基于磁致伸缩材料的轨道振动能量收集装置研究

摘要

随着高速铁路网的快速普及，列车运行安全监测技术也经历着时代的革新。轨道无线传感网络技术作为最新的列车安全监测技术，也被赋予了新的时代使命。但是，由于无线传感器的传统供电以蓄电池为主，存在电池体积大、环境污染性和持续供电时间短等问题。所以解决无线传感器的供能成为现今无线传感网络最为紧急的技术问题。现有的轨道振动能量收集技术有电磁式、压电式、机械式。随着各国专家对超磁致伸缩材料（GMM）的研究深入，基于超磁致伸缩材料的能量收集技术也随之被应用于各种收集装置。本文旨在解决无线传感器的供能问题，设计基于超磁致伸缩棒轨道振动能量收集装置，并对其展开建模分析，主要研究的内容有以下几点：
　　（1）介绍轨道能量收集的研究意义和现状，综述现今的几种轨道能量收集技术的基本原理。同时，比较几种不同的能量收集技术各自的优势与不足。简要介绍超磁致伸缩材料的特性，突出其应用于能量收集的优势。
　　（2）介绍中国高速无砟轨道谱，进行频域与时域转化，获得沪杭线高速列车无砟轨道高低不平顺的时域样本。建立车辆-板式轨道垂向耦合系统数学模型，将沪杭线高速列车无砟轨道高低不平顺时域样本作为耦合系统的激扰源，利用新型预测-校正积分法进行数值求解，可以得到钢轨的垂向位移峰值为0.5mm，轨道板垂向位移峰值为0.035mm，钢轨支反力峰值为28KN。
　　（3）简要介绍超磁致伸缩材料的发展历史、工作原理和材料特性，突出其作为能量收集装置核心器件的重要性。简要阐述磁致伸缩材料的几种磁滞模型，并对比分析各自的优缺点。对Jiles-Atherton磁滞模型进行改进，结合Villari效应，建立超磁致伸缩材料轨道振动能量收集的数学模型。
　　（4）在无砟板式轨道的安装标准下，确立超磁致伸缩轨道振动能量收集装置的主体结构。同时，对能量收集装置的关键部件设计和优化。其次，对超磁致伸缩材料轨道振动能量收集装置数值仿真分析，输出电压峰值可达400V，输出功率峰值可达4W。最后对能量回收理论初步预估，单个能量收集装置在沪杭线一天所能收集的能量为211.344J，单个无线传感器消耗的能量为133.1J，数据结果表明，超磁致伸缩轨道振动能量收集装置可以解决无线传感器的供能问题。
　　（5）制作超磁致伸缩轨道振动能量收集装置样机，并进行实验平台搭建。运用计算机LabVIEW软件输出钢轨支反力，经功率放大器放大电压后输出给模态激振器，作为能量收集装置的激振力。模态激振器输出力，能量收集装置受力产生电能。实验证明，超磁致伸缩轨道振动能量收集装置的能量输出规律与仿真数据相符。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2轨道振动能量收集的研究现状

1.3振动能量收集方式总结

1.4论文主体思想和具体章节安排

第二章 车辆-轨道垂向耦合系统模型

2.1 轨道随机不平顺激扰模型

2.2车辆-轨道垂向耦合动力学

2.3车辆-轨道垂向耦合系统求解方式

2.4车辆-轨道垂向耦合系统数值求解

2.5本章小结

第三章 超磁致伸缩式振动能量收集数学模型

3.1超磁致伸缩材料的基本原理

3.2磁致伸缩材料的磁滞模型

3.3超磁致伸缩材料轨道振动能量收集的数学模型

3.4 本章小结

第四章 超磁致伸缩轨道振动能量收集装置设计

4.1 超磁致伸缩轨道振动能量收集装置的主体结构设计

4.2 超磁致伸缩轨道振动能量收集装置的优化设计

4.3 超磁致伸缩轨道振动能量收集装置数值仿真分析

4.4 能量回收系统设计与预估

4.5 本章小结

第五章 超磁致伸缩轨道振动能量收集实验研究

5.1 轨道振动能量收集装置样机

5.2 实验平台搭建

5.3 实验测试与分析

5.4 总结

第六章 总结与展望

6.1论文工作总结

6.2论文创新点

6.3论文工作展望

致谢

参考文献

附 录 一

附 录 二