使用电磁式能量采集-减震器对SPA桥梁进行减震的方法

摘要

本发明公开了一种使用电磁式能量采集‑减震器对SPA桥梁进行减震的方法，该电磁式能量采集‑减震器包括壳体，壳体内形成有四个相互独立的腔体，各腔体内均设有振动组件，每个腔体内的振动组件的固有频率不相同，振动组件包括可上下自由移动的质量块、连接在质量块与壳体的底板之间的弹簧、设置在质量块外侧壁上的至少一个扁平线圈以及设置在质量块顶部且与所述扁平线圈连接的桥式整流器，各腔体的内侧上设有与扁平线圈一一对应的永磁铁。本发明具有多个工作频率，相比于现有单一振动模态，工作的频率带宽增大，稳定性增强，储能性能更稳定。

权利要求

1.使用电磁式能量采集-减震器对SPA桥梁进行减震的方法，其特征在于：该电磁式能量采集-减震器包括壳体，所述壳体内形成有四个相互独立的腔体，各所述腔体内均设有振动组件，每个腔体内的所述振动组件的固有频率不相同，所述振动组件包括可上下自由移动的质量块、连接在所述质量块与所述壳体的底板之间的弹簧、设置在所述质量块外侧壁上的至少一个扁平线圈以及设置在所述质量块顶部且与所述扁平线圈连接的桥式整流器，各所述腔体的内侧上设有与所述扁平线圈一一对应的永磁铁；

该SPA桥梁包括箱梁和设置在箱梁上且以箱梁中轴纵截面为对称面对称布置的轨道板，包括如下步骤：步骤一：通过振动测试仪对车辆通过SPA桥梁时的振动频率进行采集，对采集的数据进行频谱分析，将频谱分析中波峰的幅值处于前四高的四个波峰对应的频率，作为激励源的贡献频率；

步骤二：调整振动组件中弹簧的刚度，使得四个振动组件的固有频率分别与上述四个贡献频率相等；

步骤三：将电磁式能量采集-减震器固定安装在桥梁跨中贴近于轨道板外侧位置处并通过桥式整流器与桥梁上的健康监测元件电性连接，电磁式能量采集-减震器的质量/梁体与轨道板的质量≥1%；

四个所述振动组件的固有频率分别为3Hz-4.5Hz、4.5Hz-6.5Hz、6.5Hz-8Hz以及8Hz-

9Hz；

所述扁平线圈的层数为190-210层，每层的匝数为90-100匝；

所述扁平线圈与其对应的永磁铁的间距为2.5-3.5mm；

在每个所述腔体内还竖直设置有多根撑杆，所述撑杆的上端与所述壳体的顶部连接，其下端焊接在所述壳体的底板上，所述质量块滑设在所述撑杆上，所述弹簧套设在所述撑杆的下端。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述永磁铁采用剩磁密度为1.0-1.2T的钐钴永磁铁。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述壳体通过纵横交错设置的两隔板分隔成四个相互独立的腔体。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述壳体的底板上穿设有多根用于将所述电磁式能量采集-减震器固定在桥梁结构上的螺栓。

说明书

使用电磁式能量采集-减震器对SPA桥梁进行减震的方法

技术领域

[0001] 本发明属于桥梁健康监测的自供电技术领域，尤其涉及一种使用电磁式能量采集-减震器对SPA桥梁进行减震的方法。

背景技术

[0002] 节段预制拼装桥梁(SPA桥梁)作为一种快速施工桥梁，在城市轨道交通高架线中的应用已经越来越广泛。与传统现浇法施工的桥梁相比，SPA桥梁具有绿色、节能、高效的优点，但是由于其拼接缝的存在，节段预制拼装桥梁的截面刚度和使用耐久性一直是被关注的重点。为确保桥梁的正常运营，对桥梁进行长期健康监测是非常必要的。桥梁健康监测需要在桥上布置或埋设元器件，如何为这些预埋元器件提供持续和稳定的能源供给是重要的研究目标。

[0003] 基于以上背景，国内外有一种研究趋势是通过收集桥梁环境振动或是结构自身振动的能量，将振动所产生的机械能转化为可使用的电能，给预埋元器件供能。这种供电方式受收集装置的影响，效率参差不齐。根据装置收集原理的不同，收集器主要包括两种类型：压电式能量收集器和电磁式能量收集器。其中，压电式能量收集器对于材料的要求较高，且输出的阻抗大、电流小，目前的报道大多是关于电磁式能量收集器。电磁式能量收集器具有结构简单且输出电流高的优点。电磁振动能量收集器(EM-VEHs)按照法拉第电磁感应定律的原理工作。当通过环路区域的磁通量密度发生变化时，电磁感应能量在闭环线圈中感应出来。一般来说，EM-VEHs由永磁体、线圈和弹簧系统等组成，由于振动，EM-VEHs中的磁极与线圈之间有相对运动，线圈内感应出电动势。

[0004] 专利2018101722215公开了一种用于城市轨道交通桥梁健康监测的电磁式振动能量收集器，该电磁式振动能量收集器具有电能储存效率高、输出功率高、功率产出密度高的优点，但是该专利为单一谐振频率的线性系统，当外部激励频率偏离了装置结构的固有频率时，系统的响应将显着降低，所以装置的性能极不稳定。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种兼具能量收集和结构减震两重功能，且性能稳定的使用电磁式能量采集-减震器对SPA桥梁进行减震的方法。

[0006] 为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

[0007] 一种使用电磁式能量采集-减震器对SPA桥梁进行减震的方法，该电磁式能量采集-减震器包括壳体，所述壳体内形成有四个相互独立的腔体，各所述腔体内均设有振动组件，每个腔体内的所述振动组件的固有频率不相同，所述振动组件包括可上下自由移动的质量块、连接在所述质量块与所述壳体的底板之间的弹簧、设置在所述质量块外侧壁上的至少一个扁平线圈以及设置在所述质量块顶部且与所述扁平线圈连接的桥式整流器，各所述腔体的内侧上设有与所述扁平线圈一一对应的永磁铁；

[0008] 该SPA桥梁包括箱梁和设置在箱梁上且以箱梁中轴纵截面为对称面对称布置的轨道板，包括如下步骤：

[0009] 步骤一：通过振动测试仪对车辆通过SPA桥梁时的振动频率进行采集，对采集的数据进行频谱分析，将频谱分析中波峰的幅值处于前四高的四个波峰对应的频率，作为激励源的贡献频率；

[0010] 步骤二：调整振动组件中弹簧的刚度，使得四个振动组件的固有频率分别与上述四个贡献频率相等；

[0011] 步骤三：将电磁式能量收集-减震器固定安装在桥梁跨中贴近于轨道板外侧位置处并通过桥式整流器与桥梁上的健康监测元件电性连接，电磁式能量收集-减震器的质量/梁体+轨道板的质量≥1％。

[0012] 进一步的，在每个所述腔体内还竖直设置有多根撑杆，所述撑杆的上端与所述壳体的顶部连接，其下端焊接在所述壳体的底板上，所述质量块滑设在所述撑杆上，所述弹簧套设在所述撑杆的下端。

[0013] 进一步的，所述永磁铁采用剩磁密度为1.0-1.2T的钐钴永磁铁。

[0014] 进一步的，所述壳体通过纵横交错设置的两隔板分隔成四个相互独立的腔体。

[0015] 进一步的，所述扁平线圈的层数为190-210层，每层的匝数为90-100匝。

[0016] 进一步的，所述扁平线圈与其对应的永磁铁的间距为2.5-3.5mm。

[0017] 进一步的，所述振动组件的固有频率为3Hz-9Hz。

[0018] 进一步的，四个所述振动组件的固有频率分别为3Hz-4.5Hz、4.5Hz-6.5Hz、6.5Hz-8Hz以及8Hz-9Hz。

[0019] 1、本发明具有多个工作频率，相比于现有单一振动模态，工作的频率带宽增大，稳定性增强，储能性能更稳定。

[0020] 2、减震器可以与桥梁构成一个子-主结构的振动阻尼系统，对于桥梁结构约有10％-20％的减震效果，能够较显著的改变桥梁结构的振动特性，提升了车辆运行的平稳性，起到减震降噪的目的，兼具能量收集和结构减震两重功能。

[0021] 3、线圈和永磁铁采用环绕式布设形式，线圈为附着于质量块的侧壁上，永磁铁布设在腔体的侧壁上，通过线圈的磁通量以及磁通量变化率都更大，且线圈导线直径、匝数和层数可以设计的更小；此外，与专利2018101722215相比，在单个振动组件的质量、磁铁和线圈尺寸均减小的情况下，能量收集效率不降反升。

附图说明

[0022] 图1为本发明的结构示意图；

[0023] 图2为本发明的俯视示意图；

[0024] 图3为本发明安装在桥梁上的结构示意图；

[0025] 图4为本发明四种工作频率下的输出功率；

[0026] 图5为本发明对轨道板位置的减震效果示意图；

[0027] 图6为本发明对梁体位置的减震效果示意图。

具体实施方式

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 参见图1和图2，一种SPA桥梁多频电磁式能量采集-减震器，用于SPA桥梁上的健康监测元件供电，包括壳体1，壳体1通过纵横交错设置的两隔板2分隔成四个相互独立的腔体3，各腔体3内均设有振动组件，每个腔体内的振动组件的固有频率不相同，振动组件包括可上下自由移动的质量块4、连接在质量块4与壳体1的底板之间的弹簧5、设置在质量块4外侧壁上的至少一个扁平线圈6以及设置在质量块4顶部且与扁平线圈6连接的桥式整流器7，各腔体3的内侧上设有与扁平线圈6一一对应的永磁铁8，在壳体1设有外接插头9，桥式整流器
7通过伸缩盘导线10与外接插头9电性连接，使用时，健康监测元件与外接插头9电性连接，通过电磁式能量收集-减震器为其进行供电。

[0030] 本实施例工作过程如下：当接受到外部振动激励时，质量块4带动扁平线圈6上下移动，线圈与永磁铁8产生相对运动并切割磁力线，线圈内感应出电动势并通过桥式整流器7整流后输出至健康监测元件。本实施中电磁式能量收集-减震器为多频或宽带微电磁振动能量收集器，可以从不同的振动峰值有效地收集能量，将有效解决装置的工作稳定性，4个振动组件对应4种不同的振动模式，而每种模式有自己特定的工作频率，则4种频率可以应对外界环境振动可能改变的情况，假如当外部激励频率偏离了一种模式的固有频率，则有可能与另一模式的固有频率相接近，相比于现有单一振动模态，工作的频率带宽增大，稳定性增强，储能性能更稳定。此外，线圈和永磁铁采用环绕式布设形式，线圈为附着于质量块4的侧壁上，永磁铁8布设在腔体3的侧壁上，通过线圈的磁通量以及磁通量变化率都更大，且线圈导线直径、匝数和层数可以设计的更小。

[0031] 在每个腔体3内还竖直设置有多根撑杆11，撑杆11的上端与壳体1的顶部连接，其下端焊接在壳体1的底板上，质量块4滑设在撑杆11上，弹簧5套设在撑杆11的下端，质量块4通过撑杆11进行导向。

[0032] 优选的，永磁铁8采用剩磁密度为1.0-1.2T的钐钴永磁铁，相比铝镍钴磁铁，磁性和矫顽力更强，也不容易退磁，能承受10g的振动和100g的冲击而不退磁。

[0033] 在壳体1的底板上穿设有多根用于将电磁式能量收集-减震器固定在桥梁结构上的螺栓12。

[0034] 具体的，壳体1与隔板2采用PC塑料板，壳体1厚度为1cm，隔板厚0.5cm；在壳体1每个内侧壁上固定2个钐钴永磁铁，每个永磁铁8的尺寸为长×宽×厚＝0.16m×0.08m×0.05m；隔板2将壳体内部分为四个区域，每个区域有一个密度为11343.7kg/m3铅质质量块，质量块下面为弹簧5，穿过弹簧5和质量块4为4个半径3cm的金属撑杆，铅块顶侧有一个单相桥式整流器件和盘绕导线，以便输出储存的电能；在铅块的最外两侧固定有铜制线圈，线圈半径r＝0.1mm，共有200层，每层100匝，最内层线圈的尺寸为0.12m×0.25m，线圈与永磁铁表面的间隙宽度d＝3mm。

[0035] 参见图3-图6，一种使用上述电磁式能量收集-减震器对SPA桥梁进行减震方法，该SPA桥梁包括箱梁13和设置在箱梁13上且以箱梁中轴纵截面为对称面对称布置的轨道板14，包括如下步骤：

[0036] 步骤一：通过振动测试仪对车辆通过SPA桥梁时的振动频率进行采集，对采集的数据进行频谱分析，将频谱分析中波峰的幅值处于前四高的四个波峰对应的频率，作为激励源的贡献频率；

[0037] 外部激励源的频率的确定，需要对振动源进行频谱分析，由于城市轨道交通桥梁大多是高架桥，其墩高且纤细，梁体多为等高度混凝土箱梁，跨度约为40m左右，对于上述桥梁，引起其振动的主要因素就是列车通过致使梁体的振动，且振动为低频(1-40Hz)低加速(0.01-3.8g)的振动，非常契合电磁式振动能量收集器的工作特点。当一列B型地铁车辆以正线运行速度120km/h匀速通过桥梁时，将会引起桥梁的振动，振动源的频谱分析如图3所示。当桥型变化不大且列车运行速度恒定，频谱分析基本无变化。

[0038] 分析可知，激励源振动的几个主要贡献频率为3.76、5.57、6.45Hz和8.69Hz，范围在3-9Hz之间，当减震器的主要工作频率与以上相等时，储能效率最佳，根据装置内振动的质量、弹簧组件的总刚度和能量收集器的固有频率三者之间的关系，调整弹簧的刚度，即[0039] ki＝ωni2·mi＝(2πfi)2mi(i＝1，2，3，4)

[0040] 其中，k为弹簧刚度，m为振动模块的质量，f为模块的工作频率。

[0041] 步骤二：调整振动组件中弹簧的刚度，使得四个振动组件的固有频率分别与上述四个贡献频率相等；

[0042] 步骤三：将电磁式能量收集-减震器固定安装在桥梁跨中贴近于轨道板14外侧位置处并通过桥式整流器与桥梁上的健康监测元件(图中未示出)电性连接，电磁式能量收集-减震器的质量/梁体+轨道板的质量≥1％。

[0043] 本实施例电磁式能量收集-减震器与现有电磁式振动能量收集器采集频率、输出功率、功率密度以及体积的对比数据如表1所示。从表1可以得出本实施例能够保证一直有一振动组件高效工作，且高效工作的振动组件储电能力比大多数已有装置的能力要强，在保证储能稳定性的同时，又保证了储能效率。

[0044] 表1储能效果对比

[0045]

[0046]

[0047] [1]A hybrid energy harvesting topology for human-powered mobile electronics[C],34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics,Orlando,448–453.

[0048] [2]An energy harvesting system using the wind-induced vibration of a stay cable for powering a wireless sensor node[J],Smart Material and Structures,20:1-9,2011.

[0049] [3]Self-powered sensors for monitoring of highway bridges[J],Sensors Journal,IEEE,9:1422-1429,2009.

[0050] [4]Harvesting traffic induced vibrations for structural health monitoring of bridges[J],Micromechanics and Microengineering,21:1-13,2011.[0051] [5]Micro power generator for harvesting low-frequency and nonperiodic vibrations[J],Journal of Microelectromechanical Systems,vol.20,no.4,pp.852–866,2011.

[0052] [6]Energy harvesting from wind-induced vibration of suspension bridges[M.S.thesis],Department of Civil and Environmental,Massachusetts Institute of Technology,2013.

[0053] [7]Analysis of piezoelectric energy harvesting for bridge health monitoring systems[M.S.thesis],Computational Engineering Centre,School of Engineering,University of Swansea,Wales,UK,2010.

[0054] [8]Energy harvesting on highway bridges,Final ReportFHWA-OK-11-01,2011.

[0055] [9]A dual-function electromagnetic damper for bridge stay cable vibration mitigation and energy harvesting,in Proceedings of the 13th East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction(EASEC’13),Sapporo,Japan,September 2013.

[0056] 表2示出了采用本实施减震对桥梁的减震数据，从表2可以看出，本实施例减震器可以与桥梁构成一个子-主结构的振动阻尼系统，对于桥梁结构约有10％-20％的减震效果，能够较显著的改变桥梁结构的振动特性，提升了车辆运行的平稳性，起到减震降噪的目的，兼具能量收集和结构减震两重功能。

[0057] 表2减震效果分析

[0058]

[0059] 上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。