随着化石能源等不可再生的传统型能源不断被开采利用,能源变得越来越紧缺,因此各国学者都投入到新型能源的开发中,但目前使用较为广泛的太阳能、风能等新型能源易受到环境、天气以及地域等诸多方面的限制,因此越来越多的学者开始对生活中最普遍的振动能进行研究,尤其是振动能量巨大的铁路轨道处;另一方面也可以将收集到的电能为轨道两侧的无线传感器等设备供电。为了收集轨道处的振动能量,学者们以采用压电、电磁和磁致伸缩技术为主,但通过研究发现,同样的装置安装在轨道不同位置时转换的电能大小是不同的,即安装位置也起到一定作用。于是对目前各国学者研制的安装在轨道钢轨、轨枕各个位置处的能量收集装置进行研究以及优缺点对比,确定本文所设计的能量收集装置安装在直接承受较大载荷以及结构较为简单的扣件处,使用磁致伸缩材料进行能量转换。以下为研究的几个方面:首先对钢轨进行受力分析,搭建出钢轨-扣件的振动微分方程,并采用校正积分法运用MATLAB软件求解出其中的扣件支反力,结果为最大值为30kN;选择磁致伸缩材料中的Galfenol作为能量转换材料并引入其特性,在Armstrong模型的基础上结合维拉里(Villari)效应,并根据磁致伸缩材料Galfenol在轨道扣件处的实际工作情况加以改进,搭建出扣件-能量收集装置的数学模型,获得磁化强度M和磁场强度H、应力σ的关系;最后将上述两组模型的关系表达式代入感应电动势的公式中,得出钢轨-扣件-能量收集装置的耦合振动模型。然后以沪杭高铁无砟轨道上使用的WJ-8C型扣件为研究对象,设计安装在扣件上的能量收集装置的整体结构并对其关键部件进行优化,主要是Galfenol薄片和永磁体安装位置选择,偏置磁场、线圈骨架、感应线圈、导磁外壳以及外部电路的设计。运用MATLAB软件对优化后的能量收集装置进行仿真分析,得到感应电动势以及输出功率的曲线,最大值分别为330V、3.7W。为了验证此能量收集装置是否可以达到无线传感器的供电要求,分别计算一天内能量收集装置产生的能量以及无线传感器所消耗的能量,分别为138.7J、24.36J,因此可以满足供电要求。最后将装置制成实物,并建立实验平台对其研究。在能量收集装置上施加按1:360的比例缩小的扣件支反力之后,能量收集装置将振动能转换为电能并通过外部电路收集存储。实验所得的感应电动势曲线与仿真缩小后的结果基本一致,说明建立的理论模型可反映设计的能量收集装置的工作特性。