CN114960303A - 一种隔振—俘能一体化装置及浮置板轨道 - Google Patents

Abstract

本发明一种隔振—俘能一体化装置及浮置板轨道，属于振动能量俘获、振动隔离领域；包括主框架、正刚度模块、负刚度模块和支撑平台；所述支撑平台通过正刚度模块、负刚度模块安装于主框架上；通过所述正刚度模块提供正刚度，通过所述负刚度模块提供负刚度，两者结合实现准零刚度隔振；所述正刚度模块、负刚度模块均包括机电转换单元，能够将振动能量俘获。本装置通过电磁转换与压电转换相结合的方式进行振动能量俘获，将振动能量转化为电能，进而实现用于健康检测***的供电，结构简单，符合低碳可持续发展理念。能够广泛应用于轨道交通等领域。

Description

一种隔振—俘能一体化装置及浮置板轨道

技术领域

本发明属于振动能量俘获、振动隔离领域，具体涉及一种隔振—俘能一体化装置及浮置板轨道。

背景技术

随着轨道交通建设的快速发展，各大城市轨道线路规模逐渐增大，由列车与轨道碰撞和摩擦所产生的环境噪音与振动问题成为当今的热点。噪音与振动会影响睡眠，降低专注度，影响人们正常的工作生活；会对建筑物造成损伤，造成结构疲劳，墙体开裂，降低建筑物的使用寿命；会对建筑物中的精密仪器造成影响，导致其精确度降低甚至造成仪器损坏。因此，轨道隔振技术已成为当今的热点和难点。

现有的轨道隔振方式有无缝钢轨，弹性长枕，浮置板等方法，其中的浮置板结构被认为是现有隔振效果最好的方式。由线性振动理论可知，只有当外界激励的频率大于隔振装置的***固有频率的

倍时，才会有隔振效果。为实现更好的隔振效果，必须要降低隔振装置的固有频率。然而传统线性隔振装置无法同时实现良好的承载能力与隔振效果。近年来提出的几何非线性的准零刚度隔振器具有高静态，低动态的特征，拥有良好的低频条件下的振动隔离效果，同时又有着优良的承载能力，因此几何非线性准零刚度在轨道浮置板上的应用可以有效提高浮置板的隔振能力。

由于在隔振过程中浮置板会产生竖向位移，导致隔振器中的某些部件发生疲劳破坏，因此需要对其进行长期的健康监测。健康检测***需要外部供电，这无疑会增加建设难度和成本。由于轨道车辆在运行时会产生振动，因此如何俘获这类振动能量，并将其用于健康检测***的供电成为当今的研究的一个方向。目前的振动能量俘获有电磁转换，静电转换，压电转换等方式。而几何非线性在振动能量俘获领域的应用可以实现不同环境下振动的能量收集，具有更好的振动能量俘获效果。

现有技术中应用固定磁铁与电磁铁吸引提供负刚度，弹簧压缩提供正刚度，从而实现***的准零刚度，但该结构需要通过外接电源为线圈提供能量，提高了施工难度与成本。现有技术虽然也有在轨道浮置板上应用了压电式的振动能量采集器，解决了自供电的难题，但由于其仅使用了线性弹簧进行隔振，导致其低频隔振效果不佳。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种隔振—俘能一体化装置及浮置板轨道，具有几何非线性准零刚度特征，该装置使用磁铁与弹簧的组合实现准零刚度隔振，并且通过压电与电磁转换相结合的方式将振动能量转化为电能，能够实现对健康检测设备的自供电。其具有创新性，实用性，结构简单，易于实现商业化的特点。能够广泛应用于轨道交通等领域。

本发明的技术方案是：一种隔振—俘能一体化装置，包括主框架、正刚度模块、负刚度模块和支撑平台；所述支撑平台通过正刚度模块、负刚度模块安装于主框架上；

通过所述正刚度模块提供正刚度，通过所述负刚度模块提供负刚度，两者结合实现准零刚度隔振；所述正刚度模块、负刚度模块均包括机电转换单元，能够将振动能量俘获。

本发明的进一步技术方案是：所述正刚度模块包括钢弹簧、支撑杆和钢板弹簧，所述支撑杆的顶端固定于支撑平台的底面，底端通过钢弹簧与主框架连接，使得支撑平台能够沿支撑杆、钢弹簧的轴向做往复运动；

所述钢板弹簧连接于支撑杆和主框架之间，随着支撑杆的位移发生弯曲形变。

本发明的进一步技术方案是：所述支撑杆的上部和下部***分别设置有限位件，通过两个限位件实现对支撑杆往复运动的导向作用，使得支撑杆仅沿竖直方向运动。

本发明的进一步技术方案是：所述钢板弹簧上设置有压电薄膜，作为正刚度模块的机电转换单元；通过钢板弹簧的振动，所述压电薄膜随着钢板弹簧的弯曲而变形，进而将振动能量转化为电能。

本发明的进一步技术方案是：所述压电薄膜粘贴在钢板弹簧的根部。

本发明的进一步技术方案是：所述负刚度模块包括固定磁铁和活动磁铁，所述活动磁铁固定于支撑杆上，两个固定磁铁分别固定于活动磁铁的上方和下方；且固定磁铁与活动磁铁的向对面磁极相反；

通过支撑杆带动活动磁铁沿竖直方向运动，通过上方固定磁铁和下方固定磁铁对活动磁铁的相互作用力，产生负刚度。

本发明的进一步技术方案是：所述活动磁铁与上方固定磁铁、下方固定磁铁之间的距离在初始位置时相等。

本发明的进一步技术方案是：所述活动磁铁的***设置有线圈，作为负刚度模块的机电转换单元；通过活动磁铁沿竖直方向的运动，导致线圈中的磁通量发生变化，将振动能量转化为电能。

本发明的进一步技术方案是：所述隔振—俘能一体化装置的准零刚度条件为：

式中，k₁为钢弹簧的刚度，k₂为钢板弹簧的刚度，d为固定磁铁和活动磁铁之间的距离，常数C_m＝Cp₁p₂，C为介质的磁导率，p₁和p₂为磁极强度。

一种具有隔振—俘能一体化装置的浮置板的轨道，包括隔振—俘能一体化装置、浮置板道床、轨道扣件和轨道，所述隔振—俘能一体化装置安装于浮置板道床的下方，所述轨道通过轨道扣件固定安装于浮置板道床上；

通过隔振—俘能一体化装置对轨道进行隔振，并将振动能量转化为电能，进而用于健康检测***的供电。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明装置通过正刚度模块和负刚度模块的结合，实现准零刚度隔振；并分别在正刚度模块和负刚度模块设置有机电转换单元，将振动能量转化为电能。

优选的，由钢弹簧与钢板弹簧产生正刚度；由固定磁铁，活动磁铁，固定磁铁产生负刚度。并通过通过调节参数k₁，k₂，C_m，d，根据准零刚度条件公式来实现***的准零刚度，从而达到低频隔振的效果。

本装置通过电磁转换与压电转换相结合的方式进行振动能量俘获，将振动能量转化为电能，进而实现用于健康检测***的供电，结构简单，符合低碳可持续发展理念。能够广泛应用于轨道交通等领域。

附图说明

图1为本发明一种采用隔振—俘能一体化装置的浮置板轨道结构原理示意图；

图2为本发明一种隔振—俘能一体化装置的结构原理示意图；

图3为本发明在准零刚度条件下的恢复力F(y)曲线；

图4为本发明在准零刚度条件下的刚度P(y)曲线；

附图标记说明：1.隔振—俘能一体化装置，2.浮置板道床，3.轨道扣件，4.轨道；11主框架，12.钢弹簧，13.支撑杆；141.固定磁铁，142.限位件；15.线圈，16.活动磁铁，171.固定磁铁，172.限位件，18.钢板弹簧，19.压电薄膜，20.支撑平台。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

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”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。

参照图1所示，本实施例一种具有隔振—俘能一体化装置的浮置板的轨道，包括隔振—俘能一体化装置1、浮置板道床2、轨道扣件3、轨道4；所述隔振—俘能一体化装置1安装于浮置板道床2的下方，所述轨道4通过轨道扣件3固定安装于浮置板道床2上；

参照图2所示，所述隔振—俘能一体化装置1包括主框架11，钢弹簧12，支撑杆13，固定磁铁141，限位件142，线圈15，活动磁铁16，固定磁铁171，限位件172，钢板弹簧18，压电薄膜19，支撑平台20。其中限位件142与限位件172用于限制支撑杆13，使支撑杆13仅能产生纵向位移；活动磁铁16固定连接于支撑杆13，随着支撑杆13的运动而运动；活动磁铁16运动时会导致线圈15中的磁通量发生变化，将振动能量转化为电能；钢板弹簧18穿过主框架11，并固定连接于主框架11，并固定连接支撑杆13，使得支撑杆13受外部激励产生纵向位移时，会带动钢板弹簧18产生微小形变；压电薄膜19粘贴在钢板弹簧18的根部，压电薄膜19随着钢板弹簧18的弯曲而变形，将振动能量转化为电能；固定磁铁141和活动磁铁16之间的距离与固定磁铁171和活动磁铁16之间的距离相等。

所述一种具有隔振—俘能一体化功能的浮置板轨道，其特征在于：

当支撑平台20产生纵向位移为y时，其恢复力F(y)为：

其中，k₁为钢弹簧12的刚度，k₂为钢板弹簧18的刚度，d为固定磁铁141和活动磁铁16之间的距离以及固定磁铁171和活动磁铁16之间的距离，常数C_m＝Cp₁p₂，C为介质的磁导率，p₁和p₂为磁极强度。

则***动态刚度P(y)为：

因此，所述装置的准零刚度条件为：

本实施例中，一种具有隔振—俘能一体化装置的浮置板轨道的安装方法，包括以下步骤：

第一步，安装隔振—俘能一体化装置1：将钢弹簧12固定连接于主框架11中央底部；将支撑杆13与刚弹簧12固定连接；将固定磁铁141与主框架11侧壁固定连接，并将限位件142与固定磁铁141固定连接，使得支撑杆13仅能发生纵向位移；将活动磁铁16套设于支撑杆13上；将线圈15套设在活动磁铁16运动方向，并将线圈15固定连接在主框架11侧壁；将固定磁铁171与主框架11侧壁固定连接，并将限位件172与固定磁铁171固定连接，使得支撑杆13仅能发生纵向位移,调节活动磁铁16，使得固定磁铁141和活动磁铁16之间的距离与固定磁铁171和活动磁铁16之间的距离相等；将活动磁铁16与支撑杆13固定连接；钢板弹簧18穿过主框架11，并固定连接于主框架11；将压电薄膜19粘贴于钢板弹簧18的根部；将支撑平台20与支撑杆13固定安装。隔振—俘能一体化装置1安装完成。

第二步，将隔振—俘能一体化装置1与浮置板道床2连接。

第三步，将轨道4固定安装在浮置板道床2上，并用轨道扣件3将轨道4紧扣与浮置板道床2上。在轨道4上施加激励，所述一种具有隔振—俘能一体化功能的浮置板轨道开始工作。

本实施例适用于轨道交通领域的低频振动隔离与能量俘获，可在轨道交通等领域应用所述一种具有隔振—俘能一体化功能的浮置板轨道。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种隔振—俘能一体化装置，其特征在于：包括主框架、正刚度模块、负刚度模块和支撑平台；所述支撑平台通过正刚度模块、负刚度模块安装于主框架上；

通过所述正刚度模块提供正刚度，通过所述负刚度模块提供负刚度，两者结合实现准零刚度隔振；所述正刚度模块、负刚度模块均包括机电转换单元，能够将振动能量俘获。

2.根据权利要求1所述隔振—俘能一体化装置，其特征在于：所述正刚度模块包括钢弹簧、支撑杆和钢板弹簧，所述支撑杆的顶端固定于支撑平台的底面，底端通过钢弹簧与主框架连接，使得支撑平台能够沿支撑杆、钢弹簧的轴向做往复运动；

所述钢板弹簧连接于支撑杆和主框架之间，随着支撑杆的位移发生弯曲形变。

3.根据权利要求2所述隔振—俘能一体化装置，其特征在于：所述支撑杆的上部和下部***分别设置有限位件，通过两个限位件实现对支撑杆往复运动的导向作用，使得支撑杆仅沿竖直方向运动。

4.根据权利要求2所述隔振—俘能一体化装置，其特征在于：所述钢板弹簧上设置有压电薄膜，作为正刚度模块的机电转换单元；通过钢板弹簧的振动，所述压电薄膜随着钢板弹簧的弯曲而变形，进而将振动能量转化为电能。

5.根据权利要求4所述隔振—俘能一体化装置，其特征在于：所述压电薄膜粘贴在钢板弹簧的根部。

6.根据权利要求1所述隔振—俘能一体化装置，其特征在于：所述负刚度模块包括固定磁铁和活动磁铁，所述活动磁铁固定于支撑杆上，两个固定磁铁分别固定于活动磁铁的上方和下方；且固定磁铁与活动磁铁的向对面磁极相反；

通过支撑杆带动活动磁铁沿竖直方向运动，通过上方固定磁铁和下方固定磁铁对活动磁铁的相互作用力，产生负刚度。

7.根据权利要求6所述隔振—俘能一体化装置，其特征在于：所述活动磁铁与上方固定磁铁、下方固定磁铁之间的距离在初始位置时相等。

8.根据权利要求6所述隔振—俘能一体化装置，其特征在于：所述活动磁铁的***设置有线圈，作为负刚度模块的机电转换单元；通过活动磁铁沿竖直方向的运动，导致线圈中的磁通量发生变化，将振动能量转化为电能。

9.根据权利要求2和6所述隔振—俘能一体化装置，其特征在于：所述隔振—俘能一体化装置的准零刚度条件为：

式中，k₁为钢弹簧的刚度，k₂为钢板弹簧的刚度，d为固定磁铁和活动磁铁之间的距离，常数C_m＝Cp₁p₂，C为介质的磁导率，p₁和p₂为磁极强度。

10.一种具有权利要求1-8任一项所述隔振—俘能一体化装置的浮置板的轨道，其特征在于：包括隔振—俘能一体化装置、浮置板道床、轨道扣件和轨道，所述隔振—俘能一体化装置安装于浮置板道床的下方，所述轨道通过轨道扣件固定安装于浮置板道床上；

通过隔振—俘能一体化装置对轨道进行隔振，并将振动能量转化为电能，进而用于健康检测***的供电。

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