توصيفگر ها :
برداشت انرژي الكتريكي , برداشت‌كننده الكترومغناطيسي , خطوط راه‌آهن , ريل قطار , مكانيزم يكسوساز
چكيده فارسي :
توسعه شبكه راه‌آهن و تقاضا براي استفاده از اين نوع سيستم حمل و نقل در دهه‌هاي اخير به طرز چشم‌گيري افزايش يافته است. با توجه به بيشتر شدن استفاده از اين نوع سيستم حمل و نقل و شلوغ شدن خطوط راه‌آهن، نياز به سيستم‌هاي نظارت بر سلامت خطوط راه‌آهن و هم‌چنين تجهيزات بيش از پيش احساس مي‌شود. برداشت‌كننده‌هاي انرژي مي‌توانند توان الكتريكي مورد نياز براي تجهيزات در طول مسير ريل و زيرساخت‌ها، از جمله حسگرهاي نظارت بر سلامت، حسگرهاي دما، شتاب‌سنج‌ها، حسگرهاي تشخيص آسيب، سيستم‌هاي جمع‌آوري داده‌ها، سيگنال‌ها، سوئيچ‌ها و تجهيزات ايمني را تأمين كنند. در اين پژوهش، يك دستگاه برداشت‌كننده انرژي از خطوط راه‌آهن بررسي شده است. اين دستگاه شامل دو بخش مكانيكي و الكتريكي مي‌باشد. بخش مكانيكي آن مبتني بر مكانيزم بال‌اسكرو و يكسوساز حركت مكانيكي مي‌باشد كه اين يكسوساز شامل دو عدد چرخدنده‌ي مخروطي بزرگ، يك عدد چرخدنده‌ي مخروطي كوچك و دو عدد بلبرينگ يك طرفه مي‌باشد كه در واقع حركت خطي رفت و برگشتي ريل قطار ناشي از عبور قطار از روي ريل را به حركت چرخشي تك جهته براي چرخش محور ژنراتور تبديل مي‌كند. بخش الكتريكي آن شامل يك ژنراتور متناوب سه فاز مبتني بر روش الكترومغناطيس مي‌باشد كه دور چرخش خود را از خروجي يكسوساز و جعبه‌دنده‌ي سياره‌اي دريافت مي‌كند. به طور كلي اين دو بخش به كمك يكديگر قادر به جمع‌آوري توان از ارتعاشات عمودي مسير راه‌آهن از روش الكترومغناطيسي مي‌باشند. در اين پژوهش ابتدا مروري بر مطالعات قبلي در حوزه‌ي برداشت انرژي از خطوط راه‌آهن آورده شده است؛ سپس معادلات مربوط به مجموعه‌ي ريل، قطار و برداشت‌كننده با توجه به وجود دو حالت درگير بودن و درگير نبودن ژنراتور نوشته شده و معادلات ديفرانسيل مربوط به آن به دست آمده است. در نوشتن معادله‌هاي مربوطه يك ريل با طول 52/139 متر كه تعداد 255 تراورس در طول آن قرار گرفته است، به عنوان يك تير اويلر برنولي در نظر گرفته شده و هم‌چنين يك قطار دو واحده كه هر واحد داراي چهار محور مي‌باشد به عنوان بار عبوري از روي آن در نظر گرفته شده است. با توجه به ابعاد بزرگ ماتريس‌ها و دستگاه معادلات ديفرانسيل به دست آمده، جهت تشكيل ماتريس‌ها و هم‌چنين حل دستگاه معادلات ديفرانسيل از نرم افزار متلب استفاده شده است. در نهايت پارامترهاي موجود در مسئله تغيير داده شده‌اند و نتايج حاصل از اين تغييرات بر ميزان ولتاژ، توان و انرژي به دست آمده، آورده شده است. پارامترهايي از قبيل مقاومت خارجي مصرف كننده، نسبت انتقال دور چرخدنده‌ها، گام بال اسكرو، سرعت قطار، سختي فنرهاي استفاده شده، جرم واحد طول ريل و نيروي محوري قطار، جهت بررسي ميزان تأثيرگذاري آن‌ها بر مجموعه‌ي برداشت‌كننده‌ي انرژي و مقدار توان و انرژي برداشت شده مورد بررسي قرار گرفته است. مشاهدات حاكي از آن است كه پارامترهاي سختي فنرهاي استفاده شده و جرم واحد طول ريل، بر ميزان انرژي برداشت شده تأثير گذار نمي‌باشند. با افزايش پارامترهاي نسبت انتقال دور چرخدنده‌ها، سرعت قطار و نيروي محوري قطار، ميزان انرژي برداشتي افزايش مي‌يابد. با افزايش پارامترهاي مقاومت خارجي مصرف كننده و گام بال اسكرو، مقدار انرژي برداشت شده كاهش مي‌يابد.
چكيده انگليسي :
The development of the railway network and the demand for using this type of transportation system have increased significantly in recent decades. Due to the increasing use of this type of transportation system and crowded railway lines, the need for railway health monitoring systems and also railway equipment is felt more than ever. Energy harvesters can provide electrical power for trackside equipment and infrastructures, including health monitoring sensors, temperature sensors, accelerometers, damage detection sensors, data acquisition systems, signals, switches and safety equipment. In this research, an energy harvesting device from railway lines has been investigated. This device includes two mechanical and electrical parts. Its mechanical part is based on a ball screw mechanism and a mechanical movement rectifier, which includes two large bevel gears, one small bevel gear and two one-way bearings, which actually turns the reciprocating linear movement of the train rail caused by the train passing over the rail into a unidirectional rotational movement for the generator shaft. Its electrical part includes a three-phase AC generator based on the electromagnetic method, which receives its rotation from the output of the rectifier and the planetary gearbox. In general, these two parts are able to collect power from the vertical vibrations of the railway track by electromagnetic method. In this research, first a review of previous studies in the field of railway energy harvesting is presented; Then the equations related to the rail, train and harvester set are written according to the existence of two states of engagement and disengagement in the generator, and the related differential equations have been obtained. In writing the relevant equations, a rail with a length of 139.52 meters, which has 255 traverses, is considered as an Euler-Bernoulli beam, and also a two-unit train that each unit has four axles is considered as a passing load. Due to the large dimensions of the obtained matrices and the differential equations machine, MATLAB software was used to form the matrices and also to solve the differential equation machine. Finally, the parameters in the problem have been changed and the results of these changes on the obtained voltage, power and energy have been presented. Parameters such as the external resistance of the consumer, the transmission ratio of the gears, the lead of the ball screw, the speed of the train, the stiffness of the used springs, the initial compression value of the springs, the mass per unit length of the rail and the axial force of the train, have been investigated in order to check the extent of their influence on the energy harvester set and the amount of power and energy harvested. The observations indicate that the parameters such as the stiffness parameter of the used springs and their initial compression value and also the mass per unit length of the rail, do not affect the amount of energy harvested. By increasing the parameters such as the transmission ratio of the gears, the train speed and the axial force of the train, the amount of harvested energy increases. By increasing the parameters such as the external resistance of the consumer and the lead of the ball screw, the amount of harvested energy decreases.
