一种基于轨道振动的液压发电系统及方法与流程

1.本发明属于机电技术领域，其涉及铁路轨道振动能量转换、存储及释放的一种机电一体化产品，确切讲是关于一种基于轨道振动的液压发电系统及方法，可用于铁路和城市轨道交通领域轨道道旁设备的供电。
技术背景
2.随着国民经济的持续、稳定、高速发展和人民生活水平的不断提高，轨道交通作为具有运量大、速度快、班次密、安全舒适、准点率高、全天候、运费低和节能环保等优点的交通工具越来越多的受到人们的青睐。各铁路运营公司也为保证轨道交通准点率、乘坐安全性和舒适性投入了大量的人力物力进行维护，给铁路局、城轨、地铁等轨道运营公司带来较大的经济压力。
3.近年来，随着互联网、物联网等技术的发展，各类自动化检测、监测设备大量应用于轨道交通领域，安装在轨道旁用于监测各类信号数据，大幅降低了人员的维护成本，但同时这些监测设备的电缆铺设、电力的供给成本也在不断增加。由于各类监测设备往往是线路开通后根据需求增加的，这些监测设备对原线路的设计容量带来巨大的压力。


技术实现要素：

4.本发明的目的针对上述已有技术的不足，提出一种结构简单、占地面积小、能够最大限度的获取轨道的垂向能量、能量利用率高的基于轨道振动的液压发电系统及方法。
5.本发明的目的是这样实现的，涉及一种基于轨道振动的液压发电系统及方法，其特征是：包括：铁路轨道、枕木、轨道发电机组阵列和列车，室内监控主机、室外控制器、轨底振动触发器，多组轨道发电机组阵列在铁路轨道的侧边间隔布置在两枕木之间，当铁路轨道有列车通过时，列车在铁路轨道产生的振动，枕木使侧边的轨道发电机组阵列通过振动产生电能，振动产生的电能向控制的电池组充电，电池组的电能到达阀值时，通过逆变器向电网输送电能。
6.所述的室内监控主机通过接口与室外控制器电连接，向室外控制器进行供电指令的下达，并通过室外控制器获取工作监控信息；轨底振动触发器通过网络与室外控制器电连接，向室外控制器提供触发信号，室内监控主机获取室外控制器提供的触发信号后，向室外控制器下达电池充电指令；轨道发电机组阵列中的每台发电模块均通过电缆与室外控制器连接；室外控制器分别通过线缆与电池组和逆变器连接，一方面将轨道发电机组阵列产生的电进行滤波并按照电池组的充电规格进行供电；另一方面当室外控制器接到室内监控主机放电指令时，室外控制器控制电池组放电，电池组释放的电通过逆变器转化成规定制式的电向道旁设备进行供电输出。
7.所述的轨道发电机组阵列包括：振动能量吸收单元、振动能量传递单元、振动能量转化单元和发电机，振动能量吸收单元通过振动能量传递单元与振动能量转化单元和发电机机电连接。
8.所述的振动能量吸收单元包括：安装夹具、减振器、短连接杆，减振器上端通过安装夹具与轨道底部固定连接；减振器下端与短连接杆的一端通过螺栓固定连接，振动能量吸收单元的减振器通过夹具固定在轨底，当列车经过时铁路轨道振动通过减振器使其过滤部分高频振动，同时保留低频较大的加速度和位移进行能量传递。
9.所述的振动能量传递单元包括：上过渡板、下过渡板、支撑轴、轴承、支撑座，上过渡板和下过渡板的一侧固定连接；上过渡板与下过渡板通过螺栓固定连接，并卡在轴承外圈上，轴承内圈通过支撑轴固定在支撑座上，支撑座则通过螺栓固定在道床上；上过渡板和下过渡板的另一侧通过螺栓与长连接杆的一端连接，振动能量传递单元工作过程是：减振器安装在连接杆上，连接杆中间与中间支撑座通过支撑轴连接，频率过滤装置振动后产生垂向位移，其带动短连接杆垂向位移，同时长连接杆则以支撑座为中心产生反向垂向振动，铁路轨道振动能量通过连接杆传递到能量转化装置上。
10.所述的振动能量转化单元包括：上防松块、下方松块、活塞杆、活塞缸、缸座、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、第一涡轮发电机、第二涡轮发电机、油缸；长连接杆垂向位置通过上防松块和下方松块加紧固定；活塞杆通过螺纹连接在上防松块和下防松块上，与长连接杆不直接接触，活塞杆与活塞固定连接；活塞缸与缸座螺纹连接，用于调节活塞缸的高度；活塞缸的两侧上部和下部分别布置4个电磁阀接口：第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀，其中：第一电磁阀与第一单向阀通过油管连接，第一单向阀与油缸连接，油缸与第二涡轮发电机的出口d连接，第二涡轮发电机的进口c与第二单向阀连接，第二单向阀与第二电磁阀连接形成闭合油回路；第四电磁阀与第四单向阀通过油管连接，第四单向阀与第一涡轮发电机的进口a连接，第一涡轮发电机的出口b与油缸连接，油缸与第三单向阀连接，第三单向阀与第三电磁阀连接，形成另一条闭合油回路；振动能量转化单元的工作过程是：长连接杆与活塞杆连接，只传递垂向能量，其它方向振动通过长连接杆上的空动间隙过滤；当长连接杆垂向振动时带活塞杆垂向振动，活塞杆在垂向上往复运动；当活塞杆向下运动接触活塞时，活塞挤压液压油推动第二涡轮发电机的涡轮发电机叶片转动，同时进行发电；当活塞杆向上运动接触活塞时，活塞挤压液压油推动第一涡轮发电机的涡轮发电机叶片转动同时进行发电。
11.所述的第一涡轮发电机和第二涡轮发电机具有相同结构，都包括：涡轮轴承、涡轮轴、涡轮发电机定子、涡轮发电机转子、发电机底座、涡轮发电机叶片、涡轮发电机输出端、涡轮腔壁；涡轮发电机转子套接在涡轮轴上，涡轮发电机转子整体在涡轮发电机定子内，与涡轮发电机定子同轴心，涡轮发电机转子前后有涡轮轴承，涡轮发电机定子在发电机底座上固定，涡轮发电机转子一端有涡轮发电机叶片，涡轮发电机叶片固定在涡轮腔壁内，第一涡轮发电机和第二涡轮发电机分别连接振动能量转化单元输出端，第一涡轮发电机和第二涡轮发电机的涡轮发电机输出端与逆变器输入端电连接，通过逆变器与电网连接。
12.所述的充电过程是：当列车临近轨道发电机组阵列区域，铁路轨道振动达到轨底振动触发器的触发值后，触发器触发室外控制器打开充电模式；列车经过轨道发电机组阵列区域时，两枕木之间的铁路轨道底部垂向振动产生较大位移，铁路轨道振动时引起减振器发生振动并产生垂向振动和位移，减振器内部装有大刚度弹簧，弹簧振动响应时会过滤部分的高频振动，其中低频共振时能量利用率最高；减振器垂向位移带动与它固定连接的
短连接杆、上过渡板、下过渡板、长连接杆围绕支撑座上轴承的中心的支撑轴做翘板运动，即当短连接杆向下运动时，长连接杆向上运动，反之当短连接杆向上运动时，长连接杆向下运动，且根据短连接杆与长连接杆的长度比实现长连接杆垂向位移的放大，以满足能量转化装器对驱动的行程要求；长连接杆通过上防松块和下防松块加紧上下平面，当长连接杆垂向向上位移时，其带动活塞杆垂向向上运动，一方面活塞压缩活塞缸的上腔液压油经第四电磁阀和第四单向阀流进涡轮发电机a的进口a，推动第一涡轮发电机的旋转，并带动发电机转子旋转发电，液压油从涡轮腔壁的出口b流出进入油缸，另一方面活塞缸下腔压力减小，液压油从油缸经过第三单向阀和第三电磁阀进入活塞缸的下腔；当长连接杆垂向向下位移时，其带动活塞杆垂向向下运动，一方面活塞压缩活塞缸的下腔使得液压油经第二电磁阀和第二单向阀流向第二涡轮发电机的进口c，液压油推动第二涡轮发电机的涡轮叶片旋转，并带动发电机转子旋转发电；另一方面液压油从油缸经过第一单向阀和第一电磁阀进入活塞缸的上腔；通过室外控制器控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀，通径调节液压油的压力从而调节第一涡轮发电机和第二涡轮发电机的转速，控制发电机的输出，输出的电力经过室外控制器控制电池充电。
13.所述的通过逆变器向电网输送电能过程是：室内监控主机向室外控制器发出对外供电的指令，室外控制器控制电池组放电；电池组放电后，电流经过室外控制器流向逆变器，将直流电转为与道旁设备制式匹配的交流电进行输出。
14.本发明涉及一种基于轨道振动的液压发电系统及方法，其特征是：包括如下步骤：第一步，当列车临近发电机组阵列区域,铁路轨道振动达到振动触发器的触发值后，振动触发器触发室外控制器开启电池组充电模式；第二步，室外控制器查询电池组的编号、状态及电量，通过电池组的电量判断是否需要充电：（2a）当室外控制器判断电池组状态异常或不需要充电时，室外控制器关闭所有充电通道；（2b）当室外控制器判断电池组状态正常且需要充电时，室外控制器根据电池电量饱和程度选择开启一组或多组编号电池组的充电通道进行充电；第三步，列车经过发电机组阵列区域，铁路轨道振动产生的垂向位移驱动短连接杆和长连接杆围绕支撑座的轴做翘板运动，且方向在垂向相反；当长连接杆向下位移时，带动活塞杆也向下运动，活塞挤压活塞缸下腔液压油驱动涡轮发电机旋转将旋转机械能转换为电能；当长连接杆向上位移时，带动活塞杆也向上运动，活塞挤压活塞缸上腔液压油驱动涡轮发电机旋转将旋转机械能转换为电能；第四步，室外控制器通过控制电磁阀的通径调节液压油的压力调节涡轮发电机的转速，控制发电机的输出向电池组充电；第五步，当列车远离发电机组阵列区域，铁路轨道振动低于振动触发器的触发值后，室外控制器关闭电池组的充电模式；第六步，室内监控主机向室外控制器发出对外供电的指令，室外控制器开启电池组放电模式；第七步，室外控制器查询电池组的编号及电量，通过电池组的电量判断是否可以
对外供电：（7a）当室外控制器判断电量低无法对外供电时，室外控制器向室内监控主机反馈无法供电信息，并等待进一步指令；（7b）当室外控制器判断可以对外供电时，室外控制器根据查询到的电池电量饱和程度选择开启一组或多组编号电池组的放电通道；第八步，电池组放电后，电流分别经过室外控制器和逆变器，最后将直流电转为相匹配的交流电向道旁设备供电。
15.本发明具有如下优点：1）结构简单，通过将铁路轨道垂向振动传递到轨旁，使能量转化装置不受轨底狭小空间的限制。
16.2）能量吸收装置直接与两枕木中间的轨底区域接触，保证了本装置能够最大限度的获取铁路轨道的垂向能量。
17.3）减振器通过大刚度弹簧响应轨道垂向振动，可吸收较大频率的振动能量，能量利用率较高。
18.4）采用轨道两旁枕木间依次排列多个发电模块形式形成的阵列可以提高能量收集覆盖轨道的密集度，有利于减小占地，提高能量收集效率。
19.下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
附图说明
20.图1为本发明轨道振动的发电系统组成示意图；图2为本发明轨道振动发电机组阵列示意图；图3为本发明能量转换装置结构示意图；图4为本发明涡轮发电机结构示意意图；图5为本发明轨道振动的发电系统充电过程示意图；图6为本发明轨道振动的发电系统放电过程示意图；图7为本发明轨道振动的发电系统工作流程案例示意图。
21.图中：1、室内监控主机；2、室外控制器；3、轨道发电机组阵列；4、轨底振动触发器；5、电池组；6、逆变器；7、道旁设备；8、铁路轨道；9、枕木；31、能量转换装置；310、安装夹具；311、缓冲装置；312、短连接杆；313、长连接杆；314、上过渡板；315、下过渡板；316、支撑轴；317、轴承；318、支撑座；319、上防松块；320、下防松块；321、活塞杆；322、活塞缸；323、活塞；324、缸座；325、第一电磁阀； 326、第二电磁阀；327、第三电磁阀；328、第四电磁阀；329，第一单向阀；330、第二单向阀；331、第三单向阀；332、第四单向阀；333、第一涡轮发电机；3331、涡轮轴承；3332、涡轮轴；3333、涡轮发电机定子；3334、涡轮发电机转子；3335、发电机底座；3336、涡轮发电机叶片；3337、涡轮发电机；3338、涡轮腔壁；334、第二涡轮发电机。
具体实施方式
22.为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及方法，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其方法，详细说明如下。
23.实施例1
如图1和图2所示，本发明涉及一种基于轨道振动的液压发电系统及方法，其特征是：包括：铁路轨道8、枕木9、轨道发电机组阵列3和列车，室内监控主机1、室外控制器2、轨底振动触发器4，多组轨道发电机组阵列3在铁路轨道8的侧边间隔布置在两枕木9之间，当铁路轨道8有列车通过时，列车在铁路轨道8产生的振动，枕木9使侧边的轨道发电机组阵列3通过振动产生电能，振动产生的电能向控制的电池组5充电，电池组5的电能到达阀值时，通过逆变器6向电网输送电能。
24.如图3所示，室内监控主机1通过接口与室外控制器2电连接，向室外控制器2进行供电指令的下达，并通过室外控制器2获取工作监控信息；轨底振动触发器4通过网络与室外控制器2电连接，向室外控制器2提供触发信号，室内监控主机1获取室外控制器2提供的触发信号后，向室外控制器2下达电池充电指令；轨道发电机组阵列3中的每台发电模块均通过电缆与室外控制器2连接；室外控制器2分别通过线缆与电池组5和逆变器6连接，一方面将轨道发电机组阵列3产生的电进行滤波并按照电池组5的充电规格进行供电；另一方面当室外控制器2接到室内监控主机1放电指令时，室外控制器2控制电池组5放电，电池组5释放的电通过逆变器6转化成规定制式的电向道旁设备7进行供电输出。
25.如图4所示，轨道发电机组阵列3包括：振动能量吸收单元、振动能量传递单元、振动能量转化单元和发电机，振动能量吸收单元通过振动能量传递单元与振动能量转化单元和发电机机电连接。
26.振动能量吸收单元包括：安装夹具310、减振器311、短连接杆312，减振器311上端通过安装夹具310与轨道底部固定连接；减振器311下端与短连接杆312的一端通过螺栓固定连接，振动能量吸收单元的减振器通过夹具固定在轨底，当列车经过时铁路轨道8振动通过减振器使其过滤部分高频振动，同时保留低频较大的加速度和位移进行能量传递。
27.振动能量传递单元包括：上过渡板314、下过渡板315、支撑轴316、轴承317、支撑座318，上过渡板314和下过渡板315的一侧固定连接；上过渡板314与下过渡板315通过螺栓固定连接，并卡在轴承317的外圈上，轴承317内圈通过支撑轴316固定在支撑座318上，支撑座318则通过螺栓固定在道床上；上过渡板314和下过渡板315的另一侧通过螺栓与长连接杆313的一端连接，振动能量传递7单元工作过程是：减振器安装在连接杆上，连接杆中间与中间的支撑座318通过支撑轴316连接，频率过滤装置振动后产生垂向位移，其带动短连接杆312垂向位移，同时长连接杆313则以支撑座318为中心产生反向垂向振动，铁路轨道10振动能量通过连接杆传递到能量转化装置上。
28.振动能量转化单元包括：上防松块319、下方松块320、活塞杆321、活塞缸322、缸座324、第一电磁阀325、第二电磁阀326、第三电磁阀327、第四电磁阀328、第一单向阀329、第二单向阀330、第三单向阀331、第四单向阀332、第一涡轮发电机333、第二涡轮发电机334、油缸335；长连接杆313垂向位置通过上防松块319和下防松块320加紧固定；活塞杆321通过螺纹连接在上防松块319和下防松块320上，与长连接杆313不直接接触，活塞杆321与活塞323固定连接；活塞缸322与缸座324螺纹连接，用于调节活塞缸322的高度；活塞缸322的两侧上部和下部分别布置4个电磁阀接口：第一电磁阀325、第二电磁阀326、第三电磁阀327、第四电磁阀328，其中：第一电磁阀325与第一单向阀329 通过油管连接，第一单向阀329与油缸335连接，油缸335与第二涡轮发电机334的出口d连接，第二涡轮发电机334的进口c与第二单向阀330连接，第二单向阀330与第二电磁阀326连接形成闭合油回路；第四电磁阀
328与第四单向阀332通过油管连接，第四单向阀332与第一涡轮发电机333的进口a连接，第一涡轮发电机333的出口b与油缸335连接，油缸335与第三单向阀331连接，第三单向阀331与第三电磁阀327连接，形成另一条闭合油回路；振动能量转化单元的工作过程是：长连接杆313与活塞杆321连接，只传递垂向能量，其它方向振动通过长连接杆上313的空动间隙过滤；当长连接杆313垂向振动时带活塞杆321垂向振动，活塞杆321在垂向上往复运动；当活塞杆321向下运动接触活塞323时，活塞挤压液压油推动第二涡轮发电机334的涡轮发电机叶片3336转动，同时进行发电；当活塞杆321向上运动接触活塞323时，活塞挤压液压油推动第一涡轮发电机333的涡轮发电机叶片3336转动同时进行发电。
29.如图5所示，第一涡轮发电机333和第二涡轮发电机334具有相同结构，都包括：涡轮轴承3331、涡轮轴3332、涡轮发电机定子3333、涡轮发电机转子3334、发电机底座3335、涡轮发电机叶片3336、涡轮发电机输出端3337、涡轮腔壁3338；涡轮发电机转子3334套接在涡轮轴3332上，涡轮发电机转子3334整体在涡轮发电机定子3333内，与涡轮发电机定子3333同轴心，涡轮发电机转子3334前后有涡轮轴承3331，涡轮发电机定子3333在发电机底座3335上固定，涡轮发电机转子3334一端有涡轮发电机叶片3336，涡轮发电机叶片3336固定在涡轮腔壁3338内，第一涡轮发电机333和第二涡轮发电机334分别连接振动能量转化单元输出端，第一涡轮发电机333和第二涡轮发电机334的涡轮发电机输出端3337与逆变器6输入端电连接，通过逆变器6与电网连接。
30.参照图1~图6，本发明的充电过程是：当列车临近轨道发电机组阵列3区域，铁路轨道8振动达到轨底振动触发器4的触发值后，触发器的触发室外控制器2打开充电模式；列车经过轨道发电机组阵列3区域时，两枕木9之间的铁路轨道8底部垂向振动产生较大位移，铁路轨道8振动时引起减振器311发生振动并产生垂向振动和位移，减振器311内部装有大刚度弹簧，弹簧振动响应时使其过滤部分高频振动，同时保留低频较大的加速度和位移进行能量传递；减振器311垂向位移带动与它固定连接的短连接杆312、上过渡板314、下过渡板315、长连接杆313围绕支撑座318上轴承317的中心的支撑轴316做翘板运动，即当短连接杆312向下运动时，长连接杆313向上运动，反之当短连接杆312向上运动时，长连接杆313向下运动，且根据短连接杆312与长连接杆313的长度比实现长连接杆313垂向位移的放大，以满足能量转化装器31对驱动的行程要求；长连接杆313通过上防松块319和下防松块320加紧上下平面，当长连接杆313垂向向上位移时，其带动活塞杆321垂向向上运动，一方面活塞323压缩活塞缸322的上腔液压油经第四电磁阀328和第四单向阀332流进第一涡轮发电机的进口a，推动第一涡轮发电机3337旋转，并带动发电机转子3334旋转发电，液压油从涡轮腔壁3338的出口b流出进入油缸335，另一方面活塞缸322下腔压力减小，液压油从油缸335经过第三单向阀331和第三电磁阀327进入活塞缸322的下腔。
31.当长连接杆313垂向向下位移时，其带动活塞杆321垂向向下运动，一方面活塞323压缩活塞缸322的下腔使得液压油经第二电磁阀326和第二单向阀330流向第二涡轮发电机334的进口c，液压油推动第二涡轮发电机334的涡轮发电机叶片3336旋转，并带动涡轮发电机转子3334旋转发电；另一方面液压油从油缸355经过第一单向阀329和第一电磁阀325进入活塞缸322的上腔。
32.通过室外控制器2控制第一电磁阀325、第二电磁阀326、第三电磁阀327、第四电磁阀328，通径调节液压油的压力从而调节第一涡轮发电机333和第二涡轮发电机334的转速，
控制发电机的输出，输出的电力经过室外控制器2控制电池充电。
33.本发明的放电过程是：室内监控主机1向室外控制器2发出对外供电的指令，室外控制器2控制电池组5放电；电池组5放电后，电流经过室外控制器2流向逆变器6，将直流电转为与道旁设备7制式匹配的交流电进行输出。
34.参照图7所示，本发明的工作流程及步骤如下所示：第一步，当列车临近轨道发电机组阵列3区域，铁路轨道8振动达到轨底振动触发器4的触发值后，轨底振动触发器4的触发室外控制器2开启电池组5充电模式；第二步，室外控制器2查询电池组5的编号、状态及电量，通过电池组5的电量判断是否需要充电：（2a）当室外控制器2判断电池组5的状态异常或不需要充电时，室外控制器2关闭所有充电通道；（2b）当室外控制器2判断电池组5的状态正常且需要充电时，室外控制器2根据电池电量饱和程度选择开启一组或多组编号电池组5的充电通道进行充电；第三步，列车经过轨道发电机组阵列3区域，铁路轨道8振动产生的垂向位移驱动短连接杆312和长连接杆313围绕支撑座318的轴做翘板运动，且方向在垂向相反；当长连接杆313向下位移时，带动活塞杆321也向下运动，活塞323挤压活塞缸322下腔液压油驱动涡轮发电机3337旋转将旋转机械能转换为电能；当长连接杆313向上位移时，带动活塞杆321也向上运动，活塞323挤压活塞缸322上腔液压油驱动涡轮发电机3337旋转将旋转机械能转换为电能；第四步，室外控制器2通过控制电磁阀的通径调节液压油的压力调节涡轮发电机3337的转速，控制发电机的输出向电池组5充电；第五步，当列车远离轨道发电机组阵列3区域，铁路轨道8振动低于轨底振动触发器4的触发值后，室外控制器2关闭电池组5的充电模式；第六步，室内监控主机1向室外控制器2发出对外供电的指令，室外控制器2开启电池组5放电模式；第七步，室外控制器2查询电池组5的编号及电量，通过电池组5的电量判断是否可以对外供电：（7a）当室外控制器2判断电量低无法对外供电时，室外控制器2向室内监控主机1反馈无法供电信息，并等待进一步指令；（7b）当室外控制器2判断可以对外供电时，室外控制器2根据查询到的电池电量饱和程度选择开启一组或多组编号电池组5的放电通道；第八步，电池组5放电后，电流分别经过室外控制器2和逆变器6，最后将直流电转为相匹配的交流电向道旁设备供电。
35.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。