阅读说明：本技术 一种基于轨道车辆垂向振动激励的能量回收装置与方法 (Energy recovery device and method based on rail vehicle vertical vibration excitation ) 是由 左建勇 余杰 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：一种基于轨道车辆垂向振动激励的能量回收装置,包括以下部件：滚珠丝杆及螺母,在受到转向架侧架与摇枕之间的振动激励作用时,能将螺母线性的往复运动转变为滚珠丝杆的旋转作用；导向用直线导轨,直线导轨与螺母之间通过螺栓连接,用于抵消螺母在运动时与滚珠丝杆相互作用造成的扭矩；传动轴,传动轴与滚珠丝杆之间采用键连接,与滚珠丝杆同步转动。其使用方法,铁路车辆在运行时,转向架侧架与摇枕之间在垂向上发生随机的相对位移变化,经过所述能量回收装置的传动,永磁电机轴与输出轴同步做高速旋转运动,电机转子在受到外界驱动条件下切割定子磁感线,从而在定子上感应出电能。本发明使得车载监控设备能够在铁路货车上使用成为可能。(An energy recovery device based on vertical vibration excitation of a railway vehicle comprises the following components: the ball screw and the nut can convert the linear reciprocating motion of the nut into the rotating action of the ball screw when the ball screw and the nut are subjected to the vibration excitation action between the side frame of the bogie and the swing bolster; the linear guide rail is connected with the nut through a bolt and used for offsetting torque caused by interaction between the nut and the ball screw when the nut moves; the transmission shaft is connected with the ball screw through a key and synchronously rotates with the ball screw. When the railway vehicle runs, random relative displacement changes occur between the side frame of the bogie and the swing bolster in the vertical direction, the permanent magnet motor shaft and the output shaft synchronously rotate at high speed through the transmission of the energy recovery device, and the motor rotor cuts the magnetic induction lines of the stator under the external driving condition, so that electric energy is induced on the stator. The invention makes it possible for the vehicle-mounted monitoring device to be used on rail wagons.)

一种基于轨道车辆垂向振动激励的能量回收装置与方法

技术领域

本发明属于铁路车辆能量回收技术领域，涉及基于轨道车辆垂向振动激励的振动能量回收装置与方法。

背景技术

目前，铁路车辆供电方案主要有硬线供电、轴端电机发电等几种方式。对于铁路货车，尤其是重载列车这类需要经常解编而且编组较长的列车来说，其供电电缆可能长达上千米，接插连接点多达数百个，导线电阻和接插端子处的接触电阻对电力供应影响巨大。除此之外，货运列车与旅客列车在运用维护体制不同，硬线的车端连接处无法保证较高的可靠性，受此影响车辆电力供应的可靠性也会大打折扣。轴端发电的主要优势在于在几乎不改动现有轴承尺寸和安装方式的基础上提供电能，但其本质上增加了列车运行的阻力，使得列车在运行时需要消耗更多的电能，造成了牵引功率的额外消耗。

发明内容

为解决现有铁路货车供电技术的缺陷，本发明提供一种基于轨道车辆垂向振动激励的振动能量回收装置与方法，以解决铁路货车缺乏稳定电源的难题，使得车载监控设备能够在铁路货车上使用成为可能。

为实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于轨道车辆垂向振动激励的能量回收装置与方法，其中铁路车辆包括转向架侧架以及摇枕，振动能量回收装置包括滚珠丝杆及螺母、由三个伞齿轮和两个单向离合器构成的传动齿轮箱、行星齿轮增速器以及一台用于发电的永磁电机，机械传动装置一端安装在转向架侧架上，一端连接到转向架摇枕上，轨道车辆运行时，侧架与摇枕之间会发生频率与振幅随机的相对振动，机械传动装置中的滚珠丝杆副将这种随机振动转变为双向的旋转运动，该双向旋转运动再通过传动齿轮箱一系列的机械传动和行星齿轮增速器的加速转化为单向的高速旋转运动传递给永磁电机。永磁电机高速单向转动对外输出电能。

进一步而言：首先提供一种基于轨道车辆垂向振动激励的振动能量回收装置，包括以下部件：

滚珠丝杆及螺母一套，在受到转向架侧架与摇枕之间的振动激励作用时，能将螺母线性的往复运动转变为滚珠丝杆的旋转作用；

导向用直线导轨两根，直线导轨与螺母之间通过螺栓连接，用于抵消螺母在运动时与滚珠丝杆相互作用造成的扭矩；

传动轴一根，传动轴与滚珠丝杆之间采用键连接，与滚珠丝杆同步转动；

单向离合器+传动伞齿轮组两组、输出伞齿轮一只，两单向离合器反向安装在各自配对的传动伞齿轮与传动轴之间，用于对传动轴的旋转运动进行整流，即将传动轴的双向旋转运动通过单向离合器整流驱动输出伞齿轮做单向旋转运动；

行星齿轮增速器一只，行星齿轮增速器的输入轴与输出伞齿轮之间通过键连接，作用是将输出伞齿轮输出的速度相对较低的旋转运动变为速度较高的旋转运动；

永磁电机一只，电机转子与星型齿轮增速器的输出轴通过键连接，二者同步旋转，通过转子速度较高的旋转运动，永磁电机逆用为发电机，电机定子上感应出三相交流电。

同时由以上部件组合而成的振动能量回收装置的传动过程包括以下步骤：

铁路货车在运行时，转向架侧架与摇枕之间在垂向上会发生相对的垂向位移变化，该垂向位移变化是随机的。振动能量回收装置中滚珠丝杆、传动齿轮箱、行星齿轮增速器以及一台用于发电的永磁电机安装在同一机架上，安装在侧架或是摇枕上，螺母通过一套筒与摇枕或是侧架相连，此时螺母与滚珠丝杆之间的相对位移变化即为转向架侧架与摇枕之间在垂向上会发生相对的垂向位移变化

滚珠丝杆与螺母之间发生了相对运动后，由于螺母被两直线导轨限制了转动自由度，只能做沿滚珠丝杆方向的平动运动，因此滚珠丝杆受到螺母的激励做旋转运动；

由于滚珠丝杆与传动轴之间通过键连接，因此传动轴与滚珠丝杆做同步旋转运动；

传动轴两端通过两反向安装的单向离合器与两传动伞齿轮连接，通过两反向安装的单向离合器做方向选择，传动轴无论做顺时针或是逆时针旋转运动均只能够带动一只传动伞齿轮做同步旋转运动，此时另一只传动伞齿轮不受传动轴直接驱动；

两只传动伞齿轮均与输出伞齿轮啮合，由于单向离合器方向选择的作用，传动轴的双向旋转运动经过两传动伞齿轮的分别传动在输出伞齿轮上表现为单向旋转运动；

输出伞齿轮与行星齿轮增速器的输入轴之间通过键连接，行星齿轮增速器受到输出伞齿轮的驱动做同步低速旋转运动，经过行星齿轮组的加速，其输出轴以一定倍率做高速旋转运动；

永磁电机轴与行星齿轮增速器的输出轴之间通过键连接，与输出轴同步做高速旋转运动，电机转子在受到外界驱动条件下切割定子磁感线，从而在定子上感应出电能。

由于采用上述技术方案，本发明的有益效果包括：

1)能够作为车载监控设备的分布式电源；

2)能量回收过程不额外消耗机车牵引动力；

3)能量回收过程不易受到环境的影响；

4)装置设计简单、维护方便、可作为一个独立的装置方便地安装到车上。

附图说明

图1为本发明基于轨道车辆垂向振动激励的振动能量回收装置的安装位置示意图。

图2为对应于图1所示的基于轨道车辆垂向振动激励的振动能量回收装置的结构示意图。

图3为对应图2的振动能量回收装置的部件安装位置示意图。

图4为对应于图2所示的第一种运动状态示意图。

图5为对应于图2所示的第二种运动状态示意图。

图6为对应于图2所示的第三种运动状态示意图。

图7为对应于图2所示的第四种运动状态示意图。

图1中标号：11--基于轨道车辆垂向振动激励的振动能量回收装置；12—转向架侧架；13—转向架摇枕；14—轮对；15—钢轨。

图2中标号：21—滚珠丝杆螺母；22—滚珠丝杆螺杆；23—联轴器；24—中间轴；25—第一传动齿轮,；26—第二传动齿轮；27—单向离合器；28—输出伞齿轮；29—输出轴；20—行星齿轮增速器和电机。

图3中标号：22—滚珠丝杆螺杆；21—滚珠丝杆螺母；33—第一单向离合器；25—第一传动齿轮；24—中间轴,；36—第二单向离合器；26—第二传动齿轮,；20—行星齿轮增速器和电机；28—输出伞齿轮。

图4～图7中标号：41—输入传动轴；42—第一传动伞齿轮；33—第一单向离合器；36—第二单向离合器；26—第二传动伞齿轮；28—输出伞齿轮。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明进一步加以说明。

如图1所示，本发明首先提供了一种基于轨道车辆垂向振动激励的振动能量回收装置1，转向架侧架2通过轴箱支撑在前后两轮对4上，转向架摇枕3横跨在左右两侧架上，与侧架通过弹簧支撑。轮对4置于钢轨5上。

具体地，结合图1所示，振动能量回收装置11安装在转向架侧架12与转向架摇枕13之间，一端与转向架侧架12固定，一端与转向架摇枕3固定。

如图2所示，振动能量回收装置由滚珠丝杆螺母21、滚珠丝杆螺杆22、联轴器23、中间传动轴24、两组“传动伞齿轮+单向离合器”、输出伞齿轮28、行星齿轮增速器和电机20组成。

如图3所示，振动能量回收装置中滚珠丝杆螺杆21、滚珠丝杆螺母22、第一单向离合器33、第一传动齿轮25、中间轴24、第二单向离合器36、第二传动齿轮26在垂向上沿轴线安装、其中第一单向离合器33安装在第一传动齿轮25和中间轴24之间，第二单向离合器36安装在第二传动齿轮26和中间轴4之间。行星齿轮增速器和电机20通过输出伞齿轮28与第一传动齿轮25和第二传动齿轮26的啮合实现传动。装置整体呈“L”形，第一传动齿轮25、第二传动齿轮26和输出伞齿轮28在空间上呈“匚”形。

在具有上述结构特征后，本发明方法还具体包括以下过程：

传动状态一：传动中间轴与滚珠丝杆副中的螺杆通过键连接，两者同步做旋转运动。如图4所示，当传动中间轴顺时针旋转(由上向下看)时，第一单向离合器33啮合，第一传动伞齿轮41与传动中间轴同步旋转，输出伞齿轮28受第一传动伞齿轮41驱动，与第一传动伞齿轮41同步做顺时针(由左向右看)旋转运动；此时第二单向离合器36脱开，传动中间轴无法直接驱动传动第二伞齿轮26旋转，但是受到输出伞齿轮的驱动，第二传动伞齿轮26做逆时针(由上向下看)旋转运动。

传动状态二：如图5所示，当传动中间轴逆时针旋转(由上向下看)时，第二单向离合器36啮合，第二传动伞齿轮26与传动中间轴同步旋转，输出伞齿轮受第二传动伞齿轮26驱动，做顺时针(由左向右看)旋转运动；此时第一单向离合器33脱开，传动中间轴无法直接驱动第一传动伞齿轮42旋转，但是受到输出伞齿轮的驱动，第一传动伞齿轮42做顺时针(由上向下看)旋转运动。

传动状态三：如图6所示，当传动中间轴不做旋转运动，但输出伞齿轮28做顺时针(由左向右看)旋转运动时，第一传动伞齿轮42与第二传动伞齿轮26同时受到输出伞齿轮28的驱动分别做顺时针旋转运动和逆时针旋转运动(由上向下看)；但此时第一单向离合器33与第二单向离合器36同时处于脱开状态，第一传动伞齿轮42和第二传动伞齿轮26的旋转运动均不会传递到传动中间轴上。因此输出伞齿轮28可以在顺时针方向(由左向右看)上进行自由转动。根据机械整流模块此项特性，发电机可以在输入传动轴输入转速为零或是转速极低的情况下，可以利用自身的转动惯量实现转动和发电。

传动状态四：如图7所示，当传动中间轴不做旋转运动，但输出伞齿轮28做逆时针(由左向右看)旋转运动时，第一传动伞齿轮42与第二传动伞齿轮26同时受到输出伞齿轮28的驱动分别做顺时针旋转运动和逆时针旋转运动(由上向下看)；此时第一单向离合器33与第二单向离合器36同时处于啮合状态，第一传动伞齿轮42与第二传动伞齿轮26的旋转运动均会传递到输入传动轴上，由于传动中间轴同一时刻只能完成一个方向的旋转运动，传动中间轴受大小相等方向相反的扭矩作用，无法进行任何方向的旋转运动。因此输出伞齿轮28在顺时针方向(由左向右看)上为锁死状态，无法进行反向旋转运动。

在列车以正常状态运行时，该振动能量回收装置能够输出30W以上的电功率。该电功率在振动能量回收装置接充电电路和锂电池，且振动条件最优的工况下测量，通过采样率f＝1000Hz的信号采集设备在采集一段时间t内锂电池实时充电电压u和充电电流i，通过公式

计算得出。该电功率可以满足铁路货车无线ECP制动系统设备以及实时监控设备的用电需求。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。