环境振动能量采集装置及高速列车运营环境监测系统

1.本发明属于能量采集技术领域，尤其涉及一种环境振动能量采集装置及高速列车运营环境监测系统。


背景技术：

2.随着我国高速铁路网规模的不断扩大，对高速铁路运营环境进行监测以保障其运营的安全性和稳定性。无线传感器网络技术因其高效、低成本、方便维护等优势成为当前的研究热点，然而无线传感器网络的传感器感知节点的电源供给受到电池性能的限制，存在能量空洞、电池更换难、寿命短的弊端。因此研究采能技术采集感知节点周围环境中的能量为其供能具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种环境振动能量采集装置及高速列车运营环境监测系统，旨在实现更宽频率振动激励能量的采集。
4.为此，本发明实施例一方面提供的环境振动能量采集装置，包括刚性盒体，其特征在于：所述刚性盒体内设有竖向滑轨，所述竖向滑轨上滑动安装有质量块，所述质量块的上侧和下侧均通过发电组件分别与所述刚性盒体的顶板和底板连接，所述质量块的左侧和右侧均通过滚轮组件分别与所述刚性盒体的左侧板和右侧板连接；
5.所述发电组件包括摩擦纳米发电机以及连接在所述摩擦纳米发电机与所述刚性盒体之间的缓冲弹簧，所述滚轮组件包括与所述刚性盒体固定连接的水平导轨、滑动安装在所述水平导轨上的水平滑块以及设置于所述水平滑块上的滚轮；
6.所述质量块的两侧设有与对应的所述滚轮滚动配合的弧形凹曲面，所述刚性盒体与所述水平滑块之间连接有使所述滚轮与对应的所述弧形凹曲面保持接触的主弹簧。
7.具体的，所述摩擦纳米发电机包括上下平行相对设置的两块摩擦电极板，其中一块所述摩擦电极板与所述质量块固定连接，另一块所述摩擦电极板通过对应的所述缓冲弹簧与所述刚性盒体连接。
8.具体的，所述缓冲弹簧在所述摩擦电极板与所述刚性盒体之间均匀设置多根。
9.具体的，所述电极板包括绝缘基板、设置于所述绝缘基板上的介电材料摩擦层以及与所述介电材料摩擦层连接的导线。
10.具体的，其中一个所述介电材料摩擦层选用聚四氟乙烯薄膜，另一个所述介电材料摩擦层选用导电铜箔。
11.具体的，所述介电材料摩擦层的介电常数为2.1，表面电荷密度为30mc/m2，真空介电常数为8.85
×
10-12
f/m。
12.具体的，所述主弹簧为套在所述水平导轨上的螺旋弹簧。
13.具体的，所述质量块通过螺栓组件与所述竖向滑块固定连接。
14.具体的，所述水平滑块上设有滚轮支撑，所述滚轮通过轮轴转动安装在所述滚轮
支撑上。
15.具体的，所述质量块和滚轮支撑采用绝缘材质制作。
16.本发明实施例另一方面提供一种高速列车运营环境监测系统，包括用于高速列车运营环境监测的无线传感器网络，在无线传感器网络的传感器感知节点所在的铁路运营线路位置处设置上述环境振动能量采集装置，所述摩擦纳米发电机为所述传感器感知节点供电。
17.与现有技术相比，本发明至少一组实施例具备如下有益效果：
18.(1)本装置为非线性刚度装置，质量块竖向振动时，其运动位移自初始位置起运动位移增大，同时滚轮因质量块的曲面特性，相对质量块作滚动运动，装置的刚度由初始刚度至不断增大，使得整个采集装置在运动中改变自身的自振频率，与固定刚度装置相比，本装置对一定频域内的振动激励具有共振作用，以适应不同频率的外界激励，振动能量采集的频域变宽。
19.(2)当设置较小的初始刚度时，相于固定刚度装置，其在外界激励下质量块响应位移将有所增大，具一定的位移放大功能。
20.(3)本装置的摩擦纳米发电机具有两个子模块，分别设置在质量块的两侧，质量块振动一个周期可以触发两次摩擦纳米发电机接触-分离，同时在滚轮与质量块相对运动提供变刚度和较小初始刚度所带来的位移放大作用下，本装置的摩擦纳米发电机与通常的垂直接触-分离模式相比，其发电频率增加至少一倍，其电能输出效率也有所增加。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本发明实施例提供的环境振动能量采集装置立体图；
23.图2是本发明实施例提供的环境振动能量采集装置爆炸图；
24.其中：1、刚性盒体；2、竖向滑轨；3、竖向滑块；4、质量块；5、发电组件；501、摩擦纳米发电机；5011、摩擦电极板；502、缓冲弹簧；6、顶板；7、底板；8、滚轮组件；801、水平导轨；802、水平滑块；803、滚轮；804、主弹簧；9、弧形凹曲面；10、梯形支撑。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一组或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两组或两组以上，除非另有明确具体的限定。
28.参见图1和图2，一种环境振动能量采集装置，包括刚性盒体1，刚性盒体1内设有竖向滑轨2，竖向滑轨2上滑动安装有竖向滑块3，在竖向滑块3上通过螺栓组件固定安装有质量块4，质量块4能够顺着竖向导轨相对刚性盒体1上下滑动，质量块4的上侧和下侧均通过发电组件5分别与刚性盒体1的顶板6和底板7连接，质量块4的左侧和右侧均通过滚轮组件8分别与刚性盒体1的左侧板和右侧板连接。
29.其中，发电组件5包括摩擦纳米发电机501以及连接在摩擦纳米发电机501与刚性盒体1之间的缓冲弹簧502，摩擦纳米发电机501设置在质量块4上，滚轮组件8包括与刚性盒体1固定连接的水平导轨801、滑动安装在水平导轨801上的水平滑块802以及设置于水平滑块802上的滚轮803，质量块4的两侧设有与对应的滚轮803滚动配合的弧形凹曲面9，刚性盒体1与水平滑块802之间连接有使滚轮803与对应的所述弧形凹曲面9保持接触的主弹簧804。
30.上述结构的采集装置工作过程如下：在外界激励作用下，通过缓冲弹簧502将外部激励振幅传递至采集装置内部，带动摩擦纳米发电机501进行摩擦生电，支撑摩擦纳米发电机501的质量块4在垂直方向振动，竖向滑块3和竖向导轨为质量块4的竖向振动提供支撑，质量块4在竖向振动过程中，带动与其滚动接触的滚轮803在水平方向产生移动，水平滑块802和水平导轨801为滚轮803的水平移动提供支撑，同时主弹簧804为质量块4提供恢复力，滚轮随着质量块4的滚动，为曲面质量块4提供变刚度，在外界激励作用下，能量采集装置如此循环振动发电，为外接网络感知节点提供能量。
31.上述结构的采集装置，滚轮的初始平衡位置为水平方向，当质量块移动时，滚轮相对质量块随着曲面滚动，缓冲弹簧由初始压缩状态继续受压变形，并为质量块提供弹性恢复力。随着质量块不断移动，缓冲弹簧连带滚轮对质量块提供的竖向恢复力不断变化，使得本装置的刚度随着质量块位移的变化而变化，即本装置具有变刚度特性，且根据力学性能推导及仿真模拟，可以得出随着质量块的运动位移增大，本装置刚度由初始刚度值不断增大，进而可以适应不同频率的外界激励，从而可以扩大振动能量采集频域。此外由于装置初始刚度较小，与固定刚度相比，本装置达到相同弹性恢复力需要更大位移，而增大位移可以触发更多次的摩擦纳米发电机模块工作进行电能转化。
32.本实施例中，质量块4竖向振动时，滚轮相对质量块4作滚动运动，为质量块4提供变刚度，使得可以在运动中改变整个装置的自振频率，使得整个采集装置可以对一定频域内的振动机理具有共振作用，扩大了采能频域，提高了采能密度。
33.参见图1和图2，具体的，摩擦纳米发电机501包括上下平行相对设置的两块摩擦电极板5011，其中一块摩擦电极板5011通过梯形支撑10与质量块4固定连接，另一块摩擦电极板5011通过缓冲弹簧502与刚性盒体1连接。本实施例中，采集装置在外界激励作用下，通过缓冲弹簧502将外部激励振幅传递至刚性盒体1内部，带动摩擦纳米发电机501中的上下摩擦电极板5011进行垂直接触-分离式摩擦生电。
34.可以理解的是，摩擦电极板5011包括绝缘基板、粘接于绝缘基板上的介电材料摩擦层以及与介电材料摩擦层连接的导线，。其中，介电材料摩擦层可以选用聚四氟乙烯薄膜，另一个介电材料摩擦层可以选用导电铜箔，介电材料摩擦层的介电常数可以设计为2.1，表面电荷密度可以设计为30mc/m2，真空介电常数可以设计为8.85
×
10-12f/m。
35.参见图1和图2，在一些实施例中，竖向滑轨2、质量块4、缓冲弹簧502、摩擦纳米发电机501以及滚轮组件8集成在刚性盒体1中，这样的设计使得可以通过刚性盒体1对上述部件提供保护。为此，刚性盒体1的制作材质可以采用q345钢、高速钢等，其尺寸可以设计为400
×
350
×
400mm，各棱角处可以设计圆弧过渡。
36.参见图1和图2，需要解释说明的是，为保证能量采集装置运行的可靠性，发电组件5在质量块4的上下两侧对称布置，滚轮组件8在质量块4的左右两侧对称布置，缓冲弹簧502在摩擦电极板5011与刚性盒体1之间均匀设置多根，弧形凹曲面9为圆弧曲面，滚轮处于初始平衡位置时，滚轮位于弧形凹曲面9的最低位置处。
37.参见图1和图2，具体的，主弹簧804可以采用螺旋弹簧，螺旋弹簧套在水平导轨801上，质量块4则可以通过螺栓组件与竖向滑块3固定连接，在水平滑块802上还可以增设滚轮支撑，滚轮803通过轮轴转动安装在滚轮支撑上，为便于拆卸组装，滚轮支撑同样可以采用螺栓组件固定在水平滑块802上。
38.可以理解的是，为防止漏电，质量块4、梯形支撑10和滚轮支撑均可以采用诸如有机玻璃等绝缘材质制作。此外，水平滑块802和竖向滑块3可以采用阻尼较小的国产hgh 25ca方滑块，水平导轨801和竖向导轨可以选用国产hgr 25重型直线导轨。
39.本发明实施例另一方面还提供一种高速列车运营环境监测系统，包括用于高速列车运营环境监测的无线传感器网络，在无线传感器网络的传感器感知节点所在的铁路运营线路位置处设置上述环境振动能量采集装置，摩擦纳米发电机501为传感器感知节点供电。至于无线传感器网络的具体结构，均为现有技术，不是本技术改进的重点，在此不再赘述。
40.本实施例提供的高速列车运营环境监测系统，因采用了上述结构的环境振动能量采集装置，因此至少具备上述实施例提供的环境振动能量采集装置的优点效果，在此不再赘述。
41.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
42.同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
43.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
44.上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于
所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。