基于车辆运行的轨道振动能量回收系统研究

【摘要】随着轨道交通的发展，无线传感器、射频线圈等轨旁设备大量得被运用到信号系统中去。由于偏远地区电力缺乏，输电成本较高，这些轨旁设备大多采用电池供电。这种方法既增加了维护成本，又存在污染环境的可能。由此本文设想利用轨道振动能量作为新的能源来为这些设备供电，既为这些设备提供了电源，又减少了野外供电的成本。本文提出了一种轨道垂向振动能量采集方法，通过采集轨道振动能量来为轨道侧设备提供电源。通过建立车辆—轨道—压电耦合振动模型，得到压电振子的振动位移响应；建立鼓型压电振子的机电能量转换耦合模型，得到发电量与变形量之间的关系，揭示了轨道振动能量采集的机制和机理。本文对整个轨道振动能量回收系统进行了解析建模，进行了数值仿真，并通过实验进行验证。研究了轨道振动的激励源——轨道不平顺的相关概念，对比了各国轨道谱的区别；基于周期图法，研究了轨道随机不平顺功率谱的反演，得到了轨道随机不平顺的时域数据样本，并将其作为第三章中车辆—轨道—压电耦合振动模型的激励输入。研究了轨道振动能量回收系统的动力学建模问题，基于车辆—轨道耦合动力学，通过将压电振子等效为质量块和弹簧系统，建立了车辆—轨道—压电耦合振动模型。详细研究了该动力学系统的物理模型和数学模型，得到了该模型的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，并详细研究了方程算法。研究轨道振动能量回收系统的输出特性，基于第一类压电方程，对自行设计的鼓型压电振子进行了力学建模和机—电耦合建模，仿真得到了在不同外负载条件下的输出电压、电流和功率，完成了轨道振动能量回收系统的采集装置的建模工作。进行了轨道振动能量回收问题的实验研究，基于轨道振动能量回收试验台，加工制作了包含16个鼓型压电振子的压电组件，在不同车辆负载和电学负载的条件下，进行了实验研究。实验结果与理论仿真结果取得较好的一致性，证明了轨道振动能量回收的可行性和理论仿真的可靠性。理论研究结果表明，在列车满载工况下，200个鼓型压电振子输出功率峰值在3.5W左右，具有明显的脉冲特点。设计制作了轨道振动能量回收试验系统和鼓型压电振子。实验结果表明，16个鼓型压电振子的开路输出电压达到约50V~70V，并且与理论仿真结果较为相似。本文探索了轨道垂向振动能量回收方法的新途径，为轨道垂向振动能量回收、存储和再利用奠定理论基础。
【作者】袁天辰；
【导师】杨俭；
【作者基本信息】上海工程技术大学，车辆工程，2014，硕士
【关键词】轨道振动；振动能量采集；压电效应；鼓型压电振子；

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