CN102941858A - 一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构，目的是减小防滚和解耦之间的相互影响，提高走行单元的防滚能力和解耦能力，提高磁悬浮车辆走行单元的弯道通过能力。技术方案是本发明由一根中梁、两片防滚梁、两根吊杆和两套球铰直线组合轴承或球铰轴承组成，沿垂直轨道方向布置在走行单元的中间截面上，与两个悬浮模块连成一体，形成“H”形布局。中梁为左右对称结构，防滚梁、吊杆、球铰直线组合轴承的左、右结构均相同且关于轨道中心面对称布置。本发明可降低解耦与防滚之间的相互制约，使走行单元适应更高的弯道车速，提高磁悬浮车辆的弯道通过能力。

Description

一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构。

背景技术

磁悬浮列车的线路轨道是由两条具有确定截面和一定相对位置关系的F轨组成的空间曲面，线路轨道的中心线是一条空间曲线。磁悬浮轨道的平曲线段（即弯道）通常由两段缓和曲线和中间的一段圆弧曲线组成，缓和曲线是为了实现直线与圆弧曲线之间的过渡。在圆弧曲线上，磁悬浮轨道外轨相对内轨通常设计有一定的超高，即轨道截线与水平面之间有一定的横坡角。横坡角根据弯道的设计车速确定，弯道车速越高，弯道半径越小，横坡角越大。在缓和曲线上，横坡角从0逐渐过渡到圆弧曲线上的横坡角，一个走行单元跨度下的内外轨始终不共面，不共面程度取决于缓和曲线段的横坡角变化率。横坡角变化率由缓和曲线的里程与圆弧曲线的横坡角共同决定。横坡角变化率越大，缓和曲线越急。

《中山大学学报（自然科学版）》47卷增刊2中论文“低速城轨磁浮车辆的耦合动力学仿真研究”公布了一种中低速磁悬浮车辆走行单元的三维结构简图，如图1所示，目前中低速磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构由两片上防滚梁42、两片下防滚梁43、两根左吊杆50和两根右吊杆51组成，连接左悬浮模块10和右悬浮模块11形成一个走行单元。所述的左悬浮模块10和右悬浮模块11结构一样，均由承载托臂12、纵梁13、电磁铁14、牵引直线电机15组成，可实现悬浮、导向、推进等功能并支撑车体。左悬浮模块10的前、后端各安装了一片上防滚梁42，右悬浮模块11的前、后端各安装了一片下防滚梁43，四片防滚梁的外形结构相同，每片防滚梁仅能相对悬浮模块绕垂向转动。前端的上防滚梁42和下防滚梁43之间通过前端的左吊杆50和右吊杆51及两端的球铰连接，后端的上防滚梁42和下防滚梁43之间通过后端的左吊杆50和右吊杆51及两端的球铰连接。

磁悬浮车辆行进时，电磁铁跟踪轨道，防滚解耦机构必须能够允许左右模块相对俯仰转动才能适应缓和曲线，即防滚解耦机构须具有解耦能力。在一定的走行单元跨度下，缓和曲线横坡角的变化率决定了对走行单元解耦能力的要求，缓和曲线越急，对走行单元的解耦能力要求越高。另一方面，悬浮模块承载车体重量，有相对于轨道侧滚的运动趋势，悬浮模块侧滚时会改变悬浮模块与轨道间的最小间隙，侧滚较大时会导致悬浮模块碰撞轨道，造成故障，甚至引发事故。因此，防滚解耦机构还须具备能够约束侧滚的能力，即防滚能力。

为实现左、右悬浮模块相对俯仰解耦，现有走行单元防滚解耦机构前、后部的上、下防滚梁间的垂向距离都必须改变，垂向距离变化量取决于吊杆的长度，而吊杆长度则受限于走行单元的高度。将左、右悬浮模块之间的俯仰角与吊杆长度之比定义为解耦率，解耦率表达了防滚解耦机构产生单位垂向变形能够实现的模块俯仰角度，反映了防滚解耦机构的解耦能力。显然，前端防滚梁与后端防滚梁之间的纵向距离越小，解耦率越大。现有防滚解耦机构设置在悬浮模块的前、后两端，它们之间的纵向距离较大，因此在相同的走行单元高度限制下，其俯仰解耦能力较小，进而限制了走行单元用于更小的弯道半径或更快的弯道车速。

另一方面，为了约束悬浮模块绕轨道的侧滚运动，防滚解耦机构须约束上、下防滚梁之间的垂向距离变化，这与解耦的要求相矛盾。因此，现有走行单元的防滚解耦机构，在设计时需要牺牲部分防滚性能来实现解耦，从而造成悬浮模块存在一定的侧滚角度，这会减小悬浮模块与轨道之间的最小间隙。为避免悬浮模块与轨道发生碰撞，就需要增大悬浮模块与轨道间的设计间隙。磁悬浮车辆的悬浮和牵引都是通过悬浮模块上安装的电磁铁和牵引直线电机与轨道间的电磁力来实现的，间隙增大会降低悬浮和牵引效率，增大能耗。

综上所述，现有走行单元防滚解耦机构存在以下不足：一、现有防滚解耦机构安装在模块的前、后两端，导致其解耦率小；由于受到走行单元高度的限制，其解耦能力有限，进而限制了走行单元用于更小的弯道半径和最高的弯道车速。二、现有防滚解耦机构的防滚能力和解耦能力是相互关联、相互制约的，解耦能力提高会带来防滚能力降低，反之亦然。这导致设计时需要进行一定折中，为满足解耦能力必须牺牲一定的防滚能力而容许模块有一定侧滚角，进而增大模块与轨道之间的设计间隙，降低了悬浮和牵引效率，增大了能耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构，显著减小防滚和解耦之间的相互影响，提高走行单元的防滚能力和解耦能力，使得走行单元在总体尺寸不变的条件下能适应更急的缓和曲线和更高的弯道车速，提高磁悬浮车辆走行单元的弯道通过能力；并能减小悬浮模块与轨道之间的设计间隙，提高悬浮和牵引效率，降低能耗。

本发明的技术方案是：一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构，由一根中梁、两片防滚梁、两根吊杆和两套球铰轴承或球铰直线组合轴承组成，沿垂直轨道方向布置在走行单元的中间截面上，与沿轨道方向左、右布置的两个悬浮模块连成一体，形成“H”形布局。两片防滚梁中的左防滚梁一端与左悬浮模块在中间截面位置固接，另一端与左吊杆下端通过球铰连接；右防滚梁与右悬浮模块在中间截面位置固接，另一端与右吊杆下端通过球铰连接。两根吊杆的上端再通过球铰与中梁连接，中梁与左、右悬浮模块之间再通过左、右两套球铰直线组合轴承连接（若磁浮轨道修建水平较高可简化为球铰轴承连接）。

优选地，防滚解耦机构与悬浮模块的连接采用球铰直线组合轴承，在球绞位置的横向设置直线运动副和弹性元件，使走行单元可适应轨距的变化。所述的球铰直线组合轴承由球铰轴承内圈、球铰轴承外圈、滑块、直线导向滑座、弹性元件、安装盖板、球铰轴承压紧螺母、球铰轴承挡圈组成。该轴承允许中梁相对悬浮模块沿直线运动副滑动，同时也允许中梁相对悬浮模块绕垂向、横向和纵向转动。

整个防滚解耦机构采用关于轨道中心面左右对称的结构和布置方式以简化生产制造，即中梁为左右对称结构，防滚梁、吊杆、球铰轴承或球铰直线组合轴承的左、右结构均是相同的且关于轨道中心面对称布置。

中梁采用绕轨道方向的抗弯刚度尽可能大的结构形式，其抗弯刚度至少应满足车辆在最大载荷下落车时，悬浮模块绕轨道的侧滚角不大于设计允许值。优选地，中梁应采用中心线为近似“U”字形的曲梁结构，以提高抗弯刚度。中梁上在吊杆对应位置设置凹槽，以放置更长的吊杆，并通过吊杆约束中梁绕自身轴线的转动。

防滚梁采用绕轨道方向的抗弯刚度尽可能大的结构形式，其抗弯刚度至少应满足车辆在最大载荷下落车时，悬浮模块绕轨道的侧滚角不大于设计允许值。优选地，防滚梁采用形如直角三角形的板状结构，以提高抗弯刚度。

吊杆采用轴向刚度尽可能大的刚性杆，其轴向刚度至少应满足车辆在最大载荷下落车时，悬浮模块绕轨道的侧滚角不大于设计允许值。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明通过防滚梁端部的球铰、中梁与悬浮模块连接处的球铰来实现模块间的俯仰解耦，基本不需要防滚解耦机构产生垂向变形，从而显著增大了该机构的解耦率，提高了左右悬浮模块之间的解耦能力，进而使整个走行单元在总体尺寸不变的条件下能够适应更急的缓和曲线和更高的弯道车速，提高了磁悬浮车辆的弯道通过能力。

2)本发明提供的防滚解耦机构安装在悬浮模块前后方向的中线位置，在左右悬浮模块相对俯仰时显著降低了对所述防滚解耦机构的变形要求，从而显著降低了解耦与防滚之间的相互关联和相互制约，避免了防滚能力与解耦能力之间的折中设计问题。

3)本发明提供的防滚解耦机构将防滚梁与悬浮模块间的连接采用固接方式并同时采用刚性吊杆，通过防滚梁、吊杆、中梁、球铰轴承或球铰直线组合轴承组成近似三角形的防滚机构（三角形的三个点分别为球绞直线组合轴承和吊杆两端的两个球绞），因而可以在同样的尺寸约束下提供更强的防滚能力。防滚能力的提高有利于减小悬浮模块与轨道之间的设计间隙，从而提高悬浮和牵引效率，降低能耗。

附图说明

图1为背景技术《中山大学学报（自然科学版）》47卷增刊2中论文“低速城轨磁浮车辆的耦合动力学仿真研究”公布的中低速磁悬浮车辆走行单元的三维结构简图；

图2为本发明在悬浮车辆走行单元上的安装示意图；

图3为图2中本发明左半侧的防滚解耦机构放大示意图；

图4为图3中本发明左球铰直线组合轴承60内部结构A-A方向剖视图；

图5为图3中本发明左球铰直线组合轴承60内部结构B-B方向剖视图。

附图标记：

10、左悬浮模块，11、右悬浮模块，12、承载托臂，13、纵梁，14、电磁铁，15、牵引直线电机；20、左轨道，21、右轨道，22、轨道中心面；30、中梁；40、左防滚梁，41、右防滚梁，42、上防滚梁，43、下防滚梁；50、左吊杆，51、右吊杆；60、左球铰直线组合轴承，61、右球铰直线组合轴承，62、球铰轴承内圈，63、球铰轴承外圈，64、滑块，65、直线导向滑座，66、弹性元件，67、安装盖板，68、球铰轴承压紧螺母，69、球铰轴承挡圈。

具体实施方式

图2为本发明在悬浮车辆走行单元上的安装示意图。本发明所提供的磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构由一根中梁30、两片防滚梁、两根吊杆和两套球铰直线组合轴承组成，沿垂直轨道方向布置在走行单元的中间截面上，与沿轨道方向左、右布置的两个悬浮模块连成一体，形成“H”形布局。两片防滚梁中的左防滚梁40一端与左悬浮模块10在中间截面位置固接，另一端与左吊杆50下端通过球铰连接；右防滚梁41一端与右悬浮模块11在中间截面位置固接，另一端与右吊杆51下端通过球铰连接。两根吊杆上端再通过球铰与中梁30连接。

中梁30通过左球铰直线组合轴承60与左悬浮模块10连接，通过右球铰直线组合轴承61与右悬浮模块11连接。若磁浮轨道修建水平较高，轨距变化小于1mm，中梁30与悬浮模块之间可采用球铰轴承连接。

如图2所示，防滚解耦机构采用关于轨道中心面22左右对称的结构和布置方式以简化生产制造，即中梁30为左右对称结构，左防滚梁40和右防滚梁41、左吊杆50和右吊杆51、左球铰直线组合轴承60和右球铰直线组合轴承61结构相同，且关于轨道中心面22对称布置。

为提高整个机构的防滚能力，中梁30、左防滚梁40和右防滚梁41宜充分利用走向机构高度方向的空间进行布局，尽量提高其绕轨道方向滚动的抗弯刚度。本实施例中，中梁采用中心线为“U”形的箱式曲梁结构，左吊杆50和右吊杆51采用刚性吊杆。

从图3可进一步清楚地看清中梁30通过左球铰直线组合轴承60与左悬浮模块10连接，左防滚梁40一端与左悬浮模块10在中间截面位置固接，另一端与左吊杆50下端通过球铰连接。

两个球铰直线组合轴承的结构相同，以左球铰直线组合轴承60为例，如图4、图5所示，左球铰直线组合轴承60由球铰轴承（包括内圈62、外圈63）、滑块64、直线导向滑座65、弹性元件66、安装盖板67、球铰轴承压紧螺母68、球铰轴承挡圈69组成。其中，球绞轴承、球铰轴承压紧螺母68、球铰轴承挡圈69可按机械设计选用标准件；弹性元件可选用阻尼大于2000kg/s的空心圆柱体橡胶块或弹簧。球铰轴承的内圈62通过球铰轴承压紧螺母68与中梁3压紧固接，球铰轴承的外圈63通过轴承挡圈69与滑块64压紧固定。滑块64为方形块，中间设置圆柱孔与球绞轴承配合，滑块64的滑动方向两侧设置有两个凹形槽与直线导向滑座65配合形成一个直线运动副。直线导向滑座65采用凸形截面的直线导轨，轴线与中梁30轴线平行，在两个凹形槽位置各布置一个，通过螺栓与悬浮模块10固接。弹性元件66在滑块64的两侧各布置一个，为直线运动副提供回复力，进而为中梁提供横向定位。弹性元件66一端通过螺钉与安装盖板67及左悬浮模块10固接，另一端利用自身弹性压紧球铰轴承压紧螺母68。右球铰直线组合轴承61在连接关系上正好与左球铰直线组合轴承60的连接关系相对称，右球铰直线组合轴承61的直线导向滑座65轴线与中梁30轴线平行，并固接在右悬浮模块11的中间截面上。

左球铰直线组合轴承60和右球铰直线组合轴承61的上述结构允许中梁30相对左悬浮模块10和右悬浮模块11沿直线运动副滑动，同时也允许左悬浮模块10和右悬浮模块11相对中梁30绕垂向、横向和纵向转动。实际上，本发明所提供的防滚解耦机构使得左悬浮模块10和右悬浮模块11与中梁30之间几乎没有相对的侧向滚动，但俯仰和偏航方向却很灵活，从而特别适用于在磁悬浮线路轨道上运行的走向机构。

图6所示方案是本发明的另一实施例，防滚解耦机构与图2所示方案一样，仅布局不同，左球铰直线组合轴承60和右球铰直线组合轴承61布置在左、右悬浮模块的中间截面下方位置，中梁30的中心线由U形变为倒U形，中梁30两端通过左球铰直线组合轴承60和右球铰直线组合轴承61分别与左悬浮模块10和右悬浮模块11连接。两片防滚梁中的左防滚梁40一端与左悬浮模块10在中间截面位置固接，另一端与左吊杆50上端通过球铰连接；右防滚梁41一端与右悬浮模块11在中间截面位置固接，另一端与右吊杆51上端通过球铰连接。两根吊杆下端再通过球铰与中梁30连接。

Claims (8)

1.一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构，其特征在于磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构由一根中梁（30）、两片防滚梁、两根吊杆和两套球铰直线组合轴承组成，沿垂直轨道方向布置在走行单元的中间截面上，与沿轨道方向左、右布置两个悬浮模块连成一体，形成“H”形布局；两片防滚梁中的左防滚梁（40）一端与左悬浮模块（10）在中间截面位置固接，另一端与左吊杆（50）下端通过球铰连接；右防滚梁（41）一端与右悬浮模块（11）在中间截面位置固接，另一端与右吊杆（51）下端通过球铰连接；两根吊杆上端再通过球铰与中梁（30）连接；中梁（30）通过左球铰直线组合轴承（60）与左悬浮模块（10）连接，通过右球铰直线组合轴承（61）与右悬浮模块（11）连接； 

中梁（30）为左右对称结构，左防滚梁（40）和右防滚梁（41）、左吊杆（50）和右吊杆（51）、左球铰直线组合轴承（60）和右球铰直线组合轴承（61）结构相同，且关于轨道中心面（22）对称布置；中梁（30）和左防滚梁（40）和右防滚梁（41）利用走向机构高度方向的空间进行布局，中梁（30）采用绕轨道方向的抗弯刚度尽可能大的结构形式，其抗弯刚度至少应满足车辆在最大载荷下落车时，悬浮模块绕轨道的侧滚角不大于设计允许值；左防滚梁（40）和右防滚梁（41）采用绕轨道方向的抗弯刚度尽可能大的结构形式，其抗弯刚度至少应满足车辆在最大载荷下落车时，悬浮模块绕轨道的侧滚角不大于设计允许值；左吊杆（50）和右吊杆（51）采用轴向刚度尽可能大的刚性杆，其轴向刚度至少应满足车辆在最大载荷下落车时，悬浮模块绕轨道的侧滚角不大于设计允许值。 

2.如权利要求1所述的一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构，其特征在于所述中梁（30）采用中心线为“U”形的箱式曲梁结构，中梁（30）上在吊杆对应位置设置凹槽，以放置更长的吊杆，并通过吊杆约束中梁（30）绕自身轴线的转动。 

3.如权利要求1所述的一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构，其特征在于所述左吊杆（50）和右吊杆（51）采用刚性吊杆。 

4.如权利要求1所述的一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构，其特征在于所述左球铰直线组合轴承（60）由球铰轴承、滑块（64）、直线导向滑座（65）、弹性元件（66）、安装盖板（67）、球铰轴承压紧螺母（68）、球铰轴承挡圈（69）组成,球铰轴承包括内圈（62）、外圈（63）；其中，球绞轴承、球铰轴承压紧螺母（68）、球铰轴承挡圈（69）可按机械设计选用标准件；弹性元件选用空心圆柱体橡胶块或弹簧；球铰轴承的内圈（62）通过球铰轴承压紧螺母（68）与中梁（3）压紧固接，球铰轴承的外圈（63）通过轴承挡 圈（69）与滑块（64）压紧固定；滑块（64）为方形块，中间设置圆柱孔与球绞轴承配合，滑块（64）的滑动方向两侧设置有两个凹形槽与直线导向滑座（65）配合形成一个直线运动副；直线导向滑座（65）采用凸形截面的直线导轨，轴线与中梁（30）轴线平行，在两个凹形槽位置各布置一个直线导向滑座（65），通过螺栓与悬浮模块（10）固接；弹性元件（66）在滑块（64）的两侧各布置一个，为直线运动副提供回复力，进而为中梁（30）提供横向定位；弹性元件（66）一端通过螺钉与安装盖板（67）及左悬浮模块（10）固接，另一端利用自身弹性压紧球铰轴承压紧螺母（68）；右球铰直线组合轴承（61）在连接关系上正好与左球铰直线组合轴承（60）的连接关系相对称，右球铰直线组合轴承（61）的直线导向滑座（65）轴线与中梁（30）轴线平行，并固接在右悬浮模块（11）的中间截面上。 

5.如权利要求1或3所述的一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构，其特征在于所述防滚解耦机构的布局的另一种方式是：左球铰直线组合轴承（60）布置在左悬浮模块（10）的中间截面下方，右球铰直线组合轴承（61）布置在右悬浮模块（11）的中间截面下方，中梁（30）的中心线由U形变为倒U形，中梁（30）两端通过左球铰直线组合轴承（60）和右球铰直线组合轴承（61）与分别左悬浮模块（10）和右悬浮模块（11）连接；两片防滚梁中的左防滚梁（40）一端与左悬浮模块（10）在中间截面位置固接，另一端与左吊杆（50）上端通过球铰连接；右防滚梁（41）一端与右悬浮模块（11）在中间截面位置固接，另一端与右吊杆（51）上端通过球铰连接；两根吊杆下端再通过球铰与中梁（30）连接。 

6.如权利要求1所述的一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构，其特征在于当磁浮轨道轨距变化小于1mm时，采用两套球铰轴承替代两套球铰直线组合轴承。 

7.如权利要求1所述的一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构，其特征在于所述防滚梁采用形如直角三角形的板状结构。 

8.如权利要求4所述的一种磁悬浮车辆走行单元的防滚解耦机构，其特征在于所述弹性元件选用的空心圆柱体橡胶块或弹簧阻尼大于2000kg/s。 

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