引言

隨著中國鐵路技術(shù)的快速發(fā)展,加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,鐵路建設(shè)迅猛發(fā)展。其中,在高寒地區(qū)進(jìn)行鐵路建設(shè)既是行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要,也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀要求。作為最重要的進(jìn)藏鐵路一川藏鐵路的建設(shè)現(xiàn)在變得尤為重要,但是受其沿途惡劣自然環(huán)境的影響,川藏鐵路的建設(shè)遇到了種種困難和阻礙,其中建設(shè)時(shí)的能源問題就是主要的困難之一。由于高寒地區(qū)受大雪等氣候影響,架設(shè)電網(wǎng)十分困難,也無法采用太能陽、風(fēng)能等。針對這個(gè)問題,我們設(shè)計(jì)了一套高寒地區(qū)鐵路能量采集儲存及利用系統(tǒng),通過鐵路自供電系統(tǒng)為其配套的監(jiān)控設(shè)備、軌旁設(shè)備等進(jìn)行供電,希望為解決高寒地區(qū)鐵路建設(shè)中的供電問題提供一種思路。

1高寒地區(qū)鐵路能量采集儲存及利用系統(tǒng)的工作原理

如圖1所示,鐵路自供電系統(tǒng)主要有四個(gè)模塊：（1）震動輸入模塊；（2）傳動機(jī)構(gòu)模塊；（3）發(fā)電模塊；（4）蓄電模塊。工作時(shí)將震動輸入模塊安裝在鐵軌下方以接收鐵軌的震動。

工作的主要過程包括:

（1）震動輸入模塊收集火車經(jīng)過時(shí)鐵軌的震動并轉(zhuǎn)化為齒輪的轉(zhuǎn)動。

（2）傳動機(jī)構(gòu)將震動收集裝置中齒輪的轉(zhuǎn)動傳遞到發(fā)電機(jī)。

(3)發(fā)電機(jī)發(fā)電,并將產(chǎn)生的電能存儲至蓄電機(jī)構(gòu)。

2高寒地區(qū)鐵路能量采集儲存及利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

由于該裝置工作環(huán)境特殊,安裝位置特殊,因此對其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和質(zhì)量有著嚴(yán)格的要求。受其工作環(huán)境惡劣的影響,同時(shí)也受到火車經(jīng)過時(shí)對鐵軌沖擊的影響,如何保證系統(tǒng)在如此條件下平穩(wěn)正常工作是一大難點(diǎn)。由于震動輸入模塊安裝在鐵軌下方,對鐵軌的穩(wěn)定性以及火車經(jīng)過時(shí)的安全性都有一定影響,因此如何減輕這些負(fù)面影響也是必須考慮的。

3高寒地區(qū)鐵路能量采集儲存及利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1震動輸入模塊

震動輸入模塊是該裝置的核心,如圖2所示,其主要由上筒、中筒、下筒、彈簧、絲杠、絲杠螺母、連接桿以及傘齒輪組成。

圖2震動輸入模塊結(jié)構(gòu)示意圖

安裝時(shí)將彈簧壓縮后,將整個(gè)裝置放于鐵軌下方,通過彈簧向上的彈力,使上筒上表面與鐵軌保持接觸。當(dāng)火車經(jīng)過時(shí),鐵軌的震動將傳遞給上筒,使得上筒隨著鐵軌一起上下震動,連接桿固定于上筒和絲杠螺母之間,從而使絲杠螺母上下運(yùn)動,最終帶動絲杠旋轉(zhuǎn)。絲杠的旋轉(zhuǎn)由傘齒輪傳出,傳遞到傳動機(jī)構(gòu)中。

3.2傳動機(jī)構(gòu)模塊

傳動機(jī)構(gòu)模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示,其主要起到傳遞轉(zhuǎn)動的作用,它可以將震動輸入模塊的轉(zhuǎn)動傳遞到發(fā)電機(jī),帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。這里使用雙齒輪組是為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖3傳動機(jī)構(gòu)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3.3發(fā)電及儲存模塊

(1)該裝置采用的發(fā)電機(jī)主要適用于對小型蓄電池進(jìn)行充電,采用的型號是57BL55s06-230TF9。采用該發(fā)電機(jī)時(shí)需要將交流電轉(zhuǎn)化為直流電,因此需要對其進(jìn)行整流和濾波,其電路原理圖如圖4所示。

(2)當(dāng)發(fā)電機(jī)噪聲增大時(shí),可在發(fā)電機(jī)齒輪上加入適量潤滑油。

鐵軌震動的幅度和頻率決定了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,這些參數(shù)與火車的運(yùn)行速度和道路斜度等有關(guān)。由于各種勵(lì)磁條件的不規(guī)則性和改變方向時(shí)傳動機(jī)構(gòu)的間隙,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷變化,因此發(fā)電機(jī)輸出的電流不穩(wěn)定且不規(guī)則。為了使電流穩(wěn)定并適合于存儲和充電,有必要利用超級電容器將整流后的電流進(jìn)行存儲。電容器的選擇可以為EV電池充電的超級電容器,因?yàn)樗哂泄β拭芏雀?、充電時(shí)間短和循環(huán)壽命長的特點(diǎn)。

4產(chǎn)品特點(diǎn)

(1)該設(shè)備主要采用純機(jī)械結(jié)構(gòu),構(gòu)造巧妙方便,可以同時(shí)收集上下兩個(gè)方向震動產(chǎn)生的能量。

(2)該設(shè)備完全借助鐵軌自身產(chǎn)生的振動進(jìn)行發(fā)電,適用范圍廣。

(3)裝置結(jié)構(gòu)簡單,效率高,成本低,便于安裝,適于大批量生產(chǎn)使用與推廣。

5結(jié)語

這套高寒地區(qū)鐵路能量采集儲存及利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì),通過鐵路自供電系統(tǒng)收集鐵軌的震動并產(chǎn)生電能來供給鐵路上的小型電器工作。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,原理巧妙,成本低,效率高,而且節(jié)能環(huán)保,在鐵路里程居于世界首位的中國有著十分廣闊的應(yīng)用前景,同時(shí)還可以應(yīng)用到世界上其他高寒地區(qū)的鐵路建設(shè)中。