CN104627194A - 侧风稳定方法和相关的轨道交通工具 - Google Patents

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CN104627194A CN201410618209.4A CN201410618209A CN104627194A CN 104627194 A CN104627194 A CN 104627194A CN 201410618209 A CN201410618209 A CN 201410618209A CN 104627194 A CN104627194 A CN 104627194A
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Abstract

本发明涉及侧风稳定方法和相关的轨道交通工具。轨道交通工具包括放置在两个纵向隔开的驱动装置(14、16)上的交通工具主体，驱动装置(14、16)中的每个包括驱动装置架(14.1、16.1)、驱动装置架(14.1、16.1)和一组轮子(14.3、16.3)之间的一系悬挂(14.2、16.2)、和包括在驱动装置架(14.1、16.1)和交通工具主体(12)之间的至少一个横向致动器(14.4、14.41、16.4)的二系悬挂。用于控制轨道交通工具的悬挂的方法包括：处理来自直接或间接地测量轮子卸荷状况的传感器(14.21、16.21)的信号以检测侧风和迎风侧；和控制驱动装置(14、16)中的至少一个的至少一个横向致动器(14.4、14.41、16.4)以根据稳定性定向控制策略响应于检测到的侧风而朝向迎风侧移动交通工具主体(12)。

Description

侧风稳定方法和相关的轨道交通工具
技术领域
本发明涉及轨道交通工具的侧风稳定性，特别涉及例如城际轨道交通工具的高速轨道交通工具和/或例如双层轨道交通工具的承受高侧风负荷的交通工具的侧风稳定性。
背景技术
轨道交通工具的侧风稳定性受交通工具主体的形状、交通工具主体和驱动装置架(running gear frame)的惯性的影响，并且受交通工具悬挂系统影响。轨道交通工具设置有被动悬挂系统，并且暴露于与交通工具主体的摇摆运动起反应的侧风。交通工具主体的横摆运动特别是在阵风的影响下也可以被观测到。交通工具响应于侧风的测量结果显示：特别是二系悬挂(secondary suspension)的横向刚度和较少程度上的侧倾刚度影响在负荷作用下的交通工具的稳定性。然而，空气动力学负荷的强度经常高到使得证明没有可能使被动悬挂系统充分适应侧风而不妥协或甚至恶化乘坐舒适度。
轨道交通工具现今越来越多地装配有用于乘坐舒适目的的主动悬挂系统。当这样的交通工具暴露于高侧风负荷时，主动二系悬挂可以稍微减少侧风在交通工具上的影响。然而，空气动力学负荷在交通工具上的强度和突发性是经常的，使得主动二系悬挂的响应是不充分的或不适当的。
因此，存在对侧风在轨道交通工具上的更具体响应的需要。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了用于稳定轨道交通工具的方法，轨道交通工具包括放置在两个纵向隔开的驱动装置上的交通工具主体，驱动装置中的每个驱动装置包括驱动装置架、在驱动装置架和一组轮子之间的一系悬挂、和包括在驱动装置架和交通工具主体之间的一个或多个横向致动器的二系悬挂，该方法包括：
-处理来自直接或间接地测量轮子卸荷状况(wheel unloadingcondition)的传感器的信号以检测侧风和迎风侧；和
-控制驱动装置中的至少一个驱动装置或两个驱动装置的一个或多个横向致动器中的至少一个横向致动器以根据侧风稳定性定向控制策略，响应于检测到的侧风而朝向迎风侧移动交通工具主体。
传递到交通工具主体的侧向移动减少了在迎风侧上的轮子卸荷，轮子卸荷使倾覆风险减到最小并且增加了交通工具的稳定性。提出的方法可以利用现有的主动悬挂系统或使用专用的致动器，特别是一个或多个专用的横向致动器，在缺少侧风时不使用专用的横向致动器。
轮子卸荷可以估计为实际垂直轮轨作用力(wheel-rail force)Q与水平导轨上的相应的静态作用力Q0的归一化的偏差(Q-Q0)/Q0。然而，直接地测量轮轨作用力需要测力轮组(instrumented wheelset)，测力轮组在日常操作中是昂贵的和不切实际的。因此，传感器优选地测量一系悬挂的垂直偏转和/或作用力。具体地，直接测量一系悬挂的垂直偏转证明是特别容易和适当的。
虽然轮子卸荷可以在单个轮子上进行测量或估计，但是优选地是，计算关于每个驱动装置或轨道交通工具的两个驱动装置的左侧负荷值和右侧负荷值。
信号处理还可以包括将左侧负荷值和右侧负荷值中的至少一个与卸荷阈值进行比较以决定侧风的发生。卸荷阈值优选地由于来自在静态情况下(即，静止在水平导轨上或以恒定速度处于直的水平导轨上)的传感器的信号的先前处理而确定。
优选地，信号处理还包括将左侧负荷值与右侧负荷值进行比较以确定迎风方向。
信号优选地用低通滤波器进行滤波，优选地，低通滤波器是优选地具有0.1Hz和4Hz之间的截止频率的一阶低通滤波器，以避免在响应时不必要的时间延迟。
侧风稳定性定向控制策略优选地包括在检测到侧风时，用预定的侧风稳定性定向常数设定值控制横向致动器中的至少一个横向致动器。该策略特别简单地实施。预定的常数侧风稳定性定向设定值可以是用横向致动器可实现的最大作用力或偏转值。
可选地，如果横向致动器是足够大功率的，它可以用一组作用力值或偏转值进行控制，偏转值是预定的侧风稳定性定向常数平均值和叠加的动态值的总和。特别地，叠加的动态值可以根据已知的舒适度定向控制策略进行确定。动态值不应当干扰常数平均值并且因此应当在给定的分裂频率(split frequency)下没有频率分量。如果已知的舒适度定向控制策略产生低频信号，则可能有必要处理根据舒适度定向控制策略通过具有处于分裂频率的截止频率的高通滤波器计算的设定值，分裂频率优选地多于0.1Hz并且小于3Hz。
如果驱动装置中的一个驱动装置设置有一个以上的横向致动器，则横向致动器中的一个横向致动器可以专用于侧风稳定性定向控制策略，而如果有必要，另一个横向致动器可以在通过高通滤波器处理之后根据舒适度定向控制策略进行控制，以便不干扰第一致动器。
二系悬挂可以设置有左垂直致动器和右垂直致动器。在这样的情况下，侧风稳定性定向控制策略可以包括控制二系悬挂的至少一个垂直致动器以响应于检测到的侧风而朝向迎风侧倾斜交通工具主体。特别地，该方法可以包括在交通工具的背风侧上提升交通工具主体，并且在交通工具的迎风侧上降低交通工具主体。
垂直致动器中的至少一个垂直致动器可以在检测到侧风时用预定的常数设定值进行控制。该预定的常数设定值可以是垂直致动器的最大作用力或偏转值。
垂直致动器中的至少一个垂直致动器、并且优选地是全部的垂直致动器可以用设定作用力或偏转值进行控制，偏转值是预定的常数平均值和叠加的动态值的总和。特别地，叠加的动态值可以根据已知的舒适度定向控制策略来确定。如上关于横向致动器所讨论的，用于控制垂直致动器的动态值不应当干扰常数平均值并且因此应当在给定的分裂频率下不具有频率分量。如果已知的舒适度定向控制策略产生低频信号，则可能有必要处理根据舒适度定向控制策略通过具有处于分裂频率的截止频率的高通滤波器计算的设定值，分裂频率优选地多于0.1Hz并且小于3Hz。
优选地，该方法包括在检测侧风的过渡阶段中逐渐采用侧风稳定性定向控制策略并且同时逐渐停止舒适度定向控制策略。过渡阶段应当足够短以对侧风迅速做出反应，但是还确保在两种控制方法之间的相对平稳的过渡。
该方法优选地还包括处理来自测量一系悬挂的垂直偏转和/或作用力的传感器的信号以检测侧风的结束。特别地，该方法可以包括将左侧负荷值和右侧负荷值中的至少一个与结束卸荷阈值(end-of-unloadingthreshold)进行比较以检测侧风的结束。结束卸荷阈值可以等于卸荷阈值。该方法优选地还包括在结束侧风过渡阶段中逐渐停止侧风稳定性定向控制策略并且同时逐渐采用舒适度定向控制策略。因为返回舒适度定向控制策略不涉及安全，故该过渡阶段可以长于先前的检测侧风的过渡阶段。
该方法还包括结合定位系统和来自传感器的信号来处理存储的数据，以提高将侧风与导轨布置(即，曲线过渡)进行区分的能力。
如果轨道交通工具是例如多个单元或火车的一组轨道交通工具的一部分，则该方法可以包括结合来自传感器的信号处理来自该组轨道交通工具中的另一个轨道交通工具的数据以检测侧风。
根据本发明的另一个方面，提供了控制轨道交通工具的方法，轨道交通工具包括放置在两个纵向隔开的驱动装置上的交通工具主体，驱动装置中的每个驱动装置包括驱动装置架、在驱动装置架和一组轮子之间的一系悬挂、和包括在驱动装置架和交通工具主体之间的一个或多个横向致动器的二系悬挂，该方法的特征在于，其包括：
-处理来自直接或间接地测量轮子卸荷状况的传感器的信号以检测侧风和迎风侧；
-控制驱动装置中的至少一个驱动装置或两个驱动装置的一个或多个横向致动器中的至少一个横向致动器，以根据侧风稳定性定向控制策略响应于检测的侧风而朝向迎风侧移动交通工具主体。
-根据舒适度定向控制策略控制驱动装置中的至少一个驱动装置或两个驱动装置的横向致动器中的至少一个横向致动器以在没有侧风的情况下最大化乘坐舒适度。
舒适度定向控制策略优选地包括动态分量和准静态分量，动态分量减少交通工具主体在横向方向和垂直方向的振动，并且特别地减少被认为是对乘客最不舒服的频谱中的振动，准静态分量用于弯曲目的，例如减少在曲线通过期间的横向准静态悬挂偏转，或使交通工具主体倾斜以减少在水平转弯中的不平衡的横向加速度的影响。交通工具主体因此优选地设置有横向和/或垂直加速计，横向和/或垂直加速计递送用于舒适度定向控制策略的输入信号。
侧风稳定性定向控制策略可以包括关掉或逐渐停止舒适度定向控制策略。侧风稳定性定向控制策略还可以结合舒适度定向控制策略中的动态分量。
根据本发明的另一个方面，提供了轨道交通工具，轨道交通工具包括放置在两个纵向隔开的驱动装置上的交通工具主体，驱动装置中的每个驱动装置包括驱动装置架、在驱动装置架和一组轮子之间的一系悬挂和包括驱动装置架和交通工具主体之间的一个或多个横向致动器的二系悬挂。轨道交通工具还设置有用于直接或间接地测量轮子负荷的传感器、以及连接到传感器和一个或多个横向致动器的控制器，以用于根据前述权利要求中的任一项的控制方法来稳定轨道交通工具。
根据一个实施例，驱动装置包括至少一个驱动装置，优选地是具有两个横向致动器的主导驱动装置。这可以是改装现有主动悬挂以增加其最大横向作用力的便利的方式。
二系悬挂可以包括连接到控制器的左垂直致动器和右垂直致动器。
本发明的各个实施例可以任意组合。
附图说明
根据作为仅仅非限制性示例给出的并且在附图中表示的本发明的具体实施例的以下描述，本发明的其它优点和特征将变得更加清楚明了，在附图中：
-图1是根据本发明的实施例的轨道交通工具的俯视图；
-图2是用于图1的轨道交通工具的控制电路的示意图；
-图3是根据本发明的实施例的侧风稳定性定向控制策略的流程图。
具体实施方式
参考图1，轨道交通工具10包括在两个纵向隔开的驱动装置14、16上的交通工具主体12，驱动装置14、16中的每个驱动装置包括驱动装置架14.1、16.1、在驱动装置架和两组轮子14.3、16.3之间的一系悬挂14.2、16.2、和包括在驱动装置架14.1、16.1和交通工具主体12之间的横向致动器14.4、14.41、16.4和垂直致动器14.5、16.5的二系悬挂。更具体地，主导驱动装置14在行进方向100上设置有两个横向致动器14.4、14.41，而另一个驱动装置16仅仅设置有一个横向致动器16.4。
一系悬挂14.2、16.2设置有用于测量一系悬挂的偏转的传感器14.21、16.21。轨道交通工具10还设置有控制器20，控制器20连接到传感器14.21、16.21和两个驱动装置14、16的二系悬挂的横向致动器和垂直致动器14.4、14.41、14.5、16.4、16.5。致动器可以是液压致动器，特别是电控的液压致动器、或具有短的响应时间的任何其它类型的合适的致动器。
控制器20操作如图2中所示。在没有强的侧风的情况下，控制器遵循舒适度定向控制策略例如以最小化交通工具主体的垂直加速度和横向加速度和/或最小化驱动装置架和交通工具主体之间的相对位移。
来自传感器14.21、16.21的输入信号在步骤101通过低通滤波器连续处理，并且在步骤102与存储的值进行比较以确定侧风是否已经发生。
更具体地，比较可以包括归一化的偏转值(D-D0)/(DM-D0)的计算，其中D是测量的和过滤的偏转，DM是存储的关于一系悬挂的最大允许偏转值，并且D0是在没有侧风的情况下以静止或恒定的速度在直的轨道上测量的输入信号的预定值。如果驱动装置中的一个驱动装置的相同侧(迎风侧)上的两个轮子的归一化偏转大于第一给定的阈值例如80％或90％，并且如果相同的驱动装置的另一侧上的两个轮子的归一化偏转是负的，并且如果相同的状况在具有第二给定阈值的第二驱动装置上得到满足，第二给定阈值可以与第一阈值相同或稍微小于第一阈值，例如75％或85％，则控制器确定侧风已经发生并且前进到步骤103。否则，控制器返回到监视步骤101。
在步骤103，控制器确定迎风侧作为已经超出阈值的交通工具的侧，并且前进到步骤104以实施侧风稳定性定向控制策略。在步骤104，控制器在检测侧风后、在过渡阶段期间开始逐渐采用侧风稳定性定向控制策略并且同时逐渐停止舒适度定向控制策略。侧风稳定性定向控制策略包括将控制信号发送到横向致动器以朝向迎风侧(即，和风相反的方向)移动交通工具主体以及将控制信号发送到垂直致动器以朝向迎风侧倾斜交通工具主体。
根据第一实施例，要求来自所有横向致动器的最大作用力以便朝向迎风侧(即，和风相反的方向)移动交通工具主体，和来自垂直致动器的最大作用力以朝向迎风侧倾斜交通工具主体。
根据第二实施例，在主导驱动装置上的横向致动器中的一个横向致动器用于产生最大作用力的目的，同时不改变其它横向致动器的控制。垂直致动器被使用以便产生最大倾斜。
根据第三实施例，仅仅舒适度定向控制策略的准静态分量逐渐减弱，而舒适度定向控制策略的高频分量被保留并且添加到侧风稳定性定向控制策略的准静态分量，侧风稳定性定向控制策略的准静态分量可以和上述第一实施例或第二实施例中的侧风稳定性定向控制策略的准静态分量相同。作为变量，侧风稳定性定向控制策略的横向准静态分量在主导驱动装置上的两个横向致动器之间被平分，而舒适度定向控制策略的动态分量仅仅施加在两个横向致动器中的一个横向致动器上。
一系悬挂的偏转在步骤105被连续监视，同时应用侧风稳定性定向控制策略以在步骤106检测侧风是否已经结束。这将是这种情况，例如，在迎风侧上的归一化偏转是否减少低于以上提到的第一阈值。
在这样的情况下，在步骤107，在过渡阶段期间，逐渐停止侧风稳定性定向控制策略，并且再次逐渐采用舒适度定向控制策略，过渡阶段优选地长于第一过渡阶段。
本发明不限于目前为止描述的实施例。致动器的数量和位置可以从一个交通工具到另一个交通工具变化。特别地，每个驱动装置可以仅仅存在一个横向致动器，或每个驱动装置可以存在两个横向致动器。驱动装置可以位于交通工具主体的端部处、或位于多个单元交通工具的两个交通工具主体之间。
轨道交通工具可以每个车体装配有一个控制器或每个驱动装置装配有一个控制器。

Claims (26)

1.一种用于稳定轨道交通工具的方法，所述轨道交通工具包括放置在两个纵向隔开的驱动装置(14、16)上的交通工具主体，所述驱动装置(14、16)中的每个驱动装置包括驱动装置架(14.1、16.1)、在所述驱动装置架(14.1、16.1)和一组轮子(14.3、16.3)之间的一系悬挂(14.2、16.2)、和包括在所述驱动装置架(14.1、16.1)和所述交通工具主体(12)之间的一个或多个横向致动器(14.4、14.41、16.4)的二系悬挂，所述方法的特征在于，所述方法包括：
-处理来自直接或间接地测量轮子卸荷状况的传感器(14.21、16.21)的信号以检测侧风和迎风侧；
-控制所述驱动装置(14、16)中的至少一个驱动装置的一个或多个横向致动器(14.4、14.41、16.4)中的至少一个横向致动器以根据稳定性定向控制策略响应于所检测到的侧风而朝向所述迎风侧移动所述交通工具主体(12)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述传感器测量所述一系悬挂(14.2、16.2)的垂直偏转和/或作用力。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于：所述信号处理包括计算左侧负荷值和右侧负荷值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述信号处理还包括将所述左侧负荷值和所述右侧负荷值中的至少一个与卸荷阈值进行比较以决定侧风的发生。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述卸荷阈值由于来自静态情况下的所述传感器(14.21、16.21)的信号的先前处理而确定。
6.根据权利要求3到5中任一项所述的方法，其特征在于：所述信号处理还包括将所述左侧负荷值与右侧负荷值进行比较以确定迎风方向。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述信号处理包括用低通滤波器对信号进行滤波，优选地，所述低通滤波器是优选地具有0.1Hz和4Hz之间的截止频率的一阶低通滤波器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括在检测到侧风时用预定的侧风稳定性定向常数设定值控制所述驱动装置(14、16)中的至少一个驱动装置的一个或多个横向致动器(14.4、14.41、16.4)中的至少一个横向致动器。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述预定常数侧风稳定性定向设定值是所述横向致动器(14.4、14.41、16.4)的最大作用力或偏转值。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括用设定作用力或偏转值控制所述驱动装置(14、16)中的至少一个驱动装置的一个或多个横向致动器(14.4、14.41、16.4)中的至少一个横向致动器，所述偏转值是预定的侧风稳定性定向常数平均值和叠加的动态值的总和。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述驱动装置(14、16)中的至少一个驱动装置的所述二系悬挂包括左垂直致动器和右垂直致动器(14.5、16.5)，其特征在于：所述方法包括响应于所检测到的侧风，控制所述二系悬挂的所述垂直致动器(14.5、16.5)中的至少一个垂直致动器以朝向迎风侧倾斜所述交通工具主体。
12.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于：所述方法包括在所述交通工具(10)的背风侧上提升所述交通工具主体(12)，以及在所述交通工具(10)的迎风侧上降低所述交通工具主体(12)。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于：所述方法包括在检测到侧风时用预定的常数设定值控制所述垂直致动器(14.5、16.5)中的至少一个垂直致动器。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述预定的常数设定值是所述垂直致动器(14.5、16.5)的最大作用力或偏转值。
15.根据权利要求11到14中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括用设定作用力或偏转值控制所述垂直致动器(14.5、16.5)中的至少一个垂直致动器，所述偏转值是预定的常数平均值和叠加的动态值的总和。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括在检测到侧风之后在第一过渡阶段中逐渐采用所述侧风稳定性定向控制策略并且同时逐渐停止舒适度定向控制策略。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括处理来自测量所述一系悬挂的垂直偏转和/或作用力的传感器的信号以检测侧风的结束。
18.根据权利要求17和权利要求3所述的方法，其特征在于：所述方法包括将所述左侧负荷值和右侧负荷值中的至少一个与结束卸荷阈值进行比较以检测侧风的结束。
19.根据权利要求18和权利要求4所述的方法，其特征在于：所述结束卸荷阈值等于所述卸荷阈值。
20.根据权利要求17到19中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括在阵风结束过渡阶段中逐渐停止所述侧风稳定性定向控制策略并且同时逐渐采用舒适度定向控制策略。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括结合定位系统和来自传感器的信号来处理存储的数据以检测侧风。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述轨道交通工具是一组轨道交通工具的一部分，其特征在于：所述方法包括结合来自传感器的信号来处理来自该组轨道交通工具中的另一个轨道交通工具的数据以检测侧风。
23.一种轨道交通工具(10)，所述轨道交通工具(10)包括放置在两个纵向隔开的驱动装置(14、16)上的交通工具主体(12)，所述驱动装置(14、16)中的每个驱动装置包括驱动装置架(14.1、16.1)、在所述驱动装置架和一组轮子(14.3、16.3)之间的一系悬挂(14.2、16.2)、和包括在所述驱动装置架(14.1、16.1)和所述交通工具主体(12)之间的一个或多个横向致动器(14.4、14.41、16.4)的二系悬挂，其特征在于：所述轨道交通工具(10)包括传感器(14.21、16.21)和控制器(20)，所述传感器(14.21、16.21)直接或间接地测量轮子卸荷，所述控制器(20)连接到所述传感器(14.21、16.21)和所述一个或多个横向致动器(14.4、14.41、16.4)以用于根据前述权利要求中任一项所述的控制方法来稳定所述轨道交通工具。
24.根据权利要求23所述的交通工具，其特征在于：所述驱动装置(14、16)中的至少一个驱动装置的所述二系悬挂包括至少两个横向致动器(14.4、14.41)。
25.根据权利要求23或权利要求24所述的交通工具，其特征在于：所述驱动装置(14、16)中的至少一个驱动装置的所述二系悬挂包括左垂直致动器和右垂直致动器(14.5、16.5)。
26.根据权利要求23到25中任一项所述的交通工具，其特征在于：所述传感器(14.21、16.21)包括用于测量所述一系悬挂(14.2、16.2)的偏转的偏转传感器。
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