基于车辆振动的自供能无线定位装置

基于车辆振动的自供能无线定位装置

尧艳云1    曾钟庆1   雷张文1   王晨曦2  赵雪源3

1株洲国创轨道科技有限公司，  湖南 株洲   412001

2燕山大学， 河北 秦皇岛  06604

3中车株洲电机有限公司， 湖南  株洲   412001

摘要：本文针对当前实际工程应用中，基于自供电技术的无线通讯监测技术在国内处于空白的问题，研发出一种基于车辆振动的自供能无线定位装置，用于实现铁路货车振动能量回收利用，以便进行长期可靠位置信息监测。最后，平台试验表明自供能无线定位装置可实现振动能量回收用于车辆无线定位。

关键字：车辆振动；自供能；定位；监测

基金项目：湖南省重点领域研发计划 （2022WK2015）

1概述

目前，普通铁路货车均无供电条件，其随机编组也容易出现运行状态不明的情况。然而，传统的电池式无线传感器存在使用寿命有限，体积大，复杂的线路布置以及潜在的环境危害等弊端，使其难以达到对铁路货车进行持续在线健康监测的要求[1]。因此，铁路货车车载自发电系统和车载智能感知系统成为铁路货车装备实现“智慧货运”需关注的焦点。开发和应用新型的自供电式列车健康监测技术，及时掌握车辆结构在全服役周期的健康状态，对于保障轨道车辆的运行安全，具有十分重要的意义。当前研究中，铁路货车车载自发电系统主要集中于振动能量回收利用方面，振动能量采集技术主要分为静电式、电磁式、压电式三种[2-5]。

针对当前实际工程应用中，基于自供电技术的无线通讯监测技术在国内处于空白的问题，本文研发出一种车辆振动自供能无线定位装置，在轨道交通货车转向架上安装悬浮电磁式振动能量采集器，对货车振动能量进行采集，再通过低功耗稳压储能模块向无线定位模块供电，实现长期可靠位置信息监测。最后，仿真分析揭示了自供能能量采集系统中关键零件参数对振动能量转换效率的影响，平台试验表明车辆振动自供能无线定位装置可实现振动能量回收用于车辆无线定位。

2 系统装置组成

车辆振动自供能无线定位装置是集振动能量采集模块（发电模块）、低功耗稳压储能模块以及无线定位模块于一体的自供电系统。

2.1悬浮电磁式振动能量采集器

  结构组成：发电模块为一种准线性磁悬浮能量收集装置，能够回收中低频振动机械能。包括由内至外依次设置的悬浮组件、感应线圈组件以及内部形成有空腔的外壳1，详细结构如图1所示。外壳的内部有空腔，空腔的顶部和底部对称设置有环形磁铁2。相邻两个悬浮磁铁5的轴向极化方向相反，相互排斥，两个环形磁铁的极化方向分别和与其相邻的悬浮磁铁的极化方向相反。相邻两个悬浮磁铁磁极之间均设置有铁芯6形成悬浮组件。两个环形磁铁与悬浮组件保持相同的初始间距。外壳由圆筒以及分别位于圆筒两端的顶盖和底盖构成，两个环形磁铁可以分别固定在顶盖的下端面和底盖的上端面上。两个环形磁铁的尺寸相同，环形磁铁2的内径为14 mm，外径为26 mm，高度为5mm。悬浮组件的顶部和底部均设置有导向部件。导向部件可以为但不限于平面弹簧，平面弹簧3的结构如图1所示，平面弹簧包括弹簧片，弹簧片以轴心为中心开设有轴孔，弹簧片端面上由靠近轴孔边缘的位置处向弹簧片边缘延伸开设有三个涡状孔。

工作原理：感应线圈组件4与外部的电路连接，悬浮组件可以与感应线圈组件的轴线重合，当悬浮组件沿其轴向振动时，从铁芯空间内散发出的磁场切割感应线圈组件，使感应线圈组件中产生感生电动势并对外输出电能。

图1 悬浮电磁式振动能量采集器结构图

2.2 储能模块

结构组成：储能模块由整流滤波模块、BUCK/BOOST稳压模块、充电管理模块、锂电池、定时控制模块组成，用于实现将发电装置发出的微弱交流电整流、稳压后给锂电池充电储能，并向射频模块提供电源。系统结构组成示意图如图2所示。

工作原理：整流模块采用双桥整流电路将交流电整流成直流电；稳压模块通过BUCK/BOOST稳压芯片将直流电源变成输出的5V稳压电源；充放电管理模块采用MCP73831为充放电管理芯片；蓄电池采用14500锂电池。同时，系统预留usb充电口，用于首次充电。

图2 系统示意图

2.3 射频模块

结构组成：射频模块由单一的电路板组成，包括4G模组、模组载板两部分。4G模组用于4G无线数据收发、基站定位、电压监测功能的实现，4G模组以焊接方式固定到载板上。模组载板含有天线插座、SIM卡插座、输入电源接口。软件运行在4G模组内部的FLASH中，通过烧写接口烧入。射频模块符合3GPP Release 8, LTE CAT.1标准。射频模块组成如图3所示：

图3 射频模块组成图

工作原理：射频模块主要用于无线定位，采用4G通讯基站定位技术实现定位。模块每通电一次发送一次数据，即通电不间断的情况下不再发送数据，下次通电后再发送第二次数据。模块通电后，系统先进行启动，启动后发射定位数据到后台，数据发射完成后进入低功耗的休眠状态。每次发射的定位数据均在后台记录，查询客户端可查询记录的历史位置数据，实现位置信息的查询。

3 仿真分析

3.1 磁铁和铁芯的仿真

3.1.1三维磁铁的建模

根据物理场的实际意义，选取相关的磁铁模块进行建模，如图4所示。为了提升对实际环境的模拟效果，建立了适合类型的空气域模型，如图5所示。COMSOL软件中自带有丰富的材料库，包含本系统所需的所有材料，以钕铁硼磁铁N52为磁铁原材料，硅钢材料Silicon Steel NGO 35JN200为铁芯原材料。

图4 磁力模型图           图5 含空气域的整体图

3.1.2磁场分布

在COMSOL中选用磁场（mf）模块进行物理场仿真。其初始值即磁矢势为0Wb/m。通过对移动距离的参数化扫描得到了磁体在不同位置的磁场分布，通过派生值中全局计算的方法得到了不同位置悬浮部分整体的受力数值，如图6所示。通过磁铁在不同位置的磁力分布图，验证了不同位置的磁力变化，从图中能观察到具有的非线性关系。

                    图6 受力分布图（间距-5mm~5mm）

3.2平面弹簧的仿真

3.2.1物理场的边界条件

本节对平面弹簧模块在Solidworks中进行建模，再将其导入到comsol软件中。平面弹簧的模型材料选取铍青铜 UNS C17200，其密度为8250kg/m3，杨氏模量和泊松比分别为128GPa和0.3。弹簧边界被外壳和连接环紧贴固定，所以选择固定约束的边界条件施加于平面弹簧的对应位置，如图7所示。根据实际物理情况分析，该平面弹簧起导向作用并不提供恢复力，因此只对其圆环连接处施加很小的简谐力进行仿真。

图7 固定约束                  

3.2.2应力分布

在研究序列类型中选择物理场控制网格，单元大小为常规。采用瞬态输出时步和几何非线性结合的方式进行分析计算。在结果中选择三维绘图组进行绘图，得到运行时间t为0.0625s时的von Mises应力如图8所示。后续对周期内应力的变化进行分析，计算可知弹簧具有可靠性。对平面弹簧进行了仿真测试，其具有一定刚度，保证了其作用性能。

图8  应力分布图

3.3二维轴对称仿真

本仿真中线圈部分选择铜材料，磁铁部分选择N52材料。经过一系列设定如图9所示，研究中点击计算，得到解的数据集。在结果-派升值-全局计算中可以求出两种类型的线圈电阻分别为149.33和248.89欧姆。通过瞬态计算，可以得到图10中线圈感应电压随时间的变化。在8hz频率下，将线圈组串联起来即可得发电模块的输出幅值为20.0V，电压有效值约14V。

图9 方程设定图

图10感应电压图

4 平台试验

为验证自供能无线定位装置是否满足车辆多变的使用环境，现对自供能无线定位装置在株洲四三零专用线进行300km线路试验，本次试验将分别进行设备安装试验、设备电压测试试验、设备信号发射试验、设备定位功能试验、试验过程中将定位装置安装在转向架侧架上，固定支架通过焊接的方式焊接在转向架侧架上，定位装置通过紧周件与支架固定，装车现场如图11所示，本次试验均在株洲四三零专用线进行。

图11 自供能能量采集系统装车示意图

4.1设备安装试验

为测试自供能无线定位装置是否满足使用需求，确保设备在车辆行驶过程中不会出现松动、脱落现象，现对设备进行安装试验，在转向架安装一对自供能能量采集装置。经过300km线路试验，每50km检查2次的检查频率，装车设备安装固定可靠，未出现松动、脱落现象。

4.2设备电压测试试验

为测试自供能无线定位装置在工作状态下电压波动情况，故对设备进行设备电压测试，绿黄分别代表2台设备（设备编号：868088053996597，设备编号868088053748121），试验过程自供能功率不小于负载功率，端部电压无失压现象，由图12可知自供能无线定位装置在工作状态下电压无明显失压现象。

图12 自供能能量采集系统电压动态图

4.3设备信号发射试验

为测试自供能无线定位装置在工作状态下信号传输稳定性，对设备进行信号发射试验，设备各时间段数据如表1所示，可知自供能无线定位装置在工作状态下信号稳定，设备信号发射功能正常，后台可收到发射数据。

表1自供能能量采集系统信号接收表

4.4设备定位功能试验

为测试自供能无线定位装置在工作状态下定位功能准确性，现在对设备进行定位功能试验，车辆工作定位图如图13所示，由图可知设备定位位置与实际位置接近，定位功能正常。

图13 自供能无线定位装置工作定位图

综上所述，自供能无线定位装置安装固定可靠，未出现松动、脱落现象，且设备运行电压无明显失压，信号传输稳定，定位准确，能够满足列车使用要求。

5结束语

1、本文基于车辆振动的自供能无线定位装置可将振动能量转换为可利用的电能实现车辆无线定位，可打破无线通讯监测网络节点长期处于免维护运行状态的技术瓶颈。

2、针对轨道交通列车结构振动的低频、宽带和时变等特点，构建自供电的列车结构健康监测系统是世界性的“卡脖子”难题。因此，研发新型悬浮电磁式能量采集技术，并结合具有先进数据驱动方法的在线监测系统，将填补我国轨道交通运营状态的自供电智能化监测的国内空白。

参考文献

[1]李权福,夏惠兴,华洪斌等. 铁路货车车辆转向架无源无线振动传感与监测系统[J].铁道车辆,2023,61(01):124-130.

[2]Zhang Y, Wang T, Luo A, et al. Micro electrostatic energy harvester with both broad bandwidth andhigh normalized power density[J]. Applied energy, 2018, 212:362-371.

[3] Gao MY, Wang Y, Wang YF, Wang P. Experimental investigation of non-linear multi-stableelectromagnetic-induction energy harvesting mechanism by magnetic levitation oscillation(J]. Appliedenergy,2018,220:856-875.

[4]杨涛,周生喜,曹庆杰,等. 非线性振动能量俘获技术的若干进展.力学学报,2021.53(11):2894-2909.

[5]李长玉,林子涵. 电动汽车振动能量回收综述[J].时代汽车,2022,(02):102-103.