CN101870299A - 动车组辅助转弯组合结构与辅助转弯方法 - Google Patents

Abstract

一种动车组辅助转弯组合结构及辅助转弯方法，由地面设施和车载装置两部分组成，所述地面设施包括铺设在辅助转弯段两轮轨中间呈曲线延伸的曲线侧轨、驶入该曲线侧轨前的导引直线J段、驶出后的导引直线CH段；所述车载装置设置于车体内，具有可下降至与所述曲线侧轨相互作用位置的径向受力块，其通过与所述曲线侧轨相互作用使车辆转向架获得向心力，打破转弯速度与转弯半径、外轨超高值原工程参数的制约，以进一步提高运行速度，并可减少对原路轨的侧向磨耗，且有益新路线的选线。

Description

动车组辅助转弯组合结构与辅助转弯方法

技术领域

本发明涉及一种列车车辆辅助转弯结构与方法，尤其涉及一种动车组辅助转弯组合结构与辅助转弯方法。

背景技术：

速度矢量变向、转弯，需要向心加速度。轨道车辆通常是利用路面倾斜产生的重力分量来提供转弯向心力，但为了使车辆低速或静止时不倾倒，轨道外轨超高值受到限制(最大180mm)；利用车轮-轨道的摩擦力及车轮缘与轨道侧缘的相互挤压作用提供向心力的方法，对轮轨磨耗很大，要求车轮与轨道强度较高；因转弯速度与转弯半径密切相关，随着车速提高，或要求增大转弯半径(德国规定最小R7000mm)，或限定转弯速度，使高速列车被迫低速行驶，动车组的最大车速优势不能充分发挥。这些基于传统路轨制定的重要参数制约了“高速”的发展，曲线路段成了发展“高速”的瓶颈；“高速”是社会发展的需要，在世界范畴内，动车组有着明显、强劲的发展趋势。但是，由于上述的制约条件，以及动车组“最大车速”已接近极限！在提高“运行速度”上求高速，变得更加现实，特别是在新建线路的选线上或在传统线路基础上改造的路轨上“高速”运行，是目前所面临的现实问题。

发明内容

本发明目的在于，提供一种动车组辅助转弯组合结构与辅助转弯方法，以克服上述传统技术所面临的技术缺陷，通过在路轨的弯道处产生附加的向心力，协助列车“高速”转向，减少路面倾斜、缩短转弯半径，并降低轮轨磨耗。基于上述目的，本发明的指导思想在于：

1.突破“转弯半径、外轨超高值、转弯限速和‘缓和曲线’(直线过度到等半径圆曲线的一段线路)长度”等主要框架参数对动车组提速、选线路的制约；

2.为动车组选新线提供了灵活空间，避免了隧道、路堑等一些昂贵工程；

3.在已有转弯路段上，原有动车组可不按原规定的速度转弯，“超速”通过原曲线路段，以技术手段提高运行速度，实现再提速；

4.动车组转弯时，可满足同一列车、不同转向架对向心力的不同需求。

本发明一种动车组辅助转弯组合结构，由地面设施和车载装置两部分组成，其特征在于，所述地面设施包括铺设在辅助转弯段两轨道中间呈曲线形式的曲线侧轨，其进一步包括由缓和曲线段和曲线段构成的缓和曲线-曲线路段和动车组驶入该段前的导引直线J段、驶出后的导引直线CH段，J段通过切入点与缓和曲线段连接，CH段通过切出点与缓和曲线段连接，在J段前、CH段后设有用于控制所述车载转弯装置工作状态的转弯电子站；

所述车载装置设置于车体内，垂直于路面，主要由滑槽、滑柱、径向受力块、和位置/压力传感器与执行机构组成，径向受力块位于滑柱底端，其垂直升降受控于自动控制系统，其下降后，可与所述曲线侧轨相互作用，对使车辆转向架产生获得向心力。一种采用上述动车组辅助转弯组合结构的动车组辅助转弯方法，包括：

进入辅助转弯段的列车经过转弯电子站时，自动控制系统被触发启动，车辆进入导引直线J段时，车载转弯装置中的滑柱带动径向受力块向下伸出车体，径向受力块逐渐靠近地面上静止的导引侧轨；进而，径向受力块越过切入点进入缓和曲线-曲线路段，开始与曲线侧轨产生电磁或机械接触，并据此产生一对径向力，使该转向架获得辅助向心力；当动车组越过切出点驶入导引直线CH段时，该径向受力块与曲线侧轨脱离，滑柱带动径向受力块收回车体内完成转向动作。

更详细地，本发明所述动车组辅助转弯组合结构是由地面设施和车载装置两部分组成：

所述地面设施铺设在辅助转弯段两轨道中间、呈曲线轨道形式，称为曲线侧轨，其曲率与一侧的轨道曲率相适应，如平行曲线，或是向外张开一小角度的直线，它不可影响动车组通过，如不影响车头排障器的通过；

“辅助转弯段”包括原缓和曲线段、曲线段构成的缓和曲线-曲线路段和动车组驶入缓和曲线段前的导引直线J段(简称J段)、驶出后的导引直线CH段(简称CH段)，在J段与缓和曲线段间有切入点，在缓和曲线与CH段间有切出点，切入点、切出点和J段、CH段的命名，仅是相对动车组运行方向而言，在J段前、CH段后设有用于控制车载转弯装置工作状态的转弯电子站，转弯电子站的功能亦可通过如地面指挥调度中心、列控系统等其他形式实现。

所述“车载转弯装置”是一组随动车组高速行驶，隐于车体内，垂直于路面，主要由滑槽、滑柱、径向受力块和位置/压力传感器与执行机构组成的组件，径向受力块位于滑柱底端，其垂直升降受控于自动控制系统，当与地面静止的曲线侧轨相接触时，产生一对向心力，通过对径向受力块与曲线侧轨相对侧面的磁场(或励磁电流)的主动地控制，或通过对接触处的机械正压力主动地控制，可满足车辆(转向架)对向心力大小的需求，该机构可包括可控制径向力(即向心力)大小的主动式转弯组合，和不控制径向力(即向心力)大小的被动式转弯组合两种形式；依据曲线侧轨与径向受力块相互作用的物理性质，又可分为“非接触电磁型转弯组合结构”和“机械接触型转弯组合结构”两种形式。其中，为满足大向心力的需求，“电磁型转弯组合结构”的初级或次级可以是永磁式也可以是电磁式。电磁式又分：电磁型F和电动型E两种类型，作为成熟的直线电机形式，本发明不予限制。需要说明的是，其所产生的电磁力，可以是“吸引力”，也可以是“排斥力”，侧轨(包括曲线侧轨和导引直线侧轨)可选择设置在电磁铁构成的径向受力块外侧或内侧，均以产生列车转弯时的向心力为准，并不违背本发明的精神实质。

当车辆经过转弯电子站时，自动控制系统被触发启动，各车辆转向架依次进入导引直线J段时，该车载转弯装置中的滑柱-径向受力块自动伸出车体，径向受力块渐渐与地面上静止的曲线侧轨安全接触，包括电磁接触，据此产生一对径向力，径向受力块在缓和曲线段和曲线段获得的径向力，使转向架及车辆获得辅助向心力，使动车组突破了“转弯半径”、“外轨超高值”和“缓和曲线长度”等传统参数制约，能确保动车组高速安全转弯，使动车组的“最大速度”得到充分发挥；当动车组各转向架依次驶入导引直线CH段时，该径向受力块与曲线侧轨安全脱离，滑柱-径向受力块自动收回车体内，动车组在辅助转弯组合结构辅助下，在小转弯半径和小超高值条件下，以超越原规定的转弯速度完成高速转弯，随后进入直线行驶，在动车组原“最大速度”基础上，进一步提高了运行速度，并不会对原路轨产生更大的侧向磨耗；根据转弯路段的有关参数，动车组的速度和动车组不同转向架分摊的负荷质量，同一动车组各转向架可获得不同的、最佳的“辅助向心力”，与动力分散型动车组特征相匹配，依靠各转向架和车底架等的机械联系，再通过自控系统的协调、互补，可使列车获得最佳转弯效果。

以下结合附图通过具体实施例详细说明本发明的中心思想。

附图说明

图1：列车直线行驶、未转弯时主动式电磁型转弯组合结构示意图；

图2：辅助转弯路段与曲轨、及曲轨断面示意图；

图3：转弯时主动式电磁型转弯组合结构示意图；

图4：主动式机械接触型转弯组合结构转弯时的示意图；

图5：图4中的A-A向视图。

图6：以力电机代替图4中水平液压系统的主动式机械接触型转弯组合结构转弯时的示意图。

具体实施方式

各图中相同的标记表示相同的部件。

参见图1、3，图中包括：铁磁曲线侧轨断面1；电磁铁2；T型横梁3；滑槽4；滑柱5；升降板6；升降液压杆7；升降液压缸8；升降液压座9；励磁绕组11；车体底部封板12；路基13；向心力方向14；

参见图2，图中包括：导引直线J段21；由缓和曲线段和曲线段构成的缓和曲线-曲线路段23；曲线侧轨24(显示其延伸方向)，当其在主动式电磁型转弯组合结构中时，曲线侧轨24具有铁磁曲线侧轨断面1；而当其在主动式机械接触型转弯组合结构中时，曲线侧轨24具有导引侧轨断面214；缓和曲线-曲线路段23分别通过切入点22和切出点25，与两端的导引直线J段21和导引直线CH段26连接；主动式机械接触型转弯组合结构CH段的导引直线侧轨27(虚线显示)；转弯电子站28；主动式电磁型转弯组合结构CH段中直线形的导引直线侧轨29；主动式电磁型转弯组合结构J段、CH段的导引直线侧轨212、29的平板型断面210；主动式机械接触型转弯组合结构J段中直线形的导引直线侧轨213(虚线显示)；转弯电子站215；径向受力块216；

参见图4、5，图中包括：主动式机械接触型转弯组合结构的导引侧轨断面214；滚轮42(图2中径向受力块216的一种实施形态)；n型水平轴支架411；短轴415；水平液压杆416；水平液压缸417；水平液压受力挡板418；短轴419；定位条420；

参见图6，与图4大致相同，仅仅以力电机616代替了图4中的水平液压系统。

实施例1.主动式电磁型转弯组合结构

主动式电磁型转弯组合结构为非接触型，如图1、2所示，地面设施中展示了铁磁曲线侧轨断面1，铁磁曲线侧轨24铺设在路基13上，在导引直线J段21和导引直线CH段26两轮轨间的导引直线侧轨212、29与两轮轨中心线不平行地张开一小角度，其均具有平板形断面210，在缓和曲线-曲线路段23两轨中间的曲线侧轨24、本实施例中为成本低、结构简单的一条铁磁次级，具有铁磁曲线侧轨断面1(C型断面，其断面亦可有其他各种适合的形状，如延续两端直线导引侧轨的平板型)。

主动式电磁型转弯组合结构中的车载转弯装置隐于车体内，如图1所示，具有滑槽4，其可有各种类型，如圆筒形、燕尾槽等，通过T形横梁3垂直安装在列车走行部车轮对前或后的构架上(图未示)，滑柱5具有与滑槽4配套的相应形状，露在车体底部封板12下面的滑柱5部分相应于列车前进方向具有流线型气动外形，滑柱5与升降板6固接，升降执行机构的升降液压杆7上端与升降板6之间、升降液压缸8下端与升降液压座9之间分别用球型铰链连接，升降液压座9与滑槽4固连，滑柱5底端为绕有励磁绕组11的电磁铁2，即径向受力块216的一种非接触型实施方式。

当动车组行驶在导引直线J段21前，转弯电子站215将本辅助转弯段参数输给动车组，并接受动车组传递的各转向架分摊质量、实时车速等信息，在判断出此时辅助转弯段工作状态正常、无误后，发出“放行”信号；当动车组进入导引直线J段21，在导引直线侧轨212上行驶时，启动垂直液压机构的控制系统，使主动式电磁型转弯组合结构进入“转弯运行”工作状态，如图1所示，液压杆7垂直下降，带动升降板6和滑柱5下降，如图3所示：当升降板6降至与滑槽4上端相触时，滑柱5连同电磁铁2(包括励磁绕组11)和位置传感器(图未示，可设置在车载转弯装置的任意位置处，以适于检测电磁铁2与导引侧轨间距的位置为宜)，越过车辆底部封板12，降在导引直线侧轨212的内侧，滑柱5与电磁铁2露在车体底部封板12下面部分，均具有良好的流线型气动外形，这时位置传感器开始工作，感测磁铁轨1与电磁铁2之间的间隙，即感测平板形断面的导引直线侧轨212与径向受力块216之间的间隙(参见图2)，因导引直线侧轨212与两轮轨中心线不平行地张开有一小角度，所以径向受力块216(该实施例中为图3所示的电磁铁2)与导引直线侧轨212的间隙初始较大，随列车运行，间隙由大逐渐变小，当径向受力块216随转向架接近径向受力块切入点22时，电磁铁2被直流励磁，事实上，根据列车电力系统的配置，也并不排除采用交流励磁。励磁绕组11接通受控励磁电流，当在缓和曲线-曲线路段23、具有C形断面铁磁曲线侧轨24上行驶时，在铁磁曲线侧轨24侧面与电磁铁2侧面之间，形成一预定的空气磁隙，使高速运行中的电磁铁2与铁磁曲线侧轨24相互吸引，使转向架得到预定的向心力，向心力方向14如图3、4中箭头所示；依据转向架实时速度、分摊的质量与位置传感器输出的信号，以及本路段固有的轨道参数(如超高值转弯半径等)控制电磁铁2的励磁电流强度，实时地对电磁向心力大小的控制，使本转向架能主动获得最佳辅助向心力；当处于转向状态的转向架安全驶过径向受力块切出点25、驶出缓和曲线-曲线路段23、进入导引直线CH段26时，自动控制系统依据位置传感器等输出的信号，切断励磁电流，令垂直液压杆7安全上升，滑柱5连同电磁铁2从导引直线侧轨29(参见图2向外张开一小角度的路线)旁收回到车内，升降板6、滑柱5和电磁铁2、位置传感器、励磁绕组11分别恢复到图1所示的非转弯的工作状态位置上，当全列动车组经离转弯电子站28(参见图2)后，动车组在小转弯半径和小超高值条件下，通过本发明的“主动式电磁型转弯组合结构”辅助下，即可完成高速转弯。需要说明的是，所述由电磁铁构成的径向受力块，根据所产生的电磁“吸引力”或“排斥力”，导引侧轨(包括曲线侧轨和导引直线侧轨)可选择设置在电磁铁构成的径向受力块外侧或内侧，均以产生列车转弯时的向心力为准，均不违背本发明的精神实质。

实施例2.主动式机械接触型转弯组合结构

它与主动式电磁型转弯组合结构有很多类似之处，不同之处如图2所示：导引直线J段21、缓和曲线段-曲线路段23与导引直线CH段26两轨中间的侧轨213、24与27皆为一条具有侧轨断面214的侧面受力梁，在缓和曲线段-曲线路段23的侧轨24为曲线侧梁形式，与电磁型转弯组合结构中的(铁磁)曲线侧轨24作用相似，它仅仅是通过机械推力产生与电磁力相同的向心力作用。在导引直线J段21和导引直线CH段26的侧梁，分别是一条向外张开一小角度的直线形导引直线侧轨213、导引直线侧轨27，如图2所示。

又如图4所示，主动式机械接触型转弯组合结构的车载装置，滑柱5底端为滚轮42，即机械接触型的径向受力块，可绕滑柱5轴线高速旋转，为防止滑柱5一同绕轴线旋转，如图5所示，滑柱5断面上有一用以防止滑柱绕轴线旋转的定位条420，水平液压受力挡板418与T型横梁3固接，水平液压杆416、水平液压缸417分别用球型铰链与滑槽4外壳、水平液压受力挡板418连接，滑槽4外壳与球型铰链座间设有压力传感器10，n形水平轴支架411与T型横梁3固接，滑槽4外壳有一对短轴415、419；如图4所示，升降板6、滑槽4、滑柱5、滚轮42、升降液压杆7、升降液压缸8和升降液压座9组成一杠杆系，其支点为一对短轴415、419(参见图5)，在水平液压杆416作用下，使杠杆系绕支点微转，以控制滚轮42与曲线侧轨(与图2中的曲线侧轨24位置相同)间的正压力，达到调控向心力大小的效果。

如图2所示，当动车组行驶在导引直线J段21前，转弯电子站215将辅助转弯段参数输给动车组，并接受动车组传递的各转向架分摊的质量、实时车速等信息，在判断出此时辅助转弯段工作状态正常、无误后，发出“放行”信号；当动车组进入导引直线J段21、在直线形的导引直线侧轨213(图2中虚线)处行驶时，启动垂直液压等自动控制系统，进入转弯运行工作状态，车载装置与前一实施例工作原理相同(参见图4)，滑柱5连同滚轮42，越过车辆底部封板12，降在导引直线侧轨213内侧，滑柱5露在车体底部封板12下面部分，同样应有良好的流线型气动外形，这时压力传感器10开始工作，压力传感器10间接感测导引直线侧轨213与径向受力块216(即图4中的滚轮42)之间的正压力，因导引直线侧轨213的张角，初始它们有一较大间隙，正压力为零，间隙随列车运行由大逐渐变小，当径向受力块216随动车组处于转向状态的某转向架经过切入点22进入缓和曲线-曲线路段23时，径向受力块216与曲线侧轨24侧面接触，如图4所示，即滚轮42与曲线侧轨24侧面接触，产生一对作用力，作用在滚轮42的力，使转向架得到如箭头所示的预定向心力方向14；依据转向架实时速度、分摊的质量与压力传感器10输出的信号，以及本路段固有的轨道参数(如超高值转弯半径等)调控水平液压系统，令水平液压杆416推动滑槽4外壳(和压力传感器10)，使滑槽4连带滑柱5、滚轮42、以及升降板6、升降液压杆7、升降液压缸8、升降液压座9绕n形水平轴支架411上的短轴415(以及图5中的短轴419)转动，控制滚轮42与曲线侧轨24间的正压力，调控向心力大小，使该转向架能主动获得最佳辅助向心力；如图2所示，当该转向架经切出点25、安全驶出缓和曲线-曲线路段23，进入导引直线CH段26，自动控制系统令水平液压系统恢复原态，导引直线侧轨27与径向受力块216的间隙随该转向架运行由小逐渐变大，如图4所示，自动控制系统令垂直液压杆7上升，滑柱5连同滚轮42从导引直线侧轨旁收回到车内，升降板6、滑柱5和滚轮42分别恢复到非转弯运行的工作位置上(参见图1中电磁铁2位置)，全部列车在主动式机械接触型转弯组合结构辅助下，在小转弯半径和小超高值条件下，完成高速转弯的行驶。

由于曲线侧轨24与滚轮42工作时，相对侧面无间隙，所以水平液压杆416行程微小，因而水平液压系统(图4中的水平液压杆416、水平液压缸417)可以用其他执行机构代替，如图6中所示的力电机616(一种用于静止或低速的设备上，施加一推力的直线电机)，其代替了如图4所示的由水平液压杆416和水平液压缸417构成的水平液压系统；或者，采用机-电组合，甚至是弹簧组件来达到相同的效果。

前面所述的主动式电磁型转弯组合结构也可以采用主动式机械接触型转弯组合结构中的杠杆系结构，即将“滚轮”置换成“电磁铁”，曲轨的类型与位置仍是主动式电磁型转弯组合结构的原导引直线侧轨与原铁磁曲线侧轨的类型与位置，令水平液压杆推动滑槽外壳，调控电磁铁与铁磁曲线侧轨相对侧面的空气磁隙间隙，即通过机械方式达到前一实施例中通过调控电磁力大小的电磁方式来达到调控向心力大小的效果；或者，通过机械方式与前一实施例中通过调控励磁电流电磁的双重方式来达到调控向心力大小的效果。这可称为主动式机械-电磁双重型转弯组合结构，

如果机械接触型转弯组合结构借用如第一实施例中主动式电磁型转弯组合结构中的无杠杆系结构，即将“电磁铁”置换成“滚轮”，曲轨的类型与位置仍是“机械接触型转弯组合”的原曲线侧轨与原导引侧轨的类型与位置，但是“滚轮”与“曲线侧轨”间的正压力(或向心力大小)不能主动调控，则构成结构简单的“被动式机械接触型转弯组合结构”，其基本原理与上述实施例相同，不再详细描述。

还可以在同一转向架轮对前与后各安装一组相同的转弯组合结构、或不同的转弯组合结构，以满足转向架对向心力加倍的需求。

进一步，滑柱底端的径向受力块也可采用“电磁铁”加“滚轮”联合组成的“主动式机械接触加电磁混合型转弯组合结构”分别提供机械力、电磁力，以弥补各自的不足，并提高系统可靠性。

Claims (10)

1.一种动车组辅助转弯组合结构，由地面设施和车载装置两部分组成，所述地面设施包括铺设在辅助转弯段两轮轨中间呈曲线延伸的曲线侧轨，该曲线侧轨由缓和曲线段和位于两缓和曲线段之间的曲线段构成的缓和曲线-曲线路段构成、动车组驶入该缓和曲线-曲线路段前的导引直线J段，以及驶出后的导引直线CH段；所述导引直线J段和导引直线CH段，均与两轮轨中心线不平行地张开一小角度；所述导引直线J段通过切入点与缓和曲线-曲线路段的缓和曲线段连接，导引直线CH段通过切出点与缓和曲线-曲线路段的缓和曲线段连接；在导引直线J段前、导引直线CH段后，均设有用于控制所述车载转弯装置工作状态的转弯电子站；

所述车载装置设置于车体内，垂直于路面，主要由滑槽、滑柱、升降执行机构、径向受力块和位置/压力传感器与执行机构组成；滑槽通过T形横梁垂直安装在列车走行部车轮对前或后的构架上；滑柱具有与滑槽相适配的形状，露在车体底部封板下面的滑柱部分相应于列车前进方向具有流线型气动外形，滑柱并与升降执行机构的升降板固接；升降执行机构的升降液压座与滑槽固连；径向受力块位于滑柱底端；升降执行机构通过自动控制系统控制垂直升降，其下降后，可与所述曲线侧轨相互作用，使车辆转向架获得向心力。

2.根据权利要求1所述动车组辅助转弯组合结构，其特征在于，所述车载装置的径向受力块为一电磁铁。

3.根据权利要求2所述动车组辅助转弯组合结构，其特征在于，所述电磁铁为直流励磁电磁铁。

4.根据权利要求2或3所述动车组辅助转弯组合结构，其特征在于，所述地面设施的曲线侧轨具有C型断面，其通过磁场与所述电磁铁相互作用，以在转弯路段对列车转向架产生辅助向心力。

5.根据权利要求1所述动车组辅助转弯组合结构，其特征在于，所述车载装置的径向受力块为一滚轮。

6.根据权利要求5所述动车组辅助转弯组合结构，其特征在于，所述地面设施的导引直线J段、曲线侧轨以及导引直线CH段均为一侧面受力梁，与所述滚轮在曲线内侧相互接触以在转弯路段使列车转向架获得辅助向心力。

7.一种采用如权利要求1至6之一所述的动车组辅助转弯组合结构的动车组辅助转弯方法，包括：

进入辅助转弯段的列车经过转弯电子站时，自动控制系统被触发启动，车辆进入导引直线J段时，车载转弯装置中的滑柱带动径向受力块向下伸出车体，径向受力块逐渐靠近地面上静止的导引直线侧轨；进而，径向受力块越过切入点进入缓和曲线-曲线路段，开始与曲线侧轨相互作用产生一对径向力，使转向架获得辅助向心力；当动车组越过切出点驶入导引直线CH段时，径向受力块与曲线侧轨脱离，滑柱带动径向受力块收回车体内完成转向动作。

8.根据权利要求7所述动车组辅助转弯方法，其特征在于，所述径向受力块与曲线侧轨的相互作用为非机械接触的电磁作用力。

9.根据权利要求7所述动车组辅助转弯方法，其特征在于，所述径向受力块与曲线侧轨的相互作用为直接接触的机械滚动压力；所述滚轮与曲线侧轨的压力通过设置在车载装置上的水平液压系统或力电机来施加。

10.根据权利要求7至9之一所述动车组辅助转弯方法，其特征在于，所述转弯电子站将辅助转弯段参数输给动车组，并接受动车组传递的各转向架分摊质量、实时车速信息，在判断出此时辅助转弯段工作状态正常、无误后，发出“放行”信号；车载转弯装置依据转向架实时速度、分摊的质量与位置传感器输出的信号，以及本路段固有的轨道参数控制径向受力块与曲线侧轨间的作用力大小，使相应的转向架获得所需的辅助向心力。

Images