高寒地区铁路能量采集储存及利用系统的设计

引言

随着中国铁路技术的快速发展,加上经济发展的需求,铁路建设迅猛发展。其中,在高寒地区进行铁路建设既是行业发展的现实需要,也是经济发展的客观要求。作为最重要的进藏铁路一川藏铁路的建设现在变得尤为重要,但是受其沿途恶劣自然环境的影响,川藏铁路的建设遇到了种种困难和阻碍,其中建设时的能源问题就是主要的困难之一。由于高寒地区受大雪等气候影响,架设电网十分困难,也无法采用太能阳、风能等。针对这个问题,我们设计了一套高寒地区铁路能量采集储存及利用系统,通过铁路自供电系统为其配套的监控设备、轨旁设备等进行供电,希望为解决高寒地区铁路建设中的供电问题提供一种思路。

1高寒地区铁路能量采集储存及利用系统的工作原理

如图1所示,铁路自供电系统主要有四个模块：（1）震动输入模块；（2）传动机构模块；（3）发电模块；（4）蓄电模块。工作时将震动输入模块安装在铁轨下方以接收铁轨的震动。

工作的主要过程包括:

（1）震动输入模块收集火车经过时铁轨的震动并转化为齿轮的转动。

（2）传动机构将震动收集装置中齿轮的转动传递到发电机。

(3)发电机发电,并将产生的电能存储至蓄电机构。

2高寒地区铁路能量采集储存及利用系统的设计要求

由于该装置工作环境特殊,安装位置特殊,因此对其结构的设计和质量有着严格的要求。受其工作环境恶劣的影响,同时也受到火车经过时对铁轨冲击的影响,如何保证系统在如此条件下平稳正常工作是一大难点。由于震动输入模块安装在铁轨下方,对铁轨的稳定性以及火车经过时的安全性都有一定影响,因此如何减轻这些负面影响也是必须考虑的。

3高寒地区铁路能量采集储存及利用系统的结构设计

3.1震动输入模块

震动输入模块是该装置的核心,如图2所示,其主要由上筒、中筒、下筒、弹簧、丝杠、丝杠螺母、连接杆以及伞齿轮组成。

图2震动输入模块结构示意图

安装时将弹簧压缩后,将整个装置放于铁轨下方,通过弹簧向上的弹力,使上筒上表面与铁轨保持接触。当火车经过时,铁轨的震动将传递给上筒,使得上筒随着铁轨一起上下震动,连接杆固定于上筒和丝杠螺母之间,从而使丝杠螺母上下运动,最终带动丝杠旋转。丝杠的旋转由伞齿轮传出,传递到传动机构中。

3.2传动机构模块

传动机构模块结构如图3所示,其主要起到传递转动的作用,它可以将震动输入模块的转动传递到发电机,带动发电机发电。这里使用双齿轮组是为了提高系统稳定性。

图3传动机构模块结构示意图

3.3发电及储存模块

(1)该装置采用的发电机主要适用于对小型蓄电池进行充电,采用的型号是57BL55s06-230TF9。采用该发电机时需要将交流电转化为直流电,因此需要对其进行整流和滤波,其电路原理图如图4所示。

(2)当发电机噪声增大时,可在发电机齿轮上加入适量润滑油。

铁轨震动的幅度和频率决定了发电机的转速,这些参数与火车的运行速度和道路斜度等有关。由于各种励磁条件的不规则性和改变方向时传动机构的间隙,发电机的转速不断变化,因此发电机输出的电流不稳定且不规则。为了使电流稳定并适合于存储和充电,有必要利用超级电容器将整流后的电流进行存储。电容器的选择可以为EV电池充电的超级电容器,因为它具有功率密度高、充电时间短和循环寿命长的特点。

4产品特点

(1)该设备主要采用纯机械结构,构造巧妙方便,可以同时收集上下两个方向震动产生的能量。

(2)该设备完全借助铁轨自身产生的振动进行发电,适用范围广。

(3)装置结构简单,效率高,成本低,便于安装,适于大批量生产使用与推广。

5结语

这套高寒地区铁路能量采集储存及利用系统的设计,通过铁路自供电系统收集铁轨的震动并产生电能来供给铁路上的小型电器工作。该系统结构简单,原理巧妙,成本低,效率高,而且节能环保,在铁路里程居于世界首位的中国有着十分广阔的应用前景,同时还可以应用到世界上其他高寒地区的铁路建设中。