CN106059388B - 一种用于机车轮对监测系统供电的径向伸缩式压电发电机 - Google Patents
一种用于机车轮对监测系统供电的径向伸缩式压电发电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于机车轮对监测系统供电的径向伸缩式压电发电机，属压电发电领域。车架上装有定磁铁和轮轴，轮轴端部装有带沉槽和导孔转子；动磁铁上安装有连接块、套有内外弹簧，内外弹簧位于连接块两侧；动磁铁两端置于导孔内、且与定磁铁同性磁极相对安装；压电振子基板中心固定在转子上、两端固定在连接块上；压电振子装配前为平直结构、安装后变为弯曲结构、且压电晶片承受压应力；外弹簧被压死时压电晶片依然承受压应力，内弹簧被压死时压电晶片所受压应力不超过其许用值。优势特色：将平直压电振子安装成弯曲结构，形成伸缩式发电机，结构及制作工艺简单、成本低；压电晶片受范围可控的压应力、可靠性高，所需轴向空间小。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通监测及压电发电技术领域，具体涉及一种用于机车轮对监测系统供电的径向伸缩式压电发电机。
背景技术
铁路列车及地铁等轨道交通运输系统承载着国民经济命脉，而轨道车辆轮对是确保轨道车辆安全运行的关键。以往，轨道车辆轮对等关键运转部件的健康状况是以定期维护、检修加以保障的；随着车辆运行速度的不断提高以及人们安全意识的提升，车辆运行期间轮对的实时在线监测技术研究受到了国内外学者的广泛关注，所需监测要素包括轴及轴承的温度、转速、动态刚度、磨损及振动等诸多方面。
对于轮对监测系统而言，理想的方法是将各类传感监测系统安装在轮对上或靠近轮对安装，从而实现其运行状态的直接在线监测；但这种监测方案因无法为传感监测系统提供可靠、充足的电力供应而难于推广应用，原因在于：①轮系处于运动状态、且轮系与车厢间存在高频颠簸振动，采用电缆供电时可靠性低、且货运车厢本身也无配电系统；②如采用电池供电，因电池使用寿命有限而需经常更换，当电池电量不足而未及时更换时将无法实现有效的监测、甚至造成严重的安全隐患。限于传感监测系统的能源供应问题，目前实际中依然普遍采用非实时的、间接的测量方法，即将传感监测系统至于路基之上，不随车体移动或不随轮轴转动。
为解决轮对实时监测系统的供电问题、实现真正意义上的在线监测，国内外学者提出了可与监测系统集成的微小型压电发电机，如中国专利201210318784.3及201210320165.8等。现有的各种压电发电装置的共同特点是通过轴向激励发电的、且工作中压电晶片承受交变的拉压应力，故不适于轴向空间受限的场合、拉应力过大时会破裂损毁。
发明内容
针对现有轨道车辆轴承监测系统所面临的供电难题、以及现有压电发电装置可靠性低的实际情况，本发明提出一种用于机车轮对监测系统供电的径向伸缩式压电发电机。本发明采用的实施方案是：车架上经螺钉安装有壳体，壳体内壁上经螺钉安装有定磁铁；车架上经轴承安装有轮轴，轮轴端部经螺钉安装有转子，转子上设有沉槽和导孔，沉槽 将导孔分隔成两部分；动磁铁上安装有连接块、套有内弹簧和外弹簧，内弹簧和外弹簧分别位于连接块的内侧和外侧；动磁铁两端置于导孔内，动磁铁与定磁铁的对称中心位于同一轴截面上，动磁铁与定磁铁的同性磁极相对安装；压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，金属基板的中心固定在转子上、两端分别固定在不同的连接块上；压电振子装配前为平直结构、安装后变为弯曲结构，安装后压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径、压电晶片承受压应力；非工作时，压电晶片所承受的压应力为其许用值的一半。
正常工作且当定磁铁与动磁铁之间距离最远、相互作用力最小时，动磁铁及压块的离心力将外弹簧压缩，内弹簧及压电振子伸长、压电晶片所受压应力降低；随着转子转动，定磁铁和动磁铁间的距离缩短、相互排斥力增加，当动磁铁及压块所受磁铁间排斥力大于离心力时，动磁铁及压块向转子的回转中心方向运动，外弹簧伸长、内弹簧和压电振子缩短，压电晶片所受压应力增加；随着转子的连续转动，压电振子交替地伸长-缩短，从而将机械能转换成电能；工作过程中，外弹簧被压死时，压电振子依然处于弯曲状态、压电晶片承受压应力；内弹簧被压死时，压电晶片所受压应力不超过其许用值。
优势与特色：①将平直压电振子变成弯曲结构，制作工艺简单、成本低；②压电晶片仅工作在压应力状态下、且压应力范围可控，可靠性高；③通过径向拉压的方法激励压电振子，所需轴向空间小、无需改变现有轮对的轴向结构。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面图；
图2是图1的左视图；
图3是压电振子自然状态下的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中转子的结构示意图；
图5是图4的左视图。
具体实施方式
车架b上经螺钉安装有壳体d，壳体d的内壁上经螺钉安装有定磁铁c；车架b上经轴承j安装有轮轴a，轮轴a的端部经螺钉安装有转子e，转子e上设有沉槽e2和导孔e1，沉槽e2将导孔e1分隔成两部分；动磁铁h上安装有连接块f、套有内弹簧g2和外弹簧g1，内弹簧g2和外弹簧g1分别位于连接块f的内侧和外侧；动磁铁h两端置于导孔e1内，动磁铁h与定 磁铁c的对称中心位于同一轴截面上，动磁铁h与定磁铁c的同性磁极相对安装；压电振子i由金属基板i1和压电晶片i2粘接而成，金属基板i1的中心固定在转子e的端面上、两端分别固定在不同的连接块f上；压电振子i装配前的自然状态下为平直结构、安装后变为弯曲结构，安装后压电晶片i2的曲率半径小于金属基板i1的曲率半径、压电晶片i2承受压应力；非工作时，压电晶片i2所承受的压应力为其许用值的一半。
正常工作且当定磁铁c与动磁铁h之间距离最远、相互作用力最小时，动磁铁h及压块f的离心力将外弹簧g1压缩，内弹簧g2及压电振子i伸长、压电晶片i2所受压应力降低；随着转子e转动，定磁铁c和动磁铁h间的距离缩短、相互排斥力增加，当动磁铁h及压块f所受磁铁间排斥力大于离心力时，动磁铁h及压块f向转子e的回转中心方向运动，外弹簧g1伸长、内弹簧g2和压电振子i缩短，压电晶片i2所受压应力增加；随着转子e的连续转动，压电振子i交替地伸长-缩短，从而将机械能转换成电能；工作过程中，外弹簧g1被压死时，压电振子i依然处于弯曲状态、压电晶片i2承受压应力；内弹簧g2被压死时，压电晶片i2所受压应力不超过其许用值。
Claims (1)
1.一种用于机车轮对监测系统供电的径向伸缩式压电发电机，其特征在于：车架上安装有壳体，壳体内壁上安装有定磁铁；车架上经轴承安装有轮轴，轮轴端部安装有转子，转子上设有沉槽和导孔，沉槽将导孔分隔成两部分；动磁铁上安装有连接块，动磁铁上套有内弹簧和外弹簧，内弹簧和外弹簧分别位于连接块的内侧和外侧；动磁铁两端置于导孔内，动磁铁与定磁铁的对称中心位于同一轴截面上，动磁铁与定磁铁的同性磁极相对安装；压电振子的金属基板的中心固定在转子上、两端分别固定在不同的连接块上；压电振子装配前为平直结构、安装后变为弯曲结构，安装后压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径、压电晶片承受压应力；非工作时，压电晶片所承受的压应力为其许用值的一半；工作过程中，外弹簧被压死时，压电振子依然处于弯曲状态、压电晶片承受压应力；内弹簧被压死时，压电晶片所受压应力不超过其许用值。
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