随着铁路线路的纵横发展,对铁路监测设施和传感器件的需求日益增长。利用列车通过时轨道振动产生的能量发电,作为轨道监测设备新型电源,不仅可节省大量基建投资而且节能环保,无疑具有广阔的应用前景。由于铁路线路轨道结构的大尺度性、列车动荷载的复杂性、对安全运营的严格要求以及轨道振动对俘能装置机电耦合的影响机制非常复杂,而国内外在此领域尚处于起步阶段,理论和实验研究均较少,因此研究轨道振动俘能理论,研制轨道振动发电原型机,解决铁路沿线监测设备和传感元件的供电问题,对完善我国轨道交通振动俘能理论与技术,健全轨道交通安全监测网络意义重大。因此,本文在国家自然科学基金杰出青年基金项目“高速铁路轨道结构服役安全关键科学问题研究”(编号:51425804)的资助下,针对磁浮式轨道振动俘能理论及应用技术开展了相关研究,主要研究工作为:1.详细论述了国内外静电式、压电式和电磁式的振动发电技术的研究现状,汇总了器件类型、材料、激励条件、响应特性、功率输出和能效值等技术参数。论述了国内外轨道振动俘能机理及研究现状,指出了现有研究的不足之处,明确了本文研究的方向和内容。2.通过现场测试,测量轨道在列车作用下的动力响应过程的相关参数,实现对列车作用下轨道振动参量基本情况的把握,为后续的研究提供基础数据。3.利用FSC多通道全数字电液伺服疲劳试验加载系统模拟轮轨动力作用,开展压电式和电磁式换能器特性的室内模型实验。研究轮轨作用力、激励频率(反映机车车辆的运行速度)、轨道结构振动位移幅值(有砟轨道、无砟轨道)的不同组合下的轨道振动特性。在轨道结构上安装初始设计的振动换能元件,对比研究不同方式振动换能元件的能量参数。研究发现压电式振动俘能装置受到压电材料物理效能的制约,发电量较小;而磁浮式振动俘能装置可以在较宽频带内产生较大的输出功率,适合于轨道交通领域的应用需求。进而在论文的后续章节,着重针对磁浮式轨道振动俘能理论及技术展开了更深入的研究。4.建立了磁浮式换能非线性有阻尼动力学方程,研究了磁浮式换能元件的非线性刚度特性,为宽频带轨道振动能量收集提供理论基础。采用麦克斯韦张量法计算非线性磁浮力和非线性刚度。研究非线性Duffing方程的解析解法。推导了磁浮式换能三稳态Duffing方程的多尺度解法;推导了含分数阶导数的磁浮换能三稳态动力学系统的KB解法;分析了KMB渐近法求解体系下的主共振、亚谐共振和非共振情况。从理论上获知磁浮式换能器非线性动力响应特性。5.建立了磁浮式非线性多稳态振动俘能系统的理论分析模型。推导了多稳态振动俘能系统的普适的非线性回复力及回复力势能的表达式。基于分叉与混沌理论,研究了非线性多稳态磁浮换能机理,探索进入高能态轨道的条件,研究了动态分叉行为及混沌运动特性。采用相图、庞加莱截面和极大李雅普诺夫指数分析刻画了磁浮式非线性多稳态系统的相轨迹特性,动态分叉及混沌运动状态。6.设计了磁浮式非线性多稳态振动换能器结构,通过实验研究揭示了动态分叉现象、势阱逃离、高能轨道和混沌运动现象。实验验证了一个四稳态和两个三稳态磁浮式振动换能器。通过相图、庞加莱截面、极大李雅普诺夫指数和分叉图来分析和解读实验结果。此外,详细阐述了分叉图的庞加莱截面扫频采样算法,该方法可以有效直观地判断系统的运动状态。实验结果表明,基于磁悬浮谐振的电磁感应式MEH系统具有非线性多稳态势阱回复力特性,可以实现多势能阱阱间谐振,进而增加能量收集器的输出电流(即电负载能力)、输出功率和工作频带带宽。7.研究了轨道振动电磁耦合动力学模型的整体架构。架构设计为:基于轮轨耦合动力学模型,计算轨道振动加速度、振动速度和振动位移的动力时程;以轨道振动动力学计算结果作为输入,代入磁浮式振动换能器非线性有阻尼动力学方程,计算磁浮式换能器系统的动力响应;以其再作为输入代入电动力学麦克斯韦方程组进行求解,求得发电量,从而建立轨道振动电磁耦合动力学模型。研究了加入振动换能器后列车作用下轨道垂向振动方程的修正,检算振动换能器对轨道动力特性的影响;研究轨道振动激励下电磁耦合方程的解法;研究磁浮式换能器阻尼力与发电量之间的关系。利用该模型,开展各类机车车辆以及不同运行速度下的各类轨道结构的发电能力的计算,研究磁浮式轨道振动发电理论效率,为磁浮式轨道振动发电原型机的研发提供理论基础。借助5-2000Hz DC3200-36宽频振动激振器,从实验上研究磁浮式振动换能器的频响特性和发电能力。8.借鉴微振动发电领域的微机电一体化技术,基于轨道振动特性,设计研制了一套既可安装于现有轨道结构、符合车辆限界规定、不影响车辆安全运行、不改变轨道振动特性,又可有效利用轨道振动特性进行发电的轨道振动发电原型机。研究结构尺寸的限制因素和小型化设计方法;利用DC-DC斩波技术,对收集到的振动能量进行整流、滤波、稳压和电平转换,保证输出功率的稳定性和可用性。9.开展了基于轨道振动发电原型机的自主式无线监测系统的研究。开发的智能轨道无线无源监测系统包括:磁浮式振动换能器、MEMS加速度传感器、温湿度传感器、锂电池、单片机控制模块、ZigBee无线通信模块、电源管理模块和控制模块等。测试了原型机系统的无线通信性能、功耗和抗扰性能。所开发的智能轨道无线无源监测系统可以实时监测轨道振动特性数据(振动加速度等)并实现无线数据传输。