基于列车运动的轨道与地面振动能量回收机理研究

摘要

随着现代城市的发展,城市轨道车辆在人们的日常生活中的作用越来越重要。城市轨道车辆在方便人们出行的同时,缺点也逐渐体现出来,特别是轨道列车在运行过程中产生的振动越来越被很多人关注。城市轨道车辆的运行速度、车辆载重量、轨道不平顺等参数,决定了轨道不同程度的振动,因此振动能量也发生了变化。这些振动能量大部分被轨道本身吸收并且无价值的消耗掉。
　　在以往关于轨道振动的研究当中,基本上都是关注于分析轨道振动产生的原因以及怎样缓解这种振动的产生和如何避免。本文则提出一种基于城市轨道车辆运动的轨道垂向振动能量回收方法,通过建立车辆荷载简化模型,以轨道简谐不平顺作为车辆振动的激扰输入,在Simulink中仿真车辆荷载;采用压电陶瓷作为机电能量转换的关键元件,并以经典的压电理论为基础,结合机械振动学的相关知识,构建压电发电装置的机电耦合模型模型,从而得到轨道振动作为激振源的压电能量输出模型,并以此模型为基础,初步估算能量输出的数值。本论文主要完成以下4项工作:
　　1、针对城市轨道列车的特点,建立三自由度车体垂向系统模型,以轨面不平顺作为激励输入,得到城市轨道列车垂向荷载模型;对该模型进行快速傅里叶变换,完成对其的频率分析,构造列车荷载的模拟表达式。
　　2、在得到车体荷载模型的基础上,采用连续支承模型作为轨道垂向系统的计算模型,通过文克尔假定,计算获得某一根轨参考枕在列车运行过程中的受力变化情况,此即为轨道垂向系统的激振源输入模型。
　　3、引入压电陶瓷作为轨道振动能量回收的换能器件,初步确定压电陶瓷的铺设位置,建立轨道垂向系统与压电陶瓷的机电耦合模型,计算得到在轨道垂向系统激振源作用下,压电陶瓷的变形规律。
　　4、结合城市轨道列车的振动特点,确定压电陶瓷在该特点下的振动模式,从而选择合理的压电方程,计算得到该机电耦合模型的能量输出模型,分析能量输出模型,得到能量输出的负载特性曲线以及压电陶瓷发电能力特性曲线,初步估算在该能量输出模型下的能量输出。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 振动能量回收国内外研究现状

1.3 国内外研究现状分析概括

1.4 本文研究的主要内容

第二章 轨道结构垂向受力模型的建立

2.1 轨道列车垂向系统振动原因和激励模型

2.2 轨道列车垂向系统激振荷载的模拟

2.3 轨道结构垂向受力模型

2.4 本章小结

第三章 压电能量回收理论分析

3.1 压电材料概述

3.2 压电方程

3.3 压电振子结构分析

3.4 压电陶瓷叠堆理论

3.5 本章小结

第四章 轨道列车垂向系统振动能量回收模型的建立

4.1 轨道结构模型

4.2 压电陶瓷的安放位置

4.3 PZT-4压电陶瓷的位移形变分析

4.4 压电能量转化理论模型

4.5 本章小结

第五章 轨道振动能量回收系统初步设计

5.1 基于轨道振动能量回收的压电陶瓷发电特性分析

5.2 能量回收电路

5.3 能量收集初步理论估算

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢