CN116356616A - 一种基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，属于压电俘能结构领域；本发明通过设计柔性垫块，将梁式压电陶瓷粘贴于柔性垫块的缓冲梁结构上，同时在垫块内部嵌入圆片形压电俘能结构，不同俘能结构具有不同的谐振频率，从而使得轨道在不同振动频率下均有俘能结构达到近似谐振状态，从而大大提高了俘能效率，将列车行驶过程中产生的振动能通过压电效应转化为电能并储存，用于给各类传感器件供电；本发明中通过柔性结构将轨道振动能转化为可用于存储并使用的电能，每个俘能扣件上布置有12片压电片，其俘能功率基本可以满足各类轨道传感器的用电需求，且该多层次的缓冲结构可以进一步减小振动对轨道产生的损害，提高轨道的使用寿命。

Description

一种基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件

技术领域

本发明属于压电材料俘能控制领域，具体涉及一种基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件。

背景技术

我2021年底，我国高铁运营里程数已突破4万公里，铁路运行总里程突破15万公里，这些轨道每年都在承受着数以万计的交通载荷，而这中间产生的振动能却白白耗散在空气中。

目前，将机械能转化为电能的转换方式有静电式俘能，电磁式俘能以及压电式俘能三种形式。然而，静电式俘能在供电时需要提供一个初始电压，能量密度低，电磁式俘能相对输出功率较低，体积过大，而压电智能结构作为一种基于压电材料的力电耦合结构，可以根据自身特点实现机械能与电能之间的转换，从而对外界环境中的机械能进行俘获，更适用于轨道交通的俘能供电。

发明内容

本发明提供了一种基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，具有结构简单紧凑、安装方便、俘能效率高的优势，能够将轨道列车运行过程中产生的振动能进行俘获，并用于为列车监测系统供电。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，包括：扭矩传递部、固定部和压电俘能部。

所述扭矩传递部包括绝缘压块1和弹条2；绝缘压块1为“L”型结构，其内壁面101与轨道下端部外壁面贴合；弹条2结构与常用的“W”型弹条结构相似，其开口端201与绝缘压块1的外壁面102贴合，其封闭端202嵌入柔性垫板5上的压力槽501内，通过螺旋道钉3和平垫圈4将其固定于绝缘压块1和柔性垫板5之间。

所述固定部包括螺旋道钉3、平垫圈4；所述螺旋道钉3穿过平垫圈4上的中心孔和柔性垫板5上的固定孔502安装于枕木上，从而将弹条2和柔性垫板5的位置固定；所述的平垫圈4为圆板形结构，且其中心设置有中心孔，其上端面与螺旋道钉3端面贴合，下端面与弹条2压力端面203贴合，在螺旋道钉3的作用下将弹条2压在柔性垫板5上。

所述压电俘能部包括柔性垫板5、弹性垫块6、圆形压电俘能片7和方形压电俘能片8、能量采集电路9、电路板压盖10和俘能垫片11；柔性垫板5为柔性对称体结构，其上设置有压力槽501、固定孔502、四个方形压电片粘贴面5031、5032、5033、5034、八个圆形压电片安装面5041、5042、5043、5044、5045、5046、5047、5048、六个弹性垫块安装孔5071、5072、5073、5074、5075、5076、电路板压盖安装面505、电路板安装孔506，四个方形压电片粘贴面两两一组上下对称设置，其中方形压电片粘贴面5031和5034相对，方形压电片粘贴面5032和5033相对；八个圆形压电片安装面两两一组上下相对设置，其中圆形压电片安装面5041和5047相对，圆形压电片安装面5042和5048相对，圆形压电片安装面5043和5045相对，圆形压电片安装面5044和5046相对；六个弹性垫块安装孔位于压电俘能器载体下方，每侧三个对称设置在柔性垫板左右两侧。

弹性垫块6有6个且为圆柱形弹性体，阵列式分布安装于柔性垫板5上的六个弹性垫块安装孔内；圆形压电俘能片7为圆形薄板，其板面上粘贴有圆片形压电陶瓷，分别安装于八个圆形压电片安装面内；方形压电俘能片8为方板形结构，其端面上粘贴有板状压电陶瓷，方形压电俘能片8有4片安装于方形压电片粘贴面上。

能量采集电路9为集成有采集芯片的圆形PCB电路板，安装于柔性垫板5背面的电路板安装孔506内；电路板压盖安装面505设置在柔性垫板5背面电路板安装孔506表面，电路板压盖10通过螺钉连接的方式安装在电路板压盖安装面505上；俘能垫片11共有4个且为薄圆柱形垫片，每个分别安装于相对的一组圆形压电俘能片7之间。

柔性垫板5上设置有柔性槽5081和5082，柔性槽的设置使得柔性垫板5上压电俘能器载体5091和5092在弹条封闭端202的作用下上下振动，从而带动圆形压电俘能片7和方形压电俘能片8俘获能量。

圆形压电俘能片7共有八片，两两一组相对安装，相对的一组圆形压电俘能片7中间安装有俘能垫片11，当压电俘能器载体5091和5092发生振动时，相对的一组圆形压电俘能片7挤压俘能垫片11，并在其反作用力下发生弯曲变形，在逆压电效应作用下产生电能并输出。

方形压电俘能片8有4片，当压电俘能器载体5091和5092发生振动时，方形压电俘能片8跟随压电俘能器载体5091和5092发生弯曲变形，从而在逆压电效应作用下产生电能并输出。

弹性垫块6有6个且为圆柱形弹性体，柔性垫板5在弹条封闭端202的作用下，压电俘能器载体5091和5092向下运动对弹性垫块6施加压力，当弹条作用力消失后，在弹性垫块6的作用下，柔性垫板5复原为最初状态，如此往复振动，从而带动方形和圆形压电俘能片振动俘能。

绝缘压块1为“L”型结构，其内壁面101与轨道下端部外壁面贴合，当列车经过铁轨时，轨道将振动传递给绝缘压块1，再由弹条2传递到柔性垫板5，从而使压电俘能器载体5091和5092上下振动，作用于压电片进行俘能。

有益效果：本发明提供了一种基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，利用车辆行驶中轨道产生的振动作用于压电俘能扣件中，通过扣件上的柔性结构带动压电片产生变形，从而对轨道交通中的振动能进行俘获；通过设计柔性垫块，将梁式压电陶瓷粘贴于柔性垫块的缓冲梁结构上，同时在垫块内部嵌入圆片形压电俘能结构，不同俘能结构具有不同的谐振频率，从而使得轨道在不同振动频率下均有俘能结构达到近似谐振状态，从而大大提高了俘能效率，本发明中通过柔性结构将轨道振动能转化为可用于存储并使用的电能，每个俘能扣件上布置有12片压电片，其俘能功率基本可以满足各类轨道传感器的用电需求，且该多层次的缓冲结构可以进一步减小振动对轨道产生的损害，提高轨道的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的弹条结构示意图；

图3是本发明实施例的柔性垫板结构示意图；

图4是本发明实施例的柔性垫板剖视图；

图5是本发明实施例的俘能器件安装示意图；

图6是本发明实施例的压盖结构示意图；

图7是本发明实施例与轨道的安装方式示意图；

图8是本发明实施例中俘能器件变形方式示意图；

图9是本发明中俘能扣件在轨道上的安装方式示意图；

图10是本发明中能量采集电路安装示意图；

图11是本发明中绝缘块示意图；

图12是本发明中压电片粘贴面示意图；

图13是本发明中圆形压电俘能片与俘能垫片安装示意图；

图中，1-绝缘压块，2-弹条，3-螺旋道钉，4-平垫圈，5-柔性垫板，6-弹性垫块，7-圆形压电俘能片，8-方形压电俘能片，9-能量采集电路，10-电路板压盖，11-俘能垫片，101-内壁面，102-外壁面，201-开口端，202-封闭端，203-压力端面，501-压力槽，502-固定孔，5031~5034方形压电片粘贴面,5041~5048圆形压电片安装面，505-电路板压盖安装面，506-电路板安装孔，5071-5076弹性垫块安装孔，5081-5082柔性槽，5091-5092压电俘能器载体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

一种基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，包括：扭矩传递部、固定部和压电俘能部；所述的扭矩传递部包括绝缘压块1和弹条2；所述的绝缘压块1为“L”型结构，其内壁面101与轨道下端部外壁面贴合；所述的弹条2结构与常用的“W”型弹条结构相似，其开口端201与绝缘压块1的外壁面102贴合，其封闭端202嵌入柔性垫板5上的压力槽501内，通过螺旋道钉3和平垫圈4将其固定于绝缘压块1和柔性垫板5之间；所述的固定部包括螺旋道钉3、平垫圈4；所述的螺旋道钉3穿过平垫圈4上的中心孔和柔性垫板5上的固定孔502安装于枕木上，从而将弹条2和柔性垫板5的位置固定；所述的平垫圈4为圆板形结构，且其中心设置有中心孔，其上端面与螺旋道钉3端面贴合，下端面与弹条2压力端面203贴合，在螺旋道钉3的作用下将弹条2压在柔性垫板5上；所述的压电俘能部包括柔性垫板5、弹性垫块6、圆形压电俘能片7和方形压电俘能片8、能量采集电路9、电路板压盖10和俘能垫片11；所述的柔性垫板5为柔性长方体结构且左右对称，其上设置有压力槽501、固定孔502、四个方形压电片粘贴面5031、5032、5033、5034、八个圆形压电片安装面5041、5042、5043、5044、5045、5046、5047、5048、电路板压盖安装面505、电路板安装孔506、六个弹性垫块安装孔5071、5072、5073、5074、5075、5076；四个方形压电片两两一组对称，其中5031和5034相对，其中5032和5033相对；八个圆形压电片安装面两两一组相对，其中5041和5047相对，5042和5048相对，5043和5045相对，5044和5046相对；弹性垫块6有6个且为圆柱形弹性体，阵列式分布安装于柔性垫板5上的六个弹性垫块安装孔内，柔性垫板5在轨道振动的作用下周期性地压缩弹性垫块6，并当振动结束后在弹性垫块6的作用下恢复到初始位置；所述的圆形压电俘能片7为圆形薄板，其板面上粘贴有圆片形压电陶瓷，圆形压电俘能片7有8片且两两相对，分别安装于八个圆形压电片安装面内；所述的方形压电俘能片8为方板形结构，其端面上粘贴有板状压电陶瓷，方形压电俘能片8有4片且两两相对安装于方形压电片粘贴面上；所述的能量采集电路9为集成有采集芯片的圆形PCB电路板，安装于电路板安装孔506内，通过导线分别将四个方形压电片和八个圆形压电片电能输出端与电路板相连，将俘获的电能通过能量采集电路9进行采集并储存；电路板压盖10为圆形压盖，通过螺钉连接的方式安装在电路板压盖安装面505上；所述的俘能垫片11共有4个且为薄圆柱形垫片，每个分别安装于相对的一组圆形压电俘能片7之间。

柔性垫板5上设置有柔性槽5081和5082，柔性槽的设置使得柔性垫板5上压电俘能器载体5091和5092在弹条封闭端202的作用下上下振动，从而带动圆形压电俘能片7和方形压电俘能片8俘获能量。

圆形压电俘能片7共有八片，两两一组相对安装，相对的一组圆形压电俘能片7中间安装有俘能垫片11，当压电俘能器载体5091和5092发生振动时，相对的一组圆形压电俘能片7挤压俘能垫片11，并在其反作用力下发生弯曲变形，在逆压电效应作用下产生电能并输出。

方形压电俘能片8有4片，且两两一组对称安装于四个方形压电片粘贴面5031、5032、5033、5034上，当压电俘能器载体5091和5092发生振动时，方形压电俘能片8跟随压电俘能器载体5091和5092发生弯曲变形，从而在逆压电效应作用下产生电能并输出。

弹性垫块6有6个且为圆柱形弹性体，柔性垫板5在弹条封闭端202的作用下，压电俘能器载体5091和5092向下运动对弹性垫块6施加压力，当弹条作用力消失后，在弹性垫块6的作用下，柔性垫板5复原为最初状态，如此往复振动，从而带动方形和圆形压电俘能片振动俘能。

绝缘压块1为“L”型结构，其内壁面101与轨道下端部外壁面贴合，当列车经过铁轨时，轨道将振动传递给绝缘压块1，再由弹条2传递到柔性垫板5，从而使压电俘能器载体5091和5092上下振动，作用于压电片进行俘能；当列车从轨道上经过使轨道发生振动时，轨道的振动通过与其相连的绝缘压块传递到弹条，再传递给柔性垫板上的俘能器件载体，俘能器件载体弯曲压缩弹性垫块，当传力结束后，弹性垫块伸长恢复到初始状态，完成一个周期的俘能，并通过能量采集电路将能量回收。

以上仅是本发明的优选实施例，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，其特征在于，包括：扭矩传递部、固定部和压电俘能部；所述扭矩传递部通过固定部固定在压电俘能部上，所述扭矩传递部连接轨道用于将轨道的振动传递到压电俘能部，振动作用于压电俘能部，通过压电俘能部上的柔性结构带动压电片产生变形对轨道中的振动能进行俘获并转化为电能回收。

2.根据权利要求1所述的基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，其特征在于，所述扭矩传递部包括绝缘压块（1）和弹条（2）；绝缘压块（1）为“L”型结构，其内壁面（101）与轨道下端部外壁面贴合；弹条（2）的开口端（201）与绝缘压块（1）的外壁面（102）贴合，其封闭端（202）嵌入压电俘能部中。

3.根据权利要求1或2所述的基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，其特征在于，所述压电俘能部包括柔性垫板（5）、弹性垫块（6）、圆形压电俘能片（7）和方形压电俘能片（8）、俘能垫片（11）；柔性垫板（5）为柔性对称体结构；弹性垫块（6）有六个，每侧三个对称设置在柔性垫板（5）两侧的压电俘能器载体下方；方形压电俘能片（8）有四个，两两一组上下相对设置；圆形压电俘能片（7）有8片，两两一组上下相对安装，相对的一组圆形压电俘能片（7）中间安装有俘能垫片（11）。

4.根据权利要求3所述的基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，其特征在于，柔性垫板（5）上设置有压力槽（501）、固定孔（502），通过螺旋道钉（3）和平垫圈（4）将弹条（2）固定于绝缘压块（1）和柔性垫板（5）之间，弹条（2）封闭端（202）嵌入压力槽（501）中。

5.根据权利要求4所述的基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，其特征在于，所述固定部包括螺旋道钉（3）、平垫圈（4）；螺旋道钉（3）穿过平垫圈（4）上的中心孔和柔性垫板（5）上的固定孔（502）安装于枕木上，从而将弹条（2）和柔性垫板（5）的位置固定；平垫圈（4）为圆板形结构，且其中心设置有中心孔，其上端面与螺旋道钉（3）端面贴合，下端面与弹条（2）压力端面（203）贴合，在螺旋道钉（3）的作用下将弹条（2）压在柔性垫板（5）上。

6.根据权利要求3所述的基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，其特征在于，所述压电俘能部包括能量采集电路（9）；安装于柔性垫板（5）背面的电路板安装孔（506）内；通过导线分别将四个方形压电俘能片和八个圆形压电俘能片电能输出端与能量采集电路相连，将俘获的电能通过能量采集电路（9）进行采集并储存。

7.根据权利要求6所述的基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，其特征在于，能量采集电路（9）为集成有采集芯片的圆形PCB电路板。

8.根据权利要求6所述的基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，其特征在于，电路板安装孔（506）表面设置电路板压盖（10）。

9.根据权利要求3所述的基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，其特征在于，柔性垫板（5）上两侧对称设置有柔性槽（5081）和（5082），柔性槽的设置使得柔性垫板（5）上压电俘能器载体在弹条封闭端（202）的作用下上下振动，带动圆形压电俘能片（7）和方形压电俘能片（8）俘获能量。

10.根据权利要求3所述的基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件，其特征在于，圆形压电俘能片（7）为圆形薄板，其板面上粘贴有圆片形压电陶瓷；方形压电俘能片（8）端面上粘贴有板状压电陶瓷。

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