一种轨道列车轴温零碳感知装置
阅读说明：本技术 一种轨道列车轴温零碳感知装置 (Zero carbon perception device of rail train axle temperature ) 是由 彭乐乐 郑树彬 关博 周炯 柴晓冬 丁亚琦 印桢民 钟倩文 李立明 林建辉 张亚 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种轨道列车轴温零碳感知装置,该装置通过安装支架悬空固定在列车轴端,包括温度采集及发送模块以及由上至下依次设置的：第一层发电结构：用以通过感应线圈切割磁感线产生电能以及根据压电陶瓷的压电效应产生电能为装置供电；第二层发电结构：通过卡扣与第一层发电结构固定连接,用以通过感应线圈切割磁感线产生电能以及根据压电陶瓷的压电效应产生电能为装置供电,第三层发电结构：通过螺栓与第二层发电结构固定连接,用以通过安装在安装支架上的压电陶瓷薄膜的压电效应产生电能。与现有技术相比,本发明具有无需外部电源供电、拆装方便、结构紧凑、测试方便等优点。(The invention relates to a zero-carbon sensing device for rail train axle temperature, which is suspended and fixed at the axle end of a train through a mounting bracket, and comprises a temperature acquisition and sending module and a temperature acquisition and sending module, wherein the temperature acquisition and sending module and the temperature acquisition and sending module are sequentially arranged from top to bottom: the first layer of power generation structure: the device is used for cutting the magnetic induction line through the induction coil to generate electric energy and generating electric energy according to the piezoelectric effect of the piezoelectric ceramics to supply power to the device; the second layer of power generation structure: through buckle and first layer electricity generation structure fixed connection for produce the electric energy and produce the electric energy according to piezoceramics's piezoelectric effect and supply power for the device through induction coil cutting magnetic induction line, third layer electricity generation structure: the second layer of power generation structure is fixedly connected with the second layer of power generation structure through bolts and used for generating electric energy through the piezoelectric effect of the piezoelectric ceramic film arranged on the mounting bracket. Compared with the prior art, the invention has the advantages of no need of external power supply, convenient assembly and disassembly, compact structure, convenient test and the like.)
技术领域
本发明涉及轨道列车安全运行检测领域，尤其是涉及一种轨道列车轴温零碳感知装置。
背景技术
列车运行过程中安全问题以及我国“碳中和”“碳达峰”的要求，一直是备受关注的焦点。为了加快碳零排关键技术攻关，近年来，随着我国轨道交通行业的蓬勃发展，“中国的列车速度”已经成为令世界叹惊的新名片。然而在列车高速运行的情况下，难免会造成机车与钢轨的频繁冲击，并且常常伴随着车轴温度过热的情况。若持续运行，严重时会造成车轴磨损变细，车轴温度过高而导致车轴折断或熔毁，对行车安全造成十分严重后果，并且频繁冲击可能会对钢轨造成损伤，造成轨道不平顺，严重影响乘客乘车舒适性，尤其是列车提速和制动后，此现象更为突出。因此，需要对列车轴端温度和轨道质量进行实时监测，解决此重大安全隐患。
但是，现有的车轴温度和钢轨平顺度的检测方式是利用红外点温仪进行人工检测，这种监测方法不仅工作量巨大，十分不便，且容易产生漏检，不能实现实时检测，还对工人的工作安全造成隐患。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种轨道列车轴温零碳感知装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种轨道列车轴温零碳感知装置，该装置通过安装支架悬空固定在列车轴端，包括温度采集及发送模块以及由上至下依次设置的：
第一层发电结构：用以通过感应线圈切割磁感线产生电能以及根据压电陶瓷A的压电效应产生电能为装置供电；
第二层发电结构：通过卡扣与第一层发电结构固定连接，用以通过感应线圈切割磁感线产生电能以及根据压电陶瓷B的压电效应产生电能为装置供电
第三层发电结构：通过螺栓与第二层发电结构固定连接，用以通过安装在安装支架上的压电陶瓷薄膜的压电效应产生电能，所述的温度采集及发送模块安装在安装支架上，用以采集列车轴温并根据压电陶瓷发电量数据获取轨道平顺度以及钢轨缺陷的检测。
所述的第一层发电结构包括顶盖、磁铁材料制成的圆筒形上壁壳和底板以及在顶盖、上壁壳和底板围成空间内由上至下依次设置的振动基板A、压电陶瓷A和振动基板B，所述的振动基板A的上表面通过扣件安装有感应线圈A，所述的振动基板B的下表面通过扣件安装有感应线圈B。
所述的顶盖为圆形结构，在边缘处均匀开设多个用以通过螺栓与上壁壳固定连接的顶盖沉头通孔，使得螺栓的上端面与顶盖的上表面平齐，并且在顶盖底面中部开设有一圆形凹槽，用于提供感应线圈A上下振动的空间，所述的顶盖底面通过多个伸缩杆与振动基板A弹性连接，使得振动基板A在列车振动激励下带动感应线圈A上下振动切割上壁壳内部的磁感线产生电能；
所述的底板为圆形结构，在底板底面中部开设有为感应线圈B提供上下振动空间的圆形凹槽，所述的底板上表面通过多个伸缩杆与振动基板B弹性连接，使得振动基板B在列车振动激励下带动感应线圈B上下振动切割上壁壳内部的磁感线产生电能，并且在底板底面设有母扣孔，用以与第二层发电结构扣合实现无缝连接，所述的感应线圈A和感应线圈B均为涡状结构。
所述的振动基板A和振动基板B均采用薄型板件，且边缘与上壁壳内壁形状配合，所述的振动基板A、振动基板B以及上壁壳内壁共同构成碳粉颗粒的振动空间，并且在该振动空间对应的上壁壳内壁上相对开设多组通风孔，用以在列车运行时在振动空间内部产生用以增大碳粉颗粒无规律运动的乱流，进而提高压电陶瓷A的振动频率和发电量，所述的通风孔为不锈钢细孔薄网格，用以保证通风以及隔离碳粉颗粒和外部灰尘。
所述的上壁壳内壁沿周向均匀开设多个贯通的上壁壳凹槽，相邻两个上壁壳凹槽之间形成上壁壳凸台，在上壁壳凸台上开设用以配合卡紧压电陶瓷A的螺栓孔，使压电陶瓷A固定在上壁壳内部。
所述的第二层发电结构包括盖板、圆筒状的下壁壳和底座以及设置在盖板、下壁壳和底座围成空间内的压电陶瓷B，所述的下壁壳为上下三层结构，其中间层为用以产生径向磁场的环状磁铁，所述的压电陶瓷B上下表面中心处对称固定设有圆台状感应线圈，且压电陶瓷B上下分别通过压电陶瓷压环A和压电陶瓷压环B夹紧固定后在磁场空间内上下振动切割磁感线产生电能。
所述的下壁壳内壁沿周向均匀开设多个贯通的下壁壳凹槽，所述的底座上表面沿外缘周向固定有多个截面形状与下壁壳凹槽配合的弧形支架，每个弧形支架的顶部插入下壁壳凹槽内，用以提高稳定性，每个弧形支架内弧面上设有凸台，每个凸台上均开设温度采集及发送模块固定孔，并且每个弧形支架的顶面与压电陶瓷压环B之间固定有限位板，所述的限位板为十字型薄片结构，用以配合盖板对圆台状感应线圈的上、下位移进行约束。
所述的压电陶瓷A和压电陶瓷B的基底均为铍铜材料制成，在压电陶瓷B的基底上开设用以提高振动幅度和频率的基孔和压电陶瓷固定孔，并且在基底中心开设有圆台状感应线圈固定孔，所述的圆台状感应线圈轴心处设有沉头通孔，通过螺栓将两个圆台状感应线圈对称地固定在压电陶瓷B的上下表面。
所述的温度采集及发送模块包括储能元件、温度传感器、ECU控制器、整流稳压电路和天线，所述的储能元件通过整流稳压电路分别储存由感应线圈、压电陶瓷和压电陶瓷薄膜产生的电能实现对温度传感器、ECU控制器和天线的供电，所述的ECU控制器控制温度传感器采集车轴温度，并通过天线将采集到的温度数据发送到主机云端，从而实现对车轴端温度的实时监控和报警，所述的底座上分别开设多个与下壁壳底部固定的下壁壳固定孔、多个用以与安装支架固定的支架固定孔、用以设置和固定测试端口的矩形通槽和测试固定孔、作为温度传感器连接孔的温度传感器通孔以及用以固定储能元件的矩形凹槽。
该装置的装配步骤如下：
1)将感应线圈A通过扣件固定在振动基板A上，将上部伸缩杆两端通过螺栓分别与顶盖和振动基板A固定连接，将感应线圈B通过扣件固定在振动基板B上，将下部伸缩杆两端通过螺栓分别与密封底板和振动基板B固定连接；
2)将压电陶瓷A通过螺栓固定在上壁壳的上壁壳凸台上，用沉头螺栓将顶盖和上壁壳顶部紧密固定，在上壁壳内部放置适当碳粉颗粒，用沉头螺栓将密封底板与上壁壳底部紧密固定；
3)将储能元件通过AB胶固定在底座的矩形凹槽中，将温度传感器穿过底座上的温度传感器通孔，使用螺栓将四个弧形支架固定在底座上；
4)使用螺栓将ECU控制器固定在弧形支架的凸台上，并将ECU控制器与温度传感器连接；
5)使用螺栓将两个圆台状感应线圈对称地固定压电陶瓷B铍铜基底的上、下表面，使用螺栓将压电陶瓷B固定在压电陶瓷压环A和压电陶瓷压环B之间，并将其固定在弧形支架的顶部，使压电陶瓷压环A和压电陶瓷压环B夹紧压电陶瓷B，并实现压电陶瓷片B(15)对外的绝缘；
6)将下壁壳套在弧形支架外，使用螺栓将下壁壳与底座固定；
7)将温度采集及发送模块的天线贴附在盖板上表面，使用螺栓将盖板与壁壳固定，再将盖板与密封底板通过卡扣固定连接；
8)将该轨道列车轴温零碳感知装置通过底座固定孔固定在安装支架上，并在安装支架底部贴上压电陶瓷薄膜并连接整流稳压电路。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、无需外部电源供电：本发明利用列车运行时轴端持续振动，将列车运行产生的振动能量，通过压电陶瓷和线圈转换为电能，实现了独立自主供电，且使用寿命长，可靠性高。
二、拆装方便：本发明采用三层结构，安装和拆卸时可一层一层拆装，占用空间小，易于检测，可行性较高。
三、结构紧凑：本发明采用盖板作为圆台状感应线圈运动的上限位，省去一块限位板及其固定结构，有效减小占用空间。
四、测试方便：本发明通过底座的测试端口检测发电量的大小，从而能够推导出轨道的平顺度；同时，可以利用安装支架下的压电陶瓷薄膜结构，结合压电陶瓷产生的电能，去推导出声波振动产生的电能，从而得出钢轨缺陷等信息，可以有效地降低轨道维护成本。
五、本发明可实现实时通过铁轨道洞内部的声场对压电陶瓷薄膜激励的发电量，对列车道洞内部进行实时监测，并且根据压电陶瓷的发电量的大小推导出轨道列车平顺度是否符合安全运营的要求，而且本装置可以大大增加发电量为列车车载的其他用电设备进行供电。
附图说明
图1为本发明的结构爆炸图。
图2为本发明装置结构示意图，其中，图(2a)为侧视图，图(2b)为俯视图，图(2c)为结构示意图。
图3为顶盖的结构示意图，其中，图(3a)为俯视图，图(3b)为仰视图，图(3c)为主视图。
图4为弧形支架的结构示意图，其中，图(4a)为俯视图，图(4b)为侧视图，图(4c)为主视图，图(4d)为结构示意图。
图5为下壁壳的结构示意图，其中，图(5a)为俯视图，图(5b)为侧视图，图(5c)为结构示意图。
图6为底座结构示意图，其中，图(6a)为仰视图，图(6b)为侧视图，图(6c)为结构示意图。
图7为压电陶瓷B结构示意图，其中，图(7a)为俯视图，图(7b)为侧视图，图(7c)为结构示意图。
图8为安装支架示意图，其中，图(8a)为俯视图，图(8b)为仰视图，图(8c)为正视图，图(8d)为结构示意图。
图9为上壁壳结构示意图，其中，图(9a)为俯视图，图(9b)为侧视图，图(9c)为结构示意图。
图10为盖板结构示意图，其中，图(10a)为俯视图，图(10b)为侧视图，图(10c)为结构示意图。
图11为伸缩杆结构爆炸图，其中，图(11a)为正剖视图，图(11b)为俯视图，图(11c)为结构示意图。
图12为本发明工作流程图
图中标记说明：
1、顶盖，2、感应线圈A，3、碳粉颗粒，4、振动基板A，5、上壁壳，6、通风口，7、压电陶瓷A，8、振动基板B，9、密封底板，10、盖板，11、下壁壳，12、环状磁铁，13、压电陶瓷压环A，14、圆台状感应线圈，15、压电陶瓷B，16、压电陶瓷压环B，17、限位板，18、温度采集及发送模块，19、弧形支架，20、底座，21、安装支架，22、压电陶瓷薄膜，23、感应线圈B，1-1顶盖沉头通孔，1-2凹槽，1-3伸缩杆，5-1振动基板固定孔，5-2上壁壳凹槽，5-3上壁壳凸台，5-4压电陶瓷A固定孔，10-1下壁壳连接孔，10-2天线孔，10-3公扣，11-1、盖板固定孔，11-2、下壁壳凹槽，11-3、下壁壳通槽，11-4底座固定孔，15-1、压电陶瓷基孔，15-2、压电陶瓷固定孔，15-3、圆台状感应线圈固定孔，19-1、压电陶瓷压环定孔，19-2、底座固定孔，19-3、凸台，19-4，温度采集及发送模块固定孔，20-1、下壁壳固定孔，20-2、支架固定孔，20-3、矩形凹槽，20-4、矩形通槽，20-5、测试固定孔，20-6、温度传感器通孔，20-7、安装支架固定孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提供一种轨道列车轴温零碳感知装置，用以监测和预警列车轴温，保障列车的运行安全，该装置包括：
顶盖1，如图3所示，为圆形结构，四周边缘开设的四个沉头通孔1-1，通过螺栓与上壁壳5固定连接；沉头通孔1-1的结构使螺栓的上端面与顶盖1的上表面平齐，具有良好的抗震效果，可防止螺栓松脱；底面中部挖有圆形凹槽1-2，用于提供感应线圈A2上下振动的空间；底部四周设用于安装伸缩杆1-3的螺纹孔。
弧形支架19，如图4所示，其横断面为月牙状结构，顶部和底部分别设有下压电陶瓷压环B固定孔19-1和底座固定孔19-2；其内侧设置凸台19-3；凸台19-3上开设有螺纹孔19-4，用以安装和固定温度采集及发送模块18。
下壁壳11，如图5所示，下壁壳为呈圆柱形的三层结构，中间层为用以产生径向磁场的环状磁铁12(本例中具体由两组相对设置的弧形磁铁构成，类似电机的磁极対)，内壁四角均匀设有贯通的凹槽11-2，用以配合卡紧弧形支架19，即弧形支架19的一部分可以内嵌入下壁壳11，以此固定和减缓弧形支架19受到的冲击载荷，提高弧形支架19使用的稳定性；下壁壳11顶部、底部通过开设的螺纹孔11-1、11-5分别与盖板10和底座20固定连接；下壁壳11侧面单独开设一条通槽11-3，温度采集及发送模块18的天线通过该通槽11-3引到装置顶部，穿过盖板10开设的天线孔10-2，固定在盖板10的上表面。
底座20，如图6所示，底座20底面开设有沉头螺纹孔20-1，通过沉头螺栓孔20-1来固定下壁壳11；通过沉头螺栓孔20-2来固定弧形支架19；底座20开设有矩形凹槽20-3，用以安装储能元件；底座20开设有矩形通槽20-4，该槽两侧开设有测试固定孔20-5，本例中为螺纹孔，用于将测试端口固定，后续可以通过测试端口记录发电数据a，根据发电量的大小，能够推导出轨道平顺度，从而便于对轨道进行质量评估和维护；底座20开设有温度传感器通孔20-6，温度传感器通过该孔连接至装置内的温度采集及发送模块18；底座20下表面设有安装支架固定孔20-7，本例中为螺纹盲孔，用于将装置固定在列车轴端上。
压电陶瓷，如图7所示，包括压电陶瓷B15，圆台状感应线圈14；压电陶瓷B16外侧开设用于提高振动幅度和频率的压电陶瓷基孔15-1和压电陶瓷固定孔15-2，在压电陶瓷内测设有圆台状感应线圈固定孔15-3。
安装支架21，如图8所示，通过底座固定孔21-1与底座固定，并在其底部贴上压电陶瓷薄膜22结构，用于监测声能和机械能产生的振动能量。该结构可以通过测试端口记录声能和机械能振动发电数据b，将其与压电陶瓷B振动产生的发电数据a进行比较，即利用发电数据b减去发电数据a的差，能够推导出声波振动产生的电能，从而得出钢轨缺陷等信息，可以有效地降低轨道维护成本。
压电陶瓷压环，由尼龙材料制成，压电陶瓷压环A13上设有螺纹孔，可与压电陶瓷结构上的压电陶瓷固定孔15-2通过螺栓连接，起到固定整体结构的作用；压电陶瓷压环B16固定在弧形支架19上端，压电陶瓷压环A13的上端面与下壁壳11的上端面平齐，盖板10固定到下壁壳11上后会紧贴下壁壳11的上端面，利用盖板10将压电陶瓷压环A13压住，并能防止螺栓松脱。
上壁壳5，如图9所示，由磁铁材料制成，用以产生径向磁场。其内壁四角均匀设有贯通的上壁壳凹槽5-2和上壁壳凸台5-3，上壁壳凸台5-3上开设有用以配合卡紧压电陶瓷A7的固定孔5-4，即压电陶瓷A7通过螺栓孔可固定在上壁壳5内部；上壁壳侧面对称开设有通风孔6，风口沿列车运行方向的是进风口，反之则为出风口。通过进风口和出风口设计，使风在其内部产生乱流，增大碳粉颗粒3的熵，提高压电陶瓷A7振动频率，从而增大其发电量；通风孔6为不锈钢细孔薄网格，既能保证通风又能隔离碳粉颗粒3和外部灰尘。
盖板10，如图10所示，盖板10上表面开有天线孔10-2，用以穿出温度采集及发送模块18的天线；四周边缘分别开设四个沉头通孔10-1；盖板10通过沉头通孔10-1与下壁壳11固定连接；盖板10四周边缘设计的公扣10-3与密封底板底部9的母扣配合，用以卡紧密封底板，构成无缝连接。
本发明的一种轨道列车轴温零碳感知装置的装配步骤如下：
1)安装支架将感应线圈A安装支架2安装支架通过扣件固定在振动基板A安装支架4安装支架上，将伸缩杆安装支架1-3安装支架两端通过螺栓分别与顶盖安装支架1安装支架和振动基板A安装支架4安装支架固定连接。将感应线圈B安装支架23安装支架通过扣件固定在振动基板B安装支架8安装支架上，将另一个伸缩杆安装支架1-3安装支架两端通过螺栓分别与密封底板安装支架9安装支架和振动基板B安装支架8安装支架固定连接。
2)安装支架将压电陶瓷A通过螺栓固定在上壁壳安装支架5安装支架凸台上，用沉头螺栓将顶盖安装支架1安装支架和上壁壳安装支架5安装支架顶部紧密固定，在上壁壳安装支架5安装支架凸台内部放置适当碳粉颗粒，用沉头螺栓将密封底板安装支架9安装支架与上壁壳安装支架5安装支架底部紧密固定。
3)安装支架将储能元件通过AB胶固定在底座安装支架20安装支架的矩形凹槽安装支架20-4安装支架中，将温度传感器穿过底座上的温度传感器通孔安装支架20-6安装支架，使用螺栓将四个弧形支架安装支架19安装支架固定在底座安装支架20安装支架上。
4)安装支架使用螺栓将温度采集及发送模块安装支架18安装支架固定在弧形支架安装支架19安装支架的凸台安装支架19-3安装支架上，并将温度采集及发送模块安装支架18安装支架与温度传感器连接。
5)安装支架使用螺栓，将两个圆台状感应线圈安装支架14安装支架对称地固定压电陶瓷B安装支架15安装支架铍铜基底的上、下表面；使用螺栓，将压电陶瓷B安装支架15安装支架固定在压电陶瓷压环A(13)和压电陶瓷压环B(16)之间，并将它们固定在弧形支架(19)的顶部。压电陶瓷压环A(13)和压电陶瓷压环B(16)会夹紧压电陶瓷B(15)，并实现压电陶瓷片B(15)对外的绝缘。
6)安装支架将下壁壳安装支架11安装支架套在弧形支架安装支架19安装支架上，使用螺栓将下壁壳安装支架11安装支架与底座安装支架20安装支架固定。
7)安装支架将温度采集及发送模块安装支架18安装支架的天线贴附在盖板安装支架10安装支架上表面，使用螺栓将盖板安装支架10安装支架与壁壳安装支架11安装支架固定，再将盖板安装支架10安装支架与密封底板安装支架9安装支架通过卡扣固定连接。
8)安装支架将装置通过底座固定孔安装支架11-4安装支架，固定再安装支架安装支架21安装支架上，并在安装支架安装支架21安装支架底部贴上压电陶瓷薄膜安装支架22安装支架，并连接电路。
综上，本发明通过数据感知可有效加快轨道交通运营的智慧化建设，以及避免从列车内接线、安全可靠有效采集实时列车的振动等优点，推动交通强国的建设。本发明符合新能源行业零碳的要求，并且设计思路可以促进行业朝着绿色生活、绿色制造、绿色生产，包括绿色应用的方向发展。本发明可以在轨道安全领域提供一种新型技术，并且可以拓展到汽车、飞机、轮渡等交通领域。
最后有必要在此指出的是：以上仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
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