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列车安全警示用压电式能量收集装置设计与验证
| 论文题名： | 列车安全警示用压电式能量收集装置设计与验证 |
| 关键词： | 轨道列车;安全警示装置;自供电运行;机械振动;能量收集装置;参数设计 |
| 摘要： | 随着全球经济的发展，对轨道列车的需求持续上升，列车运行的安全警示和关键设备的供电技术成为至关重要的问题。现有列车组主要靠接触网供电，部分内燃机车依靠柴油发电机发电，但是大部分普速列车、货运列车的车厢间电器组件链接复杂、部分车厢电源供给受到限制或者没有电源，安全警示设备供电无法得到有效的保障。针对上述问题，本文提出了一种基于列车机械组件垂向振动的能量采集方法，实现了部分安全警示装置的无电缆化自供电运行。通过对典型的铁道列车机械组件振动特性研究，确定出压电俘能器的整体设计方案，设计了双压电磁耦合俘能器机构并建立起机电能量转换模型，阐述了列车运行机械振动能量收集和能量转换的机理，并通过实验进行验证。本文以铁道列车机械组件运行过程中的垂向振动特性为据，研究了一种双压电磁耦合俘能装置。为开发新一代列车自供能设备提供理论价值和借鉴意义。 论文首先对列车运行过程中机械部件的振动特性展开研究，确定压电俘能器重要技术指标。主要包括对车体、转向架、轮对、轨下支撑块在内的典型列车组件振动特性的时域特性和频域特性进行深入分析，基于其频谱特性得出俘能器工作带宽性能指标。同时对车载安全警示设备电力功耗需求分析，以获得俘能器发电功率水平要求。 其次，针对轨道低频振动特性设计了一种基于列车垂向振动的双压电磁耦合俘能装置，利用哈密顿变分原理进行推导，并结合压电本构方程和欧拉-伯努利梁理论建立压电单晶悬臂梁的分布式参数模型。通过对压电结构优化、磁斥力间隙优化极大提高了俘能器输出功率。并利用Runge-Kutta法数值解析了谐波激励下俘能器的动力学响应特性。此外，根据列车实际运行情况设计出栅格状荧光薄膜警示结构及基于LTC3588-1能量收集管理芯片的集能-驱动电路。 在上述理论研究的基础上，设计并制作了俘能器样机，搭建了测试系统，进一步讨论了两压电收集机构距离、频率与开路电压之间的关系，并研究了不同负载对输出功率的影响。此外，该机构与传统的集能机构相比增强了64.73％,验证了当整个系统中存在多个发电位置时，与单独的发电机构相比，同一系统中多个发电机构可表现出更优越的能量收集效果。 最后，演示了使用双压电磁耦合俘能装置为警示装置供电的过程。警示装置在10min内照度从0.83LUX降低至0.23LUX,而在供电后照度迅速恢复。以20min为周期，该装置可持续工作8h以上。这有力地表明，该能量收集器有望在新一代列车警示设备中取得应用，切实解决列车安全设备供电困难的问题。 |
| 作者： | 齐育宝 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 彭来湖 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江理工大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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