CN111049418A - 一种摩擦纳米发电机及试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种摩擦纳米发电机及试验装置，该发电机应用于铁道***的轨道和道床板之间，安装在每两个相邻轨枕之间的轨段中点，所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层。通过收集列车驶过时轨道和道床板振动产生的机械能，将该机械能转化为电能进行存储或直接为铁道相关用电设备供电。该发明的试验装置可以研究摩擦纳米发电机在不同轨道振动条件、以及不同摩擦对间隙设计情况下的电信号输出性能。
Description
技术领域
本发明实施例涉及一种摩擦纳米发电机，尤其涉及一种摩擦纳米发电机及试验装置，尤其应用于地铁轨道和轨道板之间。
背景技术
随着我国地下轨道交通建设的发展，地铁运营里程和运量快速提升，相关的运营安全问题也日益凸显。轨道交通健康监测***可实时监控地铁运营状态，但监测***中包含有大量的传感器及相关采集设备，其供能问题尚存在很大挑战：若采用传统的有线供能形式，由于供电电源与部分传感器的距离较远，容易产生电缆受损；若采用电池供电，一则其需要频繁更换电池，大大增加了人力成本，二则电池的大量使用也加剧了对环境和人体的潜在危害。为此，能够收集环境能量并将其转化为电能的俘能技术得到了广泛关注，但由于地下运营环境的限制，太阳能、风能等俘能设备并不适用于地铁***。
国家纳米科学中心王中林教授在2012年提出的摩擦纳米发电机(公开CN103368447A)是一种收集环境机械能的高效手段。但目前，该摩擦纳米发电机仅作为概念机，无法适用于复杂环境，要将其应用于地下轨道交通***，还存在以下不足：
1、该摩擦纳米发电机的摩擦对之间的初始间隙在制备时已经固定，当外力施加的变形幅值小于固定间隙时，摩擦对无法接触产生电荷交换；幅度远大于间隙时，摩擦对将受到极大的外力作用，必然会受到破坏，因此不能灵活应用于多种工况。实际上，轨道的振动受到车速、车重、扣件刚度等几十种车轨参数的影响，其振动幅值在各种工况下有较大的差异，因此传统摩擦纳米发电机难以直接应用于地铁轨道振动俘能。
2、该摩擦纳米发电机设置了支撑体为两个绝缘材料分离提供回复力，对于外力可以使得摩擦纳米发电机自动回复的应用场景，例如轨道的往复竖向运动使其可以直接回复，该支撑体结构实际上阻碍了摩擦对平整地完全接触，降低了发电机输出性能。
3、该摩擦纳米发电机未设置缓冲层，当外力所提供的变形大于初始间隙时，则绝缘材料和电极材料将会受到巨大的外力作用，产生额外变形，容易受到破坏，特别是在轨道***中，多变的轨道位移使得摩擦纳米发电机的变形区间较大，当轨道位移大于摩擦对初始间隙时，容易压坏摩擦纳米发电机。
4、未对摩擦纳米发电机进行合理的绝缘封装处理，应结合应用场景加以考虑，特别是轨道中复杂的环境。
5、其俘能效率和输出功率等未针对应用场景设计专门的试验装置进行测试和验证。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供一种摩擦纳米发电机及试验装置，解决了摩擦纳米发电机能通过设置缓冲层而能灵活应用于轨道的不同振动幅值工况，从而通过收集轨道振动能为轨道中用电设备供能的问题。
本发明实施例解决技术问题的技术方案是：
本发明实施例提供一种摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层。
进一步地，所述摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层之间保留有初始间隙。
进一步地，所述上电极层和下电极层为铜箔片，分别粘接于所述顶部介电材料层的上表面和所述底部介电材料层的下表面，所述铜箔片上连接有导线，用于输出电流。
进一步地，所述上支撑层和下支撑层为亚力克平板，分别粘接于所述上电极层的上表面和所述下电极层的下表面。
进一步地，所述缓冲层为海绵、橡胶材料等材料，位于所述下支撑层的表面，起到增强发电机俘能效率、缓冲列车荷载，同时保护摩擦纳米发电机结构安全的重要效果。所述缓冲层的效果是：当轨道向下位移幅度大于所述摩擦对的顶部介电材料和底部介电材料的间隙时，缓冲层受力压缩，使得所述摩擦对在保持接触的同时整体向下移动，避免因轮轨的巨大压力造成介电材料的破坏，并且向摩擦对提供了一定的反力以增加摩擦纳米发电机输出效果。
进一步地，为方便调整所述摩擦对的顶部介电材料和底部介电材料的间隙，在所述缓冲层下方，亦即整个摩擦纳米发电机下方设置刚性垫层，所述刚性垫层的厚度根据轨道振动幅值以及摩擦纳米发电机的整体高度计算得到，并刚性连接于轨道板，所述刚性垫层材料可以是混凝土或不锈钢。
进一步地，所述摩擦对之间的初始间隙小于等于轨道最大振动幅值。所述摩擦对的顶部介电材料和底部介电材料之间的初始间隙由轨道振动幅值决定，使其小于等于轨道振动最大幅值以保证列车运营时摩擦对可以相互完全接触。
进一步地，所述振动幅值通过建立车轨耦合振动模型，并结合模态分析法和Newmark数值计算方法联合计算确定。
进一步地，所述振动幅值的确定方法如下：
列车和轨道结构的动力控制方程分别为：
其中Mt、Ct、Kt分别是列车的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，yt是列车的位移向量，Ft是施加在列车上的外荷载，包括列车自重和轮轨接触力；yr(x,t)和φr(x,t)分别是轨道的竖向位移和转角，ErIr和κArGr分别是轨道的抗弯刚度和抗剪刚度，ρr为密度，Ar为横截面面积，Ir是截面惯性矩；Fr(x,t)是轨道承受的外荷载；x为轨道位置，t为时间；
根据模态叠加法的思路，将轨道控制方程简化为常微分方程，并通过Newmark方法进行数值计算，最终可得到轨道的振动幅值，并以此确定摩擦对的顶部介电材料和底部介电材料之间的初始间隙。
进一步地，所述绝缘防水封装保护层位于整个摩擦纳米发电机的外表面，由绝缘防水且耐久性和柔韧性良好的材料制作，所述绝缘防水封装保护层留置导线连接到外部的电路出口，所述电路出口封装在高分子防水柔性绝缘套管内。
需要说明的是，多个所述摩擦纳米发电机可以串联在一起形成供电电路，该供电电路依次连接至稳压整流器、变压装置、电能存储器以及连接用电设备的电路输出端口，所述供电电路封装在高分子防水柔性绝缘套管内。
本发明实施例还提供一种摩擦纳米发电试验装置，包括：轨道模型，
所述轨道模型包括用于模拟枕木的木块和用于模拟轨道底面的钢片，所述钢片的两端分别通过螺栓固定在两块木块上，所述两块木块之间设置钢块，所述钢片和所述钢块之间安装有摩擦纳米发电机；这里钢片可以为多个，以随时改变摩擦对之间的间距；
所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层；
还包括用于给钢片提供模拟轨道振动荷载的激振器，以及用于测量激振器施加于轨道模型所产生的振动响应和测量所述摩擦纳米发电机的输出指标的测试设备。
进一步地，为提高试验准确性，所述模拟轨道底面的钢片长度应采用实际轨道中两轨枕之间的轨段长度，同时所述模拟枕木的木块宽度可以和钢片相同，木块高度只要大于摩擦纳米发电机高度加上摩擦对间隙即可。
在轨道模型中点使用激振器施加振动荷载，包括正弦荷载和三角荷载以更准确地模拟轨道振动的荷载波形；
使用示波器、电流计记录摩擦纳米发电机的电压或电流时程曲线，使用位移计记录轨道中点的位移时程曲线，既可以分析摩擦纳米发电机的输出与振动荷载各参数的关系，也可以分析输出信号和位移时程曲线上的对应关系。
采用上述技术方案，本发明的有益效果如下：
本发明的摩擦纳米发电机的摩擦对初始间隙可灵活调整，能适用于不同轨道振动位移的工况。此外，所述摩擦纳米发电机的下部设置有缓冲层，当列车载重变化使得钢轨位移增大时，可保护摩擦对不受列车轮轨荷载的冲击破坏，并可提高性能输出，因此所述摩擦纳米发电机可以适应轨道振动特性，高效采集轨道振动能从而为轨道中用电设备供能。所述摩擦纳米发电机针对轨道下恶劣的工作环境和其本身结构特征设计了保护层，提高了其耐久性。并且针对轨道振动特性设计了该摩擦纳米发电机性能的试验装置，可以预测该发电机发电效率并通过室内试验改良发电机设计。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的摩擦纳米发电机在轨道中的安装位置侧视图；
图2是本发明实施例提供的摩擦纳米发电机的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的摩擦纳米发电机的结构示意图(剖开部分绝缘防水封装保护层)；
图4是本发明实施例提供的摩擦纳米发电机工作流程示意图；
图5是本发明实施例提供的摩擦纳米发电机的摩擦对间隙随扣件刚度的变化曲线；
图6是本发明实施例提供的摩擦纳米发电试验装置的轴测示意图；
图7是本发明实施例提供的摩擦纳米发电试验装置的主视示意图；
图8是本发明实施例提供的摩擦纳米发电试验装置的俯视示意图；
图9是本发明实施例提供的摩擦纳米发电试验装置的左视示意图；
图中标号：1-轨道；2-轨道扣件；3-轨枕；4-轨道板；5-摩擦纳米发电机；6-刚性垫层；7-上支撑层；8-上电极层；9-顶部介电材料层；10-底部介电材料层；11-下电极层；12-下支撑层；13-缓冲层；14-绝缘防水封装保护层；15-导线；16-电路出口套管；17-上支撑层初始位置；18-摩擦对间隙；19-钢片；20-木块；21-螺栓；22-垫片；23-钢块；24-荷载施加位置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，并且为了说明清楚、完整，发明中可改变材料部分将举例说明，显然，所描述的实施例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仅改变部分材料或者在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，或者都属于本发明保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图1所示，本发明实施例提供一种摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机5安装在轨道1和轨道板4之间，且位于两个相邻轨枕3之间的中点位置，为调整摩擦纳米发电机5的摩擦对初始间隙，采用适当高度的混凝土或钢制刚性垫层6，摩擦对间隙的取值应选择略小于轨道1在列车车轮经过时所产生的最大位移，其具体值与列车车速、列车车重、轨道1刚度、轨道扣件2刚度等相关。
该发电机应用于铁道***的轨道和道床板之间，安装在每两个相邻轨枕之间的轨段中点，通过收集列车驶过时轨道和道床板振动产生的机械能，将该机械能转化为电能进行存储或直接为铁道相关用电设备供电。该摩擦纳米发电机针对轨道振动的情况进行设计，能够适应地面轨道和地下轨道***的工作环境。特别是对于受限于长距离输电的轨道智能健康监测***中的各种无线传感器，该摩擦纳米发电机可以为其提供持续供电，节省能源消耗，是一种先进的绿色能源技术。
如图2和图3所示，所述摩擦纳米发电机5包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层14，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层7、上电极层8、摩擦对、下电极层11、下支撑层12以及缓冲层13。
其中，所述摩擦对由采用商业尼龙薄膜的顶部介电材料层9和采用聚四氟乙烯薄膜的底部介电材料层10组成，顶部介电材料层9与底部介电材料层10尺寸相同，完全铺平且平行相对，之间保留有初始间隙。所述顶部介电材料层9上侧粘接有一层由铜箔制成的上电极层8，在其上侧粘接亚力克板制成的上支撑层7，所述底部介电材料层10下侧粘接有一层由铜箔制成的下电极层11，在其下侧粘接亚力克板制成的下支撑层12，在其下侧设有海绵或橡胶缓冲层13。在上电极层8和下电极层11均设置有导线15，两股导线汇集一起装于电路出口套管16。在摩擦纳米发电机外部采用橡胶套作为绝缘防水封装保护层14，橡胶套上部连接到上支撑层7，下部连接到缓冲层13下方，绝缘防水封装保护层14向外微拱出，在整体高度受到轨道挤压时，不会向内弯折而影响到摩擦对接触。电路出口套管16穿过橡胶套。
需要说明的是，多个摩擦纳米发电机的电路可以串联到一起形成供电电路，并可以连接各接稳压整流器、变压装置、电能储能器、连接用电设备的电路输出端口。用电设备主要指轨道交通***中的用电设备，特别包括轨道结构的安全监控***，储能装置存储富余电能。
如图4所示，轨道中的摩擦纳米发电机工作流程总体上可分为3种状态。
1、当列车经过时，轨道受列车荷载影响向下弯曲，带动摩擦纳米发电机上部向下移动，使得所述摩擦对上的顶部介电材料表面与底部介电材料表面接触并产生摩擦，此时因为两介电材料电极性相反，在介电材料表面产生了电荷的转移，并且轨道进一步弯曲时挤压摩擦对下方的缓冲层，使得摩擦对受到的反力增加，加剧介电材料表面的电荷转移。
2、当列车车轮逐渐驶离摩擦纳米发电机所在位置之后，轨道受到自身刚度影响，逐渐向上移动恢复水平状态，此时将带动摩擦纳米发电机上部向上移动，使得所述摩擦对逐渐分离，跟摩擦对粘接的所述电极层的两个铜箔之间因为距离的变化产生了电势差，由于摩擦对的介电材料具有绝缘的功能，使得该电势差只能通过外电路的电子移动来平衡，因此在该过程中，将所述铜箔用所述导线连接，则在导线中会产生定向的电子移动产生电流。
3、在下一个车轮逐渐接近摩擦纳米发电机所在位置时，轨道又一次向下弯曲，使得所述摩擦对逐渐靠近，所述电极层的两个铜箔之间因为距离的变化产生了电势差，在所述导线中会产生与摩擦对分离时相反的定向电子移动产生电流。
伴随着列车的通过过程，多个车轮不断驶过摩擦纳米发电机所在位置，经过以上过程使得摩擦对重复接触-分离，从而产生脉冲电流。
如图5所示，摩擦纳米发电机的摩擦对间隙由轨道振动幅值控制，并可通过建立车轨耦合振动模型并联合模态分析法和Newmark数值方法计算确定。具体为：
可通过建立车轨耦合振动模型，并结合模态分析法和Newmark数值计算方法联合计算确定，其中，列车和轨道结构的动力控制方程分别为：
其中Mt、Ct、Kt分别是列车的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，yt是列车的位移向量，Ft是施加在列车上的外荷载，包括列车自重和轮轨接触力；yr(x,t)和φr(x,t)分别是轨道的竖向位移和转角，ErIr和κArGr分别是轨道的抗弯刚度和抗剪刚度，ρr为密度，Ar为横截面面积，Ir是截面惯性矩；Fr(x,t)是轨道承受的外荷载；x为轨道位置，t为时间。
根据模态叠加法的思路，将轨道控制方程简化为常微分方程，并通过Newmark方法进行数值计算，最终可得到轨道的振动位移幅值，并以此确定摩擦对的顶部介电材料和底部介电材料之间的初始间隙。
在该实例中，考虑了6种不同的轨道扣件刚度情况下的摩擦对初始间隙变化曲线，经观察得到：摩擦对间隙随轨道扣件刚度的增加而减小。因此，为保障摩擦纳米发电机获得最大输出电压，可在不同扣件刚度情况下可调节摩擦对顶部介电材料和底部介电材料之间的初始间隙(通过调整刚性垫层6的厚度来实现)。图4同时也显示了，当轮对不断经过摩擦纳米发电机时，摩擦对介电材料之间的间隙多次经历从0到最大值的交替过程，其中间隙为0即表示两个介电材料处于接触状态。该曲线可作为摩擦纳米发电机工作情况的参考。
如图6-9所示，本发明实施例还提供一种摩擦纳米发电试验装置，该装置包括轨道模型，通过轨道模型测试单个上述摩擦纳米发电机工作性能，钢片19用于代替轨道底面，连接于刚性底座的木块20用于代替轨枕，钢片19和木块20使用螺栓21进行连接，且在钢片和木块之间可以按需求添加若干个垫片22，在钢片19跨中位置下方安装上述摩擦纳米发电机，具体来说，摩擦纳米发电机的上支撑层7粘接于钢片中点，其下方分别连接上电极层8和顶部介电材料层9，底部介电材料层10与顶部介电材料层9正对，下侧粘接有下电极层11和下支撑层12，下支撑层12下部设置缓冲层13。为合理调整摩擦纳米发电机中摩擦对之间的初始间隙，在缓冲层13下侧设置由多个钢块23组成的下部垫层，钢块数量可以增加或减少以调整初始间隙，并且垫片22的数量也可以微调来改变钢片19的底部净高。
该轨道模型利用激振器在荷载施加位置24上加载，使得钢片19发生列车荷载下的模拟轨道振动，用于测量激振器施加于轨道模型所产生的振动响应和测量所述摩擦纳米发电机的输出指标的测试设备。测试设备包括示波器、电流计、位移计等，采用示波器连接于上电极层8和下电极层11，使用示波器、电流计记录摩擦纳米发电机的电压或电流时程曲线，通过分析示波器图形和数据既可获取在该振动荷载下摩擦纳米发电机工作性能。使用位移计记录轨道中点的位移时程曲线，既可以分析摩擦纳米发电机的输出与振动荷载各参数的关系，也可以分析输出信号和位移时程曲线上的对应关系。
除了激振器荷载和摩擦对初始间隙可调，还可以改变顶部介电材料层9和底部介电材料层10的介电材料种类、厚度、面积以及表面微观形貌，以研究不同材料的摩擦纳米发电机工作性能。还可以选择缓冲层13的材料为不同刚度的海绵、橡胶等，以研究摩擦纳米发电机在不同受力特征下的工作性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种摩擦纳米发电机，其特征是：所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，所述摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层之间保留有初始间隙。
3.根据权利要求2所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，所述上电极层和下电极层为铜箔片，分别粘接于所述顶部介电材料层的上表面和所述底部介电材料层的下表面，所述铜箔片上连接有导线，用于输出电流。
4.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，所述上支撑层和下支撑层为亚力克平板，分别粘接于所述上电极层的上表面和所述下电极层的下表面。
5.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，所述缓冲层为海绵或橡胶材料，位于所述下支撑层的表面。
6.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，所述摩擦对之间的初始间隙小于等于轨道最大振动幅值。
7.根据权利要求6所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，所述振动幅值通过建立车轨耦合振动模型，并结合模态分析法和Newmark数值计算方法联合计算确定。
8.根据权利要求7所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，所述振动幅值的确定方法如下：
列车和轨道结构的动力控制方程分别为：
其中Mt、Ct、Kt分别是列车的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，yt是列车的位移向量，Ft是施加在列车上的外荷载，包括列车自重和轮轨接触力；yr(x,t)和φr(x,t)分别是轨道的竖向位移和转角，ErIr和κArGr分别是轨道的抗弯刚度和抗剪刚度，ρr为密度，Ar为横截面面积，Ir是截面惯性矩；Fr(x,t)是轨道承受的外荷载；x为轨道位置，t为时间；
根据模态叠加法的思路，将轨道控制方程简化为常微分方程，并通过Newmark方法进行数值计算，最终可得到轨道的振动幅值。
9.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，所述绝缘防水封装保护层留置导线连接到外部的电路出口，所述电路出口封装在高分子防水柔性绝缘套管内。
10.一种摩擦纳米发电试验装置，其特征是，包括：
轨道模型，
所述轨道模型包括用于模拟枕木的木块和用于模拟轨道底面的钢片，所述钢片的两端分别通过螺栓固定在两块木块上，所述两块木块之间设置钢块，所述钢片和所述钢块之间安装有摩擦纳米发电机；
所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层；
还包括用于给钢片提供模拟轨道振动荷载的激振器，以及用于测量激振器施加于轨道模型所产生的振动响应和测量所述摩擦纳米发电机的输出指标的测试设备。
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|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112697261A (zh) * | 2021-01-14 | 2021-04-23 | 浙江大学 | 基于摩擦纳米发电机的铁路轨道板振动监测***及监测方法 |
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-
2019
- 2019-12-27 CN CN201911381899.5A patent/CN111049418A/zh active Pending
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| CN114659739B (zh) * | 2022-03-21 | 2023-01-13 | 浙江大学 | 一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置 |
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