CN106184267B - 一种轨道交通用主动控制的横向止挡装置和方法 - Google Patents

一种轨道交通用主动控制的横向止挡装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可以对车体横向位移主动调节控制的横向止挡装置和方法，解决了横向止挡对线路和天气等环境适应性差的问题，可以在不影响正常车辆动力学性能的前提下，通过作动器施加作用力，缓冲车体与转向架之间的横向冲击和限制过大横向位移，并且该作动器可以根据车辆运行速度的不同快速做出反应，满足车辆系统控制横向位移的需求，实现了横向止挡和转向架构架间距可调、作用时间可控的目标。

Description

一种轨道交通用主动控制的横向止挡装置和方法
技术领域
本发明涉及轨道交通行业，尤其是指一种可以对车体横向位移主动调节控制的横向止挡装置和方法，实现在不影响车辆动力学性能的前提下，提高车辆系统对不同线路运行工况和天气环境变化的适应性。
背景技术
横向橡胶止挡位于轨道车辆二系悬挂系统中，用来缓冲车体与转向架之间的横向冲击和限制过大横向位移，为二系减振提供柔性平稳的平台，可以提高城轨车辆的运行品质和改善车辆的舒适性能。横向止挡装置的作用是抑制车体相对于转向架的横向运动，保证车辆相对于转向架的位移在一定范围内，使得轨道车辆获取优良的横向平稳性能和乘坐舒适性。车体相对于转向架的横向运动是必然存在的，不能完全限制，横向止挡装置应设计成具有一定弹性的、带有止挡间隙的结构，当车体相对于转向架的位移很小时，横向止挡装置不起作用，当车体相对于转向架的位移超过设定的间隙时，横向止挡装置可以限制车体的过度横向运动。
现有的横向止挡装置结构种类各异，不是结构复杂、安装不便，就是不能完好地限制车体与转向架的横向运动。实际运行中车辆会以不同速度通过各种不同曲线半径不同超高的线路，这些不同运行工况与设计要求存在差异，超限运行情况时有发生，容易导致现有的横向止挡出现损坏、橡胶层破裂而失效问题，严重影响车辆的运行品质，影响车辆的运行安全性。
在实际的线路运行中，车辆通过不同曲线半径线路、不同超高线路、车辆进出隧道、明线上受到横风时，为了确保车辆的运行安全性和旅客乘坐舒适度，对横向止挡和转向架构架之间横向距离有不同要求。此外，如地铁车辆进站或者快速通过站台的时候，气动力对车辆的作用明显，期望车体的横向位移偏移较小，在正常运行下期望车体横向运动自由，不受到横向止挡的作用。
基于上述情况，如何实现不影响车辆动力学性能的前提下，提高车辆系统对不同线路运行工况和天气环境变化的适应性，满足车辆系统安全舒适运营对横向止挡自由间隙的需求，是本领域技术人员需要解决的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于轨道交通车辆上的主动控制横向止挡，通过主动控制技术，该横向止挡可以根据车辆系统的运行的不同环境提供合适的横向止挡间隙。
为解决上述问题，本发明的技术方案是，轨道交通用主动控制的横向止挡装置，基于转向架车体与转向架之间的位置关系，该装置包括，车辆传感器检测系统和横向止挡装置，所述横向止挡装置；设置在车体与转向架构架之间；所述横向止挡装置上设置有控制横向止挡装置伸缩的作动器；所述车辆传感器检测系统，包括用于测得瞬时横向加速度的加速传感器、用于测得车体和转向架构架横向位移瞬时值的位移传感器以及控制作动器工作的反馈控制器。
进一步的，所述车辆传感器检测系统与传感器之间通过光纤传输。
进一步的，所述加速传感器安装在车体地板底面上，距离转向架中心正上方左右各一米位置，用于测得车体瞬时横向加速度。
进一步的，所述加速传感器安装在转向架的一位左和二位右的构架端部，用于测得转向架瞬时横向加速度。
进一步的，所述位移传感器为激光位移传感器或者拉线位移传感器。
利用上述装置，实现道交通用主动控制的横向止挡方法，步骤如下：
步骤(a)：在反馈控制器中预先设置对比值；
步骤(b)：利用加速传感器测得瞬时横向加速度，同时利用位移传感器测得车体和转向架构架横向位移瞬时值；
步骤(c)：反馈控制器将步骤(b)中测得的数据并进行处理，同时与反馈控制器中预先设置对比值进行对比；
步骤(d)：反馈控制器根据对比结果判断是否需要对作动器4进行操作，使车体和转向架构架之间达到新的合适间距。
进一步的，所述步骤(a)中预先设置对比值为最大车体横向平稳性值2.5。
进一步的，所述步骤(a)中预先设置对比值为最大车体横向加速度0.5g。
进一步的，所述步骤(c)中反馈控制器中处理的数据为车体横向加速度Am，与反馈控制器中预先设置的最大车体横向加速度0.5g进行对比。
进一步的，所述步骤(c)中反馈控制器中处理数据为横向平稳性指标Wm，与反馈控制器中预先设置的最大车体横向平稳性值2.5进行对比。
本发明的有益效果：解决了横向止挡对线路和天气等环境适应性差的问题，可以在不影响正常车辆动力学性能的前提下，通过作动器施加作用力，缓冲车体与转向架之间的横向冲击和限制过大横向位移，并且该作动器可以根据车辆运行速度的不同快速做出反应，满足车辆系统控制横向位移的需求，实现了横向止挡和转向架构架间距可调、作用时间可控的目标。
附图说明
图1为本发明的实施主动控制横向止挡装置的框架示意图；
图2为本发明提出的横向止挡方法框架示意图；
图3为本发明提出的主动控制横向止挡装置的典型结构安装示意图。
其中，1.车体，2.转向架构架，3.横向止挡装置，4.作动器，5.弹性橡胶。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
如图3所示，一种轨道交通用主动控制的横向止挡装置，包括车辆传感器检测系统和横向止挡装置3，所述横向止挡装置3；设置在车体1与转向架构架2之间；所述横向止挡装置3上设置有控制横向止挡装置3伸缩的作动器4；所述车辆传感器检测系统，包括用于测得瞬时横向加速度的加速传感器、用于测得车体1和转向架构架2横向位移瞬时值的位移传感器以及控制作动器4工作的反馈控制器。
作动器4通过反馈控制器施加位移载荷，使得车体1与转向架构架2之间的自由间隙增大或减小，所述横向止挡装置3端部的减震组件弹性橡胶5，弹性橡胶5对车体与构架碰撞时具有一定的减振作用。
当车辆运行在轨道上会受到轨道曲线半径超高等激励、天气(横风等)和线路环境(隧道、高架桥等)等外界激扰造成转向架和车体横向位移，此时，横向止挡3和构架2的相互作用能够缓冲车体1与转向架构架2之间的横向冲击和限制过大横向位移，为了能够根据不同线路工况和环境变化快速的提供合适的止挡间隙。
上述装置有两种应用方案：
方案一：在车体地板底面上，距离转向架中心正上方左右各一米位置，安装加速度传感器，根据加速度传感器可以得到车体瞬时横向加速度；在车体横向止挡安装座正上方，安装激光位移传感器或者拉线位移传感器，根据位移传感器可以得到车体和转向架构架横向距离瞬时值。安装在车体下方的反馈控制器能将测得的加速度值分析计算，得出最近2s内车体的瞬态横向平稳性值，判断是否超过临界值2.5，
进而判断主动控制的横向止挡是否需要额外伸缩来控制止挡间隙，车辆运行的速度等信息也通过光纤传输到控制器中，根据横向平稳性指标要求，快速做出反应。
方案二：在转向架的一位左和二位右的构架端部，安装加速度传感器，根据加速度传感器可以得到转向架瞬时横向加速度，同样也需要在车体横向止挡安装座正上方，安装激光位移传感器或者拉线位移传感器，根据位移传感器可以得到车体和转向架构架横向位移瞬时值。安装在车体下方的反馈控制器能将测得车体的横向加速度值，判断两处横向加速度是否超过临界值0.5g，
进而判断主动控制的横向止挡是否需要额外伸缩来控制止挡间隙，车辆运行的速度等信息也通过光纤传输到控制器中，根据横向平稳性指标要求，快速做出反应。
对于需要额外提供作用力的横向止挡装置，作动器所需要的能量由安装在车体下方的外界能量源提供，作动器所提供能量的正输入和负输入能控制横向止挡的前进或者后退。该作动器可以是电磁作动器、液压作动器或者气压作动器，具体选择可以根据车辆实际运行环境和车辆具体参数进行合理选择。该作动器在车辆系统不需要提供额外作用力时是刚性的，和现有的横向止挡作用相似，满足对车辆动力学性能不产生影响的目的。
当横向制动主动控制不发生作用时，其自由间隙设置较小，可以满足横风、快速穿越站台等需要车体与转向架横向间隙较小的工况，此时横向止挡装置与传统装置相同；车辆运行在正常线路时，期望横向止挡不对车体横向运动产生约束，此时，横向止挡主动控制系统开始工作，根据测得的车体横向振动对横向间隙自动调节。
该横向止挡主动控制系统属于主动闭环控制，其基本思想是通过适当的系统状态或输出反馈，产生一定的控制作用来主动改变横向止挡参数，从而使系统满足预定的动态特性要求。具体的是利用安装在车辆上的加速度传感器将车辆横向加速度情况及时获取，并把所采集到的状态变量反馈给车辆控制器，以实施最优控制的一种控制策略。
如图1-2所示，利用上述装置实现主动控制的横向止挡的方法，
步骤(a)：在反馈控制器中预先设置对比值，所述步骤(a)中预先设置对比值为最大车体横向平稳性值2.5或者为最大车体横向加速度0.5g。
步骤(b)：利用加速传感器测得瞬时横向加速度，同时利用位移传感器测得车体1和转向架构架2横向位移瞬时值；
步骤(c)：反馈控制器将步骤(b)中测得的数据并进行处理，同时与反馈控制器中预先设置对比值进行对比；
当所述步骤(c)中反馈控制器中处理数据为横向平稳性指标Wm，与反馈控制器中预先设置的最大车体横向平稳性值2.5进行对比。此时，横向止挡装置3的主动控制系统不起作用，横向止挡间隙维持在出厂设置好的小间隙状态。当车辆运行在正常线路环境下时，横向止挡装置3的主动控制系统开始工作，安装在车体1地板底面的加速度传感器得到车体横向加速度Am，列车控制系统将车辆运行的实时速度信息v也通过光钎传输到反馈控制器。
反馈控制器中事先设置有最大车体横向平稳性值2.5，反馈控制器会根据测得的车体1横向加速度Am所计算得出的横向平稳性指标Wm与限值2.5比较，判断是否需要对作动器4进行操作。当Wm≤2.5时，反馈控制器不对横向止挡装置3进行作用，作动器4相当于刚性直杆，与传统横向止挡装置3的作用相同；当Wm＞2.5时，车体1的实际横向平稳性超过了限值，需要作动器4额外提供作用位移S，使横向止挡装置3伸缩，通过激光位移传感器精确控制伸缩距离，使车体1和转向架构架2之间达到新的合适间距。
作动器4施加额外作用位移S可表示为：
其中，Ss是个单元作用位移，系统会根据施加后车体平稳性指标是否满足Wm≤2.5的条件，若不满足则继续加载单元作用位移，如此重复，直至达到Wm≤2.5的目标。
当所述步骤(c)中反馈控制器中处理的数据为车体1横向加速度Am，与反馈控制器中预先设置的最大车体横向加速度0.5g进行对比。此时，横向止挡装置3的主动控制系统不起作用，横向止挡间隙维持在出厂设置好的小间隙状态。当车辆运行在正常线路环境下时，横向止挡装置3的主动控制系统开始工作，安装在车体1地板底面的加速度传感器得到车体1横向加速度Am。
反馈控制器中事先设置有最大车体横向加速度0.5g，反馈控制器会根据测得的车体1横向加速度Am所与限值0.5g比较，判断是否需要对作动器4进行操作。当Am≤0.5g时，反馈控制器不对横向止挡装置3作用，作动器4相当于刚性直杆，与传统横向止挡装置3的作用相同；当Am>0.5g时，车体1的实际横向振动加速度超过了限值，需要作动器4额外提供作用位移S，使横向止挡装置3伸缩，通过激光位移传感器精确控制伸缩距离，使车体1和转向架构架2之间达到新的合适间距。
作动器4施加额外作用位移S可表示为：
其中，Ss是个单元作用位移，系统会根据施加后车体振动加速度是否满足Am≤0.5g的条件，若不满足则继续加载单元作用位移，如此重复，直至达到Am≤0.5g的目标。
反馈控制器对将计算得出的横向平稳性Wm与限值2.5对比(或将测得Am与横向加速度限值0.5g对比)，进行控制判断。根据控制策略，若横向平稳性值Wm≤2.5(或横向加速度Am≤0.5g)，控制器不发出控制信息，作动器4相当于刚性直杆，与传统被动横向止挡装置3作用相同，则该流程结束，等待加速度传感器的下一时刻信号；若Wm>2.5(或Am>0.5g)，说明车体1横向平稳性超标(或横向加速度超标)，需要通过激光位移传感器精准控制作动器4的伸缩来达到合适的止挡间隙，来缓冲车体1与转向架构架2之间的横向冲击和限制过大横向位移。
上述两种对比方案中，车辆传感器测试系统还将车辆的运行速度v传输到反馈控制器内，用于控制作动器4的作用时间t。
步骤(d)：反馈控制器根据对比结果判断是否需要对作动器4进行操作，使车体1和转向架构架2之间达到新的合适间距。当车辆系统需要通过横向止挡装置3的主动控制来实现对车体1横向运动抑制时，通过外接能量源提供能量，作动器4施加单元位移Ss，促使横向止挡装置3移动单位距离；然后再进行步骤(c)的判断，如果Wm>2.5(或Am>0.5g)作动器4施加单元位移载荷Ss，如果Wm≤2.5(或Am≤0.5g)，，那么作动器4载荷保持不变，如此，主动控制的横向止挡装置3可以保证车辆系统横向平稳性值Wm≤2.5(或横向加速度Am≤0.5g)，并且控制时间反馈快捷，不会出现控制不及时的情况，实现了横向止挡装置3主动控制的目的。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种轨道交通用主动控制的横向止挡装置，包括车辆传感器检测系统和横向止挡装置(3)，所述横向止挡装置(3)；设置在车体(1)与转向架构架(2)之间；所述横向止挡装置(3)上设置有控制横向止挡装置(3)伸缩的作动器(4)；
所述车辆传感器检测系统，包括用于测得瞬时横向加速度的加速传感器、用于测得车体(1)和转向架构架(2)横向位移瞬时值的位移传感器以及控制作动器(4)工作的反馈控制器；
所述横向止挡装置(3)端部的减震组件弹性橡胶(5)，弹性橡胶(5)对车体与构架碰撞时具有减振作用；
所述车辆传感器检测系统与传感器之间通过光纤传输；
所述加速传感器安装在车体地板底面上，距离转向架中心正上方左右各一米位置，用于测得车体瞬时横向加速度；
所述加速传感器安装在转向架的一位左和二位右的构架端部，用于测得转向架瞬时横向加速度；
所述位移传感器为激光位移传感器或者拉线位移传感器；
一种轨道交通用主动控制的横向止挡方法，其特征在于：
步骤如下：
步骤(a)：在反馈控制器中预先设置对比值，预先设置对比值为最大车体横向平稳性值2.5；预先设置对比值为最大车体横向加速度0.5g；
步骤(b)：利用加速传感器测得瞬时横向加速度，同时利用位移传感器测得车体(1)和转向架构架(2)横向位移瞬时值；
步骤(c)：反馈控制器将步骤(b)中测得的数据并进行处理，同时与反馈控制器中预先设置对比值进行对比，反馈控制器中处理的数据为车体(1)横向加速度Am，与反馈控制器中预先设置的最大车体横向加速度0.5g进行对比；反馈控制器中处理数据为横向平稳性指标Wm，与反馈控制器中预先设置的最大车体横向平稳性值2.5进行对比；当Wm≤2.5时，反馈控制器不对横向止挡装置(3)进行作用，作动器(4)相当于刚性直杆，与传统横向止挡装置(3)的作用相同；当Wm＞2.5时，车体(1)的实际横向平稳性超过了限值，需要作动器(4)额外提供作用位移S，使横向止挡装置(3)伸缩，通过激光位移传感器精确控制伸缩距离，使车体(1)和转向架构架(2)之间达到新的合适间距；
步骤(d)：反馈控制器根据对比结果判断是否需要对作动器(4)进行操作，使车体(1)和转向架构架(2)之间达到新的合适间距。
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