一种轨道振动能量回收装置的制作方法

1.本实用新型涉及轨道交通设备技术领域，特别涉及一种轨道振动能量回收装置。


背景技术：

2.轨道列车具有载重大、运行速度快的特点，由于列车在运行时持续碾压铁轨，使得铁轨始终处于加载和卸载的往复循环状态。而现实中的轨道并不完全是刚性的，轨道不平顺等因素激励并诱发了轨道各个结构层内不同程度的振动，这些振动产生的能量大部分被钢轨、轨枕以及路基所吸收，造成这些能量被浪费掉。
3.现有的轨道振动能量回收装置，如专利cn2020101492634公开的一种基于空间x型机构的铁路轨道振动能量收集装置，该装置设有上下承压板和连接在上下承压板之间的两个球副，上承压板受到的压力使两个球副带动下承压板作旋转运动，下承压板进而带动旋转轴筒旋转，在旋转轴筒外侧连接有传动齿轮，传动齿轮与发电装置的输入轴连接，以此实现将机械能转化为电能。但是，该装置整体零部件过多，导致可靠性较低，并且能量的收集效率也比较低。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出了一种能量收集效率高的轨道振动能量回收装置。
5.根据本实用新型提供的一种轨道振动能量回收装置，包括：压电发电装置、振动耦合机构、机械传动发电装置、能量采集和存储装置。所述压电发电装置用于通过压电材料将第一机械振动能转换成压电电能输出；所述振动耦合机构用于将所述压电发电装置转换后剩余的第一机械振动能传导输出；所述机械传动发电装置用于将所述振动耦合机构输出的第二机械振动能转换成机械电能输出；所述能量采集和存储装置分别与所述压电发电装置和所述机械传动发电装置电性连接，用于采集并储存所述压电电能输出和所述机械电能输出。
6.根据本实用新型上述实施例的轨道振动能量回收装置，至少具有如下有益效果：压电发电装置和机械传动发电装置并行工作，实现了对机械振动能量的梯级利用，大大提高了装置的能量收集效率，在实现了轨道振动能量回收再利用的同时，避免了轨道振动能量的浪费；此外两种发电装置所产生的电能，通过能量采集和存储装置进行采集和存储，可用于轨道旁的电子设备的供能，或者用于充当站台公共设施的应急备用电源，具有很强的实用性。
7.根据本实用新型的一些实施例，所述压电发电装置包括第一壳体、设于所述第一壳体内的多组压电振子，所述压电振子的输出端与所述能量采集和存储装置的输入端电性连接。
8.根据本实用新型的一些实施例，所述压电振子为cymbal钹型压电振子。
9.根据本实用新型的一些实施例，所述第一壳体为半球形，所述第一壳体内部沿其
高度方向至少设有两块绝缘托盘，所述压电振子对应安装在各所述绝缘托盘的上下端面上。
10.根据本实用新型的一些实施例，所述绝缘托盘的上下端面沿其周向等分成多个扇形安装区域，所述压电振子呈阵列式安装在各所述扇形安装区域内。
11.根据本实用新型的一些实施例，同一块所述绝缘托盘的上端面上的各所述压电振子的极化方向相同，同一块所述绝缘托盘的下端面上的各所述压电振子的极化方向与上端面上的所述压电振子的极化方向相同，相邻所述绝缘托盘之间上下相邻的所述压电振子的极化方向相反，相邻所述绝缘托盘之间上下相邻的所述压电振子的钹型金属帽通过导电介质连接，各所述绝缘托盘同一端面上相邻的所述压电振子的钹型金属帽通过导线连接，各所述压电振子并联连接在一起。
12.根据本实用新型的一些实施例，所述第一壳体的上下端面均为平面设计并通过绝缘性介质与所述压电振子的钹型金属帽连接。
13.根据本实用新型的一些实施例，所述第一壳体的上端面上设有减震垫。
14.根据本实用新型的一些实施例，所述振动耦合机构包括上压板和下压板、设于所述上压板与所述下压板之间的复位弹簧，所述上压板用于支撑所述压电发电装置，所述下压板用于在所述复位弹簧的弹力作用下驱动所述机械传动发电装置的输入侧。
15.根据本实用新型的一些实施例，所述机械传动发电装置包括烟囱形的第二壳体和设于所述第二壳体内的活塞、连杆、曲臂、偏心轴以及与所述偏心轴传动连接的增速齿轮箱、与所述增速齿轮箱传动连接的发电机，所述发电机的输出端与所述能量采集和存储装置的输入端电性连接，所述连杆的一端与所述活塞可拆卸连接，所述连杆的另一端与所述曲臂转动连接，所述上压板、下压板、复位弹簧均设于所述烟囱形壳体内，所述上压板和下压板上下垂直布置，所述下压板用于驱动所述活塞沿所述烟囱形壳体高度方向作往复运动。
16.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
17.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
18.图1为本实用新型实施例的结构示意图；
19.图2为图1中实施例沿a
‑
a方向的剖面图；
20.图3为本实用新型实施例的压电发电装置的剖面图；
21.图4为本实用新型实施例的绝缘托盘的俯视图。
22.附图标记：
23.压电发电装置100、第一壳体110、绝缘托盘111、导电介质112、减震垫113、压电振子120；
24.振动耦合机构200、上压板210、导线孔211、下压板220、复位弹簧230；
25.机械传动发电装置300、第二壳体310、活塞320、连杆330、曲臂340、偏心轴350、增速齿轮箱360、发电机370。
具体实施方式
26.下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
27.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
28.在本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
29.参考图1至图4，为本实用新型实施例的一种轨道振动能量回收装置，包括：压电发电装置100、振动耦合机构200、机械传动发电装置300、能量采集和存储装置(未在附图中示出)。
30.压电发电装置100内设有压电材料，通过压电材料将列车经过铁轨时产生的第一机械振动能转换成压电电能输出。
31.振动耦合机构200将压电发电装置100转换后剩余的第一机械振动能传导给机械传动发电装置300的输入侧。
32.机械传动发电装置300将振动耦合机构200传导输出的第二机械振动能转换成机械电能输出。
33.能量采集和存储装置包括依次电性串联连接的整流装置、能量储存装置。整流装置分别与压电发电装置100和机械传动发电装置300的输出端电性连接，用于将压电电能输出和机械电能输出进行整流和滤波。能量储存装置用于将整流装置输出的电能进行存储，从而达到轨道振动能量回收利用的目的。能量储存装置存储的能量用途广泛，例如可以用于轨道旁的电子设备的供能，或者用于充当站台公共设施的应急备用电源。
34.在本实用新型的一些实施例中，如图3所示，压电发电装置100包括第一壳体110、设于第一壳体110内的多组压电振子120，压电振子120的输出端与能量采集和存储装置的输入端电性连接。
35.压电振子120内的压电陶瓷由于受到机械振动而变形，在其极化方向的两端产生电动势，实现将机械振动能转换成电能。
36.第一壳体110为整个压电振子120堆提供支架，同时也为整个压电振子120 堆提供恒定的预应力，保证压电振子120堆振动时始终处于压缩状态。此外，可直接将第一壳体110贴于振动源的接触面，也可以通过其他机械结构扩大获得振动源的面积。
37.在本实用新型的一些实施例中，压电振子120为cymbal钹型压电振子，此类结构的压电振子可以将压电陶瓷圆片的小径向伸缩变换为金属薄壳腔体的弯曲变形。在相同电压下，相同数量的cymbal钹型压电振子能够比其他结构的压电振子产生更大的位移输出。
38.在本实用新型的一些实施例中，如图3所示，第一壳体110为半球形空腔，第一壳体110内部沿其高度方向至少设有两块水平放置的绝缘托盘111，cymbal 钹型压电振子对应安装在各个绝缘托盘111的上下端面上。
39.在本实施例中，每个cymbal钹型压电振子均用环氧树脂粘结在绝缘托盘111 上。采用半球形的第一壳体110作为承载压电振子120堆的载体，一方面扩大了压电振子120对外界振动能的接收面积，有利于俘获更多的振动能量，提高压电发电装置100与外界振动源的耦合程度；另一方面，半球形的外壳在保持较高的抗压强度的同时，也为整个压电振子120堆提供一定的预应力，提高整个压电发电装置100的抗张强度，保证压电振子120堆振动时始终处于压缩状态。
40.在本实用新型的一些实施例中，如图4所示，绝缘托盘111的上下端面沿其周向等分成多个扇形安装区域，压电振子120呈阵列式安装在各个扇形安装区域内。
41.在本实用新型的一些实施例中，如图3所示，同一块绝缘托盘111的上端面上的各压电振子120的极化方向相同，同一块绝缘托盘111的下端面上的各压电振子120的极化方向与上端面上的压电振子120的极化方向相同，相邻所述绝缘托盘111之间上下相邻的压电振子120的极化方向相反，相邻绝缘托盘111之间上下相邻的压电振子120的钹型金属帽保持同极性并通过导电介质112连接在一起，各绝缘托盘111同一端面上相邻的压电振子120的钹型金属帽通过导线连接在前一起，最终每一个压电振子120组成并联连接的结构。
42.通过在绝缘托盘111的上下端面上粘贴极化方向相同的压电振子120并组成并联结构，当压电振子120弯曲变形时，上下压电振子120分别表现为伸长和缩短，由于极化方向相同，上下压电振子120内的压电陶瓷形成的电场方向相反，上下压电振子120钹型金属帽上的电荷相同，并与压电振子120靠近绝缘托盘 111一端的电极上积聚的异号电荷形成电势，压电发电装置100总的输出电压与单个压电振子120输出的电压相同，而压电发电装置100总的输出电量为所有压电振子120输出的电量的总和。通过这样的结构布局，实现在合理利用空间的同时，做到能量收集效率最大化。
43.在本实用新型的一些实施例中，第一壳体110的上下端面均为平面设计并通过绝缘性介质与压电振子120的钹型金属帽冒连接。半球形壳的第一壳体110 上下底面设计为平面，可以紧贴cymbal钹型压电振子的接触面，从而增大了 cymbal钹型压电振子对外界振动能的接收面积。
44.在本实用新型的一些实施例中，如图3所示，第一壳体110的上端面上设有减震垫113。当列车驶过时，铁轨通过减震垫113向cymbal钹型压电振子传递机械振动能，cymbal钹型压电振子上表面的钹型金属帽会产生相应的弯曲振动变形，由于钹型金属帽与cymbal钹型压电振子内的压电陶瓷之间的耦合作用，外界的振动将被缓冲并放大转换为该压电振子120的径向应力。压电陶瓷在该径向应力作用下，其内部产生径向运动，基于压电效应的原理，交变的外界振动使得压电陶瓷产生交变电场，从而将机械振动能转换为电能。减震垫113具有极佳的弹性储能和阻尼耗散作用，通过设置减震垫113，可以衰减列车在刚开始驶过压电发电装置100上方时所产生的振动频率，一方面提高了轨道振动能量回收装置的安全可靠性，另一方面将振动频率控制在cymbal钹型压电振子的工作响应范围内，以提高能量回收效率。
45.在本实用新型的一些实施例中，如图2所示，振动耦合机构200包括上压板 210和下压板220、设于上压板210与下压板220之间的复位弹簧230，上压板 210用于支撑压电发电装置100，下压板220用于在复位弹簧230的弹力作用下驱动机械传动发电装置200的输入侧。压电发电装置100转换后剩余的第一机械振动能传递到上压板210，上压板210通过复位
弹簧230与下压板220相连，下压板220在受压时，将压力传递给机械传动发电装置300的输入侧，机械传动发电装置300再通过做功将该压力转换成电能。
46.上压板210上还设有导线孔211，压电发电装置100输出的电能通过导线线路从导线孔211导出至能量采集和存储装置。
47.在本实用新型的一些实施例中，如图2所示，机械传动发电装置300包括烟囱形的第二壳体310以及设于第二壳体310内的活塞320、连杆330、曲臂340、偏心轴350、与偏心轴350传动连接的增速齿轮箱360、与增速齿轮箱360传动连接的发电机370，发电机370的输出端与能量采集和存储装置的输入端电性连接。
48.其中，连杆330的一端通过花键与活塞320连接，连杆330的另一端通过滚柱轴承与曲臂340连接。
49.上压板210、下压板220、复位弹簧230均设在第二壳体310内，上压板210 和下压板220在第二壳体310内上下垂直布置。上压板210在受振动时，将振动传递给复位弹簧230，复位弹簧230产生弹性作用力并作用在下压板220上，下压板220受压后驱动活塞320沿第二壳体310的高度方向作往复运动。
50.连杆330在活塞320的驱动下做水平旋转运动，并通过滚柱轴承带动与曲臂 340连接的偏心轴350旋转，此时偏心轴350向外输出机械能。由于偏心轴350 的转速较小，此处将偏心轴350连接到增速齿轮箱360进行加速，再将增速齿轮箱360输出轴通过联轴器连接到发电机370，以实现机械能到电能的转换。
51.此外，通过曲臂340的往复旋转运动消除了活塞320回程时发电机产生的逆变电流，使得活塞320无论处于下降还是上升行程中，发电机370始终处于正转，从而增强了机械传动发电装置300的安全可靠性。通过增速齿轮箱360的加速使得发电机370的转速得到提升，提高了机械传动发电装置300的能量收集效率。
52.在本实施例中，发电机370可以优选pdmc发电机，以提高能量收集效率。通过上压板210、复位弹簧230和下压板220将压电发电装置100和机械传动发电装置300联结起来，实现了机械振动能量收集方式的多样化。并且两种机械振动能量的收集方式并行工作，能够实现轨道振动能量的梯级利用，提高了能量收集效率。
53.本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
54.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。