[发明专利]压电式能量采集装置及在浮置板轨道上的应用与方法

说明书

一种压电式能量采集装置及在浮置板轨道上的应用与方法，压电式能量采集装置包括上盖板和下盖板，所述上、下盖板之间、在中心位置设有中心块，所述上盖板和下盖板之间设有以中心块为中心中心对称布设的多组沿径向布设的压电陶瓷堆，所述压电陶瓷堆的一端支撑在中心块上，另一端支撑在将上、下盖板竖向压力转换为沿径向水平推力的推压装置上，浮置板轨道包括设置在钢弹簧隔振器内的压电式能量采集装置，本发明包括一种具有高承载能力、高输出功率以及低竖向尺寸的压电式能量采集装置，并且本装置将压电式能量采集装置应用在浮置板轨道上形成一种可提供稳定能量、具有安全保护功能的浮置板轨道，并且本发明还提供了一种压电式能量采集装置的设计方法。

技术领域

本发明属于结构、轨道健康监测的自供电技术领域，特别是涉及一种压电式能量采集装置及在浮置板轨道上的应用与方法。

背景技术

近年来，钢弹簧浮板轨道因其明显的减振效果，在城市轨道交通中得到了广泛的应用。但是在运行过程中，其混凝土浮置板会产生较大的竖向位移，从而导致弹簧的疲劳破坏，因此为了铁路运行的安全性，需要建立对浮置板与下部结构的长期健康监测系统，从而对钢弹簧的垂直位移和使用状态进行持续监测。但是这种长期健康监测系统是需要供电，如何实现对这些健康监测系统提供长期的供电是一个挑战。由于铺设电力电缆或使用电池成本相当昂贵，而对于地下轨道又无法利用风能和太阳能。而对于轨道车辆而言，由于轨道车辆运行间隔时间短、运行密度高、连续运行均会产生振动，如何利用这种振动产生能量成为现在研究的一个方向。

目前对于振动能量收集的研究主要包括电磁振动能量收集器(EM-VEH)、静电振动能量收集器(ES-VEH)和压电式能量采集装置(PE-VEH)。EM-VEH主要基于电磁转换原理。通过磁铁和线圈之间的相对运动，从而产生了电能。因此EM-VEH的关键是设计合适的机构来实现磁体与线圈的往复运动。但是为了增加输出功率，磁铁的体积和质量通常相当大。ES-VEHs是通过静电效应将机械振动的能量转换为电能，但首先需要增加电压源。PE-VEH的原理主要是利用压电材料的直接压电效应来发电。因此与EM-VEH、ES-VEH相比，PE-VEHs具有能量密度高、无电磁干扰、制作简单、易于实现小型化和集成化等优点，比较适合在钢弹簧浮板轨道中应用。

近年来关于压电式能量采集装置的发明研究中，增大装置的承载能力与输出功率一直是研究重点。Kim^[3]首次研究了铙钹型PE-VEH从机械振动中获取电能的能力，在7.8N、100Hz的力作用下产生39mW的功率。之后，为了适应大负荷、低频率的工作环境，许多新设备被提出。Daniel Arnold^[4]提出了一种新的铙钹型PE-VEH，它可以承受500磅的负载，其中PZT被粘合在钢基体上以提高抗拉强度。装置直径为25.4mm，厚度约为8.2mm，在振幅为324磅、频率为1Hz的力作用下产生124V的开路电压。Changki Mo提出了两种适合大负荷使用的铙钹型PE-VEH。第一款^[5]的设计目的是通过在金属端盖之间使用锆钛酸铅/钢复合材料取代单层锆钛酸铅，从而能够承受更高的机械载荷。实验结果表明装置在1.940kN、1Hz循环荷载下可以产生121.2μW的功率.第二个^[6]使用4个压电堆分布固定在金属环上。在2.1kN、1Hz频率的作用下，PE-VEH可产生34.5V左右的电压。Liu^[7]设计了一个径向分层铙钹型PE-VEH来收集道路系统的能量。它用两个轴向极化压电陶瓷环代替了传统铙钹换能器的圆盘式压电片，增加了金属环约束陶瓷片以提高其承载能力。实验结果表明,该装置在0.5kN、20赫兹的力下能够产生的功率为0.92mW。