CN101357640B - 铁道车辆的抑制振动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可抑制台车的横摆振动的铁道车辆的抑制振动装置。抑制车体(10)相对于台车(3)的横摆的铁道车辆(1)的抑制振动装置，包括：根据车体(10)的横向加速度检测信号，为抑制车体(10)的横摆而采用天钩半主动控制律控制减震器(9)的减震力的第1控制模式、为抑制台车(3)的横摆振动而使减震器(9)动作的第2控制模式、根据车体(10)的横向加速度检测信号和上下方向加速度检测信号来判定台车(3)是否发生横摆振动的判定单元、在台车(3)发生横摆振动时从第1控制模式切换到第2控制模式的切换单元。

Description

铁道车辆的抑制振动装置

技术领域

本发明涉及一种抑制车体的横摆的搭载有半主动悬架的铁道车辆的抑制振动装置。

背景技术

铁道车辆由于在行驶时受到横向风、轨道干扰等，车体向横向摆动。

为了抑制车体的横摆，有的车辆搭载有用于抑制振动的、不需要动力源的半主动悬架。

例如如日本特开平10-297485号公报所示，这种半主动悬架由用于吸收车体从台车受到的冲击的气垫、随着车体相对于台车的横摆而进行伸缩的减震器、用于检测车体的横向加速度的加速度传感器、根据加速度传感器的检测信号来控制减震器的动作的控制器等。

通过采用天钩(skyhook)半主动控制律来控制减震器的动作，从而利用减震器的振动能而有效抑制车体的横摆。

铁道车辆的与轨道滚动接触的车轮的踏面上设有坡度，由于该坡度使得左右车轮分别朝向左右轨道的内侧，因此，有在直线区间行驶时等台车蜿蜒行进的倾向。

通过适当设定设于车轮踏面的坡度、并适当设定设于悬架上的套管类的硬度等，可抑制这种台车的蜿蜒行进。

但是，在车轮踏面逐渐磨损、或套管类随时间而逐渐老化时，或者在轨道条件较差的地方行驶时，有时不能抑制台车的蜿蜒行进，台车会产生高频的横摆振动。

对于搭载了半主动悬架的铁道车辆，在台车产生了高频的横摆振动时，若进行天钩半主动控制，则可抑制车体的横摆振动，但有时由于减震器的减震力不足，而不能充分抑制台车的横摆振动。

发明内容

本发明是鉴于上述问题点而作出的，其目的在于提供一种可抑制台车的横摆振动的铁道车辆的抑制振动装置。

本发明提供一种铁道车辆的抑制振动装置，抑制车体相对于台车的横摆，该抑制振动装置包括：减震器，该减震器的减震力可变，随车体相对于台车的横摆而进行伸缩；加速度检测单元，用于检测车体的横向加速度和上下方向加速度；第1控制模式，根据车体的横向加速度检测信号，为抑制车体的横摆而采用天钩半主动控制律控制减震器的减震力；第2控制模式，为了抑制台车的横摆振动而使减震器工作；判定单元，根据车体的横向加速度检测信号和上下方向的加速度检测信号来判定台车是否发生横摆振动；切换单元，在台车发生横摆振动时，从第1控制模式切换到第2控制模式，上述第2控制模式控制为：使得上述减震器的减震力在伸长侧行程和压缩侧行程这两个行程产生。

根据本发明，在通常行驶时，通过天钩半主动控制来控制减震器的减震力，可抑制车体的横摆，使乘坐感觉保持良好。

另一方面，在由于台车蜿蜒行进而在台车上产生高频的横摆振动时，通过切换减震器的动作，可抑制台车的高频横摆振动，提高铁道车辆的行驶稳定性。

附图说明

图1是表示本发明实施方式的铁道车辆的抑制振动装置的系统图。

图2是减震力可变减震器的结构图。

图3是表示进行控制改变处理的顺序的流程图。

图4是表示进行通常控制复位处理的顺序的流程图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的实施方式。

图1是表示铁道车辆的抑制振动装置的系统图。如图1所示，铁道车辆1包括在轨道2上进行行驶的台车3、用于承载人或货物的车体10。在铁道车辆1的前部和后部各设有1台台车3。

台车3包括在左右的轨道2上滚动的左右的车轮4、可自由旋转地支承各车轮4的车轴5、设于车轴5与台车框6之间的左右的悬架弹簧7。各悬架弹簧7相对于台车框6支承车轴5，吸收车轴5的上下方向的动作。

车轮4具有与轨道2滚动接触的踏面4a。在踏面4a上设有相对于车轮4的旋转中心线倾斜的坡度。设于左右车轮4上的踏面4a的坡度以相互相反的方式朝向轨道2的外侧，左右车轮4在重力作用下而朝向左右轨道2的内侧。

在台车3与车体10之间左右设有空气弹簧8。各空气弹簧8相对于台车3支承车体10，吸收台车3的上下方向的运动。

在台车3与车体10之间设有减震器9。减震器9相对于车辆1的行进方向而向水平横向(以下简称为横向)伸缩，抑制车体10的横向振动。

减震器9是减震力可变减震器，可改变施加于随其伸缩而流动的工作油(工作流体)的阻力，构成半主动悬架。根据从控制器20送来的信号无级切换减震器9的减震力。

图2是减震力可变减震器的结构图。如图2所示，减震器9具有可滑动地收容于作动缸32内的活塞34、和与活塞34结合的活塞杆33。作动缸32连结于台车3和车体10中的一方部件上，活塞杆33连结于其中另一方部件上，通过车体10相对于台车3向横向相对位移，从而活塞34和活塞杆33相对于作动缸32进行滑动。

由活塞34将作动缸32内分隔成杆侧压力室35和端侧压力室36。在作动缸32的外侧设有罐室37。

减震器9具有将工作油从杆侧压力室35引导到罐室37的单向通道41、对工作油从罐室37流向端侧压力室36的流动闭阀的压缩侧止回阀51、对工作油从端侧压力室36流向杆侧压力室35的流动开阀的伸长侧止回阀52。

在减震器9进行收缩动作的压缩侧行程中，压缩侧止回阀51关闭，伸长侧止回阀52打开，相当于活塞杆33的进入体积的量的工作油通过节流孔53和单向通道41而从杆侧压力室35流入罐室37。

在减震器9进行伸长动作的伸长侧行程中，伸长侧止回阀52关闭，压缩侧止回阀51打开，工作油通过节流孔53和单向通道41而从杆侧压力室35流入罐室37。

活塞34和活塞杆33的截面面积之比为2∶1，在减震器9的压缩侧行程和伸长侧行程中，流过节流孔53和单向通道41的工作油的流量相等，可得到相同的衰减特性。

在单向通道41上并列安装有比例电磁减压阀42和衰减阀43，并安装有将工作油选择引导到比例电磁减压阀42或衰减阀43的电磁切换阀44。比例电磁减压阀42根据来自控制器20的信号改变闭阀压力。衰减阀43与减震器9的速度成比例地提高减震力。在控制器20发生异常等时，电磁切换阀44被切换到将工作油引导到衰减阀43的位置，则减震器9起到使衰减系数保持恒定的被动减震器(passive damper)的作用。

减震器9具有连通杆侧压力室35与端侧压力室36的连通路45，在该连通路45上安装有伸长侧卸载阀46。

减震器9具有连通端侧压力室36与罐室37的连通路47，在该连通路47上安装有压缩侧卸载阀48。

电磁切换阀44、比例电磁减压阀42、伸长侧卸载阀46、压缩侧卸载阀48按照来自控制器20的信号而进行开闭动作。

在进行天钩半主动控制时，控制器20使伸长侧卸载阀46和压缩侧卸载阀48中的一方开阀而接通，使另一方闭阀而截止，将电磁切换阀44切换到将工作油引导到比例电磁减压阀42的位置，并控制比例电磁减压阀42的开阀压力。

在进行使伸长侧卸载阀46开阀而接通、使压缩侧卸载阀48闭阀而截止的天钩半主动控制时，在减震器9进行伸长动作的伸长侧行程中，从杆侧压力室35流向端侧压力室36的工作油通过伸长侧卸载阀46而流动，产生由通道压力损失引起的极低的减震力。另一方面，在减震器9进行收缩动作的压缩侧行程中，从杆侧压力室35流向罐室37的工作油通过单向通道41而流动，由比例电磁减压阀42产生基于控制指令的减震力。

在进行使伸长侧卸载阀46闭阀而截止、使压缩侧卸载阀48开阀而接通的天钩半主动控制时，在减震器9进行伸长动作的伸长侧行程中，从杆侧压力室35流向端侧压力室36的工作油通过单向通道41而流动，由比例电磁减压阀42产生基于控制指令的减震力。另一方面，在减震器9进行收缩动作的压缩侧行程中，从端侧压力室36流向罐室37的工作油通过压缩侧卸载阀48而流动，产生由通道压力损失引起的极低的减震力。

如图1所示，在车体10上的位于台车6正上方大致中央部的位置设置加速度传感器15，作为检测车体10的加速度的检测单元。加速度传感器15是检测2轴加速度的单元，检测车体10的横向加速度ax，同时检测车体10的上下方向加速度az。

另外，也可以设置两个检测单轴加速度的加速度传感器来作为检测车体10的加速度的检测单元。

控制器20输入加速度传感器15的检测信号，采用天钩半主动控制律的原理控制减震器9所产生的减震力。

该天钩半主动控制律是：在不动的壁与车体10之间设置假想减震器，在假想减震器所产生的减震力的方向与减震器9所产生的减震力的方向相同时，将该假想减震器所产生的减震力作为减震器9的减震力；在假想减震器所产生的减震力的方向与减震器9所产生的减震力的方向相反时，将减震器9所产生的减震力作为由通道压力损失引起的极低的减震力。

作为天钩半主动控制的一例子，设X为车体10的横向位移、Y为台车3的横向位移、dX/dt为车体10的横向绝对速度。d(X-Y)/dt为台车3相对于车体10的横向相对速度、Cs为天钩衰减系数，则如下那样运算减震力F。

在(dX/dt)×{d(X-Y)/dt}≥0时，用下式运算减震力F。

F＝Cs×(dX/dt)    ...(1)

在(dX/dt)×{d(X-Y)/dt}＜0时，则使减震力F为F≈0。

控制器20将基于减震力F的指令信号输出到减震器9，减震器9产生减震力F。

然而，在车轮4的踏面4a逐渐磨损、或未图示的套管类随时间逐渐老化时，台车3蜿蜒行进，台车3发生横摆振动。

在台车3发生了横摆振动的情况下，当与通常行驶时同样地进行天钩半主动控制时，由于为了使减震器9不将台车3的动作传递到车体10上而使台车3的振动绝缘，因此有时会助长台车3蜿蜒行进的动作，可能有减震器9不能控制台车3的横摆而妨碍铁道车辆1的高速行驶。

对此，控制器20根据车体10的加速度检测信号来判断台车3的是否发生横摆振动，改变减震器9的控制模式，以使得在发生横摆振动时该减震器9抑制台车3的振动。

控制器20在台车3不发生横摆振动的通常行驶时作为天钩衰减系数Cs，基于公式(1)来运算减震力F，进行对抑制车体10振动的减震器9的天钩半主动控制。另一方面，在台车3发生横摆振动时，使减震力F不依存于车体10的横向的绝对速度dX/dt，而使减震力F为恒定，抑制台车3的横摆振动。具体而言，使施加于比例电磁减压阀42的指令值为恒定，使伸长侧卸载阀46闭阀，使压缩侧卸载阀48闭阀。

控制器20作为根据车体10的加速度检测信号来判定台车3是否发生横摆振动的判定单元，利用加速度传感器15根据车体10的横向加速度ax和上下方向加速度az来判定台车3是否发生横摆振动。

在台车3发生横摆振动时，由于台车3蜿蜒行进，所以车体10向横向摆动，并且台车3因设于各车轮4的踏面4a上的坡度而通过悬架弹簧7向上下方向摆动，车体10通过空气弹簧8向上下方向摆动。当进行减震器9的天钩半主动控制时，可将车体10的横向加速度振幅(加速度变化量)Ax抑制得较小，不能抑制车体10的上下方向的加速度振幅(加速度变化量)Az。因此，通过将车体10的上下方向的加速度振幅Az与车体10的横向加速度振幅Ax一并检测出，能够容易判定台车3是否发生横摆振动。

接着，按照图3的流程图说明控制器20所执行的根据车体10的加速度检测信号来判定台车3是否发生横摆振动的控制动作。

首先，在步骤1，对加速度传感器15的检测信号进行过滤处理，读入车体10的横向加速度ax和上下方向加速度az。

接着，在步骤2，设在经过规定时间T的期间所读入的加速度ax的最大值Max(ax)与最小值Min(ax)之差为加速度振幅Ax、加速度az的最大值Max(az)与最小值Min(az)之差为加速度振幅Az，并求出上述加速度振幅Ax、Az。

接着，在步骤3，对横向加速度振幅Ax乘以横向加速度加权系数α而得到α·Ax，对上下方向加速度振幅Az乘以上下方向加速度加权系数β而得到β·Ax，判定α·Ax与β·Ax之和、即α·Ax+β·Ax是否是规定阈值Max1以上。

在此，当判定为α·Ax+β·Ax低于规定阈值Max1时，进入步骤8，清除异常计数值Cz。

另一方面，当判定为α·Ax+β·Ax是规定阈值Max1以上时，则进入步骤4，对异常计数值Cz计数。

接着，在步骤5，判定计数值Cz是否达到判定值Cza。

在此，当判定为判定计数值Cz达到了判定值Cza时，进入步骤6，建立发生横摆振动时判定位B。

接着，在步骤7，将异常计数值Cz初始化，结束本程序。

当这样建立横摆振动时判定位B时，在其他程序，不依存于第2控制模式的车体10的横向绝对速度dX/dt，而使减震力F为恒定。由此，由减震器9的动作抑制台车3的横摆，可提高铁道车辆1的行驶稳定性。

接着，按照图4的流程图说明控制器20所执行的根据车体10的加速度检测信号来判定是否是消除台车3横摆振动的消除横摆振动的控制动作。

首先，在步骤11，对加速度传感器15的检测信号进行过滤处理，读入车体10的横向加速度ax和上下方向加速度az。

接着，在步骤12，设在经过规定时间T的期间所读入的加速度ax的最大值Max(ax)与最小值Min(ax)之差为加速度振幅Ax、加速度az的最大值Max(az)与最小值Min(az)之差为加速度振幅Az，并求出上述加速度振幅Ax、Az。

接着，在步骤13，对横向加速度振幅Ax乘以横向加速度加权系数α而得到α·Ax，对上下方向加速度振幅Az乘以上下方向加速度加权系数β而得到β·Ax，判定α·Ax与β·Ax之和、即α·Ax+β·Ax是否是规定阈值Min1以下。

在此，当判定为α·Ax+β·Ax高于规定阈值Min1时，进入步骤18，清除异常计数值Rz。

另一方面，当判定为α·Ax+β·Ax是规定阈值Min1以下时，则进入步骤14，对计数值Rz计数。

接着，在步骤15，判定计数值Rz是否达到判定值Rza。

在此，当判定为判定计数值Rz达到了判定值Cza时，进入步骤16，清除发生横摆振动时判定位B。

接着，在步骤17，将复位计数值Rz初始化，结束本程序。

当这样清除横摆振动时判定位B时，在其他路径，将第1控制模式的天钩衰减系数作为Cs，基于公式(1)运算减震力F，来进行对抑制车体10的振动的减震器9的天钩半主动控制。由此，由减震器9的动作抑制车体10的横摆，可使乘坐感觉保持良好。

如上所述，在本实施方式中，抑制车体10相对于台车3的横摆的铁道车辆1的抑制振动装置，包括：随车体10相对于台车3的横摆而进行伸缩的、减震力可变的减震器9、用于检测车体10的横向加速度和上下方向加速度的加速度传感器(加速度检测单元)15，还包括：根据车体10的横向加速度检测信号，为抑制车体10的横摆而采用天钩半主动控制律控制减震器9的减震力的第1控制模式、为抑制台车3的横摆振动而使减震器9动作的第2控制模式、根据车体10的横向加速度检测信号和上下方向加速度检测信号来判定台车3是否发生横摆振动的判定单元、在台车3发生横摆振动时从第1控制模式切换到第2控制模式的切换单元。

因此，在通常行驶时，通过天钩半主动控制来控制减震器9的减震力，可以抑制车体10的横摆，使乘坐感觉保持良好。另一方面，在由于台车3蜿蜒行进而在台车3上产生高频的横摆振动时，通过切换减震器9的动作，可抑制台车3的高频横摆振动，提高铁道车辆1的行驶稳定性。

作为第2控制模式，起到在台车3发生横摆振动时使减震器9的减震力为恒定的被动减震器的作用，从而可由减震器9产生的减震力抑制台车3的横摆，提高铁道车辆1的行驶稳定性。

作为第2控制模式，在台车3发生横摆振动时使伸长侧卸载阀46、压缩侧卸载阀48这两个阀都闭阀而截止，在减震器9进行伸缩动作时不成为卸载状态，从而借助减震器9在压缩侧行程和伸长侧行程都产生的减震力，可抑制台车3的高频的横摆振动，提高铁道车辆1的行驶稳定性。

由于根据车体10的加速度检测信号来判定台车3是否发生横摆振动，所以不需要在台车3上设置加速度传感器等，可抑制装置增加成本。

即使由于台车3蜿蜒行进而使台车3发生横摆，在根据车体10的加速度检测信号而天钩半主动控制减震器9的动作来抑制车体10的横摆的行驶状态下，可将车体10的横摆抑制得较小，从而车体10的横向加速度振幅较小。因此，难以根据车体10的横向加速度振幅来判定台车3是否发生横摆振动。

然而，在台车3发生横摆振动时，由于台车3蜿蜒行进，台车3因设于各车轮4的踏面4a上的坡度而通过悬架弹簧7进行上下方向摆动，车体10通过空气弹簧8进行上下方向摆动。因此，通过检测车体10的上下方向加速度振幅Az，能够确实判定台车3是否发生横摆振动。

在本实施方式中，根据由2轴加速度传感器15检测出的车体10的横向加速度振幅Ax和上下方向加速度振幅Az来判定台车3是否发生横摆振动，因此，能够准确判定台车3是否发生横摆振动。

另外，作为判定台车3是否发生横摆振动的参数，可以对车体10的上下方向加速度振幅Az和横向加速度振幅Ax中任一方的值超过阈值的次数进行计数，在计数值超过了规定次数时，判定为台车3发生横摆振动。

此外，也可以对上下方向加速度振幅Az和横向加速度振幅Ax中双方的值超过阈值的次数进行计数，在计数值超过了规定次数时，判定为台车3发生横摆振动。

另外，作为判定台车3是否发生横摆振动的参数，可以使用横向加速度ax和上下方向加速度振幅az之和ax+az，对该和ax+az超过阈值的次数进行计数，在计数值超过了规定次数时，判定为台车3发生横摆振动。

在本实施方式中，由于在台车3发生横摆振动时使减震器9的减震力为恒定，所以可抑制台车3的横摆，提高铁道车辆1的行驶稳定性。

作为其他实施方式，可以在台车3发生横摆振动时继续进行天钩半主动控制，由车体10的横向绝对速度dX/dt与天钩衰减系数Cs之积求出减震器9的减震力F，在台车3发生横摆振动时提高天钩衰减系数Cs。此时，在台车3蜿蜒行进而使台车3发生横摆振动时，通过提高减震器9的减震力F，可抑制台车3的横摆，提高铁道车辆1的行驶稳定性。

作为其他实施方式，可以在台车3发生横摆振动时将图2所示的电磁切换阀44切换到将工作油引导到衰减阀43的位置，起到使减震器9的衰减系数为恒定的无源减震器的作用。

此时，在通常行驶时，在单向通道41流通的工作油被引导到比例电磁减压阀42，由控制器20对比例电磁减压阀42的开阀压力进行天钩半主动控制。由此，可抑制车体10的横摆，使乘坐感觉保持良好。

另一方面，在台车3发生横摆振动时切换电磁切换阀44的位置，将在单向通道41流动的工作油引导到衰减阀43。衰减阀43具有与减震器9的速度成比例地提高减震力的特性，借助减震器9产生的减震力，可抑制台车3的横摆，提高铁道车辆1的行驶稳定性。

本发明不限于上述实施方式，应该清楚的是，在其技术构思的范围内可以进行各种变更。

Claims (4)

1.一种铁道车辆的抑制振动装置，抑制车体相对于台车的横摆，其特征在于，该抑制振动装置包括：

减震器，该减震器的减震力可变，随上述车体相对于上述台车的横摆而进行伸缩；

加速度检测单元，用于检测上述车体的横向加速度和上下方向加速度；

第1控制模式，根据上述车体的横向加速度检测信号，为抑制上述车体的横摆而采用天钩半主动控制律控制上述减震器的减震力；

第2控制模式，为了抑制上述台车的横摆振动而使上述减震器工作；

判定单元，根据上述车体的上下方向的加速度检测信号来判定上述台车是否发生横摆振动；

切换单元，在上述台车发生横摆振动时，从上述第1控制模式切换到上述第2控制模式，

上述第2控制模式控制为：使得上述减震器的减震力在伸长侧行程和压缩侧行程这两个行程产生。

2.根据权利要求1所述的铁道车辆的抑制振动装置，其特征在于，作为上述第2控制模式，使上述减震器的减震力为恒定。

3.根据权利要求1所述的铁道车辆的抑制振动装置，其特征在于，作为上述第2控制模式，使上述减震器的衰减系数为恒定。

4.根据权利要求1所述的铁道车辆的抑制振动装置，其特征在于，除了根据上述车体的上下方向的加速度检测信号之外，还根据车体的横向的加速度检测信号来判定上述台车是否发生横摆振动。

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