CN105799717B - 一种轨道车辆轮对主动导向方法及其装置 - Google Patents

一种轨道车辆轮对主动导向方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轨道车辆轮对主动导向方法及其装置，涉及轨道车辆的转向技术。包括固定在车轴一端的独立轮对,内侧分别设有左、右两组行星轮系，行星轮系的太阳轮与独立轮对的车轴固定，行星轮系的行星轮通过设置在行星轮轴上的轴承与行星架固定，行星架通过与行星轮啮合的太阳轮与车轴联接，端面通过连接轴和轴承与机壳固定，行星架的外圈设有与固定在传动轴两端的传动齿轮啮合的外齿圈，独立轮对内侧的左、右两组行星轮系通过传动轴相联；左边的差动轮系内齿圈通过轴承与机壳联接，其外齿圈设有蜗轮‑蜗杆副，蜗轮‑蜗杆副通过减速器与差速电机联接；右边的定轴轮系的内齿圈与机壳固定。主要用于轻轨车辆转向架制造。

Description

一种轨道车辆轮对主动导向方法及其装置
技术领域
本发明涉及轨道车辆制造技术领域，特别涉及轨道车辆转向架的转向技术。
技术背景
铁路机车车辆及电动车组的转向架，均依靠带有外锥面的钢制轮对在左右钢轨上运行实现导向，随着运行里程的增加，踏面等效锥度变大，车辆的不稳定速度降低，同时过大的锥度将加速车轮及钢轨磨耗。铁标TB/T 449推荐的多种车轮的踏面锥度或坡度大约为1/20，标准轨距轮对与钢轨接触斑的间距约1.5m，轮缘—钢轨二个间隙总和最大约30mm，因此依靠踏面锥度能顺利通过的最小曲线半径约为300m。总之，常规的轮对在通过小于300m的曲线时，就会产生较大磨耗及其噪声，运行在100m半径以下的小曲线轨道时还容易脱轨。
近年来采用100％低地板面的现代城市轨道交通正在得到大力发展。为了实现小半径曲线通过及低地板结构设计要求，大多采用独立轮对，即左右车轮可绕自身轴线独立转动，取代贯通的转动车轴，这样车辆的地板高度可小于车轮半径，但这种车辆的安全导向、磨耗与噪声一直是难题，解决此问题的技术在近30年也走过了曲折发展历程。
1990年，在德国不莱梅市投入运营的GT6N低地板车，左右轮采用了锥齿轮、离合器及被动差速器耦合方式：直线运行时，离合器闭合，借助纵向蠕滑力形成导向能力；轮对刚性旋转，曲线通过时，离合器分离，左右轮独立旋转，由于失去在曲线运行中存在偏磨问题。为此法国阿尔斯通公司的Arpège转向架通过两对圆柱齿轮构成的轴桥，将左、右车轮重新耦合起来，不仅可实现100％的低地板结构，同时使其具有直线复位功能，但小半径曲线通过能力较弱，严重磨耗与噪声并存。
日本的RT-X1转向架依靠离心力引起的载重变化，通过板簧使前后轮对呈八字形，以实现轮对的径向调节功能。车辆通过的曲线半径较小时，车辆反而需要较高速度才能使板簧变形到位，因此其径向调节作用有限。
对于左右轮均用轮驱电机的独立轮对，一般认为可通过左右轮圆周速度的精密快速控制实现小曲线通过，但实际的控制精度不能满足车辆安全通过的条件。为此CN201310265627.5公开了一种100％低地板独立轮动力转向架，采用了将单电机外置，通过齿轮同步驱动左右两轮的结构，这种轮对驱动结构仍然存在转弯不灵活的问题。
CN103625215A公开了一种用于城市轨道车辆的差速器耦合轮对，通过高摩擦自锁差速器耦合左右车轮，在直线或大半径曲线段，借助预紧摩擦力矩将差速器锁止，左右轮同步转动，相当于刚性轮对；但在小半径曲线段，左右车轮轮轨摩擦力矩差大于摩擦力矩，差速器解锁，左、右车轮具有不同转速。但该结构无法用于100％低地板车。
综上所述，为了适应小半径曲线轨道，车辆轮对经过了多种多次改进，但始终没有像汽车、坦克及轮船等载运工具那样，设置专门的可人为操作的主动转向系统，完全依靠刚性或耦合轮对的踏面锥度导向，难以得到理想的安全导向性能，低磨耗、低噪声的经济环保运行性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种轨道车辆轮对主动导向方法及其装置。它能有效地解决轨道车辆轮对的主动导向问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种轨道车辆轮对主动导向装置，包括固定在半轴一端的独立轮对，独立轮对内侧分别设有左、右两组行星轮系，行星轮系的太阳轮与独立轮对的半轴固定，行星轮系的行星轮通过设置在行星轮轴上的轴承与行星架固定，行星架通过与行星轮啮合的太阳轮与半轴联接，行星架的端面通过连接轴及其轴承与机壳固定，行星架的外圈设有与固定在传动轴两端的传动齿轮啮合的外齿圈，独立轮对内侧的左、右两组行星轮系通过传动轴相联；左边的差动轮系内齿圈通过轴承与机壳联接，其外齿圈设有蜗轮-蜗杆副，蜗轮-蜗杆副通过减速器与差速电机联接；右边的定轴轮系的内齿圈与机壳固定。
所述左、右两组行星轮系为反向对称连接，其中一组为单自由度的定轴轮系，另一组为两自由度的差动轮系。
所述行星架的外圈设有与传动齿轮啮合的齿轮结构。
所述传动轴外围的机壳通过法兰盘联接。
所述半轴与机壳接触处设有端盖。
所述导向装置既可用于被动轮对，也可用于动轴轮对。
所述独立轮对也可以设在行星轮系的内侧。
本发明的一种轨道车辆轮对主动导向方法，包括以下步骤：
第一步、利用车载卫星定位系统以及在线路上设置的地面电子路标获取线路定位信息并存档。
第二步、采用线路曲线设计参数以及线路定位信息，根据线路中曲线的曲率半径以及车速计算需要的左、右轮对的转速差并存档。
第三步、根据通过对应曲线速度精细控制左、右轮的转动角位移，同时检测角位移控制时遇到的阻力。
第四步、根据融合信息判断轮对相对钢轨的位置，调整左、右车轮转动角位移的差值等信息进行编程：当车辆运行到线路曲线时，控制器根据预存的线路定位信息，调用对应的预存的转速差信息控制差速电机的偏转角度，实现主动导向功能。
车辆轮对的踏面可解决轨道不平顺产生的偏差而保障对中；即当车辆位于直线线路时，差速电机闸住，这时，左、右轮同步转动，可认为左轮和右轮为同轴刚性连接，与普通机车车辆刚性轮对的导向作用相同，具有直线对中能力。实现主动导向的方法需要智能化的实时控制器，也需要可靠精确实现左右轮角位移差的轮对差动结构。
本发明利用机械耦合的研究思路，从工程的角度，重新设计了轨道车辆的导向方法，通过行星轮系实现车辆的独立轮对的差速，并且依靠差速电机带动内齿圈转动实现差速的主动控制，通过对轮对的转速控制实现主动导向。对于实际线路相对于理想线路的轨道不平顺产生的偏差，仍依靠轮轨设计中的踏面锥度来实现；而在实际线路中设计的缓和曲线及圆曲线上的主动导向控制则依靠左、右轮的转速差实现控制；这种方式不仅能够实现独立轮对列车的低地板要求，还能够通过主动控制独立轮对左、右车轮的差速，从而达到使独立轮对在曲线上主动导向的目的，从而改善独立轮对车辆的直线上的自动对中能力和曲线上的曲线通过能力。
本发明的工作过程和原理是：
在独立轮对的左、右车轮之间安装两个行星轮系结构，右车轮为牵引动力端，其通过减速装置与牵引电机相连，为独立轮对提供动力。此处注意：为使两行星轮系达到差速的目的，两行星轮系的安装方式为反向对称连接，即两行星轮系的行星架通过传动齿轮和传动轴相联，太阳轮与半轴联接，亦可以两行星轮系的太阳轮通过传动齿轮和传动轴相联，行星架与半轴联接。在行星轮系的内齿圈外部固定一个蜗轮-蜗杆副，使其与内齿圈成为一个整体，即具有相同的运动状态，蜗轮-蜗杆副在蜗杆保持静止时，要求两行星轮系具有相同的减速比。以此结构来达到控制左、右轮对差速的目的。
当车辆在直线轨道运行时，保持行星轮系的内齿圈为静止状态，即差动电机被闸住，此时行星轮系可以当作与定轴轮系具有相同的结构，由于其对称联接，总传动比为1，从而使左、右轮同步转动，可认为左轮和右轮为刚性连接，与普通机车车辆刚性轮对的导向作用相同，具有一定的直线对中能力。
当车辆在曲线轨道上运行时，差速电机工作，行星轮系的内齿圈随之转动，使得行星轮系的太阳轮和定轴轮系的太阳轮速度不同，从而使左、右轮产生速度差，实现主动导向目的。
与现有技术相比的效果与优点在于：
本发明实现了独立轮对主动差速控制，大大减小了机车车辆通过小半径曲线时产生脱轨的风险。将行星减速机的输出轴降低，从而达到独立轮对低地板车辆的要求。在车辆通过实际线路中的缓和曲线及圆曲线时，主动导向控制能够通过控制独立轮对左、右车轮的转动角位移差值，解决独立轮对的直线及曲线上的自动对中能力，从而达到使独立轮对在曲线上实现安全导向的目的。
附图说明
图1为本发明的主动差速结构图
图2为本发明的差动轮系结构图
图3为本发明的定轴轮系结构图
图4为本发明的机壳结构图
图5为本发明的控制方法流程图
具体实施例
以下结合附图对本发明作进一步说明。
一种轨道车辆轮对主动导向装置，包括固定在半轴17一端的独立轮对1，独立轮对1内侧分别设有左、右两组行星轮系，行星轮系的太阳轮2与独立轮对1的半轴17固定，行星轮系的行星轮12通过设置在行星轮轴11上的轴承14与行星架10固定，行星架10通过与行星轮12啮合的太阳轮2与半轴17联接，行星架10的端面通过连接轴7及其轴承15与机壳16固定，行星架10的外圈设有与固定在传动轴8两端的传动齿轮9啮合的外齿圈，独立轮对1内侧的左、右两组行星轮系通过传动轴8相联；左边的差动轮系内齿圈6通过轴承3与机壳16联接，其外齿圈设有蜗轮-蜗杆副4，蜗轮-蜗杆副4通过减速器与差速电机5联接；右边的定轴轮系的内齿圈13与机壳16固定。
所述左、右两组行星轮系为反向对称连接，其中一组为单自由度的定轴轮系，另一组为两自由度的差动轮系。
所述行星架10的外圈设有与传动齿轮9啮合的齿轮结构。
所述传动轴8外围的机壳16通过法兰盘联接。
所述半轴17与机壳17接触处设有端盖18。
所述导向装置既可用于被动轮对，也可用于动轴轮对。
所述独立轮对1也可以设在行星轮系的内侧。
本发明的一种轨道车辆轮对主动导向方法，包括以下步骤：
第一步、利用车载卫星定位系统以及在线路上设置的线圈应答器获取线路定位信息并存档；
第二步、根据线路定位信息中线路曲线的曲率半径以及车速计算需要的左、右轮的转速差并存档；
第三步、编程：当车辆运行到线路曲线时，控制器根据预存的线路定位信息，调用对应的预存的转速差信息控制差速电机5的偏转角度，实现主动导向功能；
车辆轮对1的踏面可解决轨道不平顺产生的偏差而保障对中；即当车辆位于直线线路时，差速电机5闸住，这时，左、右轮同步转动，可认为左轮和右轮为同轴刚性连接，与普通机车车辆刚性轮对的导向作用相同，具有直线对中能力。
本发明利用机械耦合的研究思路，从工程的角度，重新设计了轨道车辆的导向方法，通过行星轮系实现车辆的独立轮对的差速，并且依靠差速电机带动内齿圈转动实现差速的主动控制，通过对轮对的转速控制实现主动导向。对于实际线路相对于理想线路的轨道不平顺产生的偏差，仍依靠轮轨设计中的踏面锥度来实现；而在实际线路中设计的缓和曲线及圆曲线上的主动导向控制则依靠左、右轮的转速差实现控制；这种方式不仅能够实现独立轮对列车的低地板要求，还能够通过主动控制独立轮对左、右车轮的差速，从而达到使独立轮对在曲线上主动导向的目的，从而改善独立轮对车辆的直线上的自动对中能力和曲线上的曲线通过能力。
当车辆在直线轨道运行时，保持行星轮系的内齿圈为静止状态，即差动电机被闸住，此时行星轮系可以当作与定轴轮系具有相同的结构，由于其对称联接，总传动比为1，从而使左、右轮同步转动，可认为左轮和右轮为刚性连接，与普通机车车辆刚性轮对的导向作用相同，具有一定的直线对中能力。
当车辆在曲线轨道上运行时，差速电机工作，行星轮系的内齿圈随之转动，使得行星轮系的太阳轮和定轴轮系的太阳轮速度不同，从而使左、右轮产生速度差，实现主动导向目的。

Claims (7)

1.一种轨道车辆轮对主动导向装置，包括固定在车轴(17)一端的独立轮对(1)，其特征在于：独立轮对(1)内侧分别设有左、右两组行星轮系，行星轮系的太阳轮(2)与独立轮对(1)的半轴(17)固定，行星轮系的行星轮(12)通过设置在行星轮轴(11)上的轴承(14)与行星架(10)固定，行星架(10)通过与行星轮(12)啮合的太阳轮(2)与半轴(17)联接，行星架(10)的端面通过连接轴(7)和轴承(15)与机壳(16)固定，行星架(10)的外圈设有与固定在传动轴(8)两端的传动齿轮(9)啮合的外齿圈，独立轮对(1)内侧的左、右两组行星轮系通过传动轴(8)相联；左边的差动轮系内齿圈(6)通过轴承(3)与机壳(16)联接，其外齿圈设有蜗轮-蜗杆副(4)，蜗轮-蜗杆副(4)通过减速器与差速电机(5)联接；右边的定轴轮系的内齿圈(13)与机壳(16)固定。
2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆轮对主动导向装置，其特征在于：所述左、右两组行星轮系为反向对称连接，其中一组为单自由度的定轴轮系，另一组为两自由度的差动轮系。
3.根据权利要求1所述的一种轨道车辆轮对主动导向装置，其特征在于：所述行星架(10)的外圈设有与传动齿轮(9)啮合的齿轮结构。
4.根据权利要求1所述的一种轨道车辆轮对主动导向装置，其特征在于：所述传动轴(8)外围的机壳(16)通过法兰盘联接。
5.根据权利要求1所述的一种轨道车辆轮对主动导向装置，其特征在于：所述半轴(17)与机壳(16)接触处设有端盖(18)。
6.根据权利要求1所述的一种轨道车辆轮对主动导向装置，其特征在于：所述导向装置既可用于被动轮对，也可用于动轴轮对。
7.根据权利要求1所述的一种轨道车辆轮对主动导向装置，其特征在于：所述独立轮对也可以设在行星轮系的内侧。
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