李守太， 高鳴源， 楊明金， 王平， 張麗， 陳子文， 李云伍， 蒲應(yīng)俊

1. 西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院/丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715； 2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院/高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 3. 西南大學(xué) 出版社,重慶 400715

軌道交通作為重要的客運(yùn)、物流載體,近些年在全世界范圍內(nèi)得到了大力發(fā)展.以中國(guó)為例,截至2020年底,營(yíng)業(yè)里程超過14萬km,當(dāng)年鐵路投產(chǎn)新線超過1 300 km和投資額達(dá)8 000億元[1].軌道交通道岔系統(tǒng)是保障軌道列車按照既定路線安全行駛的“方向盤”,通過道岔系統(tǒng)的核心組成部分道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引拉桿進(jìn)行橫向推動(dòng)道岔運(yùn)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軌道列車轉(zhuǎn)向[2-3].道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)工作質(zhì)量的好壞,直接影響軌道交通的行車效率,更關(guān)系到軌道交通運(yùn)行安全,對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非常必要[4-5].隨著軌道交通里程的增加和服役狀態(tài)的劣化,道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)故障率逐漸增高.根據(jù)國(guó)家鐵路局和地鐵運(yùn)營(yíng)企業(yè)近年報(bào)告,道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)故障分別占鐵路運(yùn)輸和地鐵設(shè)備總故障件數(shù)的18%和50%～60%[6-7],因此對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引拉桿插銷進(jìn)行拉力監(jiān)測(cè)(包括拉力狀態(tài)是否平穩(wěn)、拉力是否超限而導(dǎo)致插銷變形和斷裂)具有重要作用.現(xiàn)有道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力監(jiān)測(cè)能量供給依靠外置電源,采用定期巡檢發(fā)現(xiàn)問題再維修的方案[8-9],可能出現(xiàn)拉力異常導(dǎo)致轉(zhuǎn)轍機(jī)故障而沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除而危及行車安全.本研究基于振動(dòng)能量采集技術(shù)的軌道道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)自供能傳感器的設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能量自供給,可以有效預(yù)防脫軌等安全事故,其安裝位置如圖1所示．

圖1 道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)及自供能傳感器安裝位置

道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)故障診斷研究方面,孫孟雷[10]提出了基于道岔信號(hào)形狀特征的功率信號(hào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法,構(gòu)建了不同時(shí)間尺度下特征圖的卷積神經(jīng)故障診斷模型,故障診斷正確率達(dá)99.5%； 陳海歡[11]在道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流原始數(shù)據(jù)類型及深度學(xué)習(xí)模型適用范圍的基礎(chǔ)上,建立了道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)故障診斷模型,通過對(duì)模型結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化,使道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)故障分類具有更高準(zhǔn)確率； 張釘[12]以微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作功率曲線為數(shù)據(jù)源,提出小波變換和改進(jìn)BP(Back Propagation,反向傳播)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)故障診斷模型,也取得了較好效果.上述研究基于對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理和建模來判斷道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)性能狀況,而對(duì)于道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)拉桿實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器和能量自供給等方面研究較少．

道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電源通常為380 V交流電源,需要增加額外的電流轉(zhuǎn)換等設(shè)備才能被監(jiān)測(cè)設(shè)備使用,導(dǎo)致額外的投入和維護(hù)成本增加.振動(dòng)能量收集技術(shù)是將列車通過軌道時(shí)的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能,變廢為寶的同時(shí)提高能源利用效率[13-14],振動(dòng)能量俘獲裝置可以允許長(zhǎng)時(shí)間地支持傳感器運(yùn)行,而無需更換電池或在傳統(tǒng)電池?zé)o法正常運(yùn)行的惡劣環(huán)境中供能給傳感器[15-16].常用的振動(dòng)能量俘獲類型主要有電磁式[17-19]、壓電式[20-21]、靜電式[22-23],許多研究學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的研究.Gao等[24]設(shè)計(jì)了一款由磁懸浮能量采集器供電的軌道式能量傳感器,驗(yàn)證了列車在某時(shí)速行駛下傳感器峰值電壓輸出性能,且傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)與控制端的無線通信.Jung等[25]設(shè)計(jì)了壓電和電磁發(fā)電機(jī)組成的橢圓形混合式能量采集器,該混合式能量采集器在60 Hz和50 m/s振動(dòng)下實(shí)現(xiàn)25.45 mW的平均功率輸出.Zhao等[26]提出了一種新型的接觸分離模式的懸臂式摩擦電能量采集器(Triboelectric Energy Harvester,TEH),并對(duì)其性能進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,在5 m/s2的加速度和8 Hz的激勵(lì)頻率下可獲得25 V的峰值輸出電壓.孔令強(qiáng)等[27]設(shè)計(jì)了一種安裝在列車轉(zhuǎn)向架上的雙自由度振動(dòng)俘能器,并通過理論分析和試驗(yàn)檢驗(yàn)了不同自由度下俘能器的性能； 高鳴源等[28]提出軌道振動(dòng)―電磁耦合動(dòng)力學(xué)模型,計(jì)算車輛行經(jīng)軌道結(jié)構(gòu)時(shí)磁浮俘能器的動(dòng)力響應(yīng).道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)多處于戶外或偏遠(yuǎn)地區(qū),采用人工對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的電源進(jìn)行更換會(huì)導(dǎo)致較高的維護(hù)成本,研究俘獲軌道振動(dòng)能量為道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)軸銷傳感器供電具有很大的現(xiàn)實(shí)意義[29-30]．

軌道交通能量俘獲裝置一般需要額外安裝在軌道交通運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中,可能會(huì)影響列車的正常運(yùn)營(yíng),進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難度極大.目前軌道交通能量俘獲裝置性能驗(yàn)證普遍采用的方法仍為仿真模擬、理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)[31-32],而對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn),主要存在以下問題：(1) 多數(shù)學(xué)者在室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)輸入的振動(dòng)信號(hào)主要是正弦掃頻和自編隨機(jī)信號(hào),未能將采集到的軌道實(shí)測(cè)路譜信號(hào)通過室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)復(fù)現(xiàn)； (2) 軌道實(shí)際路譜特點(diǎn)為小位移幅值和大加速度,加速度控制策略容易超限且不能直觀地反映速度與黏性阻尼式電磁發(fā)電量的關(guān)系.磁體與閉合線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),兩者之間會(huì)由于電磁阻力而阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng),這一現(xiàn)象可用楞次定律解釋,同時(shí),磁體在運(yùn)動(dòng)的過程中還將受到機(jī)械阻尼的作用.可動(dòng)磁體在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中受到的阻尼力可簡(jiǎn)化表述為F=-(cm+ce)v,cm為系統(tǒng)機(jī)械阻尼系數(shù),ce為系統(tǒng)的電磁阻尼系數(shù),v為磁體與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度[33],因此,可以認(rèn)為這是一個(gè)線性黏性阻尼系統(tǒng)．

本研究設(shè)計(jì)了一種基于振動(dòng)能量俘獲技術(shù)的軌道道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)自供能傳感器系統(tǒng),主要由軸銷傳感器、振動(dòng)俘能裝置和數(shù)據(jù)處理模塊組成.本研究的主要貢獻(xiàn)為：(1) 軸銷傳感器本身既是結(jié)構(gòu)緊固件又是傳感器； (2) 振動(dòng)俘能系統(tǒng)利用列車通過時(shí)的振動(dòng)能量,同時(shí)結(jié)合可充電電池,可以實(shí)現(xiàn)軸銷傳感器全天候能量的持續(xù)自供給； (3) 實(shí)現(xiàn)了輪軌交互作用(輪軌非線性隨機(jī)振動(dòng))下的軌道振動(dòng)數(shù)據(jù)的室內(nèi)測(cè)試．

道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)自供能傳感器工作原理如圖2所示．

圖2 道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)自供能傳感器工作原理

1 自供能傳感器機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 軸銷傳感器

圖3 軸銷傳感器結(jié)構(gòu)

軸銷傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,是一個(gè)沒有承載座、力加載頭和防護(hù)殼的空心截面彈性元件,在工作過程中只承受剪力作用.軸銷傳感器的表面有對(duì)稱布置的凹槽,空心截面凹槽的中心位置粘貼有雙剪型電阻應(yīng)變片,布置在兩個(gè)凹槽處的雙剪型電阻應(yīng)變片共同組成一個(gè)惠斯通電橋.具體工作原理為：外力作用改變雙剪型電阻應(yīng)變片幾何尺寸的同時(shí)改變其電阻,電阻的改變則導(dǎo)致輸出電流的改變,進(jìn)而通過惠斯通電橋產(chǎn)生電壓信號(hào),電壓信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后被測(cè)量,在量程范圍內(nèi),軸銷傳感器輸出電壓的大小與其承受拉力或壓力大小成正比[34],軸銷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示．

空心截面中性層處的最大彎曲應(yīng)力σmax為

(1)

其中：d為中性層空心截面的寬度,m；D為凹槽最小直徑,m．

最大彎曲應(yīng)變?chǔ)舖ax為

(2)

其中：F為軸銷傳感器承載力,N；E為彈性模量,Pa；b為凹槽的寬度,m．

輸出靈敏度S為

S=Kε

(3)

其中：K為雙剪型電阻應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)；ε為彎曲應(yīng)變．

1-上靜止磁鐵； 2-滑塊； 3-銅珠； 4-懸浮磁鐵； 5-支撐座； 6-下靜止磁鐵； 7-有機(jī)玻璃管； 8-線圈； 9-上端蓋； 10-保護(hù)殼； 11-下端蓋．圖4 振動(dòng)能量俘獲裝置結(jié)構(gòu)圖

通過分析公式(1)和公式(2)[35]可以得出軸銷傳感器凹槽的寬度b對(duì)整個(gè)裝置的性能有重要影響,需要保證空心截面中性層處的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)榱慵畲笾堤?一般b值取雙剪型電阻應(yīng)變片基長(zhǎng)的2倍.所設(shè)計(jì)軸銷傳感器軸銷凹槽最小外徑D=22 mm,長(zhǎng)度L1=38 mm,L2=90 mm,L3=32 mm,L4=20 mm,中性層空心截面的寬度d=10 mm,額定載荷F=10 000 N,材料為40CrNiMoA,彈性模量E=2.1 ×104kg/mm2,輸入3～6 V,輸出靈敏度為1.5～2 mV/V．

1.2 振動(dòng)能量俘獲裝置

本研究振動(dòng)能量俘獲裝置類型為電磁式,如圖4所示.振動(dòng)能量俘獲裝置包括防護(hù)殼和磁浮俘能系統(tǒng),磁浮俘能系統(tǒng)由有機(jī)玻璃管、上靜止磁鐵、下靜止磁鐵、懸浮磁鐵、線圈、銅珠和滑塊組成,其中：上靜止磁鐵和下靜止磁鐵在上端蓋和下端蓋的擠壓作用下分別固定在有機(jī)玻璃管上端和下端,懸浮磁鐵固粘于滑塊并在有機(jī)玻璃管中滑動(dòng),上靜止磁鐵和下靜止磁鐵之間布置懸浮磁鐵并調(diào)整磁極的方向以排斥懸浮磁鐵,從而形成非線性磁力,通過銅珠使滑塊與有機(jī)玻璃管之間實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)接觸來降低二者之間的摩擦阻力.防護(hù)殼由上端蓋、下端蓋和保護(hù)殼組成,三者通過螺栓連接形成一個(gè)封閉的空間,保護(hù)布置在其內(nèi)部的磁浮俘能系統(tǒng)不受外界環(huán)境(如沙塵和雨水等)的影響．

振動(dòng)能量俘獲裝置的能量俘獲本質(zhì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律,懸浮磁鐵在上靜止磁鐵和下靜止磁鐵作用下處于平衡狀態(tài),外界振動(dòng)打破平衡并使懸浮磁鐵在非線性回復(fù)力的作用下沿著圓柱形有機(jī)玻璃管上下滑動(dòng),進(jìn)而切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電壓,原理如圖5(a)所示．

圖5 振動(dòng)能量俘獲裝置原理與磁鐵布置圖

基于Mann等[36]的研究成果,懸浮磁鐵回復(fù)力為冪級(jí)函數(shù),上靜止磁鐵回復(fù)力FU和下靜止磁鐵回復(fù)力FL為

(4)

(5)

其中：d0是圖5(a)中靜止磁體與懸浮磁體在靜態(tài)平衡狀態(tài)下的相對(duì)間距,m；x是懸浮磁鐵相對(duì)于平衡位置移動(dòng)的距離,m．

總回復(fù)力Fx表示為

Fx=FU-FL

(6)

代入公式(4)和(5)并展開,則有：

(7)

在振動(dòng)能量俘獲裝置整體尺寸、懸浮磁鐵和靜止磁鐵強(qiáng)度已知的前提下,同樣激勵(lì)條件下其能量俘獲性能主要取決于靜止磁鐵和懸浮磁鐵數(shù)量,但是難以通過改變懸浮磁鐵數(shù)量改善能量俘獲性能(多個(gè)懸浮磁鐵串聯(lián)增加磁場(chǎng)密度的同時(shí)增加了自身高度,導(dǎo)致懸浮磁鐵最大運(yùn)動(dòng)幅值降低),因此,本研究主要探究振動(dòng)能量俘獲裝置靜止磁鐵布置形式和數(shù)量對(duì)其能量俘獲性能的影響,設(shè)計(jì)兩種靜止磁鐵布置形式,分別命名為A形式和B形式,如圖5(b)所示.基于有限元方法獲得兩種靜止磁鐵布置形式下懸浮磁鐵的回復(fù)力,如圖6所示．

圖6 懸浮磁鐵在靜止磁鐵不同布置形式下的回復(fù)力

基于曲線擬合得到靜止磁鐵兩種布置形式下懸浮磁鐵回復(fù)力方程,A形式下的懸浮磁鐵回復(fù)力方程為

Fx=-301 008x3+8 837.67x2-90.662x+0.66

(8)

B形式下的懸浮磁鐵回復(fù)力方程為

Fx=-606 848x3-182.42x

(9)

由于懸浮磁鐵自身質(zhì)量(0.239 N)的影響,兩種靜止磁鐵布置形式下的懸浮磁鐵平衡點(diǎn)均在x軸負(fù)坐標(biāo).由圖6(a)可以看出,下靜止磁鐵單獨(dú)布置時(shí),懸浮磁鐵受到的回復(fù)力為單方向的,且回復(fù)力大小與懸浮磁鐵和下靜止磁鐵之間距離成反比.由圖6(b)可以看出,上、下靜止磁鐵均布置時(shí),懸浮磁鐵同時(shí)受來自上、下靜止磁鐵不同方向的回復(fù)力,且相對(duì)于位移0點(diǎn)呈近似對(duì)稱關(guān)系.對(duì)比圖6(a)和6(b)可以得到,懸浮磁鐵同樣的位移幅值,其受到的回復(fù)力變化值在A形式下小于B形式,如懸浮磁鐵位移由0變化至0.01 m時(shí),A形式下回復(fù)力變化約0.2N,而B形式下的回復(fù)力變化約為2.5N,證明了A形式下懸浮磁鐵的剛度小于B形式,即在同樣的激勵(lì)下,A形式下懸浮磁鐵切割磁感線的幅度和運(yùn)動(dòng)區(qū)間大于B形式,且前者的響應(yīng)頻率小于后者．

圖7 道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)防護(hù)罩的限位

為了防止零件之間相互吸引作用降低磁浮系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換能力,有機(jī)玻璃管采用不導(dǎo)磁樹脂材料,除靜止磁鐵和懸浮磁鐵外,其他部件均為不導(dǎo)磁的6061鋁.實(shí)際安裝過程中,道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)外殼為保護(hù)罩,保護(hù)罩的存在限制了振動(dòng)能量俘獲裝置的結(jié)構(gòu)尺寸與內(nèi)部滑動(dòng)磁鐵數(shù)量,如圖7所示.為了提高防護(hù)罩的抗壓強(qiáng)度,增強(qiáng)防護(hù)罩與轉(zhuǎn)轍機(jī)的貼合緊密度,降低防護(hù)罩成本,現(xiàn)有道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)防護(hù)罩內(nèi)部可用空間較低,限制了本研究振動(dòng)獲能裝置的尺寸設(shè)計(jì).在滿足軸銷傳感器工作所需能量前提下,振動(dòng)能量俘獲裝置應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單和小巧(高度普遍不能超過80 mm),本設(shè)計(jì)振動(dòng)能量俘獲裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1．

表1 振動(dòng)能量俘獲裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 自供能傳感器電路設(shè)計(jì)

圖8為自供能傳感器電路設(shè)計(jì)原理圖.電路系統(tǒng)支持直流電源和交流電源,采用D1-D44個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管為交流電源的整流器.U1為開關(guān)控制和電源管理芯片,具有冷啟動(dòng)、異步升壓和同步升壓的分級(jí)式能量管理模式.功率電感器L1連接到升壓調(diào)節(jié)器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW),模擬地(AGND)的裸露焊盤連接到電源地(PGND),4.7 μF電容器(C6)連接在輸入電源(Vin)和電源地之間,另一個(gè)4.7 μF電容器(C2)連接在輸出電源(SYS)和電源地之間,將超級(jí)電容器作為SYS輸出電源的存儲(chǔ)設(shè)備放置到BAT端,可以采用一個(gè)可選的備用輸入電源,將其連接到引腳12,電容器C4連接在電容器旁路端口(CBP)和模擬地之間,采樣并保持最大功率點(diǎn)電平.一個(gè)20 kΩ電阻器R7放置在引腳4上,以設(shè)置最小工作輸入電壓電平,CBP電壓超過最小工作輸入電壓后,升壓調(diào)節(jié)器開始切換.引腳5指示最大功率點(diǎn)跟蹤電壓,該引腳設(shè)置不同能量源的最大功率點(diǎn)跟蹤電平．

上述電路系統(tǒng)具有3條電源路徑.當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓大于電壓?jiǎn)?dòng)閾值(0.38 V)且小于冷啟動(dòng)終止閾值時(shí),系統(tǒng)為冷啟動(dòng)模式.當(dāng)輸出電壓大于冷啟動(dòng)終止閾值且超級(jí)電容器電壓小于關(guān)斷放電電壓(設(shè)置為2.4 V)時(shí),升壓調(diào)節(jié)器操作將SYS和BAT開關(guān)關(guān)閉,系統(tǒng)工作在異步升壓模式.當(dāng)輸出電壓和超級(jí)電容器電壓大于關(guān)斷放電電壓,但小于存儲(chǔ)過充電閾值(設(shè)置為3.6 V)時(shí),升壓調(diào)節(jié)器操作會(huì)打開SYS和BAT開關(guān),以使能同步升壓模式.具有外部電感器的開關(guān)模式同步升壓調(diào)節(jié)器以脈沖頻率模式工作,將存儲(chǔ)在輸入電容器中的能量轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)負(fù)載和能量存儲(chǔ)單元(如超級(jí)電容器或可充電電池等).為了在較寬的輸入功率范圍內(nèi)保持穩(wěn)壓器的高效率,采用內(nèi)部顫振峰值電流限制策略以控制外部電感器的電流．

圖8 自供能傳感器電路原理圖

圖9 振動(dòng)俘能試驗(yàn)布置圖

3 自供能傳感器性能試驗(yàn)

為了綜合測(cè)試自供能傳感器系統(tǒng)性能,特別是在中低頻振動(dòng)激勵(lì)下的俘能性能,進(jìn)行振動(dòng)俘能裝置正弦掃頻和實(shí)際軌道振動(dòng)工況下能量輸出性能試驗(yàn).圖9所示為振動(dòng)俘能試驗(yàn)布置圖,主要包括振動(dòng)俘能裝置、電路模塊、振動(dòng)臺(tái)、控制端、數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存裝置,其中：振動(dòng)能量俘獲裝置固定于振動(dòng)臺(tái),電路模塊的輸入端與振動(dòng)俘能裝置連接,電路模塊的輸出端則與數(shù)據(jù)采集裝置連接,數(shù)據(jù)采集裝置采集的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置．

3.1 輪軌交互作用下的鋼軌振動(dòng)俘能測(cè)試流程

由于軌道交通的特殊性,難以頻繁開展上道驗(yàn)證試驗(yàn),因此多采用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M真實(shí)軌道工況.利用前期布置傳感器獲取列車通過時(shí)輪軌交互作用下的鋼軌振動(dòng)加速度數(shù)據(jù),然后將獲取的鋼軌振動(dòng)加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)后導(dǎo)入控制器,控制器基于速度控制策略通過控制功率放大器驅(qū)動(dòng)電磁激振器按照軌道譜的振動(dòng)速度時(shí)程曲線動(dòng)作,進(jìn)而同與之固定的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面協(xié)同上下振動(dòng),速度傳感器讀取振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的速度信息并反饋給控制器,實(shí)現(xiàn)軌道譜隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的精確控制.同時(shí),利用示波器采集振動(dòng)能量俘獲裝置輸出的電壓響應(yīng),最后對(duì)示波器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、濾波與分析,如圖10所示．

圖10 輪軌交互作用下的鋼軌振動(dòng)俘能測(cè)試流程圖

3.2 加速度與速度之間轉(zhuǎn)換驗(yàn)證

振動(dòng)能量俘獲裝置核心部件懸浮磁鐵滑動(dòng)速度正相關(guān)于發(fā)電電壓,這與振動(dòng)速度密切相關(guān).而且,對(duì)于常用振動(dòng)臺(tái)來講,由于受加速度傳感器、電磁力、設(shè)計(jì)尺寸和振動(dòng)俘能裝置重力的影響,其加速度超限概率遠(yuǎn)大于速度超限,因此,需要采用將加速度傳感器獲取的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行積分轉(zhuǎn)換為速度曲線后的速度控制策略.為了驗(yàn)證基于加速度推導(dǎo)獲取速度信號(hào)與原始速度信號(hào)的擬合度,給定一標(biāo)準(zhǔn)正弦速度曲線作為對(duì)照曲線,即圖11(a)中藍(lán)色曲線； 其加速度曲線為圖11(b)中黃色曲線,方程為

α=-ω2Asinωt

(10)

其中：α為加速度,m/s2；A為振幅,m；ω為角速度,rad/s；t為時(shí)間,s．

如圖11所示,對(duì)給定正弦曲線加速度積分可以獲得基于積分方法的速度曲線(紅色曲線),積分速度曲線和對(duì)照速度曲線均為趨勢(shì)一致的正弦曲線,但是二者之間有偏差； 對(duì)照速度曲線和積分速度曲線之間的偏差為對(duì)照速度曲線的初速度,即時(shí)間為0時(shí)的初始啟動(dòng)速度； 積分正弦速度曲線疊加初速度進(jìn)行修正后的曲線與對(duì)照速度曲線重合,圖11(a)表明了標(biāo)準(zhǔn)正弦加速度振動(dòng)曲線積分獲得速度曲線的合理性.但是實(shí)際的軌道振動(dòng)信號(hào)包含了噪聲,將高斯白噪聲曲線(亮青色曲線)施加于已知正弦加速度曲線(黃色曲線)得到加速度曲線(黑色曲線),由于噪聲的存在,必須將加速度曲線進(jìn)行濾波降噪后積分,濾波后積分的速度曲線(綠色曲線)與已知正弦速度曲線基本吻合,如圖11(b)所示,證明了利用積分法推導(dǎo)隨機(jī)振動(dòng)加速度信號(hào)的有效性．

3.3 正弦掃頻試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)自供能傳感器振動(dòng)能量俘獲裝置是否能夠在寬帶頻率下獲得足夠的電能,并探究上、下靜止磁鐵布置形式對(duì)能量俘獲特性的影響,再進(jìn)行7次不同工況下的正弦掃頻試驗(yàn),其中：頻率為5～50 Hz,振幅為1～7 mm,加速度為20 m/s2.通過對(duì)實(shí)際掃描頻率信號(hào)中各頻率的峰、谷電壓進(jìn)行分析,將采樣時(shí)間變換為采樣點(diǎn),利用微分方法可以求出所有的峰和谷.具體來說,所有的信號(hào)都可以通過對(duì)真實(shí)掃描頻率信號(hào)的微分得到.在某個(gè)采樣點(diǎn)上,如果正號(hào)變成負(fù)號(hào),拐點(diǎn)就是峰,反之就是谷,二者的差值為峰峰值.正弦掃頻試驗(yàn)的結(jié)果如圖12所示．

圖11 加速度與速度之間轉(zhuǎn)換與驗(yàn)證

圖12 振動(dòng)俘能裝置正弦掃頻結(jié)果

由圖12(a)可以看出,當(dāng)靜止磁鐵布置形式為A形式時(shí),振動(dòng)能量俘獲裝置只有一個(gè)極值,分別用數(shù)字1～7標(biāo)識(shí),極值對(duì)應(yīng)的頻率與電壓分別為：7 mm(17.23 Hz,3.142 V),6 mm(18.39 Hz,2.767 V),5 mm(19.17 Hz,2.722 V),4 mm(21.61 Hz,2.545 V),3 mm(23.38 Hz,2.152 V),2 mm(28.13 Hz,1.849 V),1 mm(39.23 Hz,1.243 V),即極值對(duì)應(yīng)的頻率隨著正弦掃頻激勵(lì)振幅的增大而減小,而極值對(duì)應(yīng)的電壓幅值卻隨著振幅的增大而增大； 當(dāng)靜止磁鐵布置形式為B形式時(shí),振動(dòng)能量俘獲裝置極值分布情況為：正弦激勵(lì)振幅為3～7 mm時(shí)存在兩個(gè)極值,第一個(gè)極值在圖12(b)中以1～5標(biāo)識(shí),對(duì)應(yīng)的頻率與電壓分別為：3 mm(27.76 Hz,0.836 V),4 mm(22.32 Hz,1.029 V),5 mm(21.02 Hz,1.121 V),6 mm(18.9 Hz,1.215 V),7 mm(17.02 Hz,1.354 V),第二個(gè)極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓均為1.6 V左右,而對(duì)應(yīng)的頻率范圍為32.76～42.24 Hz.正弦激勵(lì)振幅為1 mm和2 mm時(shí)只有一個(gè)明顯的極值．

由圖12可以看出,電壓曲線在約30 Hz之后逐漸重合.理想情況下,振動(dòng)臺(tái)輸出的激勵(lì)應(yīng)始終保持恒定的加速度,但是,掃頻的初始階段頻率較低,保持恒定的加速度需要較大的位移,而大多數(shù)振動(dòng)臺(tái)對(duì)其最大位移有嚴(yán)格的限制,因此,振動(dòng)臺(tái)在初始階段輸出固定位移激勵(lì),然后輸出固定加速度激勵(lì),兩種激勵(lì)模式切換的頻率定義為交越頻率,且交越頻率隨著最大位移的減小而增大.正弦掃頻測(cè)試中,所有激勵(lì)都具有相同的加速度,但最大位移不同,所有的激勵(lì)在通過交越頻率后會(huì)有相同的激勵(lì),即所有激勵(lì)在交越頻率后都是相同的,因此,輸出電壓在約30 Hz后的曲線幾乎都是重合的．

綜上所述,振動(dòng)能量俘獲裝置靜止磁鐵布置形式為A和B時(shí)均在較寬的頻帶內(nèi)具有優(yōu)異的俘能性能.但A形式下振動(dòng)能量俘獲裝置極值對(duì)應(yīng)的響應(yīng)頻率低于形式B,在較低的響應(yīng)頻率下獲得最佳性能,而形式B則在相對(duì)較高的頻率下獲得較優(yōu)的性能,這是由于A形式下振動(dòng)能量俘獲裝置的剛性小于形式B,這與圖6分析結(jié)果一致.同等激勵(lì)下,A形式下振動(dòng)能量俘獲裝置電壓高于B形式,這是由于A形式下懸浮磁鐵運(yùn)動(dòng)幅度和切割磁感線范圍大于形式B,這也與圖6分析結(jié)果一致,而B形式下,振動(dòng)能量俘獲裝置出現(xiàn)2個(gè)極值則反映了此形式下懸浮磁鐵運(yùn)動(dòng)的非線性特性．

3.4 實(shí)際軌道振動(dòng)譜激勵(lì)下的俘能測(cè)試

道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)作用于道岔實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向,道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不僅體現(xiàn)于其軌線布置和走行線路轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),更在于其多變的輪軌關(guān)系,導(dǎo)致道岔與車輪的相互作用程度及磨耗大于普通軌道[37].鋼軌包括普通線路和磨耗線路,道岔則是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),3種線路結(jié)構(gòu)的鋼軌振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)鼙碚鬈壍勒駝?dòng)的典型工況,因此有必要在無磨耗鋼軌、有磨耗鋼軌和道岔振動(dòng)譜激勵(lì)下進(jìn)行自供能傳感器振動(dòng)俘能系統(tǒng)性能檢驗(yàn)．

圖13 實(shí)測(cè)鋼軌振動(dòng)信號(hào)功率譜密度

3.4.1 鋼軌振動(dòng)譜激勵(lì)下的俘能測(cè)試

選取前期采集到的4種鋼軌加速度信號(hào),包括鋼軌有磨耗和無磨耗各2種.4種鋼軌振動(dòng)信號(hào)的功率譜密度如圖13所示,振動(dòng)信號(hào)主要集中在低于340 Hz的中低頻率,且列車通過有磨耗的鋼軌時(shí)加速度和速度極值均高于鋼軌無磨耗狀態(tài).將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)并導(dǎo)入控制器進(jìn)行基于速度控制的俘能測(cè)試．

圖14 有磨耗激勵(lì)下振動(dòng)俘能系統(tǒng)性能測(cè)試

圖15 無磨耗激勵(lì)下振動(dòng)俘能系統(tǒng)性能測(cè)試

鋼軌無磨耗激勵(lì)下,靜止磁鐵布置形式為A和B的振動(dòng)俘能裝置在加速度激勵(lì)1和2下的俘能電壓最大幅值分別約為5，2.5，2.5，1 V,如圖15所示.振動(dòng)俘能裝置靜止磁鐵布置形式為A時(shí)的俘能電壓大于B形式,且布置B形式時(shí)振動(dòng)俘能裝置俘獲電壓優(yōu)異的區(qū)間相對(duì)于A形式整體右移,更傾向于相對(duì)頻率較高的頻帶,這與圖6、圖12和圖14分析結(jié)果一致； 靜止磁鐵同等布置時(shí),圖15(a)所輸入激勵(lì)下振動(dòng)俘能裝置俘獲電壓的能力均大于圖15(b)所輸入激勵(lì)下的俘獲電壓,雖然兩種激勵(lì)下加速度極值均為250 m/s2,且難以快速直觀地分辨兩種隨機(jī)激勵(lì)下二者速度變化率大小,但是圖15(a)激勵(lì)下的位移幅值為1 mm,大于圖15(b)激勵(lì)下的位移幅值(0.25 mm)．

圖14和圖15反映了在小振動(dòng)位移(<1 mm)、寬振動(dòng)頻率(≤500 Hz)、軌道有磨耗或無磨耗激勵(lì)下振動(dòng)俘能裝置均能夠俘獲不低于1 V的電壓,能夠滿足自供能傳感器電路的啟動(dòng)和備用電池充電要求,可以作為道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)軸銷傳感器的供能電源.史玉杰等[38]建立了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的分析模型,給出了道岔轉(zhuǎn)換裝置的前三階主振頻率,分別為11.3，262.88，846.50 Hz,并給出了實(shí)測(cè)的車速為80 km/h時(shí),轉(zhuǎn)換裝置的最大振動(dòng)位移約為3.7 mm.李燁峰[39]根據(jù)大秦重載鐵路12號(hào)道岔動(dòng)力性能測(cè)試數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)列車直線過岔時(shí),道岔部件最大位移變形為1.26 mm,而當(dāng)列車側(cè)向過岔時(shí),道岔部件最大位移變形為2.96 mm.可見本研究提出振動(dòng)俘能裝置正常工作時(shí)所需要的最小位移能夠得到滿足,且工作頻帶可以覆蓋轉(zhuǎn)換裝置前兩階主振頻率．

圖16 道岔振動(dòng)譜激勵(lì)下振動(dòng)俘能系統(tǒng)性能測(cè)試

3.4.2 道岔振動(dòng)譜激勵(lì)下的俘能測(cè)試

道岔振動(dòng)譜采集自國(guó)內(nèi)某高鐵站8節(jié)編組客車駛過時(shí)道岔翼軌的垂向振動(dòng),其最大振動(dòng)位移、速度和加速度分別為2 mm，500 mm/s和200 mm/s2,如圖16-所示．

4 結(jié)論

本研究針對(duì)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力監(jiān)測(cè)與能量供給問題,設(shè)計(jì)了一種自供能傳感器系統(tǒng),系統(tǒng)包括振動(dòng)能量俘獲裝置、軸銷傳感器和電路.基于道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)實(shí)際尺寸,確定了軸銷傳感器和振動(dòng)俘能器的結(jié)構(gòu)與尺寸,并借助速度控制策略,通過正弦掃頻和輪軌交互作用下的軌道振動(dòng)俘能試驗(yàn),驗(yàn)證了自供能傳感器振動(dòng)俘能裝置的性能.主要結(jié)論如下：

1) 軸銷傳感器本身既是結(jié)構(gòu)緊固件又是傳感器,能夠?qū)崟r(shí)記錄自身所受拉壓力的變化,其參數(shù)為：額定載荷F=10 000 N,輸入3～6 V,輸出1.5～2 mV/V,滿足實(shí)際使用所需的5 000 N拉力檢測(cè)要求,自供能傳感器電路可以在低感應(yīng)電壓下工作,啟動(dòng)電壓為380 mV．

2) 基于正弦掃頻試驗(yàn)測(cè)試了兩種靜止磁鐵布置形式下自供能傳感器能量俘獲性能.相對(duì)于上、下靜止磁鐵均布的形式,只有下靜止磁鐵布置的振動(dòng)俘能裝置懸浮磁鐵剛度更低,能夠在同等激勵(lì)下獲得更大的切割磁感線范圍和運(yùn)動(dòng)幅值.因此,單靜止磁鐵布置下的振動(dòng)俘能裝置可以獲得更高的感應(yīng)電壓幅值,但是其響應(yīng)頻率和頻帶低于上、下靜止磁鐵均布的情況．

3) 基于速度控制策略實(shí)現(xiàn)了有磨耗鋼軌、無磨耗鋼軌和道岔振動(dòng)譜激勵(lì)下自供能傳感器俘能性能試驗(yàn),驗(yàn)證了靜止磁鐵不同布置形式下其響應(yīng)頻率和俘能特性,證明了在小振動(dòng)位移幅值(<1 mm)、寬振動(dòng)頻率(≤500 Hz)、軌道有磨耗、無磨耗和道岔振動(dòng)激勵(lì)下自供能傳感器均能夠輸出幅值不低于1 V的電壓,能夠滿足電路的啟動(dòng)并對(duì)備用電池充電,可滿足道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)自供能傳感器的功耗需求．