铁路是我国重要的基础设施,作为中长途客运和货物运输的基本运输工具,在我们的日常生活中发挥着重要作用,所以保证铁路运输的安全则至关重要。为了实现这些目标,铁路侧桥隧涵路物联网监测系统、轨道健康监测系统等是必不可少的。在自然环境恶劣的地区,轨道的无线监测节点采用电池进行供电,但是电池供电却存在着一些比较明显的风险。研究环境能量回收技术,不仅可以减少电池供电的风险,还能实现无线监测节点的自供能。环境能量中太阳能、风能、热能受天气和季节影响较大,噪声能发电功率过低,而振动能量的发电功率一定程度上可以满足其用电需求。本文利用压电原理来采集轨道垂向振动机械能,实现轨道的无线监测节点的间歇性供能,主要研究工作如下所示:(1)简单分析了轨道板振动原理,将现场实测的轨道垂向振动加速度数据二次积分后通过滤波处理去除了低频干扰误差。加速度数据经过数值积分、经验模态分解法(EMD)和去趋势处理后,得到轨道板在时域上的垂向振动输出响应,再通过快速傅里叶变换(FFT)把离散的振动信号从时域转换到频域,得到了轨道在频域上的振动曲线,获得了轨道板振动的频率范围和轨道板垂向振动加速度的最大峰值频率等特性。(2)设计了单自由度、三种不同结构的两自由度层合圆板压电式垂向振动能量采集器,建立了集中参数模型,列出了运动控制方程和机电耦合方程。采用四阶龙格库塔法研究了单自由度振动采集器的输出特性。针对两自由度压电式振动能量采集器设计方案,运用谐波平衡法,在简谐激励下得到了输出电压和输出功率的幅频响应曲线,该曲线存在两个共振峰,分别对应采集器的一阶固有频率和二阶固有频率。通过直接的数值模拟验证了分析结果的正确性,得到了二级质量块与轨道板间振动能量采集器为最佳的振动能量采集器设计方案,该方案采集器的能量采集效果远高于其他两种方案。对该采集器结构参数进行了优化仿真,发现优化参数后的振动能量采集器采能效率更高,带宽也随之增加。(3)在最优的二级质量块与轨道板间振动能量采集器设计方案中,加入非线性项,研究其非线性特征。通过频响曲线可知,非线性振动能量采集器的正向扫频曲线和反向扫频曲线不重合。在简谐激励下,在三种非线性项设计方案中,对比选出了最优的非线性设计方案。采用了最优非线性项设计方案后,采集器的均方根值输出功率和峰值输出功率有了明显提升。通过研究发现两自由度线性、非线性振动采集器都可以通过调节系统刚度系数、电阻等参数有目的的增强两个共振峰中的任意一个,达到与轨道振动激励谐振的目的。