基于雙穩(wěn)態(tài)的軌道列車(chē)能量收集器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉夢(mèng)洲，付海嶺，張 媛，秦 勇，丁 奧

(1．北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044；

2．拉夫堡大學(xué) 沃爾夫森機(jī)械、電氣和制造工程學(xué)院，萊斯特郡LE113TU；

3．北京印刷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京102600)

鐵路承載著大多數(shù)人們的生活出行，保持鐵路網(wǎng)安全、高效、準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行以及列車(chē)運(yùn)輸過(guò)程的安全和設(shè)備后期的維護(hù)非常重要。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，北京地鐵從2014年到2018年的405起故障中，有114起是由于車(chē)輛故障引起的。無(wú)線傳感器和低功耗電子設(shè)備的出現(xiàn)與發(fā)展為持續(xù)性監(jiān)控軌道列車(chē)和鐵路基礎(chǔ)設(shè)施提供了良好的解決方案。但是，列車(chē)車(chē)體上無(wú)線傳感器的可靠電源、數(shù)據(jù)安全和整體數(shù)據(jù)可靠性等問(wèn)題仍然是大規(guī)模實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的障礙，這使得現(xiàn)代智能技術(shù)將無(wú)法應(yīng)用于提高軌道車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)安全和效率。

近年來(lái)，許多研究者試圖從振動(dòng)與運(yùn)動(dòng)中獲取能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器的自供電。4種主要的能量獲取機(jī)制包括靜電[2-3]、壓電[4-5]、摩擦電[6-7]和電磁轉(zhuǎn)換[8-9]，這些能量獲取機(jī)制已經(jīng)被研究并應(yīng)用到許多設(shè)備中，如智能汽車(chē)、智能可穿戴設(shè)備、波浪能發(fā)電和健康監(jiān)測(cè)設(shè)備等[10-11]。

對(duì)于軌道列車(chē)，學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了一系列車(chē)載能量收集解決方案。Perpetuum 公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)并商業(yè)化了世界上第1臺(tái)用于軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)能量收集器，并且在2011年宣稱(chēng)研制出的PMG17振動(dòng)發(fā)電機(jī)組可用于列車(chē)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)[12]。文獻(xiàn)[13]針對(duì)貨運(yùn)列車(chē)的定位和監(jiān)控問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種安裝在轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)上的、基于機(jī)械運(yùn)動(dòng)校正機(jī)制的振動(dòng)能量收集器。文獻(xiàn)[14]針對(duì)鐵路貨車(chē)車(chē)載安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題，分析了大秦線貨運(yùn)列車(chē)車(chē)載安全監(jiān)測(cè)的用電需求，提出了基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的寬帶低頻壓電能量收集器，并進(jìn)行了裝置制備和試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)并測(cè)試了3種類(lèi)型的基于機(jī)械的電磁軌道車(chē)懸架能量收集器，包括1種線性運(yùn)動(dòng)能量收集器，其磁體在線圈內(nèi)隨列車(chē)懸架線性移動(dòng)；2種基于滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)電磁能量收集器，能量收集器帶有2個(gè)定制的行星齒輪箱，將懸架的雙向線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)的雙向旋轉(zhuǎn)[16]或單向旋轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)[17]開(kāi)發(fā)了一種具有耦合振動(dòng)模式的非線性能量收集器，從而實(shí)現(xiàn)寬帶寬上能量的利用，并且對(duì)能量收集器性能在類(lèi)似于實(shí)際操作條件下進(jìn)行了檢查。盡管上述文獻(xiàn)提出了各種設(shè)計(jì)和裝置，但是在裝置小型化和寬帶寬的能量利用上仍然面臨許多挑戰(zhàn)。本文針對(duì)這2個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款厘米級(jí)能量收集器，以實(shí)現(xiàn)寬帶寬上的能量有效收集。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)行原理

1.1 軌道列車(chē)信號(hào)分析

為了設(shè)計(jì)一款符合實(shí)際應(yīng)用條件的電磁能量收集器，對(duì)北京地鐵9號(hào)線地鐵列車(chē)上設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了收集與分析，其中收集到的轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)較為明顯，見(jiàn)圖1。圖1(a)為北京地鐵9號(hào)線地鐵列車(chē)轉(zhuǎn)向架上的原始振動(dòng)信號(hào)，圖1(b)和圖1(c)為選取其中一段進(jìn)行頻譜分析與小波變換的結(jié)果，可以看到其主要振動(dòng)頻率集中在28～50Hz之間，振幅小于2g。

1.2 整體系統(tǒng)框架

根據(jù)對(duì)上述地鐵列車(chē)轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)的分析，提出并設(shè)計(jì)一種基于雙穩(wěn)態(tài)電磁能量收集器的自供電智能感知系統(tǒng)，包括能量收集器模塊、能量管理電路模塊、低功耗傳感器模塊以及無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置，如圖2所示。下面主要對(duì)能量收集器模塊和能量管理電路模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1．2．1雙穩(wěn)態(tài)電磁能量收集器

根據(jù)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)特征的分析，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的雙穩(wěn)態(tài)電磁能量收集器(圖3)。如圖3 所示，2個(gè)磁鐵固定在套筒的兩端，1個(gè)可移動(dòng)的磁鐵放在套筒里，固定磁鐵與動(dòng)磁鐵之間的相互作用力為磁力。使用限制彈簧阻止動(dòng)磁鐵粘在固定磁鐵上，為動(dòng)磁鐵在管內(nèi)振蕩提供彈簧恢復(fù)力。2組線圈放置在套筒外靠近穩(wěn)定位置處，最大化磁通量變化速率。套筒上有孔，以減少動(dòng)磁鐵振動(dòng)時(shí)的空氣阻尼。

圖1 北京地鐵9號(hào)線地鐵列車(chē)轉(zhuǎn)向架部分振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖2 基于雙穩(wěn)態(tài)電磁能量收集器的自供電智能感知系統(tǒng)的基本組成

圖3 雙穩(wěn)態(tài)電磁能量收集器設(shè)計(jì)示意與構(gòu)成

作用在動(dòng)磁鐵上的彈簧恢復(fù)力和磁力之間的關(guān)系如圖4所示。在動(dòng)磁鐵與彈簧接觸之前，只有磁力作用，將動(dòng)磁鐵驅(qū)動(dòng)到套筒的任一端。當(dāng)動(dòng)磁鐵壓縮限制彈簧時(shí)，彈簧恢復(fù)力急劇增加，超過(guò)磁力。這種磁鐵彈簧結(jié)構(gòu)在套筒的兩側(cè)形成了2個(gè)穩(wěn)定的位置，從而在運(yùn)動(dòng)中形成雙穩(wěn)態(tài)。

圖4 作用在動(dòng)磁鐵上的彈簧恢復(fù)力和磁力的相互關(guān)系

能量收集器的試驗(yàn)原型與測(cè)試平臺(tái)如圖5所示，使用33600A 系列信號(hào)發(fā)生器和CT5871型功率放大器對(duì)JZK-2型激振器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，裝置通過(guò)定制的夾具固定在激振器上。能量收集器整體尺寸為15 mm×50mm，通過(guò)連接在裝置上的加速度傳感器來(lái)獲取施加在裝置上的加速度。在不同的操作條件下對(duì)能量收集器進(jìn)行了測(cè)試。

圖5 能量收集器試驗(yàn)原型與測(cè)試平臺(tái)

1．2．2能量管理電路

由于上述能量收集器產(chǎn)生的電壓是交流電，所以在進(jìn)行能量管理前需要進(jìn)行AC-DC 變換。如圖6所示，原型機(jī)中使用4個(gè)肖特基二極管構(gòu)成的全橋整流電路進(jìn)行AC-DC 轉(zhuǎn)換，輸出的電壓經(jīng)過(guò)能量管理電路模塊對(duì)能量進(jìn)行儲(chǔ)能與穩(wěn)壓，最后輸出至低功耗傳感器與無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置。此能量管理電路模塊的欠壓閾值為2V，能量存儲(chǔ)模塊電容電壓Vstor最高可升至4.2V，輸出端輸出電壓穩(wěn)定在3.3V。

圖6 能量管理電路模塊

2 試驗(yàn)

2.1 能量管理電路模塊充放電試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)整體電路進(jìn)行試驗(yàn)觀察，使用型號(hào)為1N5817的肖特基二極管搭建全橋整流電路，能量管理電路模塊中的能量存儲(chǔ)使用2200μF電容，輸出端用100kΩ電阻進(jìn)行模擬負(fù)載。

圖7為能量管理電路模塊的充放電試驗(yàn)結(jié)果圖，其中外部激勵(lì)的頻率為30 Hz，幅值為7g，紅色為電容電壓Vstor，藍(lán)色為輸出電壓。從圖7(a)可以看到：Vstor從2V 上升到3.3V 共需要24s，從2V 上升到4.2V 共需要48s左右，其充電功率約為0.31 mW。從圖7(b)可以看到：Vstor在負(fù)載為100kΩ 電阻的條件下，電壓從最高點(diǎn)4.2V 降到3.3V 共需要70s，再經(jīng)過(guò)126s電壓則下降至2V，輸出端輸出電壓為0V，能量管理芯片停止工作。

2.2 不同摩擦力下能量收集器的性能差異

當(dāng)動(dòng)磁鐵在套筒內(nèi)部上下滑動(dòng)時(shí)，由于摩擦力的存在對(duì)動(dòng)磁鐵的速度產(chǎn)生了一定的影響，這里對(duì)不同摩擦力下的能量收集器進(jìn)行了掃頻，觀察摩擦力對(duì)系統(tǒng)帶寬與輸出電壓的影響。

由于脂基的磁流體具有不易揮發(fā)特性，這里使用脂基的磁流體來(lái)減小套筒和動(dòng)磁鐵之間的摩擦力。將少量的磁流體附著在動(dòng)磁鐵上，振動(dòng)一段時(shí)間后磁流體會(huì)自動(dòng)覆蓋動(dòng)磁鐵的表面，從而減少運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。圖8為幅值6g、頻率10～90Hz的外部激勵(lì)下，不同摩擦力下能量收集器掃頻輸出電壓結(jié)果。藍(lán)色為正向掃頻下的輸出電壓，黃色為反向掃頻下的輸出電壓。

圖7 能量管理電路模塊的充放電試驗(yàn)結(jié)果圖

圖8 不同摩擦力下能量收集器掃頻輸出電壓

從圖8可以看出，當(dāng)摩擦力較大時(shí)(圖8(a))，可獲得一個(gè)較寬的工作頻率范圍，但電壓較低：正向掃頻下的工作帶寬為18～40 Hz，輸出電壓為1.3～3 V；反向掃頻下的工作帶寬為15～32 Hz，輸出電壓為1～2.2V。當(dāng)摩擦力較小時(shí)(圖8(b))，可獲得的工作頻率較窄，但輸出電壓較高：正向掃頻下的工作帶寬為15～25Hz，輸出電壓為2.5～4V；反向掃頻下的工作帶寬為17～26 Hz，輸出電壓為2.3～3.7V。

3 總結(jié)與展望

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)軌道列車(chē)振動(dòng)的雙穩(wěn)態(tài)能量收集裝置。利用吸引的磁場(chǎng)力和限制彈簧構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，收集來(lái)自軌道列車(chē)帶寬的振動(dòng)能量。首先，分析了實(shí)際軌道列車(chē)運(yùn)行的數(shù)據(jù)以確定能量收集器工作的振動(dòng)頻帶與強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了相匹配的能量收集器。其次，展示了頻率30 Hz、幅值7g的外部激勵(lì)下能量收集器與能量管理電路模塊集成的電能輸出效果，其充電功率約為0.31 mW；探討了摩擦力對(duì)裝置的帶寬和輸出電壓范圍的影響，利用磁流體減少摩擦力可以增大輸出電壓，但是減小了能量收集的帶寬。本研究的未來(lái)工作包括減小輸入激勵(lì)幅度要求，以便能量收集器能在實(shí)際軌道列車(chē)運(yùn)行的振動(dòng)下進(jìn)行工作。其中，減小摩擦力可以減少一定的外部激勵(lì)需求，除此之外，減小磁場(chǎng)吸引力可能也是一個(gè)潛在方案，這一思路將在未來(lái)工作中進(jìn)行探究。