CN206559212U - 一种铁路货车磁悬浮振动自发电装置及其安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铁路货车磁悬浮振动自发电装置，包括密封管、第一固定永磁铁、第二固定永磁铁、悬浮永磁铁和塑料圆环，第一固定永磁铁和第二固定永磁铁分别固接于密封管的两端部，悬浮永磁铁位于密封管内、且悬浮于第一固定永磁铁和第二固定永磁铁之间，多个塑料圆环固接在密封管的外壁上，任一密封管内设置有线圈绕组，线圈绕组的出线端外接有整流电路。本实用新型针对铁路货车的振动自发电，为每节车厢的检测装置提供了独立电源，同时，基于此发电装置的安全监测系统，能及时的将安全监测信息输送至移动用户终端的APP上，对货车运行安全的提前预判及事故应急救援具有良好的保障作用，极大地提高了货车的运行安全性。

Description

一种铁路货车磁悬浮振动自发电装置及其安全监测系统

技术领域

本实用新型涉及铁路货车的安全监测领域，尤其涉及一种铁路货车磁悬浮振动自发电装置及其安全监测系统。

背景技术

我国由于幅员辽阔、人口众多，资源分布不均匀，铁路运输作为交通运输系统的重要组成部分，在远距离、大宗货物运输方面铁路运输有着不可比拟的优势。然而，数据表明，我国铁路一直运营在超负荷状态下，主要繁忙干线铁路利用率普遍在85％以上，甚至达到了100％，我国以仅占世界6％的总里程完成了世界20％的运输任务。随着国民经济的迅猛发展，我国铁路的运输能力已远远无法满足我国经济发展的需求，激化了运输能力与市场需求的矛盾，阻碍了我国经济的发展速度。国外的实践证明，发展快捷运输和重载运输是解决我国运能不足的最有效途径。我国十三五规划也明确提出“研发新一代高速重载轨道交通装备系统”。未来铁路货运的高速化、重载化趋势都对货车安全行驶提出了更严格的要求。

目前，我国铁路货车主要使用5T系统对货车行车安全进行预警监测，其只能在固定的地点对货车进行检测，存在成本高、防护能力弱、间隔检测、实时性较差、对安全隐患的响应较慢等严重不足。究其原因有三：一是由于铁路货车运行工况的特殊性，货车上没有安装可靠的供电系统，导致在客车上成熟应用的电子监测及保护设备无法应用于铁路货车；二是铁路货车在运输中车厢随机编组，一路上装卸货的分配完全是流散性的，难以跟踪管理；三是铁路货车基本为无人值守，也无通信手段，具备了实时监测其结果也无法送报至管理中心。因此，研发出可安装于铁路货车的供电系统及基于此供电系统的实时安全监测装置，不仅能提高铁路货车的运行安全性，而且可以减少铁路地面设备的数量，带来巨大的经济效益。

要实现铁路货车的实时安全监测，就必须研制出高可靠性的自发电装置，并在铁路货车上实现全天候自动采集监测数据并无线组网传输数据。为铁路货车提供电能或改善铁路货车车厢长期有脚无脑、不知病痛的现状，已有人作了一些探索，如：

(1)中国中车集团公司眉山车辆厂申请的名称为“带发电装置的宽轨转向架”(ZL200620034961.5)的中国专利，该专利设计了一种以皮带传动带的发电机发电的方法，但货车工作环境恶劣，皮带又暴露在外面，易积雨水、灰尘影响发电机的工作并且需要经常维修。

(2)株洲科盟车辆配件有限责任公司申请的名称为“一种铁路货车自供电装置及方法(201510653776.8)”的中国专利；张健申请的名为“一种用于货运列车安全监测系统的自发电装置(201610134607.8)”的中国专利。这两项专利均是通过货车运行的车轴转动的机械能转化为电能，该供电方式对车辆的检修要求较高，且利用货车运行时的机械能，未实现能量的回收利用，装置较为笨重，不对称安装时可能会对货车转向架的动力学性能造成影响。

(3)专利号为201020651469.9的中国实用新型专利，公开了一种铁路货客车的轴温监测和风压监测的装置，在货车的车轴上安装有轴温监测装置，通过太阳能电池供电对轴温可以做到实时监控，但是并不是每天都会有太阳，且存在货车过隧道的情况，并不能实现货车的全天候实时监测。

(4)专利号为201120409567.6的名为“铁路货车的安全监测系统”的中国专利，介绍了一种基于ZigBee的安全监测系统，但是此系统所采用的供电装置完全改变了现有的货车转向架的结构，不能用于已有的货车转向架上。

(5)专利号为201610129023.1的名为“一种铁路货车行车安全监控系统和方法”的中国专利，较为系统的介绍了铁路货车的安全监测方法，但是该方法中的监测装置由轴端发电机中的蓄电池供电，蓄电池寿命较短，这对巨量的铁路货车带来了非常大的维修工作量。

综上，目前已有的铁路货车自供电装置和安全监测装置虽对铁路货车的安全运行有一定的帮助，但可靠性不高，难以真正用于已有的货车。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种各车厢单独自己供电、多节车厢整体监控的监测系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型首先公开了一种铁路货车磁悬浮振动自发电装置，该磁悬浮振动自发电装置设置于铁路货车转向架的摇枕上，包括密封管、第一固定永磁铁、第二固定永磁铁、悬浮永磁铁和塑料圆环，所述第一固定永磁铁和第二固定永磁铁分别固接于所述密封管的两端部，所述悬浮永磁铁位于密封管内、且悬浮于所述第一固定永磁铁和第二固定永磁铁之间，所述第一固定永磁铁与所述悬浮永磁铁相对的面的磁场极性相同，所述第二固定永磁铁与所述悬浮永磁铁相对的面的磁场极性相同，多个所述塑料圆环固接在所述密封管的外壁上，任一所述塑料圆环内设置有线圈绕组，所述线圈绕组的出线端外接有整流储能电路。

进一步的，所述悬浮永磁铁为采用Halbach阵列形式沿所述密封管轴向布置的磁铁组，所述磁铁组中心设置有贯穿该磁铁组的导向杆，所述导向杆的两端分别与所述第一固定永磁铁和第二固定永磁铁固接。

进一步的，所述磁铁组内的Halbach磁体的个数为奇数，且数量至少为3个；相邻的所述Halbach磁体的内部磁场线正交。

进一步的，所述磁铁组包括沿所述密封管轴向布置的3个所述Halbach磁体，位于中间的所述Halbach磁体的内部磁场方向沿所述密封管的径向向外，位于两侧的所述Halbach磁体的内部磁场方向沿所述密封管的轴向相背离。

进一步的，所述悬浮永磁铁静止时，该悬浮永磁铁位于所述第一固定永磁铁和第二固定永磁铁的中间位置。

然后，本实用新型公开了一种铁路货车安全监测系统，包括上述任一所述的磁悬浮振动自发电装置，还包括信息采集装置、协调器、主控电脑、云端服务器和显示终端，所述信息采集装置和协调器通过磁悬浮振动自发电装置供电，所述协调器与所述信息采集装置连接，所述协调器与所述主控电脑连接，所述主控电脑与所述云端服务器连接，所述云端服务器与所述显示终端连接交互，所述显示终端包括移动APP显示终端。

进一步的，所述信息采集装置设置在任一铁路货车的车厢上，包括依次连接的传感器组、终端和路由器，任一所述传感器组包括9个温度传感器，其中8个所述温度传感器分别安装在货车转向架的承载鞍上，且与所述货车转向架的8个轴承的外圈接触，另外一个所述温度传感器为设置在转向架上测量环境温度的温度传感器。

进一步的，所述信息采集装置还包括接入所述磁悬浮振动自发电装置未整流滤波前电信号的电源管理芯片，所述电源管理芯片与协调器连接。

进一步的，所述温度传感器采用DS18B20温度传感器，所述信息采集装置采用ZigBee模块建立网络。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型针对铁路货车的振动自发电，可有效地回收原本耗散的机械能，转化的电能整流滤波储存于超级电容后，可稳定地为轴温监测装置等电子设备供电，并基于此振动自发电的铁路货车安全监测装置，开发了一款铁路员工及领导可实时查看的货车安全监测系统APP，从而可实现铁路货车的安全信息实时在线监测，对货车运行安全的提前预判及事故应急救援具有良好的保障作用，极大地提高了货车的运行安全性，同时可减少铁路地面监测设备的数量，带来巨大的经济效益和社会效益。

下面将参照附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型优选实施例公开的铁路货车磁悬浮振动自发电装置的结构示意图；

图2是本实用新型优选实施例公开的悬浮永磁铁Halbach阵列原理示意图；

图3是本实用新型优选实施例公开的铁路货车安全监测系统示意图。

图例说明：

1、磁悬浮振动自发电装置；11、密封管；12、第一固定永磁铁；13、第二固定永磁铁；14、悬浮永磁铁；15、塑料圆环；16、线圈绕组；17、导向杆；2、安全监测系统；201、信息采集装置；2011、传感器组；2012、终端；2013、路由器；202、协调器；203、主控电脑；204、云端服务器；205、显示终端。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本实用新型实施例首先公开了一种铁路货车磁悬浮振动自发电装置1，如图1-图2所示，该磁悬浮振动自发电装置1设置于铁路货车转向架的摇枕上，货车运行时伴随摇枕上下运动，该磁悬浮振动自发电装置1包括密封管11、第一固定永磁铁12、第二固定永磁铁13、悬浮永磁铁14和塑料圆环15，其中，密封管为非导磁材料，且内壁光滑。第一固定永磁铁11和第二固定永磁铁12分别固接于密封管11的两端部，悬浮永磁铁14位于密封管11内、且悬浮于第一固定永磁铁12和第二固定永磁铁13之间，同时，第一固定永磁铁12、第二固定永磁铁13和悬浮永磁铁14均为钕铁硼强磁铁，其在外磁场作用下几乎不会消磁，使得磁悬浮振动自发电装置1具有较高的可靠性，几乎不用维修。进一步，多个塑料圆环15固接在密封管11的外壁上，任一塑料圆环15内设置有线圈绕组16，线圈绕组16的出线端外接有整流电路，整流电路包括用于存储电能的电容。

在具体布置时，为了保证悬浮永磁铁14能够悬浮在密封管11内，第一固定永磁铁12和第二固定永磁铁13相对面磁极的极性相同，悬浮永磁铁14与第一固定永磁铁12相对的面相互排斥，即悬浮永磁铁14与第一固定永磁铁12相对的面的磁场极性相同，同时悬浮永磁铁14和第二固定永磁铁13相对面的磁极的极性相同。同时，由于第一固定永磁铁12和第二固定永磁铁13，悬浮永磁铁14静止时，该悬浮永磁铁14位于第一固定永磁铁12和第二固定永磁铁13的中间位置。

在本实施例中，为了增加磁场利用率，提升发电效果，悬浮永磁铁14为采用Halbach阵列形式的磁铁组，且该磁铁组沿密封管11轴向布置。为了防止在铁路货车运动时，悬浮永磁铁14与密封管11发生碰撞产生磁粉进而影响悬浮永磁铁14的磁场分布、以及影响悬浮永磁铁14在密封管11内上下运动的稳定性，在本实施例中，悬浮永磁铁14中心设置有贯穿该悬浮永磁铁14的导向杆17，该导向杆17的两端分别与第一固定永磁铁12和第二固定永磁铁13固接，从而悬浮永磁铁14可沿设置的路径沿导向杆17上下运动，不会发生碰撞，其中，导向杆17采用不导磁的金属或者非金属材料，为了进一步使整个装置轻量化，导向杆17为空心结构。而在本实施例中，该磁铁组包括沿密封管11轴向布置的三个Halbach磁体，三个Halbach磁体采用粘结工艺形成一个整体结构，位于中间的Halbach磁体的内部磁场方向沿密封管11的径向向外，位于两侧的Halbach磁体的内部磁场方向沿密封管11的轴向相背离，因此，相邻的Halbach磁体内部的磁场线形成正交模式。

在本实施例中，针对铁路货车转向架的结构和铁路货车的运行工况，利用正交设计实验得出了磁悬浮振动自发电装置1的最优参数组合，其尺寸如下表1：

参数	尺寸
		磁悬浮振动自发电装置高度(mm)	122
磁悬浮振动自发电装置直径(mm)	100
		第一固定永磁铁高度(mm)	3
第二固定永磁铁高度(mm)	4
		第一、二固定永磁铁直径(mm)	98
Halbach悬浮永磁铁总高度(mm)	82
		Halbach悬浮永磁铁直径(mm)	97
悬浮永磁铁两侧Halbach磁体的厚度(mm)	30
		悬浮永磁铁中央Halbach磁体的厚度(mm)	22
线圈匝数	3500
		线圈位置	均匀覆盖动子运动区域
导向杆高度(mm)	120
		导向杆直径(mm)	5

然后，本实用新型实施例公开了基于磁悬浮振动自发电装置1供电的铁路货车安全监测系统2，如图3所示，该系统还包括信息采集装置201、协调器202、主控电脑203、云端服务器204和显示终端205，信息采集装置201和协调器202通过磁悬浮振动自发电装置1供电，协调器202接收信息采集装置201采集到的各类信号，并通过协调器202发送至主控电脑203，主控电脑203在将其数据上传至云端服务器204，最终云端服务器204与显示终端205连接交互，及时显示监测信息。在实际应用中，显示终端205可以为移动APP显示终端，可应用于个人移动设备。其中，信息采集装置201设置在任一铁路货车的车厢上，包括温度传感器和加速度传感器组成的传感器组2011、终端2012和路由器2013，终端2012就是传感器信息直接传达的ZigBee模块，然后终端(ZigBee模块)通过ZigBee网络无线传输数据至协调器202(可以采用ZigBee模块，当通信距离较远时需要路由器2013)，对于一节车厢内的信息采集装置201，可利用有线(如CAN、LonWorks、WorldFip、MVB、工业以太网等)或无线网络传输，对于多节车厢之间，利用无线组网传输(如ZigBee、GPRS、3G、GSM、WIFI、RFID、NFC、蓝牙、CD-MA等)，传输终端节点在采集数据并成功向协调器202发射数据后，由协调器202进行安全数据与列车头部GPS模块通过SPI总线返回的铁路货车位置数据整合，数据整合后协调器202通过串口与设置于货车头部的主控电脑203通信，主控电脑203通过铁路内部局域网实现互联网连接并将各节车厢的安全信息及货车运行位置编码数据解码出来上传至云端服务器204的云端数据库，同时，主控电脑203会将该货车安全信息实时显示于显示屏上，当有出现异常时将发出声光报警提醒司机采取行动。云端数据存储后，铁路货车管理人员可以通过我们开发的移动APP对运行中的铁路货车的安全信息及货车位置进行实时监测，并且在选择目标货车后能直观的在地图上显示货车位置信息及显示目标车厢的安全信息，云端将实时监测全部安全信息，一旦出现异常，将通过APP，或以短信的形式通知铁路货车管理人员采取相关行动及时避免产生重大损失，同时在发生事故后，可根据最近一次定位到的地理位置，实现紧急救援。具体工作过程如下(以ZigBee组网传输轴温、加速度数据为例)：

(1)针对每节列车有8个轴承的情况，考虑到与环境温度的对比，需要为每节列车布置9个DS18B20温度传感器，其中8个测轴温的温度传感器布置在货车转向架的承载鞍上，与轴承相接触。

(2)为处理这些传感器采集的安全数据，为每节车布置一个ZigBee模块并由铁路货车头部的协调器202ZigBee模块建立网络，其他ZigBee终端模块加入网络形成网状网络用于初步处理安全数据；

(3)为避免铁路货车ZigBee网络内终端节点连接到其他铁路货车ZigBee网络中对数据的采集产生偏差，ZigBee网络发送消息方式选择组播发送方式，具体处理方式：采用单总线技术通过线连接单节列车上的传感器，ZigBee模块通过识别传感器内部全球唯一的64位ROM码为传感器编号，通过轮询操作遍历读取传感器数据。对于轴温数据，还需结合温度传感器编号对轴温数据进行第一次以逗号为分隔符的编码，编码格式为(LA，LB，LC，LD，RA，RB，RC，RD，ENV)，其分别代表单节车厢左边四个轴承和右边四个轴承及环境温度，单个列车轴温监测节点采集到数据后通过ZigBee网状网络结合ZigBee模块自身16位短地址对每节列车轴温数据进行第二次以’*’为分隔符的编码，编码格式为(XA*TEMPA)其中XA代表不同ZigBee模块在ZigBee网络中由协调器202分配的短地址，TEMPA代表第一次编码的数据，将ZigBee模块在网络中被分配的短地址与单节货车进行绑定后既能实现货车所有轴承的准确定位及温度的测量。

(4)ZigBee终端节点在采集数据并成功向协调器202发射数据后由协调器202进行轴承温度数据、货车加速度与铁路货车头部GPS模块通过SPI总线返回的列车位置数据整合，数据整合后协调器202通过串口与设置于列车头部的主控电脑203通信，主控电脑203将该铁路货车轴温信息、加速度信息实时显示于显示屏上，并设置三级报警阈值，当出现异常时将发出声光报警提醒司机采取行动。

(5)主控电脑203通过铁路内部局域网实现互联网连接并将各节车厢的轴承温度、加速度及货车运行位置编码数据解码出来上传至云端数据库，云端数据库采用开源数据库mysql，云端数据处理系统采用开源Linux操作系统ubuntu。云端数据存储后，铁路货车管理人员可以通过我们开发的移动APP对运行中的铁路货车的安全信息及货车位置进行实时监测，并且在选择目标货车后能直观的在地图上显示货车位置信息及显示目标车厢的安全信息，云端将实时监测全部安全信息，一旦出现异常，将通过APP，或以短信的形式通知铁路货车管理人员采取相关行动及时避免产生重大损失，同时在发生事故后，可根据最近一次定位到的地理位置，实现紧急救援。

在本实施例中，加速度信息的监测过程为：将磁悬浮振动自发电装置1的未整流滤波前的电信号接入电源管理芯片，再将此信号经通过ZigBee网状网络向协调器202发射数据，ZigBee协调器202通过串口与设置于列车头部的主控电脑203通信，主控电脑203通过铁路内部局域网实现互联网连接并将此电信号上传至云端数据库，监控室从云端获取电信号，经过二次开发的电磁场仿真软件Ansoft处理后得到悬浮永磁铁14加速度信号，再通过悬浮永磁铁14的加速度与铁路货车加速度的转换关系，将悬浮永磁铁14加速度信号转化为铁路货车在竖直方向的加速度信号，再将铁路货车加速度信号上传至云端，这样APP便可直接从云端获取铁路货车加速度，从而只利用磁悬浮振动自发电装置1便监测到铁路货车加速度信息的目的，这对于货车脱轨分析预测具有重大意义。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铁路货车磁悬浮振动自发电装置，其特征在于，该磁悬浮振动自发电装置(1)设置于铁路货车转向架的摇枕上，包括密封管(11)、第一固定永磁铁(12)、第二固定永磁铁(13)、悬浮永磁铁(14)和塑料圆环(15)，所述第一固定永磁铁(12)和第二固定永磁铁(13)分别固接于所述密封管(11)的两端部，所述悬浮永磁铁(14)位于密封管(11)内、且悬浮于所述第一固定永磁铁(12)和第二固定永磁铁(13)之间，所述第一固定永磁铁(12)与所述悬浮永磁铁(14)相对的面的磁场极性相同，所述第二固定永磁铁(13)与所述悬浮永磁铁(14)相对的面的磁场极性相同，多个所述塑料圆环(15)固接在所述密封管(11)的外壁上，任一所述塑料圆环(15)内设置有线圈绕组(16)，所述线圈绕组(16)的出线端外接有整流储能电路。

2.根据权利要求1所述的铁路货车磁悬浮振动自发电装置，其特征在于，所述悬浮永磁铁(14)为采用Halbach阵列形式沿所述密封管(11)轴向布置的磁铁组，所述磁铁组中心设置有贯穿该磁铁组的导向杆(17)，所述导向杆(17)的两端分别与所述第一固定永磁铁(12)和第二固定永磁铁(13)固接。

3.根据权利要求2所述的铁路货车磁悬浮振动自发电装置，其特征在于，所述磁铁组内的Halbach磁体的个数为奇数，且数量至少为3个；相邻的所述Halbach磁体的内部磁场线正交。

4.根据权利要求3所述的铁路货车磁悬浮振动自发电装置，其特征在于，所述磁铁组包括沿所述密封管(11)轴向布置的3个所述Halbach磁体，位于中间的所述Halbach磁体的内部磁场方向沿所述密封管(11)的径向向外，位于两侧的所述Halbach磁体的内部磁场方向沿所述密封管(11)的轴向相背离。

5.根据权利要求1-4任一所述的铁路货车磁悬浮振动自发电装置，其特征在于，所述悬浮永磁铁(14)静止时，该悬浮永磁铁(14)位于所述第一固定永磁铁(12)和第二固定永磁铁(13)之间的中间位置。

6.一种铁路货车安全监测系统，包括上述权利要求1-5任一所述的磁悬浮振动自发电装置(1)，其特征在于，还包括信息采集装置(201)、协调器(202)、主控电脑(203)、云端服务器(204)和显示终端(205)，所述信息采集装置(201)和协调器(202)通过磁悬浮振动自发电装置(1)供电，所述协调器(202)与所述信息采集装置(201)连接，所述协调器(202)与所述主控电脑(203)连接，所述主控电脑(203)与所述云端服务器(204)连接，所述云端服务器(204)与所述显示终端(205)连接交互，所述显示终端(205)包括移动APP显示终端。

7.根据权利要求6所述的铁路货车安全监测系统，其特征在于，所述信息采集装置(201)设置在任一铁路货车的车厢上，包括依次连接的传感器组(2011)、终端(2012)和路由器(2013)，任一所述传感器组(2011)包括9个温度传感器，其中8个所述温度传感器分别安装在货车转向架的承载鞍上，且与所述货车转向架的8个轴承的外圈接触，另外一个所述温度传感器为设置在转向架上测量环境温度的温度传感器。

8.根据权利要求7所述的铁路货车安全监测系统，其特征在于，所述信息采集装置(201)还包括接入所述磁悬浮振动自发电装置(1)未整流滤波前电信号的电源管理芯片，所述电源管理芯片与协调器连接。

9.根据权利要求8所述的铁路货车安全监测系统，其特征在于，所述温度传感器采用DS18B20温度传感器，所述信息采集装置(201)采用ZigBee模块建立网络。