二电极（9）与第二压电层（10）进行轴向周期性排布组成柱型俘能器（2）的主体结构；
所述的橡胶套筒（8）套设在所述柱型俘能器（2）主体结构外部。
2.根据权利要求1所述的橡胶混凝土道床用压电俘能装置，其特征在于，所述空心橡胶球体（3）的内径为46mm，外径为50mm，厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述的橡胶混凝土道床用压电俘能装置，其特征在于，所述梁体（6）厚度为1mm，宽度为5mm，材料为钢。
4.根据权利要求1所述的橡胶混凝土道床用压电俘能装置，其特征在于，所述第一压电层（5）厚度为0.5mm，宽度为5mm，材料为带聚酯片的PVDF压电薄膜。
5.根据权利要求1所述的橡胶混凝土道床用压电俘能装置，其特征在于，所述第一电极（4）厚度为1mm，宽度为5mm，材料为铜。
6.根据权利要求1所述的橡胶混凝土道床用压电俘能装置，其特征在于，所述质量球（7）为实心球体，直径为7mm，材料为铅。
7.根据权利要求1所述的橡胶混凝土道床用压电俘能装置，其特征在于，所述橡胶套筒（8）内径为26mm，外径为30mm，高度为30mm，材料为橡胶。
8.根据权利要求1所述的橡胶混凝土道床用压电俘能装置，其特征在于，所述第二电极（9）为实心圆柱结构，直径为26mm，厚度为2mm，材料为铜。
9.根据权利要求1所述的橡胶混凝土道床用压电俘能装置，其特征在于，所述第二压电层（10）为实心圆柱结构，直径为26mm，厚度为3mm，材料为压电陶瓷。
10.基于权利要求1~9中任一所述橡胶混凝土道床用压电俘能装置的俘能方法，其特征在于，沿橡胶混凝土道床横向等间距排布多列压电俘能装置，沿橡胶混凝土道床纵向等间距排布多列所述压电俘能装置，上部列车荷载作用下，道床产生振动，振动通过梁体（6）传递到球型俘能器（1）的空腔内部，梁体（6）的内端的质量球（7）起到振动放大的作用，因此梁体（6）会产生一定的弯曲变形；而与梁体（6）上、下表面贴合的第一压电层（5）随梁体产生相应的弯曲变形，故第一压电层中压电材料会依据d31模态进行俘能，产生电能，电能会随第一电极（4）传递到外部加以利用；
此外，柱型俘能器（2）中的第二压电层（10）会在上部列车荷载下产生应力和相应的应变，第二压电层中的压电材料会依据d33模态进行俘能，产生电能，电能会随第二电极（9）传递到外部加以利用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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