Контактный телефон: +375 17 2931781

Организация производства железнодорожных шпал, преобразующей поездную нагрузку в электрическую энергию

Описание инновационного проекта: 
Традиционные конструкции шпал, применяемые в верхнем строении железнодорожного пути, имеют ряд недостатков, которые заключаются в их невысокой долговечности, а также невозможности демпфировать поездную нагрузку, в частности преобразуя ее в электрическую энергию. Одним из способов преодоления указанных недостатков является разработка шпалы, преобразующей механическую (поездную) нагрузку в электрическую энергию на основе использования прямого пьезоэффекта. Поставленная задача достигается тем, что шпала, включающая железобетонное тело, имеющее опорные площадки со сформированными в зоне последних пустотными каналами под закладные болты крепления, снабжена демпфирующими элементами, для размещения которых в теле шпалы со стороны опорных площадок выполнены пазы. В качестве демпфирующих элементов наиболее эффективно использовать пьезоэлектрические преобразователи, соединенные электродами с электрической цепью. При приложении силы (поездной нагрузки, передаваемой колесами подвижного состава через рельсы) вдоль вертикальной оси пьезоэлектрического преобразователя на его гранях, перпендикулярных оси действия силы, появляется электрический заряд, пропорциональный действующей силе, поступающий в электрическую цепь посредством электродов. Изготовленный из пьезоэлектрического материала (пьезокомпозита или пьезокерамики, например цирконата-титаната-свинца PZT-5H) пьезоэлектрический преобразователь имеет высокую прочность (допустимые напряжения могут доходить до (0,7–1,0)•108 Па), что позволяет прикладывать к нему большие силы. Кроме того данный материал имеет большой модуль упругости 0,57•1011 Па, что обусловливает высокую жесткость и очень малое собственное внутреннее трение. Электрические и механические свойства данных пьезоэлектрических материалов имеют высокую стабильность. За 10 лет изменение характеристик не превосходит 0,05%, что позволяет прогнозировать высокий срок службы шпалы. Напряжение, возникающее на электродах одного тензометрического преобразователя при однократном приложении нагрузки можно определить по формуле U_1=dF/C, где d – пьезоэлектрический модуль, для цирконата-титаната-свинца PZT-5H d = 760•10-12 К/Н; F – сила, передаваемая одним колесом подвижного состава вдоль вертикальной оси пьезоэлектрического преобразователя, для четырехосного вагона грузоподъемностью 60 т, имеющего собственную массу 23 т F = 101778 Н; С – электрическая емкость пьезоэлектрического преобразователя, C=(eε_0 S)/l, где e – диэлектрическая проницаемость материала пьезоэлектрического преобразователя, для цирконата-титаната-свинца PZT-5H e = 5000; ε0 – электрическая постоянная, ε0 = 8,854•10-12 Ф/м; S – площадь пьезоэлектрического преобразователя, S = 0,01 м2; l – толщина пьезоэлектрического преобразователя, l = 0,01 м. Тогда С=(5000∙8,854∙〖10〗^(-12)∙0,01)/0,01=4,427∙〖10〗^(-8) Ф. Следовательно U_1=(760∙〖10〗^(-12)∙101778)/(4,427∙〖10〗^(-8) )=1747 В. Кроме того, напряжение U1 может быть увеличено посредством усилителя мощности. Сила тока, возникающая на электродах одного тензометрического преобразователя при однократном приложении нагрузки, составляет 0,01 А. Тогда при движении состава, имеющего 100 осей, одна шпала с двумя параллельно соединенными пьезоэлектрическими преобразователями может вырабатывать без учета потерь электрическую энергию мощностью P = U • I • n • 100 = 1747 • 0,01 • 2 • 100 = 3494 Вт. При эпюре шпал составляющей 1840 шпал/км участок железнодорожного пути протяженностью 1 км может вырабатывать электрическую энергию мощностью 6428960 Вт без учета потерь.
Цель инновационного проекта: 
создание нового производства
техническое перевооружение
Основные конкурентные преимущества: 
Одновременно с этим электрическую цепь, соединяющую пьезоэлектрические преобразователи, можно использовать в качестве линии СЦБ, позволяющей при соответствующем программном обеспечении получать информацию о различных параметрах движения подвижного состава (высокоточном расположении поезда на перегоне, его скорости движения, состоянии поверхностей катания колес, нагрузки на каждую колесную пару, и т.д.), а также о состоянии пути (износе поверхности катания рельсов и положении рельсов в плане и по уровню). Таким образом, реализация в конструкции верхнего строения пути технических решений по преобразованию поездной нагрузки в электрическую энергию и использования данной цепи в качестве линии СЦБ нового типа, позволяет: 1. внедрить на железной дороге систему «интеллектуальный путь». 2. осуществлять генерацию «зеленой» электроэнергии, 3. достичь определенной энегонезависимости железной дороги, 4. повысить безопасность движения поездов (в том числе реализовать интеграцию данной системы с системами автоматического ведения и управления движением) 5. уменьшить износ элементов верхнего строения пути.
Степень готовности инновационного проекта: 
идея проекта
научно-техническая документация
Научная значимость результатов НИОК(Т)Р, составляющих основу инновационного проекта: 
прикладной характер
Новизна, оригинальность (технологическая прогрессивность) продукта (услуги): 
нет аналогов в стране, есть за рубежом
Наличие и (или) возможность правовой охраны продукта (услуги): 
использование собственных патентов
Наличие связей с потенциальными потребителями продукции: 
декларируется наличие связей, отсутствуют подтверждающие документы
Срок реализации проекта: 
до 2 лет