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基于车辆运行的轨道振动能量回收系统研究
| 论文题名： | 基于车辆运行的轨道振动能量回收系统研究 |
| 关键词： | 轨道振动;振动能量采集;压电效应;鼓型压电振子 |
| 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 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 杨俭 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海工程技术大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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