CN100494721C - 磁流变耦合轮对的可控耦合器 - Google Patents

Abstract

发明名称：磁流变耦合轮对的可控耦合器。所属技术领域为铁道机车车辆包括城市轨道交通车辆。磁流变耦合轮对可整合传统轮对和独立轮对的优点，但磁流变抗沉降稳定性难以解决。本发明利用磁流变耦合轮对在零磁场时要求磁流变液应有较大粘度的特点，利用高粘度的膏状物或胶状物作为载液，彻底解决了静置时磁流变抗沉降稳定性的难题；同时，当线圈中由于异外无电流时，利用表面带有环形槽的永磁体提供初始磁场使磁流体始终具有较高的屈服应力，可能彻底解决由于巨大离心力使磁粒子外移的难题；另外，当保持线圈中的电流产生的磁场方向与永磁体的磁场方向始终一致时，根据对车辆运行状况和线路条件的检测结果改变电流的大小就可改变磁流变的屈服应力，使车辆恒有较好的动力学性能且使磁粒子更难外移。这可能为磁流变耦合轮对应用于高速和超高速铁路解决了最关键的技术问题。

Description

磁流变耦合轮对的可控耦合器

1.技术领域

本发明所属技术领域为铁道机车车辆包括城市轨道交通车辆。

2.背景技术

传统轮对由于存在较大的纵向蠕滑力而具有直线对中和曲线导向功能，但传统车辆在速度较高时容易发生蛇行运动失稳；独立轮对则没有纵向蠕滑力而失去了直线上的对中和曲线上的导向能力，导致轮缘、轨侧磨耗严重甚至脱轨，其优点是在理论上独立轮对车辆的蛇行运动临界速度为无穷大。近年来，由于磁流变流体(Magnetorheological fluids，MRF)技术的发展，为了整合传统轮对和独立轮对各自的优点，我国西南交通大学的池茂儒博士首次提出了磁流变耦合轮对。无疑，磁流变流体的流变性能和耦合器的结构是磁流变耦合轮对车辆能否成功商业运行的核心问题之一，但至今没有解决其磁粒子抗沉降稳定性的问题。

3.发明内容

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：当无外加磁场时，若磁流变流体的动力粘度趋向于零时，此时磁流变耦合轮对演变为独立轮对，这是不希望的情形。因此，对磁流变耦合轮对求讲，当外加磁场为零时，要求磁流变液的动力粘度在一定范围内越大越好，这与磁流变在一般的减振器和离合器中的要求是绝然相反的。故选择动力粘度较大的钙基润滑脂如铁道车辆轴承用钙基润滑脂、或者粘度更高的其它润滑脂、或者其它粘度更高且满足使用条件(如高沸点、高燃点、化学稳定性好、能长期使用、无毒、无腐蚀、无异味)的膏状物或胶状物作为载液；选择外形为球形、直径为20～30um的纯铁粉或者硅钢铁粉作为磁粒子，这样在相同的磁场作用下磁流变的屈服应力较大，由于上述载液在常温下是膏状物或胶状物，分散在其中的磁粒子不会下沉，这样就彻底地解决了静置时磁流变抗沉降稳定性问题。同时，利用永磁体提供一定的外加初始磁场，使磁流变始终处在磁场中，这样既可以使磁流变由于车辆高速运行，在巨大的离心力作用下不会使磁粒子外移和静置时更加不会下沉，又可以降低要求线圈产生的磁场强度，亦即减小了线圈中的电流，具有节能的作用。需要说明的是这个电流的方向是不变的，其产生的磁场方向只能与两个串联的永磁体的磁场方向一致，但能改变大小。由于磁流变流体恒有磁场作用，经过理论计算，当屈服应力大于10kPa时(此时磁场强度不到0.1T)，磁颗粒受到的离心力远小于由于磁流变的屈服应力引起的阻力，磁粒不会外移。

发明人经过对磁流变耦合轮对车辆的大量动力学仿真，发现了当在合适的外加恒定磁场作用下时，亦即各磁流变耦合轮对中磁流变流体的屈服应力始终一定时，在曲线半径较大和线路条件较好的高速铁路上，当车辆以高速或超高速运行时，该型车辆同样具有优良的直线横向动力学性能和较好的曲线通过性能。因此，可采用只有合适剩磁(B_r＝0.3～0.4T)的永磁体提供外加磁场，不需要吊耳、线圈和线圈轴承，这样就不需要检测和控制装置，降低了成本，同时保证了车辆运行的安全失效性。

4.附图说明

图1是本发明的横剖面结构示意图之一。左右未注明名称的是轮对的左右车轮，虚线部分1是磁流变耦合装置的连接部分，左右各一，它们不是耦合器的一部分，当磁流变耦合轮对车辆作为拖车用时是制动盘，作为动车用时是电机驱动的齿轮装置。2.线圈吊耳，3.线圈，4.线圈轴承，5.外耦合盘连接螺栓，6.外耦合盘，7.内耦合盘，8.轴承端盖，9.螺栓，10.磁流变液，11.永磁体，12.外耦合盘隔磁圈，13.永磁体，14.车轴隔磁环，15.螺栓，16.耦合套筒。永磁体11与永磁体13是串联的，即一个永磁体的N极与另一个的永磁体的S极相对，其它也相同，下面不再赘述。

对于图2，同图1相比，只是将两块永磁体从外耦合盘的内侧移到外侧，这样便于加注磁流变液，同时，由于永磁体与外耦合盘紧紧相吸，使永磁体在巨大的离心力作用下不易破碎，改善了连接螺栓的受力条件。

对于图3，同图1相比，只是没有线圈、线圈吊耳和线圈轴承。

对于图4，同图2相比，只是没有线圈、线圈吊耳和线圈轴承。

为了更进一步防止磁流变由于巨大的离心力引起的磁粒外移，可在内耦合盘和与之相邻的永磁体或外耦合盘上开若干环形槽，凹凸相间，见图5。1.内耦合盘，2.磁流变液，3.永磁体(或外耦合盘)，对图1和图3是永磁体，对图2和图4是外耦合盘。由于槽的深度只有1～2mm，故在图1～4中未画出。

5.具体实施方式

现以图1为例说明具体实施过程。

为了整合传统轮对和独立轮对的优点、克服其不足，耦合轮对的左右车轮既不完全固结，也不完全独立。对于磁流变耦合轮对，就是通过磁流变耦合器，使左右车轮达到适当程度的耦合，以获得磁流变耦合轮对车辆较佳的动力学性能。如图1所示：左轮不仅通过圆锥滚子轴承与车轴联接，而且通过耦合套筒16与左侧外耦合盘相连，另外，左右外耦合盘(6为右侧外耦合盘)通过由铸造铝合金做成的隔磁圈12和隔磁螺栓5联成一体。两个外耦合盘通过球轴承、隔磁环14与车轴相连，这样两个外耦合盘就与左轮转速一致；内耦合盘7经由隔磁环14与车轴相连，内耦合盘7同车轴隔磁环14之间、车轴隔磁环14同车轴之间均为过盈配合，这样内耦合盘7与右轮转速相同。永磁体13与左侧外耦合盘通过导磁螺栓相连，永磁体11与右侧外耦合盘通过导磁螺栓9相连。当车辆前进时，由于位于两永磁体中间的磁流变液10的阻尼作用，使左右车轮的转速不同，当线圈中的电流增大时，磁流变液10的屈服应力增大，使左右车轮的转速差变小，当线圈中的电流减小时，磁流变液10的屈服应力减小，使左右车轮的转速差变大，这样左右车轮可以始终相互作用，达到了耦合的目的。线圈3中的电流是根据车辆的运行状态和线路实际状况的检测结果进行改变的，目的是为了使车辆恒具有较佳的动力学性能。另外，两外耦合盘之间的铝制隔磁环12实为2瓣，较小的一瓣圆周长为100mm左右，其目的是便于以后添加磁流变液；轴向磁流变液的单边厚度为0.8～1.5mm。

由于制动盘或驱动齿轮箱1的阻隔，左侧外耦合盘增加了一部分，这部分通过螺栓15与耦合套筒16固结。左侧外耦合盘的中间轴向间隙为80～100mm，该间隙过小，一则影响扳手空间，二则会聚集有效磁力线，使磁流变液10的磁场强度减小；间隙过大，就有可能影响位于左侧外耦合盘内部的轴承端盖的装配。

线圈3内的线圈轴承4与两个外耦合盘过盈配合相连，线圈上的吊耳2通过钢索与构架相连，这样以保证线圈接线位置的移动量较小，方便电流接入。

永磁体11和13的作用是保证线圈3中无电流时磁流变液已受到一定的磁场作用，目的是为了使磁流液10任何时刻均有一定大小的屈服应力。这既可使磁粒在离心力的作用下不会外移和静置时更加不会下沉，又可减小线圈中实际所需的电流。需要说明的是这个电流的方向是不变的，其产生的磁场方向只能与永磁体的磁场方向一致，但能改变大小。

还需要指出的是：所有的轴承均为自密封轴承且隔磁，两个轴承端盖8对轴承外圈起固定作用。

对于图2，同图1相比，只是将两块永磁体从外耦合盘的内侧移到了外侧，其优点在于永磁体受力合理，外耦合盘内侧开环形槽方便；缺点是磁流变液受到的磁场有些削弱。其实施过程与图1完全相同。

对于图3，同图1相比，只是无线圈、吊耳和线圈轴承，但两块永磁体的磁场较图1的要强。这种结构只适用于曲线半径较大、线路条件较好的的高速铁路上，其左右车轮耦合程度不能调节。

对于图4，同图2相比，只是无线圈、吊耳和线圈轴承，但两块永磁体的磁场较图2的要强。这种结构同样只能适用于曲线半径较大、线路条件较好的高速铁路上，其左右车轮耦合程度不能调节。

Claims (2)

1、一种耦合轮对的可控磁流变耦合器，包括制动盘(1)、线圈吊耳(2)、线圈(3)、线圈轴承(4)、外耦合盘连接螺栓(5)、外耦合盘(6)、内耦合盘(7)、轴承端盖(8)、螺栓(9)、磁流变液(10)、第一永磁体(11)、外耦合盘隔磁圈(12)、第二永磁体(13)、车轴隔磁环(14)、螺栓(15)、耦合套筒(16)，耦合轮对的左轮通过圆锥滚子轴承与车轴联接并通过所述耦合套筒(16)与左侧外耦合盘相连，左右两个所述外耦合盘(6)通过由铸造铝合金做成的所述隔磁圈(12)和所述连接螺栓(5)联成一体，两个外耦合盘(6)通过球轴承、所述隔磁环(14)与车轴相连，这样两个外耦合盘就与左轮转速一致，所述内耦合盘(7)经由所述隔磁环(14)与车轴相连，内耦合盘(7)同车轴隔磁环、车轴隔磁环同车轴之间均为过盈配合，这样内耦合盘(7)与右轮转速相同，第二永磁体(13)与左侧外耦合盘通过导磁螺栓相连，第一永磁体(11)与右侧外耦合盘通过导磁螺栓相连，左侧外耦合盘增加了一部分，这部分通过螺栓(15)与所述耦合套筒(16)固结，所述线圈轴承(4)与两个外耦合盘过盈配合连接，线圈上的线圈吊耳(2)通过钢索与构架相连；其特征在于，磁流变液(10)的载液为高粘度的钙基润滑脂、或者粘度更高的其它润滑脂，这样可解决磁流变液(10)中的磁粒在磁流变液(10)静置时抗沉降稳定性的问题。

2、根据权利要求1所述的耦合轮对的可控磁流变耦合器，其特征在于利用两个相同的第一永磁体(11)、第二永磁体(13)始终提供一定强度的初始磁场，使磁流变液(10)始终具有一定的屈服应力，可使磁流变液(10)中的磁粒在磁流变(10)静置时就更加不会下沉。

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