用于轨道车辆轴承监测系统供电的压电发电装置

1.一种用于轨道车辆轴承监测系统供电的压电发电装置，其特征在于：轮轴通过轴承安装在车架上；轮轴的端部通过螺钉安装有T型挡块，所述T型挡块的一端压接在轴承的内圈上，另一端面上镶嵌有磁极配置方向相反的动磁铁；轴承盖通过螺钉安装在车架上，所述轴承盖的底部设有环形槽；在所述轴承盖底部环形槽的端面上通过螺钉安装有压电换能器、圆形挡片和环形挡片；所述圆形挡片和环形挡片将压电换能器的中心和边缘部位压接在轴承盖底部环形槽的端面上；所述压电换能器由金属基板及压电晶片粘接而成；定磁铁通过螺钉安装在压电换能器的金属基板上、且处于压电晶片的中心部位；传感监测系统通过螺钉安装在车架上、且置于所述轴承盖的内部，所述传感监测系统通过导线组与压电换能器连接。

用于轨道车辆轴承监测系统供电的压电发电装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于轨道交通监测及压电发电技术领域，具体涉及一种用于轨道车辆轴承监测系统供电的压电发电装置。\n背景技术\n[0002] 铁路列车及地铁等轨道交通运输系统承载着国民经济命脉，而轨道车辆的轮轴及轴承是确保轨道车辆安全运行的关键。以往，轨道车辆轮轴及轴承等关键运转部件的健康状况是以定期维护、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，车辆运行期间轮轴及轴承等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。\n[0003] 对于轮轴及轴承监测系统而言，理想的方法是将各类传感监测系统安装在旋转轴上或靠近轴承安装，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的提供可靠、充足的电力供应而难于推广应用，原因在于：①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、且货运车厢本身也无配电系统；②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。\n[0004] 限于传感监测系统的能源供应问题，目前实际中普遍采用的是非实时的、间接的测量方法，即将传感监测系统至于路基之上，不随车体移动或不随轮轴转动，例如：中国专利CN101072985A、CN102278950A等提供的温度监测系统，中国专利CN102120461A、CN102101484A、CN102101485A等提供的车轴监测单元，等等。可见，由于轨道车辆轮轴及轴承工作环境特殊性以及由此所造成的电力供应难题，真正意义上的实时在线监测系统、尤其是直接测量轮轴及轴承状态的实时监测系统还难以推广应用。\n发明内容\n[0005] 本发明提供一种用于轨道车辆轴承监测系统供电的压电发电装置，用于轨道车辆轴承监测系统供电，以实现实时的、直接的轴承在线健康监测。\n[0006] 本发明采取的技术方案是：轮轴通过轴承安装在车架上；轮轴的端部通过螺钉安装有T型挡块，所述T型挡块的一端压接在轴承的内圈上，另一端面上镶嵌有磁极配置方向相反的动磁铁；轴承盖通过螺钉安装在车架上，所述轴承盖的底部设有环形槽；在所述轴承盖底部环形槽的端面上通过螺钉安装有压电换能器、圆形挡片和环形挡片；所述圆形挡片和环形挡片将压电换能器的中心和边缘部位压接在轴承盖底部环形槽的端面上；所述压电换能器由金属基板及压电晶片粘接而成；定磁铁通过螺钉安装在压电换能器的金属基板上、且处于压电晶片的中心部位；传感监测系统通过螺钉安装在车架上、且置于轴承盖的内部，所述传感监测系统通过导线组与压电换能器连接。\n[0007] 在本发明中，动磁铁和定磁铁的作用是通过相对转动产生交替的排斥力和吸引力，压电换能器的功能是将机械能转换成电能。\n[0008] 在轨道车辆运行期间，镶嵌于T型挡块上的第一、第二动磁铁随轮轴转动，而安装在轴承盖内部的压电换能器、以及安装在所述换能器上的定磁铁相对静止。当第一动磁铁旋转至定磁铁附近时，即动磁铁与定磁铁同性磁极靠近，产生排斥力；相反，当第二动磁铁旋转至定磁铁附近时，即动磁铁与定磁铁异性磁极靠近，产生吸引力。动磁铁与定磁铁之间排斥力与吸引力的交替变化使得压电换能器产生往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能，所产生的电能经一定的转换处理后直接用于驱动监测系统。\n[0009] 本发明的特点是：压电换能器的弯曲变形量及单次激励发电量是由磁极间的磁场强度决定的，轮轴增速、减速、及速度高低等状态变化对其无直接影响，因此对轮轴的转速适应能力强，在各种转动状态下都有较强的发电能力；同时，可通过磁场强度设计限定压电换能器的变形量，进而提高发电装置的可靠性。\n[0010] 本发明优势在于：①发电装置集成在轴承盖内，由旋转的轮轴与磁力耦合非接触激励，无接触冲击、噪音及接触激励可能造成的压电换能器损毁；② 压电换能器沿轮轴轴向变形，变形量及发电量不受轮轴转动状态影响，转速适应能力及发电能力强、匀速及高速时均可发电，且可靠性高。\n附图说明\n[0011] 图1是本发明一个较佳实施例中压电发电装置的结构剖视简图；\n[0012] 图2是图1的A-A视图；\n[0013] 图3是图1的I部放大图；\n[0014] 图4是本发明压电换能器的结构示意图；\n[0015] 图5是图4的B-B视图。\n具体实施方式\n[0016] 轮轴3通过轴承2安装在车架1上；轮轴3的端部通过螺钉安装有T型挡块4，所述T型挡块4的一端压接在轴承2的内圈上，另一端面上镶嵌有第一组动磁铁5和第二组动磁铁5’，且所述两个相邻的第一组动磁铁5和第二组动磁铁5’的磁极配置方向相反；轴承盖6通过螺钉安装在车架1上，所述轴承盖6的底部设有环形槽601；在所述轴承盖6底部环形槽601的端面上通过螺钉安装有压电换能器7、圆形挡片8和环形挡片9；所述圆形挡片8和环形挡片9将压电换能器7的中心和边缘部位压接在轴承盖6底部环形槽601的端面上；所述压电换能器7由金属基板701及压电晶片702粘接而成；定磁铁10通过螺钉安装在压电换能器7的金属基板701上、且处于压电晶片702的中心部位；传感监测系统12通过螺钉安装在车架1上、且置于所述轴承盖6的内部，所述传感监测系统12通过导线组\n11与压电换能器7连接。\n[0017] 在本发明中，动磁铁4和定磁铁10的作用是通过相对转动产生交替的排斥力和吸引力，压电换能器7的功能是将机械能转换成电能。\n[0018] 在轨道车辆运行期间， T型挡块4以及镶嵌于T型挡块4上的第一组动磁铁5和第二组动磁铁5’随轮轴3转动，而安装在轴承盖6内部的压电换能器7、以及安装在所述换能器7上的定磁铁10相对静止。当第一组动磁铁5中的旋转至定磁铁10附近时，动磁铁5的N极与定磁铁的N极靠近，产生排斥力，从而使压电换能器7产生向左的弯曲变形；\n当第一组动磁铁5转离定磁铁10后、磁极间的排斥力逐渐消失。与此同时，第二组动磁铁\n5’靠近定磁铁10，动磁铁5’的S极与定磁铁10的N极靠近，产生吸引力，从而使压电换能器7产生向右的弯曲变形。第一组动磁铁5和第二组动磁铁5’交替地靠近和远离定磁铁\n10，即使压电换能器7产生交替的往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能；所生成的电能通过导线组11输送给位于车架1上的传感检测系统12。