[发明专利]一种自供电列车轴系监测装置

说明书

本发明涉及一种自供电列车轴系监测装置，属轨道车辆监测与压电发电领域。轮轴经轴承安装在车架上，车架上的壳体端部装有端盖；轮轴的端部装有激励器，激励器的一端套在轮轴上并顶靠在轴承的内圈上；激励器上设有凸轮槽，凸轮槽左右两侧的凸轮面上安装有磁凸轮环；车架的壳体的凸台上装有压电振子和簧片，簧片自由端装有受激磁铁和顶块，受激磁铁与其相邻的磁凸轮环的同性磁极靠近安装，受激磁铁置于凸轮槽内；压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子对称地安装在簧片两侧且基板靠近簧片安装，基板与簧片之间压接有垫片，压电振子自由端顶靠在顶块上；车架上安装有电路板和传感器，压电振子经导线与电路板连接，电路板经导线与传感器连接。

技术领域

本发明属于轨道交通监测及压电发电技术领域，具体涉及一种自供电列车轴系监测装置。

背景技术

轮对是轨道车辆的关键部件，其健康状况以往是通过定期维护、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，因为：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；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。限于电力供应问题的制约，目前依然普遍采用非实时的、间接的测量方法，即将传感监测系统置于路基之上，不随车体移动或不随轮轴转动。为解决列车轴系实时监测系统的供电问题，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，但现有压电发电机是周期激励的且压电片承受交变的拉压应力，故可靠性较低、有效带宽窄。

发明内容

本发明提出一种自供电列车轴系监测装置，本发明采用的实施方案是：轮轴经轴承安装在车架上，车架上的壳体端部经螺钉安装有端盖；轮轴的端部经压板及螺钉安装有激励器，激励器的一端套在轮轴上并顶靠在轴承的内圈上；激励器上设有凸轮槽，凸轮槽左右两侧的凸轮面上安装有磁凸轮环，磁凸轮环可为多段拼接结构；车架的壳体的凸台上经压块和螺钉安装有压电振子和簧片，簧片自由端两侧经螺钉安装有受激磁铁，簧片自由端两侧经螺钉安装有顶块，受激磁铁与其相邻的磁凸轮环的同性磁极靠近安装，受激磁铁置于凸轮槽内；压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子对称地安装在簧片的两侧且基板靠近簧片安装，基板与簧片之间压接有垫片，压电振子的自由端顶靠在顶块上；车架上安装有电路板和传感器，压电振子经导线与电路板连接，电路板经导线与传感器连接。

压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构；簧片不发生弯曲变形时，簧片两侧压电振子的变形及受力状态分别相同，且压电片上的最大应力为其许用值的一半；受激磁铁与其左侧磁凸轮环的顶点或右侧磁凸轮环的顶点相互接触且使簧片弯曲变形达到最大时，压电片上的最大压应力不大于其许用值、压电振子自由端的变形量不大于其许用变形量，即小于其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板的厚度和压电振子的总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，k₃₁和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。