輪軌振動(dòng)發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種輪軌振動(dòng)發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)，尤其涉及一種利用列車經(jīng)過(guò)輪軌 的機(jī)械能發(fā)電及儲(chǔ)存系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源危機(jī)是當(dāng)今世界最為關(guān)注的問(wèn)題之一。
[0003] 我國(guó)是世界上去屈指可數(shù)的鐵路大國(guó)之一，鐵路總里程超過(guò)了十萬(wàn)公里，居世界 首位。眾所周知，列車在行駛的過(guò)程中會(huì)引起輪軌和枕軌的非線性振動(dòng)，在這些振動(dòng)中蘊(yùn)含 著大量的機(jī)械能，通過(guò)將能量回收采集裝置我們可以將其轉(zhuǎn)為為可利用的電能，這些收集 起來(lái)的能量可以用于道路與鐵路平面交叉道口的輔助設(shè)備、緊急供電及其他邊遠(yuǎn)地區(qū)小型 站臺(tái)等小型照明供電。
[0004] 據(jù)檢索，目前已有應(yīng)用于輪軌振動(dòng)發(fā)電的裝置，如公開(kāi)號(hào)為CA103780144A的軌道 車振動(dòng)能量收集系統(tǒng)，包括枕木底面內(nèi)設(shè)置的一容設(shè)空間，和該容設(shè)空間內(nèi)對(duì)于設(shè)置的壓 電元件，以及嵌入容設(shè)空間使壓電元件定位的一塞件。該裝置利用車輛行駛于軌道上產(chǎn)生 的軌間振動(dòng)，使壓電元件受力變形而產(chǎn)生電荷，以轉(zhuǎn)換成電力。
[0005] 又如專利號(hào)為CN102355064A的中國(guó)專利公開(kāi)了一種基于壓電懸臂梁和超級(jí)電容 的軌道振動(dòng)能量回收系統(tǒng)，其特征在于：它由一組懸臂梁式壓電振子和整流匯流儲(chǔ)能電路 組成，整流匯流儲(chǔ)能電路由一組橋式整流器、齊納二極管、第一超級(jí)電容和第二超級(jí)電容組 成。
[0006] 上述方案中涉及的裝置利用鋪設(shè)完畢的壓電元件進(jìn)行振動(dòng)能量收集，存在以下缺 陷：首先，壓電元件發(fā)電效率低下，功率在微瓦級(jí)別，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用收效甚微；其次，該裝置 需在輪軌鋪設(shè)前安裝在枕木下，需要的空間大，易造成鐵路安全隱患；并且，鋪設(shè)在輪軌枕 木下的壓電元件相對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)而言壽命較低，也更加容易受外界物理因素的影響，保養(yǎng)和 維護(hù)成本較高。
[0007] 又如專利號(hào)為CN201443483U的中國(guó)專利公開(kāi)了一種軌道車振動(dòng)能量收集系統(tǒng)， 包括發(fā)電機(jī)、設(shè)置在發(fā)電機(jī)上用以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的葉片、固定在葉片下的滑軌和置于環(huán)形滑 軌上并可沿環(huán)形滑軌自由滑動(dòng)的牽引器。
[0008] 上述方案是利用經(jīng)過(guò)裝置的列車所帶來(lái)的振動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，存在以下缺陷：首先，將 振動(dòng)通過(guò)牽引器和葉片進(jìn)行傳動(dòng)，無(wú)法有效地將列車帶來(lái)的上下飛線型振動(dòng)整合和轉(zhuǎn)化為 單向的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩輸出給發(fā)電機(jī)，從而造成效率底下；同時(shí)，葉片結(jié)構(gòu)脆弱，裝置整體易損壞， 造成了上述結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差。
[0009] 綜上所述，對(duì)于列車在行駛的過(guò)程中引起輪軌和枕軌的振動(dòng)是蘊(yùn)含著大量的能量 這一點(diǎn)而言，當(dāng)下已經(jīng)有了普遍的共識(shí)，但是如何使用一個(gè)簡(jiǎn)便、高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)裝置將 這些機(jī)械能收集轉(zhuǎn)化為可利用能量，卻是當(dāng)下急需解決的一個(gè)問(wèn)題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0010] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種采用齒條齒輪傳動(dòng)的輪軌發(fā)電及儲(chǔ) 能系統(tǒng)。
[0011] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供的輪軌振動(dòng)發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)包括裝夾結(jié)構(gòu)、齒 條、輪系結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)存裝置、底板；其特征在于：裝夾結(jié)構(gòu)夾緊輪軌下方，齒條固連于 裝夾結(jié)構(gòu)上，齒條與輪系結(jié)構(gòu)相嚙合，輪系結(jié)構(gòu)中設(shè)置有單向傳動(dòng)選擇裝置，輪系結(jié)構(gòu)的輸 出軸連接發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)電連接儲(chǔ)存裝置；系統(tǒng)固定在底板上。在上述系統(tǒng)中，整個(gè)裝夾結(jié) 構(gòu)裝夾在鐵道的底部，主要通過(guò)裝夾結(jié)構(gòu)中的螺栓螺母和夾子將系統(tǒng)與輪軌下方夾緊，并 且裝夾結(jié)構(gòu)的形狀與輪軌底部形狀相適應(yīng)，以便于安裝、拆卸以及攜帶；系統(tǒng)中設(shè)置有齒條 固定連接于裝夾結(jié)構(gòu)，從而列車經(jīng)過(guò)輪軌時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)引起輪軌的撓性變化，產(chǎn)生上 下波動(dòng)的位移，此時(shí)由于振動(dòng)產(chǎn)生的撓性位移通過(guò)固連在輪軌上的裝夾結(jié)構(gòu)傳遞給齒條， 通過(guò)齒條與輪系的相互嚙合傳遞扭矩到輪系；當(dāng)機(jī)械振動(dòng)傳遞到輪系時(shí)，通過(guò)輪系將振動(dòng) 進(jìn)行整合和多級(jí)放大后，輸出為旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而發(fā)電；且在輪系結(jié) 構(gòu)中設(shè)置有單向傳動(dòng)選擇裝置，從而可以使齒條接收到的上下振動(dòng)都可以轉(zhuǎn)化為單向扭矩 傳遞給發(fā)電機(jī)；當(dāng)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能之后，將電能儲(chǔ)存至儲(chǔ)存裝置，從而完成將列 車經(jīng)過(guò)輪軌產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)為為電能并儲(chǔ)存的過(guò)程。
[0012] 進(jìn)一步的是，輪系結(jié)構(gòu)包括多級(jí)齒輪組。在上述輪系中，通過(guò)設(shè)置有多級(jí)齒輪傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)，從而可以將齒條接受到的上下振動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，并且可以經(jīng)過(guò)對(duì)輪系結(jié)構(gòu)中齒 輪參數(shù)的控制，而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出轉(zhuǎn)速控制為接近發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，從而加強(qiáng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為 電能的效率。
[0013] 進(jìn)一步的是，輪系結(jié)構(gòu)中的單向傳動(dòng)選擇裝置采用單向離合器，該單向離合器安 裝在齒輪上。
[0014] 就上述而言，再進(jìn)一步的，在所述輪系結(jié)構(gòu)中，第一小齒輪與齒條嚙合，第一小齒 輪與第一大齒輪同軸，第一大齒輪與第二小齒輪嚙合，第二小齒輪與第二大齒輪同軸，第二 大齒輪第三小齒輪嚙合；第三小齒輪與第一傳動(dòng)齒輪同軸，第一傳動(dòng)齒輪與第二傳動(dòng)齒輪 嗤合；第一傳動(dòng)齒輪與第一輸出齒輪同軸，第二傳動(dòng)齒輪與第二輸出齒輪同軸，第三輸出齒 輪同時(shí)與第一輸出齒輪和第二輸出齒輪嗤合；第一輸出齒輪內(nèi)圈設(shè)置有第一單向離合器， 第二輸出齒輪內(nèi)圈設(shè)置有第二單向離合器，第一單向離合器與第二單向離合器的許動(dòng)方向 相同；第三輸出齒輪與輸出軸連接。通過(guò)上述輪系結(jié)構(gòu)，從而可以將齒條所接收到的上下振 動(dòng)通過(guò)齒輪組轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，通過(guò)第一小齒輪、第一大齒輪、第二小齒輪、第二大齒輪進(jìn) 行轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和線速度的控制。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到第三小齒輪時(shí)，傳遞到與第三小齒輪同軸的 第一傳動(dòng)齒輪，第一傳動(dòng)齒輪與第二傳動(dòng)齒輪相嚙合，所以必然第一傳動(dòng)齒輪與第二傳動(dòng) 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。而此時(shí)，第一傳動(dòng)齒輪與第一輸出齒輪同軸，貝U第一輸出齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方 向與第一傳動(dòng)齒輪相同；第二傳動(dòng)齒輪與第二輸出齒輪同軸，則第二輸出齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向與 第二傳動(dòng)齒輪相同；所以，第一輸出齒輪與第二輸出齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。在第一輸出齒輪 內(nèi)圈設(shè)置第一單向離合器，在第二輸出齒輪內(nèi)圈設(shè)置第二單向離合器，且第一單向離合器 與第二單向離合器許動(dòng)方向相同，則此時(shí)，無(wú)論齒條傳遞接收到的振動(dòng)方向是向上還是向 下，第一輸出齒輪與第二輸出齒輪必然只有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并且，轉(zhuǎn)動(dòng)方向恒與單向離合器 的許動(dòng)方向一致。第一輸出齒輪和第二輸出齒輪同時(shí)與第三輸出齒輪相嚙合，則第三輸出 齒輪恒定轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)閱蜗螂x合器的許動(dòng)方向；第三輸出齒輪與輸出軸連接，從而確保無(wú)論 齒條接收到的是向上振動(dòng)或向下振動(dòng)，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向恒為單向離合器的許動(dòng)方向。
[0015] 進(jìn)一步的是，該系統(tǒng)中包括有飛輪，該飛輪設(shè)置在輸出軸連接處。飛輪具有較大的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的存放，在輪系結(jié)構(gòu)的輸出軸位置設(shè)置飛輪，可以使輪系結(jié)構(gòu) 輸出給發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速更加均勻，從而加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0016] 進(jìn)一步的是，發(fā)電機(jī)與儲(chǔ)存裝置之間設(shè)置有轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)發(fā)電機(jī)有正負(fù)兩個(gè)電 流輸出端，分別與轉(zhuǎn)換電路的輸入端、地端連接；在該轉(zhuǎn)換電路中，設(shè)置有穩(wěn)壓芯片和二極 管。在發(fā)電機(jī)與儲(chǔ)存裝置之間設(shè)置有轉(zhuǎn)換電路，從而可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能在傳輸至 儲(chǔ)存裝置之前的控制，從而發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能可以更加均勻穩(wěn)定地傳輸至從儲(chǔ)存裝置。在 上述轉(zhuǎn)換電路中，在發(fā)電機(jī)與儲(chǔ)存裝置之間的轉(zhuǎn)換電路中設(shè)置有二極管，由于發(fā)電機(jī)含正 負(fù)兩個(gè)電流輸出端子，分別與轉(zhuǎn)換電路的輸入端、地端連接，在發(fā)電機(jī)連接電路上設(shè)置有二 極管，從而可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在輸入端、地端之間傳導(dǎo)特定方向的電流，并且在轉(zhuǎn)換電路上設(shè) 置有穩(wěn)壓芯片，確保不論列車通過(guò)與否，輸出電路的電流都是持續(xù)的、穩(wěn)定的。
[0017] 進(jìn)一步的是，儲(chǔ)存裝置選用超級(jí)電容。在上述裝置中，超級(jí)電容作為能量?jī)?chǔ)存裝 置，其功率密度高，充放電時(shí)間短，循環(huán)壽命上，工作溫度范圍寬，從而具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。
[0018] 通過(guò)上述可知，該輪軌振動(dòng)發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)便；并且可以通過(guò)選 取體積較小的輪系和發(fā)電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)便于攜帶；較小的結(jié)構(gòu)安裝在輪軌上不會(huì)影響行車 安全，并且能快速、方便地應(yīng)用于鐵路輔助設(shè)備或緊急情況的供電。同時(shí)，本系統(tǒng)可以根據(jù) 實(shí)際需要通過(guò)對(duì)輪系結(jié)構(gòu)中的齒輪組的參數(shù)進(jìn)行控制，從而便捷地控制輪系輸出的旋轉(zhuǎn)參 數(shù)。在該系統(tǒng)中，無(wú)論列車經(jīng)過(guò)輪軌的振動(dòng)方向是向上或向下，都可以經(jīng)輪系結(jié)構(gòu)傳輸給發(fā) 電機(jī)為單向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的高效利用。最后，由于機(jī)械輪系運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，從而系 統(tǒng)在工作過(guò)程中能夠具有較高的穩(wěn)定性。所以可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)便、高效、穩(wěn)定地將這些機(jī)械 能收集轉(zhuǎn)化為可利用的電能。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是輪軌振動(dòng)發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝示意圖。
[0020] 圖2是輪軌振動(dòng)發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)與輪軌、齒條及輪系連接示意圖。
[0021] 圖3是輪軌振動(dòng)發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖4是輪軌振動(dòng)發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)的輪系簡(jiǎn)示圖。
[0023] 圖5是輪軌振動(dòng)發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)的電路連接示意圖。
[0024] 圖6是輪軌振動(dòng)發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)的電路圖。
[0025] 在圖1-圖6中，1為裝夾結(jié)構(gòu)；3為齒條；2為齒輪軸，包括齒輪軸2A，齒輪軸2B， 齒輪軸2C，齒輪軸2D;4為齒輪的軸支座，包括軸支座4A，軸支座4B，軸支座4C，軸支座4D， 軸支座4E，軸支座4F，軸支座4G;5A為第一小齒輪，5B為第二小齒輪，5C為第三小齒輪；6A 為第一大齒輪，6B為第二大齒輪；7A為第一傳動(dòng)齒輪，7B為第二傳動(dòng)齒輪；8A為第一輸出 齒輪，8B為第二輸出齒輪，8C為第三輸出齒