本發(fā)明屬于軌道交通監(jiān)測(cè)及壓電發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型列車軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

軌道車輛輪對(duì)正常工作是確保軌道車輛安全運(yùn)行的關(guān)鍵。以往，軌道車輛輪系關(guān)鍵部件的健康狀況是以定期維護(hù)、檢修加以保障的；隨著車輛運(yùn)行速度的不斷提高以及人們安全意識(shí)的提升，車輛運(yùn)行期間輪對(duì)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，所需監(jiān)測(cè)要素包括軸及軸承的溫度、轉(zhuǎn)速、動(dòng)態(tài)剛度、磨損及振動(dòng)等諸多方面。對(duì)于輪對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，理想的方法是將各類傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在輪對(duì)上或靠近輪對(duì)安裝，從而實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行狀態(tài)的直接在線監(jiān)測(cè)；但這種監(jiān)測(cè)方案因無(wú)法為傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供可靠、充足的電力供應(yīng)而難于推廣應(yīng)用，因?yàn)椋狠喯堤幱谶\(yùn)動(dòng)狀態(tài)、且輪系與車廂間存在高頻顛簸振動(dòng)，采用電纜供電時(shí)可靠性低；如采用電池供電，因電池使用壽命有限而需經(jīng)常更換，當(dāng)電池電量不足而未及時(shí)更換時(shí)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測(cè)、甚至造成嚴(yán)重的安全隱患。限于電力供應(yīng)問(wèn)題的制約，目前依然普遍采用非實(shí)時(shí)的、間接的測(cè)量方法，即將傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)置于路基之上，不隨車體移動(dòng)或不隨輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。為解決列車軸系實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了可與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成的微小型壓電發(fā)電機(jī)，但現(xiàn)有壓電發(fā)電機(jī)是周期激勵(lì)的且壓電片承受交變的拉壓應(yīng)力，故可靠性較低、有效帶寬窄。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種新型列車軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用發(fā)電機(jī)，本發(fā)明采用的實(shí)施方案是：輪軸經(jīng)軸承安裝在車架上，車架上的殼體端部經(jīng)螺釘安裝有端蓋，端蓋的斜槽中經(jīng)螺釘安裝有限位磁鐵；輪軸端部經(jīng)壓板及螺釘安裝有激勵(lì)器，激勵(lì)器的一端套在輪軸上并頂靠在軸承的內(nèi)圈上；激勵(lì)器的軸截面上均布地鑲嵌有激勵(lì)磁鐵，激勵(lì)器兩端的限位環(huán)上經(jīng)螺釘安裝有限位磁環(huán)；車架的殼體的凸臺(tái)上經(jīng)壓塊和螺釘安裝有壓電振子和簧片，簧片兩側(cè)的壓電振子的數(shù)量相等；壓電振子由基板和壓電片粘接而成，基板靠近簧片安裝，基板與簧片之間壓接有墊片；壓電振子的自由端經(jīng)螺釘安裝有被懸浮磁鐵，簧片的自由端兩側(cè)經(jīng)螺釘安裝有懸浮磁鐵、受激磁鐵，被懸浮磁鐵與懸浮磁鐵、限位磁鐵的同性磁極相對(duì)安裝，受激磁鐵與激勵(lì)磁鐵的同性磁極靠近安裝，激勵(lì)磁鐵的中介層與簧片的中介層位于同一平面上；受激磁鐵與限位磁環(huán)之間的作用力為排斥力；車架上安裝有電路板和傳感器，壓電振子經(jīng)導(dǎo)線與電路板連接，電路板經(jīng)導(dǎo)線與傳感器連接。

壓電振子安裝前為平直結(jié)構(gòu)、安裝后由于懸浮磁鐵與被懸浮磁鐵的排斥力作用變?yōu)閺澢Y(jié)構(gòu)；簧片不發(fā)生彎曲變形時(shí)，簧片兩側(cè)壓電振子的變形及受力狀態(tài)分別相同；簧片彎曲變形使受激磁鐵與限位環(huán)接觸時(shí)、壓電振子由于被懸浮磁鐵與限位磁鐵的排斥力作用不發(fā)生相互接觸，且當(dāng)利用外力使壓電振子與限位磁鐵相接觸時(shí)，壓電片上的最大壓應(yīng)力不大于其許用值，即壓電振子自由端的變形量不大于其許用變形量

其中：b＝1-α+αβ，a＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/h，β＝em/ep，hm和片分別為基板的厚度和壓電振子的總厚度，em和ep分別為基板和壓電片的楊氏模量，k31和分別為壓電陶瓷材料的機(jī)電耦合系數(shù)和許用壓應(yīng)力，l為壓電振子的長(zhǎng)度。

工作時(shí)，輪軸帶動(dòng)激勵(lì)器及激勵(lì)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，激勵(lì)磁鐵與受激磁鐵在圓周方向上的距離及相互作用力交替地增加和減?。杭?lì)磁鐵與受激磁鐵逐漸轉(zhuǎn)近、排斥力逐漸增加時(shí)，簧片因失穩(wěn)而向左或右側(cè)彎曲變形并經(jīng)懸浮磁鐵與被懸浮磁鐵間的排斥力驅(qū)動(dòng)壓電振子，簧片一側(cè)的壓電振子的變形量增加、另一側(cè)壓電振子的變形量減?。患?lì)磁鐵與受激磁鐵逐漸轉(zhuǎn)遠(yuǎn)、排斥力逐漸減小時(shí)，簧片及壓電振子在其自身彈性力的作用復(fù)位；限位磁環(huán)于與限位磁鐵的功能分別是限制簧片與壓電振子的變形量，確保壓電片上的最大壓應(yīng)力小于其許用值、另一側(cè)壓電片不受拉應(yīng)力；隨著激勵(lì)磁鐵與受激磁鐵交替接近與離開(kāi)，簧片帶動(dòng)壓電振子產(chǎn)生連續(xù)的往復(fù)彎曲變形并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；所生成的電能經(jīng)電路板上的轉(zhuǎn)換電路處理后為傳感器供電。

簧片受激勵(lì)磁鐵與受激磁鐵之間排斥力作用而產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)，隨機(jī)地向左或右側(cè)彎曲變形，具有隨機(jī)振動(dòng)的特點(diǎn)，可有效地避免一般性周期激勵(lì)所引起的分頻及倍頻共振，提高了轉(zhuǎn)速域內(nèi)振幅的均勻性和有效帶寬。

優(yōu)勢(shì)與特色：工作中壓電片僅承受壓應(yīng)力，避免因受拉應(yīng)力過(guò)大損毀、可靠性高；限位磁鐵確保壓電振子變形量不超過(guò)許用值，進(jìn)一步提高了可靠性；簧片向兩側(cè)彎曲振動(dòng)具有隨機(jī)性，有效地避免了周期性共振，增加了有效頻帶寬度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖2是圖1的a-a的剖視圖。

具體實(shí)施方式

輪軸a經(jīng)軸承b安裝在車架c上，車架c上的殼體c1的端部經(jīng)螺釘安裝有端蓋r，端蓋r的斜槽中經(jīng)螺釘安裝有限位磁鐵t；輪軸a的端部經(jīng)壓板d及螺釘安裝有激勵(lì)器e，激勵(lì)器e的一端套在輪軸a上并頂靠在軸承b的內(nèi)圈上；激勵(lì)器e的軸截面上均布地鑲嵌有激勵(lì)磁鐵f，激勵(lì)器e兩端的限位環(huán)e1上經(jīng)螺釘安裝有限位磁環(huán)g；車架c的殼體c1的凸臺(tái)上經(jīng)壓塊m和螺釘安裝有壓電振子k和簧片i，簧片i兩側(cè)的壓電振子k的數(shù)量相等；壓電振子k由基板k1和壓電片k2粘接而成，基板k1靠近簧片i安裝，基板k1與簧片i之間壓接有墊片n；壓電振子k的自由端經(jīng)螺釘安裝有被懸浮磁鐵s，簧片i的自由端兩側(cè)經(jīng)螺釘安裝有懸浮磁鐵j、受激磁鐵h，被懸浮磁鐵s與懸浮磁鐵j、限位磁鐵t的同性磁極相對(duì)安裝，受激磁鐵h與激勵(lì)磁鐵f的同性磁極靠近安裝，激勵(lì)磁鐵f的中介層與簧片i的中介層位于同一平面上；受激磁鐵h與限位磁環(huán)g之間的作用力為排斥力；車架c上安裝有電路板p和傳感器q，壓電振子k經(jīng)導(dǎo)線與電路板p連接，電路板p經(jīng)導(dǎo)線與傳感器q連接。

壓電振子k安裝前為平直結(jié)構(gòu)、安裝后由于懸浮磁鐵j與被懸浮磁鐵s的排斥力作用變?yōu)閺澢Y(jié)構(gòu)；簧片i不發(fā)生彎曲變形時(shí)，簧片i兩側(cè)壓電振子k的變形及受力狀態(tài)分別相同；簧片i彎曲變形使受激磁鐵h與限位環(huán)e1接觸時(shí)、壓電振子k由于被懸浮磁鐵s與限位磁鐵t的排斥力作用不發(fā)生相互接觸，且當(dāng)利用外力使壓電振子k與限位磁鐵t相接觸時(shí)，壓電片k2上的最大壓應(yīng)力不大于其許用值，即壓電振子k自由端的變形量不大于其許用變形量其中：b＝1-α+αβ，a＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/h，β＝em/ep，hm和h分別為基板k1的厚度和壓電振子k的總厚度，em和ep分別為基板k1和壓電片k2的楊氏模量，k31和分別為壓電陶瓷材料的機(jī)電耦合系數(shù)和許用壓應(yīng)力，l為壓電振子k的長(zhǎng)度。

工作時(shí)，輪軸a帶動(dòng)激勵(lì)器e及激勵(lì)磁鐵f轉(zhuǎn)動(dòng)，激勵(lì)磁鐵f與受激磁鐵h在圓周方向上的距離及相互作用力交替地增加和減?。杭?lì)磁鐵f與受激磁鐵h逐漸轉(zhuǎn)近、排斥力逐漸增加時(shí)，簧片i因失穩(wěn)而向左或右側(cè)彎曲變形并經(jīng)懸浮磁鐵j與被懸浮磁鐵s間的排斥力驅(qū)動(dòng)壓電振子k，簧片i一側(cè)的壓電振子k的變形量增加、另一側(cè)壓電振子k的變形量減??；激勵(lì)磁鐵f與受激磁鐵h逐漸轉(zhuǎn)遠(yuǎn)、排斥力逐漸減小時(shí)，簧片i及壓電振子k在其自身彈性力的作用下復(fù)位；限位磁環(huán)g與限位磁鐵t的功能分別是限制簧片i與壓電振子k的變形量，確保壓電片k2上的最大壓應(yīng)力小于其許用值、另一側(cè)壓電片k2不受拉應(yīng)力；隨著激勵(lì)磁鐵f與受激磁鐵h交替接近與離開(kāi)，簧片i帶動(dòng)壓電振子k產(chǎn)生連續(xù)的往復(fù)彎曲變形并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；所生成的電能經(jīng)電路板p上的轉(zhuǎn)換電路處理后為傳感器q供電。

簧片i受激勵(lì)磁鐵f與受激磁鐵h之間排斥力作用而產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)，隨機(jī)地向左或右側(cè)彎曲變形，具有隨機(jī)振動(dòng)的特點(diǎn)，可有效地避免一般性周期激勵(lì)所引起的分頻及倍頻共振，提高了轉(zhuǎn)速域內(nèi)振幅的均勻性和有效帶寬。