CN104002829B - 列车能量回馈式主动径向转向架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车能量回馈式主动径向转向架，其设有能量回收系统、主动控制系统和径向转向系统，所述径向转向系统包括前摆臂总成、后摆臂总成和径向转向传动装置，前摆臂总成和后摆臂总成分别通过法兰与径向转向传动装置的上锥齿轮(11)及下锥齿轮(12)的齿轮座相连。本发明具有机械结构简单，成本适中，用于装配轨道列车径向转向设备替换部件，可实现能量回收和具有良好的径向转向效果等优点。

Description

列车能量回馈式主动径向转向架

技术领域

本发明涉及转向架，特别是一种用于轨道列车的能量回馈式主动径向转向架。

背景技术

现有列车因轮轨磨损会造成巨大的粉尘污染和经济损失，列车径向转向技术是减少轮轨磨损的主要技术方案。

列车轮对的径向转向主要依靠径向转向架来实现，径向在转向架主要分为自导向、迫导向和主动径向转向三种。

自导向径向转向架通过车轮和轨道间的作用力驱使轮对自行移动到径向方向，该方案成本较低，无需额外耗能，但曲线通过性差且轮对径向度较低。

迫导向径向转向架依靠与车体相连的机构，通过车体作用迫使轮对被动的到达径向位置，该转向架具有良好的通过性，无需额外耗能，但横向稳定性较差且造价过高。

主动径向转向架是通过对轮对的主动控制使轮对到达径向位置，该方案能兼顾良好的曲线通过性和横向稳定性，成本适中，更能显著的减少轮轨间的磨损，然而，现有主动径向转向技术存在巨大的能耗问题。

国内相关专利对径向转向技术提出了如下的方案：

中国专利CN200920297803.2描述了一种径向转向架扭杆式自导向机构，它包括布置于构架两侧的四根导向杆，每根导向杆与相应的轴箱相连，安装在构架中心的中央扭杆，布置在构架两侧且分别与中央扭杆两端联接的第一、第二转臂。其缺陷是：存在造价高昂的问题。

中国专利CN200920043065.9描述了一种粘着力可控的轨道车辆动力转向架，包括车轮、轮轴、侧梁、横梁、悬挂减振器和轮轴驱动装置。其缺陷是：存在径向转向时曲线通过性较差的问题。

中国专利CN201220258950.0描述了一种副构架径向转向架，包括轮对、侧架、摇枕、轮对径向装置和制动装置。其缺陷是：存在径向转向时轮轨间磨损较大的问题。

中国专利CN200880117322.7描述了一种铁道车辆用径向转向架、铁道车辆和连接车辆，因为能够简便且低成本地实施，所以具有能够真正实现的、优异的曲线通过性能。其缺陷是：存在能耗过大的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种列车能量回馈式主动径向转向架，该转向架一方面能够回收悬挂振动的能量，为主动径向转向供电，另一方面通过采集实施车速并建立实际轨迹车车辆姿态的反馈，在中央控制单元的控制下驱动伺服电机，径向转向系统在作动电机的作动下，驱动前后轮对反向回转，实现径向转向，从而有效的减少轮轨磨损。

本发明解决其技术问题采用以下的方案：

本发明提供的列车能量回馈式主动径向转向架，设有能量回收系统、主动控制系统和径向转向系统。所述径向转向系统包括前摆臂总成、后摆臂总成和径向转向传动装置，前摆臂总成和后摆臂总成分别通过法兰与径向转向传动装置的上锥齿轮及下锥齿轮的齿轮座相连。

所述的前摆臂总成可以由前摆臂、前悬架、前轮对和驱动伺服电机组成，其中：前摆臂与前悬架铰接相连，前悬架与前轮对相连接，驱动伺服电机安装在前摆臂装配连接的L型托架上，通过齿轮啮合驱动前轮对。

所述的前摆臂可以为顶端开口叉形，与所述转向架的中间构架的轮毂相连两部分互相平行，最大开口处直线距离为两轮毂间距离。

所述的后摆臂总成可以由后摆臂、后悬架和后轮对组成，后摆臂与后悬架铰接相连，后悬架与后轮对相连接。

所述的后摆臂可以为顶端开口叉形，与所述转向架的中间构架的轮毂相连两部分互相平行，最大开口处直线距离为两轮毂间距离。

所述的径向转向传动装置可以由作动器和差速齿轮对组成，其中：差速齿轮由两对锥齿轮组成，具体为啮合相连的前锥齿轮和后锥齿轮，啮合相连的上锥齿轮和下锥齿轮，它们和作动电机构成作动器。

所述的主动控制系统可以由中央处理单元，和通过数据线分别与中央处理单元相连的轨道路径识别传感器、轮速传感器、摆臂角位移传感器、驱动伺服电机组成。

所述的中央处理单元由运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件组成，这些部件焊接在同一块电路板上，通过集成电路相连接。

所述的能量回收系统可以由能量回收式减振器，空气弹簧和蓄电池组成，其中：空气弹簧与所述转向架的外边框装配连接；蓄电池安装在与所述转向架的中间构架相连的托架上，其通过导线分别与轨道路径识别传感器、中央处理单元、轮速传感器、摆臂角位移传感器、驱动伺服电机和作动电机相连。

本发明提供的上述列车能量回馈式主动径向转向架，其在装配轨道列车径向转向设备中的应用。

本发明与现有技术项目相比具有以下主要优点：

(1)降低轮轨磨损。建立实际轨道信息输入和转向架姿态反馈的主动控制，优化径向机构的机械结构，一定程度上改善了径向转向效果。相对传统转向架，降低一定的轮轨磨损。

(2)减少能源消耗。提高主动径向机构机械效率，并通过回馈振动能量，为径向作动供电。减少了系统总能源消耗。

附图说明

图1是本发明列车能量回收式主动径向转向架基本结构图。

图2是本发明的主动控制系统控制逻辑图。

图3是本发明径向转向系统的锥齿轮传动机构轴测图。

图4是本发明列车能量回馈式主动径向转向架俯视图。

图中：1.能量回收式减振器；2.空气弹簧；3.蓄电池；4.轨道路径识别传感器；5.中央处理单元；6.轮速传感器；7.摆臂角位移传感器；8.驱动伺服电机；9.前锥齿轮；10.后锥齿轮；11.上锥齿轮；12.下锥齿轮；13.前摆臂；14.前轮对；15.后摆臂；16.后轮对；17.作动电机；18.前悬架；19.后悬架。

具体实施方式

下面对结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不仅限定本发明。

本发明提供的列车能量回馈式主动径向转向架(以下简称转向架)，其结构如图1所示，由能量回收系统、主动控制系统和径向转向系统三大系统组成。其中：能量回收系统能将列车垂向振动的能量以电能形式进行回收，储存到蓄电池中，并为本发明主动径向转向时提供电能。主动控制系统通过采集车辆速度信息同时建立实际轨道路径输入和车身姿态信息反馈，并通过中央处理单元的控制驱动伺服电机转动，使径向转向系统的铰接摆臂机构驱使轮对做径向转向运动。最终实现轮对的主动径向转向。

所述能量回收系统由能量回收式减振器1、空气弹簧2和蓄电池3组成，其中：能量回收式减振器1为现有技术，可将垂向振动能量转化成电能的形式回收并储存到蓄电池中，其通过法兰与转向架外边框相连，其由缸筒、活塞、电控整流阀组成。空气弹簧2与转向架外边框装配连接。蓄电池3安装在与转向架的中间构架上，其通过导线分别与轨道路径识别传感器4、中央处理单元5、轮速传感器6、摆臂角位移传感器7、驱动伺服电机8和作动电机17相连。所述的中间构架为现有技术，其为直线型结构并与转向架的整体框架焊接连接。

该能量回收系统的用途是：通过能量回收式减振器的缸筒将悬架振动的能量转化为液压能，通过液压油在系统中传递；控制单元通过分析活塞上、下腔压力传感器采集的压力信号，判断整流阀前端液体流向；电磁阀根据控制单元的指示对整流阀阀芯位置进行控制，实现对减震器缸筒中流出的液体进行整流；整流后的液流能驱动液压马达朝一个方向进行工作，带动发电机进行发电，最终实现将振动能量转化为电能，并储存与蓄电池中，为主动径向转向架供电。

所述主动控制系统由中央处理单元5、轨道路径识别传感器4、轮速传感器6、摆臂角位移传感器7和驱动伺服电机8组成，所述中央处理单元5通过数据线与驱动伺服电机8连接。

所述中央处理单元5由运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件组成，其中：运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件组成焊接在同一块电路板上，通过集成电路相连接。

所述轨道路径识别传感器4可以采用SG-2BC的光传感器，或具有其同样功能的其它型号的传感器。

所述轮速传感器6可以采用ABS磁电式轮速传感器，或具有其同样功能的其它型号的传感器。

所述摆臂角位移传感器7可以采用R36AS角位移传感器，或具有其同样功能的其它型号的传感器。

所述驱动伺服电机8可以采用PLC驱动伺服电机。

所述主动控制系统的用途是：将实际轨道信息通过轨道路径识别传感器获得，转向架转角信息通过摆臂角位移传感器采集，列车行驶速度型号通过轮速传感器6获得。中央处理单元5将上述信息作为输入信号，通过混合PID算法，输出对伺服电机的控制信号，控制信号进入伺服控制单元对伺服电机进行控制并驱动径向转向系统摆臂进行动作，摆臂的实际摆动角度作为系统的反馈量，回到控制器中，形成闭环控制，最终实现对车辆径向转向的主动控制。

所述径向转向系统为可实现低能耗主动径向转向的铰接摆臂式机械结构，既减少轮轨磨耗，又降低系统能耗。该径向转向系统包括前摆臂总成、后摆臂总成和径向转向传动装置，前摆臂总成和后摆臂总成分别与径向转向传动装置的上锥齿轮11及下锥齿轮12通过法兰连接。

所述前摆臂总成由前摆臂13、前悬架18、前轮对14和驱动伺服电机8组成，前摆臂13与前悬架18通过球铰连接，前悬架18与前轮对14相连接，驱动伺服电机8安装在前摆臂装配连接的L型托架上，通过齿轮啮合驱动前轮对14。驱动伺服电机8及其控制算法构成电控单元，其为现有技术。

所述后摆臂总成由后摆臂15、后悬架19和后轮对16组成，后摆臂15与后悬架19通过球铰连接，后悬架19与后轮对16相连接。

上述前摆臂13、后摆臂15为顶端开口叉形，与转向架的中间构架的轮毂相连两部分互相平行，最大开口处直线距离为两轮毂间距离。所述中间构架的结构是：为“X”型，与转向架的整体框架焊接连接。

所述径向转向传动装置由作动器和差速齿轮对组成，其中：差速齿轮由两对标准重载锥齿轮组成，具体为啮合相连的前锥齿轮9和后锥齿轮10，啮合相连的上锥齿轮11和下锥齿轮12，它们和作动电机17构成作动器。作动电机17是伺服电机，其最大工作功率为750w。

所述作动电机17的控制策略如图2所示，列车行驶时，由轨道路径识别传感器4、轮速传感器6、摆臂角位移传感器7分别采集实时路径信息、即时车速、轮对转角。微处理单元将以上述信息作为输入信号，通过最优径向效果算法，输出对伺服电机的控制信号，将转向架的实际运动状态作为系统的反馈量，返回到控制器形成闭环控制，最终实现对车辆径向转向的主动控制。

所述径向转向系统，其工作原理是当列车需要径向转向时，作动器直接驱动后锥齿轮7转动，使与后锥齿轮啮合的上锥齿轮11与下锥齿轮12按相反方向转动，从而实现前后摆臂的径向转向。

本发明提供的上述列车能量回馈式主动径向转向架，其工作过程是：当列车行驶时，列车能量回馈式主动径向转向架的能量回收系统通过能量回收式减振器1将垂向振动能量以电能形式回收到蓄电池3中，并在径向转向时为主动控制系统提供电能；当列车转向时，主动控制系统通过采集实时路径信息、轮对转角、即时车速等信息，经过最优径向效果算法(模糊PID控制算法)运算并反馈到径向转向系统，实现径向转向。

Claims (9)

1.列车能量回馈式主动径向转向架，设有能量回收系统，其特征是该转向架还设有主动控制系统和径向转向系统，所述径向转向系统包括前摆臂总成、后摆臂总成和径向转向传动装置，前摆臂总成和后摆臂总成分别通过法兰与径向转向传动装置的上锥齿轮(11)及下锥齿轮(12)的齿轮座相连；

所述的前摆臂总成由前摆臂(13)、前悬架(18)、前轮对(14)和驱动伺服电机(8)组成，其中前摆臂(13)与前悬架(18)铰接相连，前悬架(18)与前轮对(14)相连接，驱动伺服电机(8)安装在前摆臂装配连接的L型托架上，通过齿轮啮合驱动前轮对(14)。

2.根据权利要求1所述的列车能量回馈式主动径向转向架，其特征在于所述的前摆臂(13)为顶端开口叉形，与所述转向架的中间构架的轮毂相连两部分互相平行，最大开口处直线距离为两轮毂间距离。

3.根据权利要求1所述的列车能量回馈式主动径向转向架，其特征在于所述的后摆臂总成由后摆臂(15)、后悬架(19)和后轮对(16)组成，后摆臂(15)与后悬架(19)铰接相连，后悬架(19)与后轮对(16)相连接。

4.根据权利要求3所述的列车能量回馈式主动径向转向架，其特征在于所述的后摆臂(15)为顶端开口叉形，与所述转向架的中间构架的轮毂相连两部分互相平行，最大开口处直线距离为两轮毂间距离。

5.根据权利要求1所述的列车能量回馈式主动径向转向架，其特征在于所述的径向转向传动装置由作动器和差速齿轮对组成，其中：差速齿轮由两对锥齿轮组成，具体为啮合相连的前锥齿轮(9)和后锥齿轮(10)，啮合相连的上锥齿轮(11)和下锥齿轮(12)，它们和作动电机(17)构成作动器。

6.根据权利要求1所述的列车能量回馈式主动径向转向架，其特征在于所述的主动控制系统由中央处理单元(5)，和通过数据线分别与中央处理单元(5)相连的轨道路径识别传感器(4)、轮速传感器(6)、摆臂角位移传感器(7)、驱动伺服电机(8)组成。

7.根据权利要求6所述的列车能量回馈式主动径向转向架，其特征在于所述的中央处理单元(5)由运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件组成，这些部件焊接在同一块电路板上，通过集成电路相连接。

8.根据权利要求1所述的列车能量回馈式主动径向转向架，其特征在于所述的能量回收系统由能量回收式减振器(1)，空气弹簧(2)和蓄电池(3)组成，其中：空气弹簧(2)与所述转向架的外边框装配连接；蓄电池(3)安装在与所述转向架的中间构架相连的托架上，其通过导线分别与轨道路径识别传感器(4)、中央处理单元(5)、轮速传感器(6)、摆臂角位移传感器(7)、驱动伺服电机(8)和作动电机(17)相连。

9.权利要求1至8中任一权利要求所述列车能量回馈式主动径向转向架的用途，其特征是在装配轨道列车径向转向设备中的应用。