CN115378298A - 一种俘置板用减振俘能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种浮置板用减振俘能装置,属于压电俘能技术领域。本发明包括吸振层、传力层、压电能量转化层、异质应力放大层、减振吸能柱以及承压体,吸振层、压电能量转化层以及异质应力放大层为圆盘型结构,承压体为半球形壳体结构,吸振层的下表面与传力层连接,传力层与压电能量转化层的上表面连接,压电能量转化层的下表面与异质应力放大层的上表面粘接,异质应力放大层的下表面与减振吸能柱顶部粘接,减振吸能柱的底部与承压体的底部相粘接。本发明提供的俘置板用减振俘能装置可以有效减少列车在轨道上行驶所产生的振动,而且还能够有效减少城市轨道交通设施的电池更换频率和电力供给压力,提高了隧道轨道交通运行的安全性和经济性。
Description
技术领域
本发明属于压电俘能技术领域,具体涉及一种俘置板用减振俘能装置。
背景技术
近年来,随着各地经济的不断发展、各地城市基础设施建设速度不断加快,各地城市内交通运输需求也不断增长。城市轨道因其运量大、速度快、安全可靠、到达时间准确,已成为城市现代化大背景下各城市解决交通拥挤、噪声和大气污染的一项可行性强、方案成熟度高的可靠选择。但伴随轨道交通运输需求及运营里程的不断扩大,城市轨道运行时引起的振动问题对周围环境的影响也越来越大。目前处理振动问题的措施主要由缓冲减振和隔离减振这两个方面的措施组成,第一种措施是隔离减振,通常是把道床与结构基础用弹性体整体隔离,来处理车辆运行带来的振动,另一种则是在轨道上部钢轨、扣件和轨枕等结构中采用弹性体材料来缓冲和衰减车辆运行传来的振动。后一种减振措施现实中采用较多,但减振效果往往不足,需要进一步改进。
此外,城市轨道交通的运营环境大都深处地下,结构安全和运营流畅性要求较高,需要完整、全面的监测传感体系,来保证地铁运营始终处于安全、快速及流畅的使用环境。但监测传感器网络节点通常需要外部电能的持续输入,当遭遇突发情况失去外部电能输入时,传感器易处于宕机状态;当采用电池供能时,宕机概率较小,但传感器的生命周期严重依赖于其内部电池使用时长,且运营期间电池更换及废旧电池处理费时费力、对环境友好程度较低。而压电材料PZT-5H作为一种在受压时可产生电能的材料,显然可在城市轨道交通运营这种具有周期性大荷载的环境下产生稳定且能量大小客观的电流,为电池功能型传感器中的电池提供电能来源,进而减少电池更换频率。故应当开发一种新技术,使PZT-5H与城市轨道中结构物结合起来,实现功能多样化。
发明内容
针对上述所提到的技术问题,本发明提供了一种能够削减振动并可进行俘能的装置,在减少城市轨道中列车运行产生的振动的基础上,能够利用列车运行时产生的周期性荷载产生电能并将其提供给隧道中的需电装置和设施或将能量储存起来。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种俘置板用减振俘能装置,包括吸振层、传力层、压电能量转化层、异质应力放大层、减振吸能柱以及承压体,所述吸振层、压电能量转化层以及异质应力放大层为圆盘型结构,所述承压体为半球形壳体结构,所述吸振层的下表面与所述传力层连接,所述传力层与所述压电能量转化层的上表面连接,所述压电能量转化层的下表面与所述异质应力放大层的上表面连接,所述异质应力放大层的下表面与所述减振吸能柱顶部连接,所述减振吸能柱的底部与所述承压体的底部连接,所述吸振层与所述压电能量转化层通过第一限位环进行连接,所述压电能量转化层与异质应力放大层以及承压体通过第二限位环进行连接。
进一步的,所述第一限位环与第二限位环内部设置有环形凸起。
进一步的,所述吸振层采用高分子橡胶材料制成。
进一步的,所述传力层由若干个弹簧组成,所述弹簧均匀分布在所述吸振层与压电能量转化层之间。
进一步的,所述传力层的下表面与所述压电能量转化层的上表面设置有限位槽,所述弹簧设置于所述限位槽内。
进一步的,所述压电能量转化层为采用PZT-5H材料制成的压电片,并且在所述压电能量转化层的上下表面连接有导线。
进一步的,异质应力放大层的上表面设置有圆柱状凸起,所述异质应力放大层的下表面的边缘处设置有圆环状凸起,所述异质应力放大层的下表面中心与所述减振吸能柱连接。
进一步的,所述减振吸能柱包括空心圆柱体和设于所述空心圆柱体轴向的金属保护层,所述空心圆柱体内设置有支撑弹簧和充满有高压气体。
进一步的,所述承压体底部设置有平台,所述减振吸能柱设置在所述平台上,且所述承压体表面设置有防锈层。
与现有技术相比,本发明所具有的有益效果如下:
1,通过在浮置板的下表面设置包含利用高分子橡胶材料制成的吸振层、弹簧结构的传力层以及内部设置有支撑弹簧和充满高压气体的减振吸能柱制成的减振俘能装置,可以利用三者具有高阻尼的特性有效减少列车在浮置板道床上行进时产生的振动,减少因轨道交通振动所造成的环境污染。
2,通过设置利用PZT-5H材料制成的压电能量转换层,可以使其在受到列车与俘置板荷载时产生电能,并将产生的电能传递给城市轨道中监测传感元器件或者储能元件,可有效减少城市轨道交通设施中监测传感元器件电池更换频率和电力供给压力,减少宕机概率,提高隧道内轨道交通运行的安全性和经济性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图;
图2是本发明的爆炸结构示意图;
图3是本发明的异质应力放大层上表面结构示意图;
图4是本发明的异质应力放大层下表面结构示意图;
图5是本发明的减振吸能柱的结构示意图;
图6是本发明的减振吸能柱的剖面结构示意图;
图7是本发明的承压体结构示意图;
图8是本发明的压电能量转化层上表面的结构示意图;
图9是本发明的传力层下表面的结构示意图;
图中:1吸振层,2传力层,20弹簧,3压电能量转化层,30限位槽,4异质应力放大层,40圆柱状凸起,41圆环状凸起,5减振吸能柱,50空心圆柱体,51金属保护壳,52支撑弹簧,6承压体,60平台,7第一限位环,70环形凸起,8第二限位环。
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,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,都属于本发明的保护范围。
参照图1-9所示,本发明提供了一种俘置板用减振俘能装置,包括吸振层1、传力层2、压电能量转化层3、异质应力放大层4、减振吸能柱5以及承压体6,吸振层1、压电能量转化层3以及异质应力放大层4均为圆盘型结构,传力层2为弹簧结构,承压体6为半球形壳体结构;吸振层1的上表面与列车轨道俘置板道床的下表面黏接在一起,具体方式可以采用注浆方式进行黏接,吸振层1的下表面与传力层2连接,传力层2与压电能量转化层3的上表面连接,压电能量转化层3的下表面与异质应力放大层4的上表面粘接,异质应力放大层 4的下表面与减振吸能柱5顶部粘接,减振吸能柱5的底部与承压体6的底部相粘接,承压体底部设置有平台60,减振吸能柱焊接在平台60上。吸振层1为采用高分子橡胶材料制成,其厚度可以根据实际需要进行设计,以达到最优减振俘能效果,在本实施例中,吸振层1采用聚氨酯材料制成,其厚度为30mm;传力层2由若干个弹簧20组成,弹簧20均匀分布在所述吸振层1与压电能量转化层3之间,在本实施例中,弹簧20的数量具有三个,并且三个弹簧的位置分别位于一形心与吸振层1及压电能量转化层3中心对齐的等边三角形顶点上,弹簧20的中心与等边三角形顶点对齐,弹簧20为采用高强度金属制成的短型弹簧;压电能量转化层3采用PZT-5H材料制成的压电片,在其上下表面设置有可以传输电能的导线,压电片内部所产生的电荷可通过导线输送到外部用电元件或储能元件中,具体安装导线时,可将导线用锡电极与压电片进行焊接;压电能量转化层3的厚度和半径可根据实际需要进行选定,本实施例中,由PZT-5H制成的圆形压电片其半径为200mm,厚度为30mm,压电能量转化层3 产生的电能可由有限元数值模拟得出。
异质应力放大层4采用橡胶材料制成,所谓异质是指表面不平整的意思,其上表面设置有圆柱状凸起40,下表面边缘处设置有不连续的圆环状凸起41,圆环状凸起41用于与承压体6的边缘连接,异质力放大层4的下表面中心处与减振吸能柱5连接。通过在异质力放大层4的上下表面设置凸起结构,可以使放置在异质力放大层4上方的压电能量转化层3受到挤压时其内部的受到更大的力,因为,异质力放大层4表面的凸起可以使压电能量转化层3 与异质力放大层4的接触面积变小,在压电能量转化层3内部受到的荷载不变的情况下,接触面积变小,其内部所产生的应力变大,从而可以使其产生更多电能。压电能量转化层3受压且根据d33模式进行俘能,并依据压电能量转化层3的压电材料的正压电效应产生电能,d33的工作模式是应力方向与极化方向相同,适用于压电片被积压变形的情况。
单个复合俘能减振单元产生的理论电荷量Q按照如下公式进行计算:
Q=d33F
其中,d33为压电应变常数,单位为C/N。F为压电片所受垂直于其上下表面方向的力,单位为N。
单个复合俘能减振单元产生的电压U0按照如下公式进行计算:
单个复合俘能减振单元通过压电效应转换的电能E0按照如下公式进行计算:
其中,A为压电片极面面积,单位为m2。
减振吸能柱5包括空心圆柱体50和设于空心圆柱体50轴向的金属保护壳51,空心圆柱体50采用橡胶材料制成,并且在其内部设置有用于支撑的支撑弹簧52和充满有高压气体,减振吸能柱5顶部通过金属保护壳51与异质力放大层4的下表面中心处连接,减振吸能柱5 的底部通过金属保护壳51与承压体6的底部进行焊接。通过将减振吸能柱5设置成在空心圆柱体50内设置支撑弹簧52和充满高压气体组合的形式,可以提高其阻尼,有效减少荷载传递至减振吸能柱5时的所产生的振动。
为了防止承压体6在使用过程发生腐蚀,提高其使用寿命,同时提高整个装置的使用寿命,在承压体6的表面还设置有防锈层。而且,承压体6的形状还可以为椭圆形或者矩形形状,相对应的,位于承压体6上方的吸振层1、压电能量转化层3以及异质应力放大层4的形状也可为椭圆形或者矩形。
为了使传力层2的弹簧结构在吸振层1与压电能量转化层3之间在进行压缩时保持稳定,在传力层1的下表面与压电能量转化层3的上表面设置有限位槽30,传力层2的弹簧20嵌入限位槽30内;同时,为了使吸振层1、传力层2、压电能量转化层3、异质应力放大层4、减振吸能柱5以及承压体6构成一个整体结构,并且提高整体装置的稳固性,吸振层1与压电能量转化层3通过第一限位环7进行固定连接,压电能量转化层3、异质应力放大层4以及承压体6三者通过第二限位环8进行固定连接,第一限位环7与第二限位环8为圆环型结构,第一限位环7的内径与吸振层1、压电能量转化层3的半径相同,其高度略大于吸振层1、传力层2以及压电能量转化层3三者组合时吸振层1与压电能量转化层3之间的距离;第二限位环8的内径与压电能量转化层3、异质应力放大层4的半径相同,其高度略大于异质应力放大层4表面的凸起的高度,第一限位环7与第二限位环8内部设置有环形凸起70,吸振层1的下方边缘、压电能量转化层3的上方边缘与第一限位环7内部的环形凸起70相配嵌,压电能量转化层3的下方边缘、异质应力放大层4与第二限位环8的环形凸起70相配嵌,通过在第一限位环7与第二限位环8内设置环形凸起70,可以防止第一限位环7与第二限位环 8在竖向上进行移动,同时也能够保持整个装置在受到荷载的情况下保持稳定。
本发明提供的俘置板用减振俘能装置在具体使用时,将其通过吸振层1黏接在俘置板道床的下表面,当俘置板道床的上方有列车行径时,浮置板道床与列车的荷载通过吸振层1传递至传力层2,传力层2再将荷载传递至压电能量转化层3,压电能量转化层3的压电片在受压的情况下产生电能,其产生的电能经过导线传递给外部用电器件或者储能元件,并且压电能量转化层3也可将其受到的荷载通过异质应力放大层4传递给减振吸能柱5,经过吸振层1、传力层2的弹簧结构以及减振吸能柱5三者将列车荷载的层层传递,并且凭借自身具有高阻尼特性的结构特点,可以有效减少列车在轨道上进行运行时产生的振动。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言,在不脱离本发明原理和精神的情况下,对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型,仍落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种俘置板用减振俘能装置,其特征在于:包括吸振层(1)、传力层(2)、压电能量转化层(3)、异质应力放大层(4)、减振吸能柱(5)以及承压体(6),所述吸振层(1)、压电能量转化层(3)以及异质应力放大层(4)为圆盘型结构,所述承压体(6)为半球形壳体结构,所述吸振层(1)的下表面与所述传力层(2)连接,所述传力层(2)与所述压电能量转化层(3)的上表面连接,所述压电能量转化层(3)的下表面与所述异质应力放大层(4)的上表面连接,所述异质应力放大层(4)的下表面与所述减振吸能柱(5)顶部连接,所述减振吸能柱(5)的底部与所述承压体(6)的底部连接,所述吸振层(1)与所述压电能量转化层(3)通过第一限位环(7)进行连接,所述压电能量转化层(3)与异质应力放大层(4)以及承压体(6)通过第二限位环(8)进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种俘置板用减振俘能装置,其特征在于;所述第一限位环(7)与第二限位环(8)内部设置有环形凸起(70)。
3.根据权利要求1所述的一种俘置板用减振俘能装置,其特征在于:所述吸振层(1)采用高分子橡胶材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种俘置板用减振俘能装置,其特征在于:所述传力层(2)由若干个弹簧(20)组成,所述弹簧(20)均匀分布在所述吸振层(1)与压电能量转化层(3)之间。
5.根据权利要求4所述的一种浮置板用减振俘能装置,其特征在于:所述传力层(2)的下表面与所述压电能量转化层(3)的上表面设置有限位槽(30),所述弹簧(20)设置于所述限位槽(30)内。
6.根据权利要求1所述的一种浮置板用减振俘能装置,其特征在于:所述压电能量转化层(3)为采用PZT-5H材料制成的压电片,并且所述压电能量转化层(3)的上下表面连接有导线。
7.根据权利要求1所述的一种浮置板用减振俘能装置,其特征在于:异质应力放大层(4)的上表面设置有圆柱状凸起(40),所述异质应力放大层(4)的下表面的边缘处设置有圆环状凸起(41),所述异质应力放大层(4)的下表面中心与所述减振吸能柱(5)连接。
8.根据权利要求1所述的一种浮置板用减振俘能装置,其特征在于:所述减振吸能柱(5)包括空心圆柱体(50)和设于所述空心圆柱体(50)轴向的金属保护壳(51),所述减振吸能柱(5)通过金属保护壳(51)与所述异质应力放大层(4)以及所述承压体(6)进行连接,所述空心圆柱体(50)内设置有支撑弹簧(52)和充满有高压气体。
9.根据权利要求1所述的一种浮置板用减振俘能装置,其特征在于:所述承压体(6)底部设置有平台(60),所述减振吸能柱设置在所述平台(60)上,且所述承压体(6)表面设置有防锈层。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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