CN220564973U - 一种应用于轨道结构的减振俘能监测一体化系统 - Google Patents

Abstract

一种应用于轨道结构的减振俘能监测一体化系统，包括若干减振俘能装置(4)和监测模块(5)，减振俘能装置(4)布设在轨道结构(7)上，与监测模块(5)相连。减振俘能装置(4)包括减振模块(2)和俘能模块(3)，俘能模块内嵌于减振模块；减振模块包括质量块和弹性支承块，二者组成为动力吸振器；俘能模块包括压电元件、储电装置。监测模块包括传感器、无线传输装置。减振模块轨道结构的振动能捕获；俘能模块将减振模块捕获的能量转化为电能并储存；监测模块利用减振俘能装置提供的连续电流进行监测与信息传输。该系统可实现轨道结构的减振、俘能和监测一体化管理，为轨道交通的节能、环保和智能运维提供技术支持。

Description

一种应用于轨道结构的减振俘能监测一体化系统

技术领域

本实用新型涉及轨道交通领域，尤其涉及一种应用于轨道结构的减振俘能监测一体化系统。

背景技术

轨道结构在服役时不仅承受列车循环荷载的作用，还受到如周边工程活动、温度变化、地震等外界扰动，在内外因素的共同作用下，轨道结构易产生结构变形和损伤，从而影响结构使用寿命，甚至威胁行车安全。对轨道结构进行实时监测，可对其服役性能进行评估和维护，是保证轨道结构服役安全的关键。但目前轨道结构常用的监测传感器及监测系统为外置电源，电池寿命严重制约着监测传感器及监测系统的性能。

另外，列车运行产生的振动会通过轨道结构、轨下基础和地基传递至周边环境，不仅影响轨道结构的使用寿命，还会对周边环境造成干扰。目前常用的轨道交通减振措施，将振动视作一种危害进行控制，振动产生的机械能并未得到充分利用。

动力吸振器是指利用共振系统吸收物体的振动能量以减小物体振动的设备。其原理是在振动物体上附加质量弹簧共振系统，这种附加系统在与主振系统共振时产生可产生反作用力，减小振动物体的振动。动力吸振器因为具有频率针对性强、减振效果明显、占用空间小以及结构形式多样化等优点，在主系统的减振中得到了广泛的应用。

压电式收集装置是实现振动能量收集的一种常用装置，该装置具有结构简单、不发热、无电磁干扰、清洁环保和易于微型化等诸多优点，目前在轨道交通领域己有一些应用。压电式收集装置包括压电材料和能量收集器。压电材料可因机械变形而产生电场，能够将机械能转化为可利用的电能，常见的压电材料有压电陶瓷、压电薄膜材料。能量收集器目前通过能量收集电路实现，常用电路有经典能量收集电路、同步电荷提取电路、并联同步开关电感电路等。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本实用新型提出了一种应用于轨道结构的减振俘能监测一体化系统，能够实现轨道交通减振的同时，将振动产生的机械能捕获并转化为电能，实现以自供能的方式对轨道结构的动态特征及病害情形进行监控，为轨道交通的节能、环保和智能运维提供技术支持。

本实用新型采用的技术方案是：

一种应用于轨道结构的减振俘能监测一体化系统，包括若干减振俘能装置4和监测模块5，所述减振俘能装置4布设在轨道结构7上，与监测模块5相连；

所述减振俘能装置4包括减振模块2和俘能模块3，所述减振俘能装置4通过减振模块2捕获轨道结构的振动能以实现减振效果，并通过俘能模块3将减振模块2捕获的振动能转化为电能并储存，以实现对监测模块5进行连续稳定的供电；

所述监测模块5包括传感器、无线传输装置；监测模块5通过传感器对轨道结构的状态特征进行实时监测，并通过无线传输装置将监测信息传输至终端。

其中：

所述减振模块2包括质量块2-1、弹性支承块2-2，二者组成为动力吸振器；

所述俘能模块3包括压电元件3-1、储电装置3-2；

所述减振俘能装置4通过动力吸振器的局部共振效应捕获轨道结构的振动能，以实现减振效果；通过俘能模块3的压电元件3-1将减振模块2捕获的振动能转化为电能，通过俘能模块3的储电装置3-2将转化后的非连续电能整流后储存。

进一步的，所述减振模块2，通过调整质量块2-1的质量和弹性支承块2-2的刚度调节动力吸振器的频率至轨道结构的振动主频附近，利用共振原理吸收尽可能多的振动机械能，提高俘能模块3的转化效率。

进一步的，所述减振模块2的质量块2-1，可利用惯容器进行质量增益，以提升减振吸能效果。

进一步的，所述俘能模块3的压电元件3-1可通过但不限于压电陶瓷片与金属片组成的压电复合片实现。俘能模块3的储电装置3-2可通过但不限于能量收集电路实现。所述能量收集电路包括全桥整流器、滤波电容、导线，导线起输送电流的作用；全桥整流器将压电元件3-1输出的交流电压转换成直流电压；滤波电容储存经整流器整流后的非连续电能，并且可以输出稳定的电压。

进一步的，所述的减振俘能装置4还包括绝缘空腔；所述减振模块2和俘能模块3设置于所述的绝缘空腔内，所述绝缘空腔作为外壳用于保护内部模块免受外部环境侵蚀；绝缘空腔下侧留有孔洞，供导线引出；俘能模块3内嵌于减振模块2，具体为：

所述的质量块2-1和弹性支承块2-2位于绝缘空腔内部，质量块2-1设置于弹性支承块2-2上方；

所述的压电元件3-1与储电装置3-2设置于质量块2-1与弹性支承块2-2之间，压电元件3-1设置于储电装置3-2的上方。

进一步的，所述减振俘能装置4通过传输设施6连接监测模块5，以传输连续性电流供监测模块5使用；所述电能传输设施6包括但不限于导线。

进一步地，所述的减振俘能装置4布设于轨道结构上，所述轨道结构包括但不限于轨道板、钢轨，减振俘能装置4的体积可根据轨道结构灵活调整。

具体地，所述的监测模块5的传感器和无线传输装置，均接受减振俘能装置4传输的电能驱动工作；传感器将轨道结构的状态转换为电信号，无线传输装置将电信号转换为可用于无线传输的信号后发送至监测中心，从而实现轨道结构的实时监测。

进一步的，所述监测模块5的传感器的类型包括但不限于电阻式、电感式、电容式，可监测轨道结构的状态特征，所述特征包括但不限于加速度、温度、湿度、应变。

本实用新型的有益效果如下：

在对轨道结构进行减振的同时还能将振动能转化为电能，实现能源的可持续回收利用；

可利用结构自身的能量进行结构健康状态监测，无需外部供电；

不限制传感器的类型，可根据实际需求监测结构特定状态；

可实现多特征监测，同一轨道结构减振俘能监测系统可同时集成多类型传感器,如将多类型传感器同时置入监测模块；或设置多个监测模块，每个监测模块内置入固定类型的传感器。

将减振俘能监测系统排列布置于轨道结构上，等价于在轨道线路上布置减振俘能监测节点；通过无线通信方式实现网络系统，等价于实现无线传感器网络在轨道结构健康检测中的应用。

附图说明

图1是本申请应用于轨道板上的减振俘能监测系统模块逻辑功能示意图；

图2是本申请的减振俘能装置在轨道板上的布置示意图；

图3是本申请实施例装置中能量收集器的经典能量收集电路示意图。

附图标记：

减振俘能监测系统1；

减振模块2、质量块2-1、弹性支承块2-2；

俘能模块3、压电元件3-1、储电装置3-2；

减振俘能装置4、监测模块5、传输设施6、轨道结构7。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

实施例中，轨道结构为轨道板，以应用于轨道板的减振俘能监测系统进行说明：

如图1所示，减振俘能监测系统1包括若干减振模块2和以及与之数量相匹配的俘能模块3，和监测模块5。

每个减振模块2为动力吸振器；作为实施例，举例而非限定，所述的减振模块2为单自由度动力吸振器；

每个俘能模块3包括压电元件3-1、储电装置3-2；

监测模块5包括传感器、信号转换器和无线传输装置。

减振模块2与俘能模块3集成为减振俘能装置4，通过传输设施6输送电能给监测模块5。

如图2所示，减振俘能装置4外观为长方体，可将多个减振俘能装置排列布置于轨道结构7上，多个减振俘能装置储存的电能可共同为监测模块5供能。此外，在满足减振俘能需求的前提下，也可将单个减振俘能装置设置于轨道结构上，提高减振俘能监测系统1的效益。

如图2所示，减振俘能装置4包括绝缘空腔、减振模块2、压电元件3-1、储电装置3-2：

所述的减振模块2可以捕获列车通过引起的轨道板的振动机械能。所述的减振模块2包括形状为长方体的质量块2-1和弹性支承块2-2，质量块2-1设置于2-2上方。减振模块2的体积略小于绝缘空腔的体积，减振模块2置于绝缘空腔内。压电元件3-1和储电装置3-2从上至下依次设置于质量块2-1与弹性支承块2-2之间。作为实施例，举例而非限定，弹性支承块2-2可通过弹性橡胶垫或钢弹簧实现。

减振模块2将轨道板的振动捕获后，质量块2-1振动使得压电元件3-1产生压电效应，实现振动机械能向电能转化，储电装置3-2将转化的电能储存。压电元件3-1可采用压电陶瓷片与金属复合片，储电装置3-2可通过包括整流器、电容等在内的经典能量收集电路实现，如图3所示。

根据压电学理论,当压电片产生弯曲变形时,其表面将有自由电荷生成。压电体所受应力及产生电场的关系可表示为：

D＝dT+ε^TE

S＝s^ET+dE

式中,D是电位移,E是电场强度,d是压电常数矩阵,S和T分别是应变和应力,ε^T为应力恒定时的自由介电常数矩阵,s^E为电场恒定时的短路弹性柔顺系数矩阵。压电陶瓷片的弯曲变形使得压电层的上下电极之间将产生变化的电势差,进而可以利用电路将能量收集。

调整质量块2-1的质量和弹性支承块2-2的刚度调节动力吸振器的频率至轨道板结构振动主频附近。当轨道板的振动主频率等于动力吸振器的固有频率时,将引起动力吸振器共振,压电陶瓷片的应力和应变的变化达到最大,从而输出电压的变化达到最大，实现能量收集效率最大化。

减振俘能装置4的力学模型为由质量-弹簧-阻尼器组成的单自由度振动系统，其中c_e代表压电元件的等效阻尼系数，c_m代表弹性支承块的等效阻尼系数，减振俘能装置的阻尼系数为c，弹性支承块的刚度系数为k，质量块的质量为m，主振系统的位移为y(t)，质量块相对于主振系统的位移为z(t)，符号分别表征参数对时间t的一阶、二阶导数。应用达朗伯原理，可得减振俘能装置的运动方程如下：

c＝c_e+c_m

减振俘能装置的能量收集效率可以用功率P表征，当减振俘能装置4的动力吸振器与主振系统产生共振时，减振俘能装置4中压电元件的能量收集效率最大，即减振俘能装置4的功率P达到最大值。功率P计算公式如下：

如图3所示，所述经典能量收集电路包括全桥整流器、滤波电容、导线。导线起输送电流的作用；压电元件3-1产生的交流电压经全桥整流器整流后转换成直流电压，直流电压存储在滤波电容中；滤波电容可以输出稳定的电压，供监测模块5使用。

具体地，压电元件3-1(在电路中用Piezo表示)受压后产生的交流电，首先经导线传输至全桥整流器，全桥整流器将交流电转换成直流电；之后，直流电经导线传输至电容器，电容器金属极板上的电荷在电场力的作用下流动，从而实现电荷储存，为电容器充电。当监测模块工作时，电容器带负电的金属极板上的电荷会在电场力作用下，向带正电的金属极板移动，中和正负电荷，产生稳定连续的电流供监测模块使用。

作为实施例，减振俘能装置4与监测模块5通过导线连接，如图2所示，绝缘空腔下侧留有孔洞。导线由储电装置3-2引出后，通过绝缘空腔下侧的孔洞延伸至外部，连接至监测模块5。减振俘能装置4可通过导线输送连续电流供监测模块5的传感器监测、无线信号传输使用。

监测模块5的传感器包括但不限于三轴加速度传感器、温/湿度传感器/应变片传感器等，用于监测轨道板在列车通过时的各种特征；无线传输装置将传感器的电信号转为可用于无线传输的信号后将传信号发送给监测中心，从而实现轨道板的实时监测。

需要说明的是，本申请所描述的系统实施例仅是示意性的。例如上述模块的划分，仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

上述作为分离部件说明的减振俘能装置作为单元，可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单个单元的部件可以位于轨道结构的一个地方，也可以作为网络单元布置于轨道结构上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例的目的。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。

Claims (7)

1.一种应用于轨道结构的减振俘能监测一体化系统，其特征在于，包括若干减振俘能装置(4)和监测模块(5)，所述减振俘能装置(4)布设在轨道结构(7)上，与监测模块(5)相连；

所述减振俘能装置(4)包括减振模块(2)和俘能模块(3)；所述减振俘能装置(4)通过减振模块(2)捕获轨道结构的振动能以实现减振效果，并通过俘能模块(3)将减振模块(2)捕获的振动能转化为电能并储存，以实现对监测模块(5)进行连续稳定的供电；其中：

所述减振模块(2)包括质量块(2-1)、弹性支承块(2-2)，二者组成为动力吸振器；

所述俘能模块(3)包括压电元件(3-1)、储电装置(3-2)；

所述减振俘能装置(4)利用动力吸振器的局部共振效应捕获轨道结构的振动能，以实现减振效果；通过俘能模块(3)的压电元件(3-1)将减振模块(2)捕获的振动能转化为电能，通过俘能模块(3)的储电装置(3-2)将转化后的非连续电能整流后储存；

所述监测模块(5)包括传感器、无线传输装置；监测模块(5)通过传感器对轨道结构的状态特征进行实时监测，并通过无线传输装置将监测信息传输至终端。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述减振模块(2)，通过调整质量块(2-1)的质量和弹性支承块(2-2)的刚度调节动力吸振器的频率至轨道结构的振动主频附近，利用共振原理吸收振动机械能，提高俘能模块(3)的转化效率。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述减振模块(2)的质量块(2-1)，利用惯容器进行质量增益，以提升减振吸能效果。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述俘能模块(3)：

其压电元件(3-1)通过压电陶瓷片与金属片组成的压电复合片实现；

其储电装置(3-2)通过能量收集电路实现；所述能量收集电路包括全桥整流器、滤波电容、导线，导线起输送电流的作用；全桥整流器将压电元件(3-1)输出的交流电压转换成直流电压；滤波电容储存经整流器整流后的非连续电能，并且输出稳定的电压。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的减振俘能装置(4)还包括绝缘空腔；所述减振模块(2)和俘能模块(3)设置于所述的绝缘空腔内，所述绝缘空腔作为外壳用于保护内部模块免受外部环境侵蚀；绝缘空腔下侧留有孔洞，供导线引出；俘能模块(3)内嵌于减振模块(2)，具体为：

所述的质量块(2-1)和弹性支承块(2-2)位于绝缘空腔内部，质量块(2-1)设置于弹性支承块(2-2)上方；

所述的压电元件(3-1)与储电装置(3-2)设置于质量块(2-1)与弹性支承块(2-2)之间，压电元件(3-1)设置于储电装置(3-2)的上方。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述减振俘能装置(4)通过传输设施(6)连接监测模块(5)，以传输连续性电流供监测模块(5)使用。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的监测模块(5)的传感器和无线传输装置，均接受减振俘能装置(4)传输的电能驱动工作；传感器将轨道结构的状态转换为电信号，无线传输装置将电信号转换为可用于无线传输的信号后发送至监测中心，从而实现轨道结构的实时监测。