[发明专利]一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置

说明书

本发明涉及一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，属于压电发电技术领域。用以将轨道交通列车运行产生的振动机械能收集起来并转化为电能，为小型传感器供电。该装置包括固定在车体上且上端开口的底座、与底座扣合形成内部空间的外壳、与外壳扣合的上端盖、设置在底座底面上和上端盖上的限位仓及在内部空间内在限位仓约束下垂直运动的圆盘压电阵列。与现有技术相比，本发明具有有效形变量大、发电效率高、响应频带宽、可靠性高、安全性高、使用寿命长等优点。

技术领域

本发明涉及轨道车辆振动能量收集技术领域，尤其是涉及一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置。

背景技术

低功耗的无线传感器在轨道交通列车关键设备安全监测领域的应用正在逐渐得到重视，为列车的运行安全、故障诊断、以及故障维修工作提供了强有力的保障。然而，传统的传感器依赖于外部有线电源或电池供电，对传感器的安装和长期使用造成了极大的困难。压电俘能器能够将车辆运行条件下产生的振动机械能利用正压电效应转换为电能，为无源传感器供电。可以用于列车实时监测与故障预测，可以极大地减少列车故障监测的工作量、节约维护成本。但目前大多数的压电式振动能量采集装置结构存在缺陷，出现了压电材料寿命短、发电效率不足、可靠性差等问题。

因此，针对上述情况，急需以拓宽俘能器的响应频带、提高能量输出为主要目标，提出一种压电结构的参数优化设计。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于轨道车辆的压电式振动能量采集转换装置，该装置包括底座，所述底座上设有外壳，所述外壳上设有上端盖，由所述底座、外壳和上端盖形成的封闭空间内设有压电陶瓷阵列，该封闭空间内的顶部和底部还各自设有用于约束所述压电陶瓷阵列垂直运动的限位舱以及用于辅助固定所述压电陶瓷阵列的固定柱。

进一步地，所述的压电陶瓷阵列包括防松螺栓、缓冲垫和压电固定环，所述的压电固定环包括上压电固定环和下压电固定环，所述上压电固定环和下压电固定环的中心位置处对应设置有所述缓冲垫，并经所述防松螺栓与所述固定柱相连接。

进一步地，所述的压电固定环通过设置于所述外壳上的固定孔水平固定于所述封闭空间内。

进一步地，所述上压电固定环和下压电固定环之间压紧固定有多个压电悬臂梁。

进一步地，所有的所述压电悬臂梁各自结构相同且沿圆周分布设置于所述上压电固定环和下压电固定环之间。

进一步地，所述的缓冲垫采用半球体弹性橡胶缓冲垫，所述的半球体弹性橡胶缓冲垫被所述固定柱穿过，呈弧面朝外且倒扣设置于所述限位舱的表面上，以在垂直方向上限制振幅。

进一步地，所述的底座和外壳上设有对应的用于引出压电振子导线的引出孔。

进一步地，每个所述的压电悬臂梁均采用上底为直边形，下底为弧形的梯形压电悬臂梁，以自身的弧形下底作为固定端通过螺栓固定于所述上压电固定环和下压电固定环之间。

进一步地，每个所述的压电悬臂梁包括中心金属基板层，所述中心金属基板层的上下表面设有压电陶瓷层，所述的压电陶瓷层上位于所述压电悬臂梁的直边形上底位置处的上下表面设有末端质量块。

进一步地，每个所述的末端质量块的结构为半圆柱体，所有的所述末端质量块能够拼合成完整的金属圆柱体质量块，通过调整所述金属圆柱体质量块的质量以改变固有频率，使其在工作时发生共振，以增大所述压电陶瓷层的形变量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、频率范围较宽，前三阶全覆盖梁单元的固有振动频率较为均匀地分布在2000Hz以内，符合轨道车辆检测频率范围，具有合适的宽频优化空间。