CN108248628B - 一种主动径向转向架及自适应协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动径向转向架及控制方法，包括数据采集系统、数据处理控制系统和转向执行系统，数据处理控制系统分别与数据采集系统和转向执行系统连接，数据采集系统用于采集当前列车的轨道数据，并将采集的数据传递给数据处理控制系统，数据处理控制系统依据采集的数据并进行数据处理后，控制转向执行系统主动转向；实现主动径向转向架适应列车车速和列车前方轨道进行转向，有效减少轮轨磨耗，降低轮对的维修更换，提高转向的精度和响应速度，具有良好的稳定性，提高转向角度的识别度和准确度。

Description

一种主动径向转向架及自适应协同控制方法

技术领域

本发明涉及转向架技术领域，具体涉及一种主动径向转向架及自适应协同控制方法。

背景技术

目前，铁路上运行的铁道车辆均采用“被动转向”模式，该模式下蠕滑力是导致轮轨产生磨耗的主要因素。径向转向架(Radial Track)可以有效地解决上述车辆横向稳定和曲线通过性之间矛盾。径向转向架能在保证车辆横向稳定性的同时，降低轮轨间作用力，减少轮轨磨损。曲线运动时，主动径向转向架在传递牵引力或制动力的同时，允许轮对顺着轨道曲线半径转动，在充分发挥粘着牵引力的同时，减小车轮与轨道的冲角，从而减少轮轨间的横向力及磨损。铁路运输的高速化与重载化带来了轮轨磨耗加剧和振动效应加强等不良影响，对列车转向架技术提出了更高的要求。

发明专利CN201410218460.1所描述的是列车馈能式的主动径向转向架，其径向转向系统主要由前摆臂总成、后摆臂总成以及径向转向传动装置组成。其中的径向传动装置，即作动器总成由作动电机和差速齿轮对组成。该径向转向架的转向原理为，当传感器采集到的信号证明铁道车辆即将进入曲线路段时，伺服电机驱动后锥齿轮旋转，则与之啮合的上、下两个锥齿轮将等速旋转、方向相反，左锥齿轮为支撑齿轮。上、下锥齿轮分别连接前、后摆臂总成，齿轮的转动最终将带动轮对的偏转，伺服电机转动角度的不同可以实现轮对任意冲角位置，以满足任何曲线路段的径向转向。

实用新型专利CN201520147709.4同样描述了一种列车主动径向转向架，该径向转向架的转向系统由前转向器总成、后转向器总成和转向传动装置组成。转向器总成包括转向器、转向齿轮、转向横拉杆以及转向节臂等部件，转向传动装置则包括了作动伺服电机、一对传动齿轮和中间轴，齿轮布置在传动装置的中间轴上，齿条布置在转向器总成的转向横拉杆上。该径向转向架的工作原理是，当列车进入曲线路段行驶时，伺服电机工作，驱动传递齿轮的小齿轮转动，由小齿轮带动大齿轮并中间轴转动，在执行器的作用下，两根转向横拉杆将沿同一方向直线移动，带动转向节臂运动，最终使轮对发生偏转，实现铁道车辆的径向转向。

现有主动径向转向架的转向驱动全都采用齿轮结构，但由于齿轮的啮合间隙等因素，在转向半径很大的情况下精度很低，耐久性差、减轻轮轨磨耗的效果不强。并且，主动径向的数据采集大多依靠卫星定位，其精度不高且很难准确匹配转向角度及驱动力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种主动径向转向架及自适应协同控制方法，实现主动径向转向，有效减少轮轨磨损，降低轮对的维修及更换，提高转向的精度和响应速度，结构紧凑，具有良好的稳定性，提高转向角度的识别度和准确度，实时适应列车车速和列车前方轨道进行转向。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种主动径向转向架，安装于列车底部，其特征在于，包括数据采集系统、数据处理控制系统和转向执行系统，数据处理控制系统分别与数据采集系统和转向执行系统连接，数据采集系统用于采集当前列车的轨道数据，并将采集的数据传递给数据处理控制系统，数据处理控制系统依据采集的数据并进行数据处理后，控制转向执行系统主动转向；

其中，数据采集系统包括测量模块和数据调取模块，数据处理控制系统包括计算控制模块和校核对比模块，校核对比模块分别与计算控制模块和数据调取模块连接，计算控制模块分别与测量模块和转向执行系统连接；

转向执行系统包括摆臂总成、构架和作动模块，摆臂总成置于构架内，数据处理控制系统通过作动模块与摆臂总成连接，通过作动模块带动摆臂总成的转向角改变，实现所述的主动径向转向架依据轨道数据主动实时转向。

按照上述技术方案，摆臂总成包括多个摆臂，多个摆臂之间通过销轴与构架铰接，各摆臂之间形成的夹角为摆臂总成的转向角。

按照上述技术方案，摆臂的个数为两个，分别为上摆臂和下摆臂。

按照上述技术方案，作动模块包括一个或多个联动装置，每两个摆臂之间设有一个联动装置，联动装置的两端均连接有转向伸缩拉杆，联动装置的两端分别通过转向伸缩拉杆与相应相邻两端的摆臂铰接，数据处理控制系统分别与调节装置和转向伸缩拉杆连接，驱动调节装置动作和转向伸缩拉杆伸缩，使摆臂总成的转向角改变。

按照上述技术方案，联动装置包括齿条、齿轮和电机，齿条的两端分别与两个转向伸缩拉杆铰接，齿轮与齿条啮合，电机与齿轮连接，数据处理控制系统与电机连接，数据处理控制系统控制电机带动齿轮转动，可使齿条前后移动。

按照上述技术方案，作动模块包括多个转向伸缩拉杆，数据处理控制系统分别与多个转向伸缩拉杆连接，每个转向伸缩拉杆对应与一个摆臂连接，转向伸缩拉杆的一端与摆臂铰接，转向伸缩拉杆的另一端与构架铰接，数据处理控制系统控制每个转向伸缩拉杆进行伸缩，使各个摆臂转动，实现摆臂总成的转向角的改变。

按照上述技术方案，转向伸缩拉杆为液压作动缸。

按照上述技术方案，转向伸缩拉杆包括电动机、涡轮和蜗杆，电动机的输出端通过涡轮与蜗杆连接，电动机通过涡轮带动蜗杆伸缩移动。

一种采用以上所述的主动径向转向架的自适应协同控制方法，包括以下步骤：

1)通过测量模块实时测量列车前方的轨道信息和列车行驶信息，并将测量信息传递给计算控制模块；

2)计算控制模块依据测量信息进行计算，计算出列车前方的轨道数据；

3)计算控制模块将计算出的轨道数据传递给校核对比模块；

4)数据调取模块分别与列车定位系统和铁道系统数据库连接，通过列车定位系统获取列车定位信息，数据调取模块依据列车定位信息从铁道系统数据库中调取列车相应位置前方的轨道数据，并将铁道系统数据库中的轨道数据传递给校核对比模块；

5)校核对比模块将计算出的轨道数据和从铁道系统数据库中调取的轨道数据进行校核；

6)校核对比模块依据校核结果，将校核之后的轨道数据传回计算控制模块，并发送至铁道系统数据库实现大数据共享，再由计算控制模块生成执行指令，并将执行指令发送给转向执行系统中的作动模块；

7)通过作动模块带动摆臂总成的转向角改变，使主动径向转向架适应列车车速和列车前方轨道进行转向。

本发明具有以下有益效果：

1.能够实现对转向半径的精准测量与校核，最终匹配最佳转向角度与驱动力，并且每一次校核之后经大数据共享，提高了转向角度的识别度与准确度，实现对摆臂总成角度实时控制，满足各种使用情况下的需求，能够实现主动径向转向高精度、高响应速度、高稳定性的控制结构，最大化的减少轮轨磨耗，结构紧凑，具有良好的稳定性。

2.通过转向伸缩拉杆对各摆臂总成的控制，既能够实现对多个摆臂角度的同时控制，还能够实现对各摆臂角度分别控制，满足各种使用情况下的需求，能够实现主动径向转向高精度、高响应速度、高稳定性的控制结构，最大化的减少轮轨磨耗。

附图说明

图1是本发明实施例中主动径向转向架的控制流程图；

图2是本发明实施例1中转向执行系统的结构示意图；

图3是本发明实施例2中转向执行系统的结构示意图；

图4是本发明实施例3中转向执行系统的结构示意图；

图5是本发明实施例中带液压作动缸的转向伸缩拉杆的结构示意图；

图6是本发明实施例中带蜗轮蜗杆的转向伸缩拉杆的结构示意图；

图7是本发明实施例中带齿轮齿条的转向伸缩拉杆的结构示意图；

图中，1-数据采集系统，2-上摆臂，3-下摆臂，4-第一连接端，5-第二连接端，6-联动装置，7-作动模块，8-数据处理控制系统，9-销轴，10-构架，11-前轮对，12-后轮对，13-第三连接端，14-第四连接端，15-第一伸缩拉杆，16-第二伸缩拉杆，17-蜗杆，18-齿条，19-齿轮，20-第五连接端，21-第六连接端，22-液压作动缸，23-计算控制模块，24-活塞杆，25-第七连接端，26-第八连接端，27-蜗轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图7所示，本发明提供的一个实施例中的主动径向转向架，安装于列车底部，包括数据采集系统、数据处理控制系统和转向执行系统，数据处理控制系统分别与数据采集系统和转向执行系统连接，数据采集系统用于采集当前列车的轨道数据，并将采集的数据传递给数据处理控制系统，数据处理控制系统依据采集的数据并进行数据处理后，控制转向执行系统主动转向；

其中，数据采集系统包括测量模块和数据调取模块，数据处理控制系统包括计算控制模块和校核对比模块，校核对比模块分别与计算控制模块和数据调取模块连接，计算控制模块分别与测量模块和转向执行系统连接；

转向执行系统包括摆臂总成、构架和作动模块，摆臂总成置于构架内，数据处理控制系统通过作动模块与摆臂总成连接，通过作动模块带动摆臂总成的转向角改变，实现所述的主动径向转向架依据轨道数据主动实时转向。

进一步地，摆臂总成包括多个摆臂，多个摆臂之间通过销轴与构架铰接(此处可分为两种情况，一种情况为各摆臂之间通过销轴分别与构架铰接，另一种情况为上摆臂通过销轴与下摆臂铰接，销轴设置于构架上)，各摆臂之间形成的夹角为摆臂总成的转向角。

进一步地，摆臂的个数为两个，分别为上摆臂和下摆臂。

进一步地，上摆臂和下摆臂均为U型。

进一步地，作动模块包括一个或多个联动装置，每两个相邻摆臂之间设有一个联动装置6，联动装置6的两端均连接有转向伸缩拉杆，联动装置6的两端分别通过转向伸缩拉杆与相应相邻两端的摆臂铰接，数据处理控制系统分别与调节装置和转向伸缩拉杆连接，驱动调节装置动作和转向伸缩拉杆伸缩，使摆臂总成的转向角改变。

进一步地，摆臂的个数为两个，分别为上摆臂和下摆臂时，联动装置的个数为1个，联动装置的两端分别与两个转向伸缩拉杆的一端连接，两个转向伸缩拉杆的另一端分别与上摆臂和下摆臂连接。

进一步地，联动装置包括齿条、齿轮和电机，齿条的两端分别与两个转向伸缩拉杆铰接，齿轮与齿条啮合，电机与齿轮连接，数据处理控制系统与电机连接，数据处理控制系统控制电机带动齿轮转动，使齿条移动，调整两个转向伸缩拉杆的位置。

进一步地，作动模块包括多个转向伸缩拉杆，数据处理控制系统分别与多个转向伸缩拉杆连接，每个转向伸缩拉杆对应与一个摆臂连接，转向伸缩拉杆的一端与摆臂铰接，转向伸缩拉杆的另一端与构架铰接，数据处理控制系统控制每个转向伸缩拉杆进行伸缩，使各个摆臂转动，实现摆臂总成的转向角的改变。

进一步地，摆臂的个数为两个，分别为上摆臂和下摆臂时，转向伸缩拉杆的个数为2个，分别为第一伸缩拉杆和第二伸缩拉杆，第一伸缩拉杆和第二伸缩拉杆的一端分别与构架连接，第一伸缩拉杆的另一端与上摆臂连接，第二伸缩拉杆的另一端与下摆臂连接，数据处理控制系统控制第一伸缩拉杆和第二伸缩拉杆伸缩，使上摆臂和下摆臂转动，实现摆臂总成的转向角的改变。

进一步地，转向伸缩拉杆为液压作动缸。

进一步地，转向伸缩拉杆包括电动机、涡轮和蜗杆，电动机的输出端通过涡轮与蜗杆连接，电动机通过涡轮带动蜗杆伸缩移动。

一种采用以上所述的主动径向转向架的自适应协同控制方法，包括以下步骤：

1)通过测量模块实时测量列车前方的轨道信息和列车行驶信息，并将测量信息传递给计算控制模块；

2)计算控制模块依据测量信息进行计算，计算出列车前方的轨道数据；

3)计算控制模块将计算出的轨道数据传递给校核对比模块；

4)数据调取模块分别与列车定位系统和铁道系统数据库连接，通过列车定位系统获取列车定位信息，数据调取模块依据列车定位信息从铁道系统数据库中调取列车相应位置前方的轨道数据，并将铁道系统数据库中的轨道数据传递给校核对比模块；

5)校核对比模块将计算出的轨道数据和从铁道系统数据库中调取的轨道数据进行校核；

6)校核对比模块依据校核结果，将校核之后的轨道数据传回计算控制模块，并发送至铁道系统数据库实现大数据共享，再由计算控制模块生成执行指令，并将执行指令发送给转向执行系统中的作动模块；

7)通过作动模块带动摆臂总成的转向角改变，使主动径向转向架适应列车车速和列车前方轨道进行转向。

进一步地，所述的步骤4)中，列车定位系统包括卫星定位系统，卫星定位系统可为GPS导航系统或北斗导航系统。

进一步地，测量模块包括传感器和扫描器，传感器设置于构架的前端，传感器包括速度传感器和加速度传感器，分别用于采集列车的速度和加速度，扫描器用于采集列车前方的轨道信息，所述的主动径向转向架还包括列车定位系统和铁道系统数据库。

进一步地，轨道信息包括轨道的半径、长度及距离等轨道信息，列车行驶信息包括列车速度和列车加速度，列车前方的轨道数据包括列车前方轨道的转向半径。

进一步地，第一连接端4、第二连接端5、第三连接端13、第四连接端14、第五连接端20、第六连接端21、第七连接端25和第八连接端26的连接方式均为铰接。

本发明的一个实施例中，本发明的工作原理：

所述主动径向转向架设有数据采集系统1、数据处理控制系统8和转向执行系统，所述数据采集系统1包括测量模块、数据调取模块，其中测量模块通过相应传感器测量实时车速及前方铁轨相关数据，数据调取模块通过定位信息调出系统库中所在位置轨道半径、长度等相关数据；数据处理控制系统8包括计算模块、校核对比模块，其中计算模块根据数据采集系统1传输的轨道相关数据计算出前方轨道的曲率半径、距离等相关数据，校核对比模块将计算值同数据调取模块调取的系统库中记录的数值进行对比校核，确定最终执行主动径向转向时对应的弯道半径、长度及距离，最后计算模块根据算法计算出转向执行系统完成主动径向转向所需的实时的转向力及转向伸缩拉杆的长度；转向执行系统包括摆臂总成和转向伸缩拉杆及作动模块7，作动模块7执行数据处理控制系统8传递的控制指令，驱动转向伸缩拉杆调整其长度，从而拉动摆臂总成改变其夹角以实现主动径向转向。

转向执行系统的布置方式可有多种，可对上摆臂和下摆臂同时控制，也可分别对上摆臂2和下摆臂3分别控制。

实施示例1，如图2所示上摆臂2和下摆臂3同时和分别控制的主动径向转向架结构，包含多套转向执行系统，每一套转向执行系统的转向伸缩拉杆一端同摆臂总成固连，另一端同构架10固连。每一套转向执行系统可统一控制和分别独立控制；当列车在入弯时，初期只需要转向架的上摆臂2转动相应角度入弯，随着入弯的进行，转向半径逐渐增大并逐渐增加到一定值，此时下摆臂3也应随之转动相应角度，直至列车在弯道中处于相对平稳状态；当列车在出弯时，上摆臂2应随着轨道变化逐渐回位，下摆臂3仍处于原状态，随着出弯的进一步进行，下摆臂3也逐渐回位，直至上摆臂2、下摆臂3在处于相对稳定的工作状态。

在多个状态下都能够降低轮轨磨耗的作用，实施示例1既可以对上摆臂2、下摆臂3同时控制，还可以分别控制，对于弯道较多的路段，特别是城市地铁、矿道货车，都能够降低轮轨磨耗效果及减轻脱轨危险的能力。

实施示例2，如图3所示的摆臂总成同时控制的主动径向转向架结构，转向伸缩拉杆的两端的第一连接端4和第二连接端5分别同上摆臂2和下摆臂3固连，通过作动模块7的驱动使得转向伸缩拉杆的长度变化，可使得同联动装置6固连的上摆臂2和下摆臂3之间的夹角发生改变，从而使得转向中心位于轨道半径中心，减小轮轨间蠕滑力从而降低轮轨磨耗，降低高速运行状态下脱轨的危险。

实施示例3，如图4所示多轴主动径向转向架，其结构与控制原理同图2～图3所示的两轴转向架相似，转向伸缩拉杆的两端的第一连接端4和第二连接端5分别同上摆臂2和下摆臂3固连，通过作动模块7的驱动使得转向伸缩拉杆的长度变化，可使得同联动装置6固连的上摆臂2和下摆臂3之间的夹角发生改变，从而使得转向中心位于轨道半径中心，减小轮轨间蠕滑力从而降低轮轨磨耗，降低高速运行状态下脱轨的危险。

进一步地，转向执行系统可根据需要同上、中、下各个摆臂之间组合连接，可有多个拓展形式。

各种示例中，转向执行系统的作动模块7及转向伸缩拉杆的具体实现形式也有多种，可由液压传动(如图5所示)、蜗轮27蜗杆17(如图6所示)和齿轮齿条(如图7所示)等具体实现形式，只要能满足能够控制转向伸缩拉杆的长度的相关结构均可。

本发明设计了一种新型的主动径向转向架结构，并提供了一种将传感器实测数据同历史记载数据进行校核对比的高效的数据采集及处理方法，并根据该结构设计了相应算法，实现主动径向转向，有效减少轮轨磨损，降低轮对的维修及更换。

综上所述，精度高，响应快，稳定好，能够实现主动径向转向高精度、高响应速度、高稳定性的控制结构，最大限度的降低了轮轨磨损，结构紧凑，具有良好的稳定性；计算准，校核精，匹配佳，能够实现对转向半径的精准测量与校核，最终匹配最佳转向角度与驱动力；变化多，应用广，适应强，一次校核之后经大数据共享，提高了转向角度的识别度与准确度。既能够实现对上下摆臂角度的同时控制，还能够实现对摆臂总成角度分别控制，满足各种使用情况下的需求，最大化的减少轮轨磨耗。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种主动径向转向架，安装于列车底部，其特征在于，包括数据采集系统、数据处理控制系统和转向执行系统，数据处理控制系统分别与数据采集系统和转向执行系统连接，数据采集系统用于采集当前列车的轨道数据，并将采集的数据传递给数据处理控制系统，数据处理控制系统依据采集的数据并进行数据处理后，控制转向执行系统主动转向；

其中，数据采集系统包括测量模块和数据调取模块，数据处理控制系统包括计算控制模块和校核对比模块，校核对比模块分别与计算控制模块和数据调取模块连接，计算控制模块分别与测量模块和转向执行系统连接；

转向执行系统包括摆臂总成、构架和作动模块，摆臂总成置于构架内，数据处理控制系统通过作动模块与摆臂总成连接，通过作动模块带动摆臂总成的转向角改变，实现所述的主动径向转向架依据轨道数据主动实时转向。

2.根据权利要求1所述的主动径向转向架，其特征在于，摆臂总成包括多个摆臂，多个摆臂之间通过销轴与构架铰接，各摆臂之间形成的夹角为摆臂总成的转向角。

3.根据权利要求2所述的主动径向转向架，其特征在于，摆臂的个数为两个，分别为上摆臂和下摆臂。

4.根据权利要求2所述的主动径向转向架，其特征在于，作动模块包括一个或多个联动装置，每两个摆臂之间设有一个联动装置，联动装置的两端均连接有转向伸缩拉杆，联动装置的两端分别通过转向伸缩拉杆与相应相邻两端的摆臂铰接，数据处理控制系统分别与调节装置和转向伸缩拉杆连接，驱动调节装置动作和转向伸缩拉杆伸缩，使摆臂总成的转向角改变。

5.根据权利要求4所述的主动径向转向架，其特征在于，联动装置包括齿条、齿轮和电机，齿条的两端分别与两个转向伸缩拉杆铰接，齿轮与齿条啮合，电机与齿轮连接，数据处理控制系统与电机连接，数据处理控制系统控制电机带动齿轮转动，可使齿条前后移动。

6.根据权利要求2所述的主动径向转向架，其特征在于，作动模块包括多个转向伸缩拉杆，数据处理控制系统分别与多个转向伸缩拉杆连接，每个转向伸缩拉杆对应与一个摆臂连接，转向伸缩拉杆的一端与摆臂铰接，转向伸缩拉杆的另一端与构架铰接，数据处理控制系统控制每个转向伸缩拉杆进行伸缩，使各个摆臂转动，实现摆臂总成的转向角的改变。

7.根据权利要求4所述的主动径向转向架，其特征在于，转向伸缩拉杆为液压作动缸。

8.根据权利要求4所述的主动径向转向架，其特征在于，转向伸缩拉杆包括电动机、涡轮和蜗杆，电动机的输出端通过涡轮与蜗杆连接，电动机通过涡轮带动蜗杆伸缩移动。

9.一种采用权利要求1所述的主动径向转向架的自适应协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过测量模块实时测量列车前方的轨道信息和列车行驶信息，并将测量信息传递给计算控制模块；

2)计算控制模块依据测量信息进行计算，计算出列车前方的轨道数据；

3)计算控制模块将计算出的轨道数据传递给校核对比模块；

4)数据调取模块分别与列车定位系统和铁道系统数据库连接，通过列车定位系统获取列车定位信息，数据调取模块依据列车定位信息从铁道系统数据库中调取列车相应位置前方的轨道数据，并将铁道系统数据库中的轨道数据传递给校核对比模块；

5)校核对比模块将计算出的轨道数据和从铁道系统数据库中调取的轨道数据进行校核；

6)校核对比模块依据校核结果，将校核之后的轨道数据传回计算控制模块，并发送至铁道系统数据库实现大数据共享，再由计算控制模块生成执行指令，并将执行指令发送给转向执行系统中的作动模块；

7)通过作动模块带动摆臂总成的转向角改变，使主动径向转向架适应列车车速和列车前方轨道进行转向。