CN110588697A - 一种铁路运输车辆的主动电磁作动器 - Google Patents

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    • B61F5/22—Guiding of the vehicle underframes with respect to the bogies
    • B61F5/24—Means for damping or minimising the canting, skewing, pitching, or plunging movements of the underframes
    • B61F5/245—Means for damping or minimising the canting, skewing, pitching, or plunging movements of the underframes by active damping, i.e. with means to vary the damping characteristics in accordance with track or vehicle induced reactions, especially in high speed mode

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Abstract

本发明涉及一种铁路运输车辆的主动电磁作动器，其与铁路运输车辆的被动二系悬挂并联，并被安装于铁路运输车辆的转向架和车体之间，包括电磁铁组件以及与电磁铁组件电性连接的电气组件，电磁铁组件包括：用于与铁路运输车辆的转向架端连接的铁芯、绕设于铁芯上的励磁线圈、用于与铁路运输车辆的车体端连接的衔铁。与现有技术相比，本发明充分利用空气弹簧内空间、提高了车辆的平稳性指标、提高了车辆的安全性。

Description

一种铁路运输车辆的主动电磁作动器
技术领域
本发明涉及一种铁路运输车辆动力学与主动控制领域，尤其是涉及一种铁路运输车辆的主动电磁作动器。
背景技术
现有的铁路运输车辆二系悬挂系统通常为空气弹簧，其内部通常设置应急橡胶堆，保证所述空气弹簧在外力破坏下破损无气时的行车安全性。但是现有的铁路运输车辆悬挂系统存在诸多缺陷，这主要是由于所述悬挂系统为被动系统，仅对其参数进行优化难以同时满足列车在受到不同频率的轨道激扰时的运行平稳性要求；其次所述被动悬挂系统通常依靠油压减震器将振动能量转化为热能耗散，造成能量浪费。在磁悬浮车辆领域，通常通过调节悬浮电磁铁与导向电磁铁的电流使车辆稳定悬浮。但该方案直接应用于铁路运输车辆仍有一些问题，其中最主要的问题是功率问题，磁悬浮车辆的悬浮电磁铁需承载车辆及乘客的全部重量，导致其线圈通常需要通过很大的电流，需要使用大截面积的导线或应用超导技术，而铁路运输车辆重量更大，很难仅依靠电磁力进行悬挂；其次是效率问题，磁悬浮车辆的电磁铁与衔铁间介质为空气，其磁阻大故需要大的励磁电流以建立所需的磁感应强度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种铁路运输车辆的主动电磁作动器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种铁路运输车辆的主动电磁作动器，其与铁路运输车辆的被动二系悬挂并联，并被安装于铁路运输车辆的转向架和车体之间，包括电磁铁组件以及与电磁铁组件电性连接的电气组件，所述的电磁铁组件包括：
铁芯，用于与铁路运输车辆的转向架端连接，
励磁线圈，绕设于铁芯上，
衔铁，用于与铁路运输车辆的车体端连接。
优选地，本发明中的电磁铁组件为控制电磁铁，基于直流电磁铁原理。
优选地，所述的二系悬挂包括空气弹簧，所述的空气弹簧包括空气弹簧上盖板、空气弹簧下盖板以及设置于空气弹簧上盖板和空气弹簧下盖板之间的空气弹簧气囊，所述的电磁铁组件设置于空气弹簧内并与空气弹簧并联。
优选地，所述的二系悬挂还包括与空气弹簧串联的应急橡胶堆，所述的电磁铁组件与应急橡胶堆并联。
应急橡胶堆刚度很大，其仅在空气弹簧因外力破坏而破损无气工作。当空气弹簧故障时，电磁主动作动器被切除，载荷直接压在空气弹簧应急橡胶堆上。
优选地，电磁铁组件的衔铁与空气弹簧上盖板连接，电磁铁组件的铁芯直接作用于铁路运输车辆的转向架端。
进一步优选地，所述的应急橡胶堆为中空结构，铁芯置于应急橡胶堆的该中空结构中。
依据故障导向安全原则，当空气弹簧因意外而失气时，应保证高速运动的车体与转向架间仍为弹性连接(即应急橡胶堆发挥作用)，若铁芯与衔铁率先发生接触，则会导致车体与转向架间产生刚性连接。因此，优选地，电磁铁组件的行程大于应急橡胶堆发挥作用的最小行程。
优选地，电磁铁组件设置于二系悬挂的中心轴处。
优选地，所述的铁芯和衔铁由薄硅钢片粘合而成，以减小铁损耗。
优选地，电气设备包括传感器、控制器和功率放大器；
所述的传感器包括分别设置于空气弹簧上盖板和空气弹簧下盖板上的垂向加速度传感器以及用于被动二系悬挂故障诊断的故障诊断传感器，垂向加速度传感器用于向控制器返回实时加速度参数，故障诊断传感器用于在空气弹簧故障时向控制器返回故障参数，
所述的控制器用于在收到传感器发送的实时加速度参数后根据最优控制策略向功率放大器发送指令，在收到故障参数时向功率放大器发送切除指令，
所述的功率放大器用于在收到控制器的指令后改变励磁线圈的端电压。
优选地，
所述的电气设备悬挂于车体下方，并使用铁路运输车辆的电能；
所述的控制器采用工业控制计算机；
所述的功率放大器采用直流斩波器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明充分利用空气弹簧内空间、提高了车辆的平稳性指标、提高了车辆的安全性。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明电磁铁组件和空气弹簧的主视结构图；
图3为电磁铁组件和空气弹簧的局部剖视示意图；
图4为典型参数模型的车体垂向加速度线性频响分析结果；
图5为典型参数模型的车体垂向非线性时域仿真结果，其中，图5(a)显示了原机械系统加速度平均功率谱密度图，图5(b)显示了主动控制系统加速度平均功率谱密度图。
图中，1为铁芯，2为励磁线圈，3为衔铁，4为应急橡胶堆，5为空气弹簧下盖板，6为空气弹簧上盖板，7为空气弹簧气囊。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种铁路运输车辆的主动电磁作动器，如图2和3所示，其与铁路运输车辆的被动二系悬挂并联，并被安装于铁路运输车辆的转向架和车体之间，包括电磁铁组件以及与电磁铁组件电性连接的电气组件，电磁铁组件包括：用于与铁路运输车辆的转向架端连接的铁芯1、绕设于铁芯1上的励磁线圈2、用于与铁路运输车辆的车体端连接的衔铁3。
本实施例中，优选电磁铁组件设置于二系悬挂的中心轴处。并进一步优选二系悬挂包括空气弹簧，空气弹簧包括空气弹簧上盖板6、空气弹簧下盖板5以及设置于空气弹簧上盖板6和空气弹簧下盖板5之间的空气弹簧气囊7，电磁铁组件设置于空气弹簧内并与空气弹簧并联。
二系悬挂还包括与空气弹簧串联的应急橡胶堆4，电磁铁组件与应急橡胶堆4并联。电磁铁组件的衔铁3与空气弹簧上盖板6连接；电磁铁组件的铁芯1直接作用于铁路运输车辆的转向架端。本实施例中电磁铁组件与应急橡胶堆4并联。本实施例中进一步优选电磁铁组件的行程大于应急橡胶堆6发挥作用的最小行程。
本实施例中，电磁铁采用控制电磁铁，基于直流电磁铁原理。铁芯1和衔铁3由薄硅钢片粘合而成，以减小铁损耗。
本实施例中，电气设备包括传感器、控制器(优选采用工业控制计算机)和功率放大器(优选采用直流斩波器)；传感器包括分别设置于空气弹簧上盖板6和空气弹簧下盖板5上的垂向加速度传感器以及用于被动二系悬挂故障诊断的故障诊断传感器，垂向加速度传感器用于向控制器返回实时加速度参数，故障诊断传感器用于在空气弹簧故障时向控制器返回故障参数，控制器用于在收到传感器发送的实时加速度参数后根据最优控制策略向功率放大器发送指令，在收到故障参数时向功率放大器发送切除指令；功率放大器用于在收到控制器的指令后改变励磁线圈的端电压。进一步优选，电气设备悬挂于车体下方，并使用铁路运输车辆的电能。控制原理图参见图1。
采用1/4列车垂向两自由度模型进行分析，在状态空间中进行建模。
建模参数为：Mc(1/4车体质量)＝8600kg，Mt(1/2构架质量)＝1235kg，C1(2个一系垂向减振器阻尼)＝18000N·s·m^-1,K1(两个一系弹簧刚度)＝1380000N·m^-1，C2(个二系垂向等效阻尼)＝60000N·s·m^-1,K2(二系弹簧刚度)＝480000N·m^-1，电磁铁铁芯为半径0.05m的圆柱，绕线3000匝，绕线电阻约25Ω，静态电流为4.5A，静态电压为112.5V时。
车体垂向加速度线性频响分析如图4所示，车体垂向非线性时域仿真结果如图5(a)和5(b)所示(图示为功率谱密度，注意纵轴刻度不同)，非线性时域仿真时的时域轨道激励根据5级轨道谱反演得到。
仿真结果表明，采用电磁作动器控制的车辆系统可以更加有效地衰减振动，平稳性更好，安全性更强。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铁路运输车辆的主动电磁作动器，其特征在于，其与铁路运输车辆的被动二系悬挂并联，并被安装于铁路运输车辆的转向架和车体之间，包括电磁铁组件以及与电磁铁组件电性连接的电气组件，所述的电磁铁组件包括：
铁芯(1)，用于与铁路运输车辆的转向架端连接，
励磁线圈(2)，绕设于铁芯(1)上，
衔铁(3)，用于与铁路运输车辆的车体端连接。
2.根据权利要求1所述的一种铁路运输车辆的主动电磁作动器，其特征在于，所述的二系悬挂包括空气弹簧，所述的空气弹簧包括空气弹簧上盖板(6)、空气弹簧下盖板(5)以及设置于空气弹簧上盖板(6)和空气弹簧下盖板(5)之间的空气弹簧气囊(7)，所述的电磁铁组件设置于空气弹簧内并与空气弹簧并联。
3.根据权利要求2所述的一种铁路运输车辆的主动电磁作动器，其特征在于，所述的二系悬挂还包括与空气弹簧串联的应急橡胶堆(4)，所述的电磁铁组件与应急橡胶堆(4)并联。
4.根据权利要求3所述的一种铁路运输车辆的主动电磁作动器，其特征在于，电磁铁组件的衔铁(3)与空气弹簧上盖板(6)连接，电磁铁组件的铁芯(1)直接作用于铁路运输车辆的转向架端。
5.根据权利要求3所述的一种铁路运输车辆的主动电磁作动器，其特征在于，电磁铁组件的行程大于应急橡胶堆(4)发挥作用的最小行程。
6.根据权利要求2或3所述的一种铁路运输车辆的主动电磁作动器，其特征在于，电磁铁组件设置于二系悬挂的中心轴处。
7.根据权利要求2所述的一种铁路运输车辆的主动电磁作动器，其特征在于，电气设备包括传感器、控制器和功率放大器；
所述的传感器包括分别设置于空气弹簧上盖板(6)和空气弹簧下盖板(5)上的垂向加速度传感器以及用于被动二系悬挂故障诊断的故障诊断传感器，垂向加速度传感器用于向控制器返回实时加速度参数，故障诊断传感器用于在空气弹簧故障时向控制器返回故障参数，
所述的控制器用于在收到传感器发送的实时加速度参数后根据最优控制策略向功率放大器发送指令，在收到故障参数时向功率放大器发送切除指令，
所述的功率放大器用于在收到控制器的指令后改变励磁线圈的端电压。
8.根据权利要求7所述的一种铁路运输车辆的主动电磁作动器，其特征在于，
所述的电气设备悬挂于车体下方，并使用铁路运输车辆的电能；
所述的控制器采用工业控制计算机；
所述的功率放大器采用直流斩波器。
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