基于超磁致伸缩棒收集轨道振动能量的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于超磁致伸缩棒收集轨道振动能量的装置及方法。
【背景技术】
[0002]近年来，无砟轨道大面积推广，无砟轨道地面平整，无碎石铺垫，利于各种相关设备的安装与固定。同时轨道交通的发展，无线传感器、射频线圈等轨旁设备大量地被运用到信号系统中去。由于偏远地区电力缺乏，电力的供应比较麻烦且成本较高，所以这些轨旁设备大多采用电池供电。但是电池的寿命是有限的，定期更换数量巨大的电池其工作量与成本往往令人难以承受；大量的废弃电池也给环境带来不可逆转的污染；此外，在大多轨旁设备的网络中，很多设备都被安装于偏远且狭小的环境中，人为更换电池相对困难。由于传统电池本身存在的一些缺陷，各国的研究者提出从轨旁各种周围环境中收集能量，目的是取代传统电池为轨旁设备供电。
[0003]振动在生活环境中无处不在，振动能量更具收集和利用的价值，而且也更便于收集。由于轨道并不是完全刚性，轨道车辆的运行速度、车辆载客量、轨道不平顺度等因素激励和诱发了轨道不同程度的振动。目前这些振动能量大部分被钢轨、枕木及路基所吸收并无价值地消费掉。如果能从轨道振动中采集并回收一部分能量，作为电源供给轨道侧的轨旁设备使用，将为轨道的安全监控提供保障，并且还能减少电池的消耗，不用或者减少电缆的铺设，降低安装和维护费用。所以轨道振动能量收集装置的研究，不仅仅具有经济效益，也具有一定的社会效益。
[0004]基于超磁致伸缩材料的振动能量收集技术的研究已经成为国际上一个新的热点。相对压电材料，超磁致伸缩材料不存在去极化引起的失效问题，同时不存在疲劳、老化问题，因而工作更可靠；超磁致伸缩材料的机电耦合系数可达0.75 (压电陶瓷PZT只有0.3-0.4)，能量转换效率更高；它们的磁致伸缩应变量大，在室温下大于0.15%，因而比压电材料更灵敏，可在较小振幅下产生更高的电压。
[0005]目前国内外针对轨道振动能量收集的研究还处于起步阶段，具体的设计很少，国内可检索到的设计主要是袁天辰和齐冀的研究。
[0006]袁天辰等(基于压电陶瓷的轨道振动能量采集方法，城市轨道交通研究，2012，(12):91-96.)提出的一种轨道振动能量收集方式，将压电式收集器安装于枕木与道床之间，这种设计需要破坏原有的轨道、枕木、道床等结构，安装困难。
[0007]齐冀等(地铁轨道振动能量回收系统的研制，节能技术，2011，(04):315-318.)提出一种悬臂梁来收集能量振动的方式，将压电材料振子安装于轨道底部，但只给出了简单介绍，未有详细说明。而且由于悬臂梁式能量转换效率不高，多运用于低频环境下，存在一定的局限性。
[0008]虽然两种方式都能一定程度上收集轨道振动能量，但是在安装、维修、能量转换、运用环境等方面都存在着一定的局限性，可以看出面向无砟轨道的振动能量收集器尚未成熟，因此，实践中需要一种解决上述问题的新的振动能量收集器。
【发明内容】
[0009]本发明是为了解决轨旁设备供电，并对于轨道上的振动能量产生和消耗大的问题，提出一种高效率的基于超磁致伸缩棒收集轨道振动能量的装置及方法。
[0010]本发明基于超磁致伸缩棒收集轨道振动能量的装置，包括上端盖、下端盖、导线孔、超磁致伸缩棒、下导磁块、线圈骨架、感应线圈、永久磁铁、输入顶杆、调节螺母和碟形弹簧。所述的下端盖开设有沿圆周均布的多个螺栓孔；下端盖的中心处开设有圆形凹槽，下导磁块固定于圆形凹槽内；所述的超磁致伸缩棒放置在下导磁块上；所述的线圈骨架套在超磁致伸缩棒上；所述的感应线圈绕于线圈骨架上，并通过下端盖的导线孔外接调节电路，调节电路输出端接微型机电设备或储能器；所述的永久磁铁套于线圈骨架外；所述输入顶杆的底端与超磁致伸缩棒接触，顶端与调节螺母通过螺纹连接。所述的上端盖与下端盖通过螺纹连接；输入顶杆的轴肩与上端盖之间设有碟形弹簧；所述的碟形弹簧设有预压力。
[0011]本发明基于超磁致伸缩棒收集轨道振动能量的方法，具体步骤如下:
[0012]步骤一、将基于超磁致伸缩棒收集轨道振动能量的装置和储能器安装于轨道下方两两相互间隔的枕木之间，具体安装过程如下:基于超磁致伸缩棒收集轨道振动能量的装置中，下导磁块与下端盖固定；超磁致伸缩棒放置在下导磁块上，外部套置线圈骨架；感应线圈绕于线圈骨架上，并通过导线外接调节电路和储能器；永久磁铁套于线圈骨架外；上端盖与下端盖通过螺纹连接；输入顶杆的底端与超磁致伸缩棒接触，顶端与调节螺母通过螺纹连接；输入顶杆的轴肩与上端盖之间设置碟形弹簧；基于超磁致伸缩棒收集轨道振动能量的装置总装完成后，将下端盖固定于道床上。
[0013]步骤二、通过转动调节螺母使其与轨道底面之间完全接触。
[0014]步骤三、超磁致伸缩棒收集轨道振动能量:轨道发生振动时，调节螺母将受到的振动压力传递至输入顶杆和超磁致伸缩棒。超磁致伸缩棒由于超磁致伸缩材料的压磁效应产生磁场变化；基于电磁感应原理，超磁致伸缩棒变化的磁场使得闭合连接于调节电路的线圈内产生感应电动势，从而对外输出电能并储存于储能器中。
[0015]本发明具有的有益效果:
[0016]本发明应用的环境必须为无砟轨道，无砟轨道无碎石铺垫，可以提供一个稳定的安装环境。本发明考虑到轨道安装时产生的高度变化，采用通过输入顶杆顶端的调节螺母进行旋转调节的方式，使轨道底端与拾振器完全接触。同时通过上、下端盖的螺纹连接压紧碟形弹簧的方式提供预紧力，使用扭矩扳手旋紧的方式，可以精确的控制预紧力。本发明通过利用轨道本身产生的振动能，实现了轨旁设备电能上的自给自足，减少了电缆的铺设和电池的消耗，大大增强了轨旁设备的可靠性与简便性。同时本发明不需改变轨道、枕木、道床等的结构，且安