一种磁吸式地铁轨道俘能发电装置的制作方法

本发明涉及俘能发电装置，更具体说，它涉及一种磁吸式地铁轨道俘能发电装置。

背景技术：

地铁具有占地少、运量大、节能环保、安全舒适等优点，在缓解城市交通压力、方便市民出行等方面发挥着巨大的作用。我国城市轨道交通正处于快速建设期，截止2015年12月，国内已有25个城市开通了地铁，预计到2020年我国将有45座以上城市修建地铁，地铁总里程将达6000公里。随着地铁服役年限的增长，在长期列车荷载和周边施工等因素影响下，地铁隧道基础结构可能出现变形、沉降、材料劣化等问题，引起轨道线路变形及轨面不平顺，影响列车运行平稳性和安全性。

为保障地铁运营安全，对重要区段进行长期振动监测十分必要。俘能装置可收集轨道系统自身振动，为监测仪器、隧道内部安全指示系统、电子广告牌、低耗能照明系统等提供电能。现有的发明专利中，美国专利us2011/0291526压电发电器件安装于特殊设计的轨枕之内，若需应用于我国既有地铁线路，需更换现有的轨枕，工程量和经济费用巨大。中国专利(申请号：201310503708.4)将压电元件设置于轨枕底部，也需对既有线路的轨枕进行更换和开槽处理。另一项中国专利(申请号：201610218883.2)可将压电元件直接安装于钢轨上，安装和使用相对便捷，但每片压电元件都需通过夹持单元和固定单元与钢轨连接，且单片压电元件俘能发电效果有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术不足,提供一种能利用地铁列车运行时产生的轨道系统振动变形提供电能的磁吸式地铁轨道俘能发电装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的:

这种磁吸式地铁轨道俘能发电装置，包括基座，所述基座背面设有多个t型槽口，所述t型槽口插入t型磁条，基座正面上端夹持有悬挑式pvc绝缘底板，pvc绝缘底板的顶部翻起，在pvc绝缘底板上设有多个压电单元，压电单元通过电线串联形成供电电路，供电电路还包括稳压整流器、变压器、储能装置和电流输出端口，其中稳压整流器和变压器通过电线连接至供电电路的电流输出端口，通过电流输出端口与外部用电设备相连并为其供电，储能装置存储富余电能。

作为优选：所述基座以直线方式通过t型磁条吸附贴合在钢轨外侧立面。

作为优选：所述pvc绝缘底板通过螺栓夹持固定在基座上。

作为优选：所述基座为截面矩形的长条状。

作为优选：所述基座背面多个t型槽口等间距布置。

本发明的有益效果是:

地铁运营期间，由于车辆运行所产生的轨道系统振动难以避免，根据压电材料的力电转换性质，可以将轨道系统的振动机械能转化为电能，并加以收集和利用，变害为宝。地铁线路往往建于人流密集区域，具有客流量大、运营时间长、运营班次密集等特点，而钢轨和道床板在地铁列车经过前后会产生明显振动，压电材料的正压电效应可将该振动能量转换为电能，为地铁隧道内部的监控系统、照明系统、广告牌或安全指示系统等提供用电。目前，压电材料的研究和应用已相对成熟，所述压电俘能装置结构简单，易于加工制作，材料的能量采集和应用工作环境限制少、效率高、绿色环保，应用于地铁轨道系统俘能装置，可协助实现地铁隧道的自供能实时监控等，具有巨大的市场应用潜力和经济价值。

本发明利用压电材料的正向压电效应，将压电单元通过电线串联起来，加上电源控制集成装置，一起封装在pvc绝缘底板上，pvc绝缘底板采用螺栓夹持固定在基座上，基座背面每隔15cm有磁条插口，通过磁条将所述磁吸式地铁轨道俘能发电装置安装于钢轨外侧立面，利用压电材料的正向压电效应，将地铁列车行进时所产生的钢轨振动转化为电能，通过电源控制集成装置的稳压、变压处理，为地铁隧道内部的各用电设备供电或者进行电能存储，本发明的发电装置所产生的电能完全能够为地铁隧道内部的实时监控系统、照明系统、安全指示系统、广告牌等提供足够的电能，还具备电能存储装置，当产生电能富余时能够及时进行存储，保证系统的持续供电，此外，整体装置可随时拆除并在其它轨道段重复利用，为地铁隧道的实时监控系统等提供一种全新的绿色环保能源。

附图说明

图1是本发明安装于地铁钢轨的区域。

图2是本发明的三维效果图。

图3是本发明的俯视图。

图4是本发明的正视图。

图5是本发明的背视图。

图6是本发明实施案例中的地铁列车-轨道整体计算模型。

图7是轮下钢轨的位移时程曲线。

图8是轮下浮置板的位移时程曲线。

图中标号：1-地铁隧道壁；2-地铁道床；3-钢轨；4-磁吸式俘能发电装置；5-电流输出端口；6-储能装置；7-变压器；8-稳压整流器；9-压电单元；10-电线；11-t型磁条；12-螺栓；13-pvc绝缘底板，14-基座。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本发明的磁吸式地铁轨道俘能发电装置包括有基座14，基座14每隔15cm留有磁条插口，可放置或自由更换t型磁条11，通过磁条将磁吸式地铁轨道俘能发电装置安装于钢轨外侧立面，保障本发明可在不同轨道段进行重复拆装使用。

基座14连接有悬挑式pvc绝缘底板13，绝缘底板的顶部翻起，以增加悬挑端的质量，起到增强悬挑式pvc绝缘底板13振动幅度的作用，从而增强压电元件9的俘能效益。基座14上方每隔15cm设有两个螺栓孔，通过螺栓12将pvc绝缘底板13夹持和固定在基座上。

本发明包括有多个压电单元9，压电单元9整体呈扁平状，通过电线10串联形成压电单元电路，相邻压电单元的间距为1cm，压电单元数量可由用电设备电量决定，压电单元数量越多，则所能提供的电量越大。

供电电路还包括电源控制模块，具体包括稳压整流器8、变压器7、电能储能装置6、电流输出端口5，其中稳压整流器8、变压器7通过电线10连接至供电电路的输出端口5，通过电路输出端口5与外部用电设备相连并为其供电，用电设备主要指地铁隧道内部的实时监控系统、照明系统、安全指示系统、广告牌等，储能装置6存储富余电能。

电线10的作用为串联各个压电单元、稳压整流器、电能储能器、变压装置、连接用电设备的电路输出端口及传输电流。

本实施案例基于matlab，以地铁浮置板轨道系统为例，建立图6所示的地铁列车-浮置板轨道整体计算模型，对地铁列车荷载作用下钢轨和浮置板道床的振动响应进行了计算。轨道计算长度取为350m，单块浮置板长度为25m，其它计算参数如下表所示。

注：车体各部分质量单位均为kg，车体和转向架转动惯量单位为kg·m²，轨道分布质量单位kg/m，轨道

抗弯刚度单位n·m²，弹簧刚度单位n/m，弹簧阻尼单位n·s/m，力单位n。

结合实际背景及结构动力学理论，采用10自由度多刚体模型模拟列车，其中车体部分及转向架考虑竖向位移及点头两个自由度，轮对仅考虑竖向位移一个自由度，相应的列车动力平衡方程为：

其中分别为列车的质量、阻尼及刚度矩阵，{f}10×1为列车各部分所受外力，主要包括自重及轮轨接触力，{z}10×1为列车位移向量，为列车速度向量，为列车加速度向量。

钢轨采用为两端简支的euler梁理论计算，其振动微分方程为：

其中erir为钢轨抗弯刚度，ρrar为钢轨分布质量，fr(x,t)为竖向外力，vr为钢轨竖向位移。

浮置板长度较为扁平，采用两端自由的mindlin板梁理论计算。此外，因实际工程中地铁轨道基底部分是和隧道衬砌壁浇筑在一起的，故将基底垫层和隧道壁考虑为一个整体刚性基础。浮置板的振动微分方程如下所示：

其中dsbs为浮置板抗弯刚度，κasgs为浮置板剪切刚度，ρsas为浮置板分布质量，ρsis为浮置板转动刚度，fs(x,t)为浮置板所受外力，ms(x,t)为浮置板所受弯矩，vs为浮置板竖向位移，φs为浮置板转角。

当列车运行速度为72km/h时，列车第一轮对所在位置钢轨、浮置板的位移响应曲线分别如图7、8所示，结果显示，当列车经过时，钢轨和浮置板位移会产生突跳现象，钢轨和浮置板的位移振动幅值迅速放大，达到3mm左右，因地铁列车车体较长，6编组车辆总长度在114米左右，且地铁运行班次十分密集，这意味着，在列车经过区域，随着钢轨和道床振动本发明将产生大量电能，为地铁隧道各用电设备提供充足电源。