一种高寒地区轨道能量采集装置的制作方法

本实用新型属于轨道交通中的能量回收技术领域，具体涉及一种高寒地区轨道能量采集装置，尤其是涉及到一种利用铁路轨道上下小幅振动的机械能发电装置。

背景技术：

目前能源危机和环保已经成为世界关注的问题。

我国是铁路大国，列车运行时会引起轨道振动，特别是诸如内燃机车等火车行驶所产生的振动能量，这些振动能量会被道床和轨道吸收并且造成一定的伤害，这些能量被认为是废弃能量而消耗掉，如果利用能量采集装置对这部分振动能量进行采集和利用，将会极大地节约能源并且解决一些电能无法到达的地方的能源缺乏问题。尤其是当前修建的高寒地区的铁路，在部分高寒地区架接电网是十分困难的，低温大雪环境也不利于风能、太阳能发电装置的使用，能源无法顺利输送。部分高寒地区的铁路轨道和周边环境需要进行监控和信息反馈，所以采集轨道的振动能量，并把能量用于轨道传感器、监控设备等的供电，将具有十分重要的有意义。

目前我国有很多的能量采集装置，如利用压电材料进行发电、利用机械结构将机械能转换为电能等。但需要在轨道和路基之间的狭小的空间里安装装置，就限制了装置的尺寸，从而使装置无法承受轨道带来的强大压力，寿命不长，容易损坏，如果经常进行维修或更换就造成了成本的增加，故当前如何使用一个安全、简单、高效、便宜的能量采集装置来将这部分振动能量采集并利用就成了急需要解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中用于轨道的能量采集装置结构过于复杂，难以在狭小的空间中安装使用的问题，本实用新型的目的在于：提供一种高效的能量采集装置，简化装置的结构，从而使其能够安装在狭小的空间内。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种高寒地区轨道能量采集装置，其特征在于：包括用于与铁轨连接的连接架，所述连接架下方竖直设置有齿条ⅰ和齿条ⅱ，所述齿条ⅰ和齿条ⅱ之间设置有转轴ⅰ，所述转轴ⅰ上分别通过单向离合器ⅰ和单向离合器ⅱ连接有齿轮ⅰ和齿轮ⅱ，所述单向离合器ⅰ和单向离合器ⅱ的锁止方向相同，所述齿条ⅰ与齿轮ⅰ配合，齿条ⅱ与齿轮ⅱ配合；所述转轴ⅰ上还固定连接有齿轮ⅲ，所述齿轮ⅲ通过传动机构与发电结构连接。

采用该技术方案后，连接架与铁轨连接，使得铁轨的振动能够带动齿条ⅰ和齿条ⅱ往复上下运动，随后通过齿条ⅰ和齿条ⅱ与齿轮ⅰ和齿轮ⅱ的配合，将上下的往复运动转化为齿轮ⅰ和齿轮ⅱ的转动，由于单向离合器ⅰ和单向离合器ⅱ的锁止方向相同，因而，齿条ⅰ和齿条ⅱ的上下往复运动能够驱动转轴ⅰ朝向同一个方向转动，而后转轴ⅰ的转动传动到发电结构将机械能转化为电能。此外，齿条ⅰ和齿条ⅱ分别设置在转轴ⅰ的两侧，这样无论齿条ⅰ和齿条ⅱ是向上运动还是向下运动，总有一条齿条能够维持对转轴ⅰ的驱动，不存在齿轮ⅰ和齿轮ⅱ同时空转的情况，提高了能量采集的效率和稳定性。这样通过简单的结构能够保证高效稳定地采集铁轨的振动能量，减小了设备的体积，便于安装在铁轨与道床之间。

优选的，齿轮ⅲ和发电结构之间设置有轮系增速结构，所述轮系增速结构包括数级齿轮组。

进一步优选的，轮系增速结构包括转轴ⅱ，所述转轴ⅱ上固定连接有齿轮ⅳ和齿轮ⅴ，齿轮ⅳ的直径小于齿轮ⅴ的直径，齿轮ⅳ与齿轮ⅲ配合，齿轮ⅴ通过传动机构与发电结构连接。

采用上述优选方案后，轮系增速结构能够放大转轴的转动速度，从而提高传动给发电结构的转动速度，使得发电量增加。

优选的，还包括基座，所述转轴ⅰ、齿轮ⅰ、齿轮ⅱ、齿轮ⅲ和发电结构设置在基座内，所述基座内设置有滑槽ⅰ和滑槽ⅱ，所述齿条ⅰ设置在滑槽ⅰ中，所述齿条ⅱ设置在滑槽ⅱ中。采用该技术方案后，能够限定齿条ⅰ和齿条ⅱ的活动方向，避免脱落或运动偏离。

优选的，还包括储存结构，所述发电结构与储存结构直接连接，储存结构后接有用于向外围设备供电的转换电路。采用该优选方案后，主要通过转换电路调节电压并使其稳定，以方便电能后续用于向外围设备供电。

进一步优选的，转换电路的稳压芯片选择lm2940。部分高寒地区的温度对芯片的选择影响极大，所以要使装置能在-40摄氏度工作，本优选方案选定lm2940，其不但能在高寒地区稳定工作，还具有反向电池保护、电流限制和热关断、镜像插入保护，且成本低廉的特点。

进一步优选的，转换电路中稳压芯片的输入端并联有去耦电容(c33)和滤波电容(c32)。设置去耦电容(c33)和滤波电容(c32)后，能够使得输入的电压近似稳恒。

进一步优选的，转换电路中稳压芯片的输入端串联有电感(l1)。本优选方案串联一个大电感，用于保持电流的恒稳。

进一步优选的，储存结构包括多个串联的耐低温的超级电容。本优选方案中，既考虑到元器件需要在高寒地区工作(参考青藏铁路最低温地段风火山隧道为-38度)，又尽量做到单次能量储存大、减少人力成本。采用串联的方式，能够增加超级电容容量和耐压值。

所述储存结构的电路中串联设置有二极管。起保护作用，防止超级电容在未充电时放电驱动发电机。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.齿条ⅰ和齿条ⅱ分别设置在转轴ⅰ的两侧，这样无论齿条ⅰ和齿条ⅱ是向上运动还是向下运动，总有一条齿条能够维持对转轴ⅰ的驱动，不存在齿轮ⅰ和齿轮ⅱ同时空转的情况，提高了能量采集的效率和稳定性。

2.通过简单的结构能够保证高效稳定地采集铁轨的振动能量，减小了设备的体积，便于安装在铁轨与道床之间。

3.轮系增速结构能够放大转轴的转动速度，从而提高传动给发电结构的转动速度，使得发电量增加。

4.滑槽ⅰ和滑槽ⅱ能够限定齿条ⅰ和齿条ⅱ的活动方向，避免脱落或运动偏离。

5.通过转换电路调节电压并使其稳定，以方便电能的后续利用。

6.部分高寒地区的温度对芯片的选择影响极大，所以要使装置能在-40摄氏度工作，本优选方案选定lm2940，其不但能在高寒地区稳定工作，还具有过载保护、回流保护，短路保护，且成本低廉的特点。

7.设置去耦电容(c33)和滤波电容(c32)后，能够使得输入的电压相对稳恒。

8.电路中稳压芯片的输入端串联一个大电感，用于保持电流的恒稳。

9.储存结构选用耐低温的储存结构，既考虑到元器件需要在高寒地区工作(参考青藏铁路最低温地段风火山隧道为-38度)，又尽量做到单次能量储存大、减少人力成本。采用串联的方式，能够增加超级电容容量和耐压值。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型的外部结构示意图；

图2是本实用新型的内部结构的主视图；

图3是本实用新型的内部结构的俯视图；

图4是本实用新型实施例中装置的其中一种工作状态的示意图；

图5是本实用新型实施例中装置的另一种工作状态的示意图；

图6是本实用新型的转换电路的电路图；

图7是本实用新型的充电电路的电路图。

其中，1-基座，2-连接架，3-齿条ⅰ，4-齿条ⅱ，5-滑槽ⅰ，6-滑槽ⅱ，7-转轴ⅰ，8-单向离合器ⅱ，9-齿轮ⅱ，10-齿轮ⅲ，11-转轴ⅱ，12-齿轮ⅴ，13-齿轮ⅵ，14-发电机，15-齿轮ⅰ，16-齿轮ⅳ。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1至图7对本实用新型作详细说明。

一种高寒地区轨道能量采集装置，包括了上下振动采集结构、轮系增速结构、发电结构、储存结构、基座1。

上下振动采集结构包括用于与铁轨连接的连接架2、齿条ⅰ3和齿条ⅱ4，所述齿条ⅰ3和齿条ⅱ4通过螺栓连接竖直设置在连接架2下方。

基座1中设置有滑槽ⅰ5和滑槽ⅱ6，齿条ⅰ3的下部与滑槽ⅰ5配合构成滑动连接，齿条ⅱ4的下部与滑槽ⅱ6配合构成滑动连接。保证齿条ⅰ3和齿条ⅱ4不会脱落或者偏离。

轮系增速结构、发电结构和储存结构设置在基座1中。轮系增速结构包括数级齿轮组，本实施例中，轮系增速结构包括转轴ⅰ7和转轴ⅱ11，转轴ⅰ7和转轴ⅱ11平行设置并且均通过轴承与基座1连接。转轴ⅰ7设置在齿条ⅰ3和齿条ⅱ4之间，所述转轴ⅰ7上分别通过单向离合器ⅰ和单向离合器ⅱ8连接有齿轮ⅰ15和齿轮ⅱ9，所述单向离合器ⅰ和单向离合器ⅱ8的锁止方向相同，所述齿条ⅰ3与齿轮ⅰ15配合，齿条ⅱ4与齿轮ⅱ9配合。通过上述结构，齿条ⅰ3和齿条ⅱ4的齿分别朝向转轴ⅰ7的方向，上下振动时，齿条ⅰ3和齿条ⅱ4分别驱动齿条ⅰ3与齿轮ⅰ15向相反的方向运动。但是，如图4和图5所示，由于单向离合器ⅰ和单向离合器ⅱ8的锁止方向相同，当齿条ⅰ3和齿条ⅱ4向上运动时，齿轮ⅰ15带动转轴ⅰ7转动，齿轮ⅱ4空转；当齿条ⅰ3和齿条ⅱ4向下运动时，齿轮ⅰ15空转，齿轮ⅱ4带动转轴ⅰ7转动。这样能够保证齿轮组的单向转动。

所述转轴ⅰ7上还固定连接有齿轮ⅲ10，齿轮ⅲ10的直径大于齿条ⅰ3和齿条ⅱ4的直径。所述转轴ⅱ11上固定连接有齿轮ⅳ16和齿轮ⅴ12，齿轮ⅳ16与齿轮ⅲ10配合，齿轮ⅳ16的直径小于齿轮ⅲ10的直径，齿轮ⅴ12通过传动机构与发电结构连接。发电结构包括发电机14，发电机14采用直流发电机。发电机14的转动轴上设置有齿轮ⅵ13，齿轮ⅵ13与齿轮ⅴ12配合。

发电结构与储存结构直接连接，储存结构后接有转换电路。如图6所示，转换电路的稳压芯片采用lm2940，其不但能在高寒地区工作，还具有反向电池保护、电流限制和热关断、镜像插入保护，且成本低廉的特点。由电容放电曲线可知，电流电压都是不断变化的，由于lm2940的稳压方式是pwm脉宽调节，所以若是超级电容直接接入稳压芯片，直接通过稳压芯片的电流会损害其性能且输出端的电压并非稳恒值，所以在稳压芯片的输入端通过并联连接去耦电容(c33)和滤波电容(c32)，使输入的电压在一个小范围波动。此外，稳压芯片的输入端串联大电感(l1)是为了保持电流的稳恒。而输出端的电容(c30)和电容(c31)的作用类似地低通滤波器，是滤去dcdc变换中的电源纹波，图中二极管(d5)和二极管(d7)的作用是为了防止电流倒灌。图7为充电电路的电路图，其中的储存结构(c34)既要考虑到元器件的能否在高寒地区工作(参考青藏铁路最低温地段风火山隧道为-38度)，又要尽量做到单次能量储存量大。故储存结构(c34)选择耐低温的功率型超级电容，其最低工作温度为-40摄氏度，而单个超级电容的耐压值一般为2.7v，所以本系统采用串联三个功率超级电容的方案(注：图7中的c34是三个1000f电容串联的等效元件)。电动机14输出端的电容(c29)是为了避免发电机14在变速转动中产生电火花。储存结构的电路中串联设置有二极管。起保护作用，防止超级电容在未充电时放电驱动发电机。

本实用新型的工作原理为：当列车经过时，使轨道上下振动，通过连接架2使得齿条ⅰ3和齿条ⅱ4运动，进而使与两个齿条相啮合的齿轮ⅰ15和齿轮ⅱ9旋转，同时齿轮ⅰ15和齿轮ⅱ9与直径较大的齿轮ⅲ10同轴，使得齿轮ⅲ10可以转动，并且齿轮ⅰ15和齿轮ⅱ9安装了两个单向离合器，可以使得齿轮ⅰ15和齿轮ⅱ9在齿条ⅰ3和齿条ⅱ4上下运动时带动转轴ⅰ7向同一个方向转动，从而使得齿轮ⅲ10可以单向旋转，同时转轴ⅱ11上直径较小的齿轮ⅳ16与直径较大的齿轮ⅲ10相啮合，得到转动扭矩，带动转轴ⅱ11上的直径较大的齿轮ⅴ12转动，并且直径较大的齿轮ⅴ12与直径较小的齿轮ⅵ13相啮合，使得发电机14上的齿轮ⅵ13可以单向转动，保证发电机14放入转子为单向转动，从而发电。通过上述结构，可以保证无论齿条ⅰ3和齿条ⅱ4向上还是向下运动，发电机14的转子转向都不变，并且经过转轴ⅰ7上较大齿轮ⅲ10和转轴ⅱ11上较小的齿轮ⅳ16相啮合，可以有效地放大齿轮的转速，使得发电机14的发电量增加。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。