CN110654412B - 抑制高速列车侧滚、点头、摇头行为的主被动复合控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铁路工程振动抑制等相关工程技术领域，具体而言，涉及一种抑制高速列车侧滚、点头、摇头行为的主被动复合控制系统，其包括固定模块、被动控制模块和主动控制模块；固定模块固定在列车上，固定模块上连接被动控制模块，被动控制模块上连接主动控制模块；被动控制模块包括环形底板、连接在环形底板上的环形轴套以及可转动连接在环形底板上的中心力轴，主动控制模块包括主动控制器、电机底座、固定在电机底座上的驱动电机、与驱动电机连接的转轴以及连接在转轴顶部的转动质量盘；该发明减小了车体受动态扰动的不稳定运动行为，增强了抑制效果，有效节约能源，最大限度发挥控制系统的性能，保证控制系统的控制效率。
Description
技术领域
本发明涉及铁路工程振动抑制等相关工程技术领域，具体而言，涉及一种抑制高速列车侧滚、点头、摇头行为的主被动复合控制系统。
背景技术
高速铁路运行速度快，其动态行为复杂，在运行过程中可能遭受轨道不平顺、列车会车气压差以及风、雨、雪等外界因素的动态行为，已不是单一的运动模式的控制问题，而是涉及到车体平动(沉浮、横摆和伸缩)、摇摆运动(点头、摇头和侧滚)及其耦合振动与运动的复杂问题，研究适用于解决列车复杂动态行为的控制系统具有重要的理论与现实意义。
针对高速列车的动态行为，目前普遍采用悬挂系统来对列车的振动及其他不利动态行为进行控制。悬挂系统的减振性能是保证列车的舒适性、安全性和运行平稳性的重要指标。当前悬挂系统主要包括被动、半主动和主动三种悬挂方式，由于主动悬挂可以更有效降低车体的振动，更明显改善列车的乘坐舒适性，是目前最为积极有效的控制技术，已经越来越受到学者的关注。而针对列车的动态行为，现有的悬挂系统主要分为两个作用方向：垂向和横向。悬挂系统垂向控制作用主要针对车体的沉浮、点头、侧滚，横向控制作用主要针对车体的摇头和横摆。悬挂系统的安装可以有效降低车体的振动，改善列车的运行平稳性。但是，由于当今悬挂系统均仅分为垂向和横向两个作用方向，其出力方向也仅限于两个方向，这使得悬挂系统的控制作用无法得到充分发挥，列车的不利动态响应无法得到充分抑制。因此，专家学者仍聚焦于改善悬挂系统技术，提高悬挂系统的控制效果，从而使控制系统能够发挥更大作用，提高列车的运行平稳性。
现有技术悬挂系统采用减振器，牺牲有限质量的转向架运动，列车内部构造消耗振动能量，从而实现控制作用。然而，由于实际车体转向架质量有限，是一个质量有限的子系统，车体的反作用力对于车体自身、转向架以及列车整体的动态行为具有不可忽略的影响，对于具有转动成分的运动形式控制效果有限。因此，需要综合考虑车体反作用力对于车体动态行为控制效果的影响。
另外，悬挂系统针对车体的沉浮、点头、侧滚、摇头和横摆有一定的控制作用，但是，由于现有的悬挂系统技术均仅分为垂向和横向两个作用方向，其出力方向也仅限于两个直线方向。但是，由于现实情况下，列车的动态响应会产生类似于转动形式的运动，如图1(a),图1(b),图1(d)。现有技术对于图1(c),(e)所示的运动形式，控制作用较为理想，悬挂系统的出力方向沿直线，可以充分发挥出其控制效果。然而，对于图1(a),图1(b),图1(d)中，摇头、侧滚、点头等具有转动成分的运动形式，现有的悬挂系统技术提供的直线力作用，无法形成最有效的控制力作用，这使得现有的悬挂系统的控制作用无法得到充分发挥，列车的不利动态响应无法得到充分抑制。
对于以上如侧滚运动，这些具有转动成分的运动形式，最理想的控制方式是施加控制力矩的作用，这会对以上动态行为起到充分的抑制作用，对维持车体的稳定性，提高乘客的舒适度，具有非常重要的意义。而通过大量试验和研究表明，两个直线力作用，悬挂系统的控制力特性呈现出了较强的非线性，对于不同的激励频率，系统控制效果不同，甚至在某种激励频率下，悬挂系统非但没有控制效果反而会放大体系的响应，无法产生预期的控制力矩作用，因此，需要研究一种可以直接提供控制力矩作用的控制方法，来对列车的以上带有转动成分的动态行为，施加直接有效的控制作用。
综上所述，随着高速铁路运行速度的提高和人们对乘坐舒适度的要求提高，列车在高速运行过程中由于复杂作用产生的动态行为，尤其是带有转动运动成分的动态行为的问题将更加突出，研究一种弥补现有悬挂技术，直接输出控制力矩的控制系统，对减小车体受动态扰动的不稳定运动行为，增强车体动态稳定性能，保证乘客的舒适度，减轻车体的破坏及损伤，提高列车服役寿命具有重要的理论与现实意义。
本发明就是在这样的背景下产生的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种抑制高速列车侧滚、点头、摇头行为的主被动复合控制系统，以解决现有技术中存在的高速列车的摇头、侧滚、点头等具有转动成分的运动形式，单单依靠现有的悬挂系统提供的直线力作用，无法对其形成最有效的控制力作用，这使得现有的悬挂系统的控制作用无法得到充分发挥，列车的不利动态响应无法得到充分抑制，高速列车的摇头、侧滚、点头等动作不能得到有效抑制，列车运行状况差等的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种抑制高速列车侧滚、点头、摇头行为的主被动复合控制系统，其包括固定模块、被动控制模块和主动控制模块；固定模块固定在列车上，固定模块上连接被动控制模块，被动控制模块上连接主动控制模块；
被动控制模块包括环形底板、连接在环形底板上的环形轴套以及可转动连接在环形底板上的中心力轴，中心力轴位于环形轴套内，中心力轴外包覆有复位弹簧，复位弹簧一端固定在中心力轴顶端，另一端固定在环形底板上，环形轴套与中心力轴之间的空间内充满阻尼液，阻尼液上下用油封密封；
主动控制模块包括主动控制器、电机底座、固定在电机底座上的驱动电机、与驱动电机连接的转轴以及连接在转轴顶部的转动质量盘。
进一步的，固定模块包括连接板以及T形连接齿，T形连接齿固定在连接板上。
进一步的，被动控制模块与固定模块之间通过底座连接，底座下端带有T形槽，T形槽与T形连接齿配合安装，底座通过螺栓进一步紧固在连接板上。
进一步的，主动控制模块安装在筒状外壳内，电机底座固定在筒状外壳底部，筒状外壳用盖板封顶。
进一步的，中心力轴与筒状外壳之间通过紧固套连接。
进一步的，中心力轴与环形底板之间安装有轴承。
进一步的，环形轴套由两个半圆形环形轴套片拼接而成。
进一步的，主动控制器包括传感器和控制器，传感器监测列车的动态行为和被动控制模块工作状态，反馈信号向控制器，控制器控制驱动电机工作。
本发明具有以下有益效果：
(1)本申请提出直接对车体施加控制力矩的控制方法，弥补了现有高速列车振动控制悬挂系统技术的空缺，通过转动产生的力矩，有效抑制列车摇头、侧滚、点头等运行状态；
(2)减小车体受动态扰动的不稳定运动行为，增强车体动态稳定性能，保证乘客的舒适度，减轻车体的破坏及损伤，提高列车服役寿命；
(3)主被动复合设计，增强了抑制效果，有效节约能源，最大限度发挥控制系统的性能，保证控制系统的控制效率。
附图说明
图1(a)-图1(e)是背景技术中列车动态响应状态图；
图2是本发明在高速列车上的安装示意图之一；
图3是本发明在高速列车上的安装示意图之二；
图4是本发明结构示意图；
图5是本发明结构主视图；
图6是被动控制模块结构示意图；
图7是被动控制模块结构底部示意图；
图8是主动控制模块结构示意图；
图9是筒状外壳结构示意图；
图10是筒状外壳连接结构示意图；
图11是底座结构示意图；
图12是固定模块结构示意图；
图13是该发明作用状态示意图；
图中：1、固定模块；11、连接板；12、T形连接齿；2、被动控制模块；21、环形底板；22、环形轴套；23、中心力轴；24、复位弹簧；25、轴承；3、主动控制模块；31、电机底座；32、驱动电机；33、转轴；34、转动质量盘；35、筒状外壳；36、盖板；4、底座；41、T形槽；5、紧固套；6、列车。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图2-图13所示，本发明所述的一种抑制高速列车侧滚、点头、摇头行为的主被动复合控制系统，其包括固定模块1、被动控制模块2和主动控制模块3；固定模块固定在列车6上，固定模块上连接被动控制模块，被动控制模块上连接主动控制模块。
如图12所示，固定模块包括连接板11以及T形连接齿12，T形连接齿固定在连接板上。
如图6、图7所示，被动控制模块包括环形底板21、连接在环形底板上的环形轴套22以及可转动连接在环形底板上的中心力轴23，中心力轴位于环形轴套内，中心力轴外包覆有复位弹簧24，复位弹簧一端固定在中心力轴顶端，另一端固定在环形底板上，环形轴套与中心力轴之间的空间内充满阻尼液，阻尼液上下用油封密封，在被控控制过程中，主动控制模块作为被控控制模块的转动质量块，列车侧滚、点头、摇头过程中，中心力轴带动主动控制模块发生转动，产生的反作用力通过固定模块作用在列车上，给列车的侧滚、点头、摇头动作产生抑制作用，阻尼液可以减弱中心力轴的转动，增强抑制效果，复位弹簧控制中心力轴复位。
中心力轴与环形底板之间安装有轴承25，可以实现中心力轴的转动，并减小中心力轴与环形底板之间的摩擦。
环形轴套由两个半圆形环形轴套片拼接而成，环形轴套接触面上设有卡槽，可以相互卡紧，便于从两侧直接安装或者拆卸。
如图8所示，主动控制模块包括主动控制器、电机底座31、固定在电机底座上的驱动电机32、与驱动电机连接的转轴33以及连接在转轴顶部的转动质量盘34，转动惯量盘呈圆形，为实心圆盘，当列车侧滚、点头、摇头动作过大的时候，需要在被动控制模块动作的基础上开启主动控制模块，主动控制器将晃动信号传递给驱动电机，驱动电机开启，带动转动惯量盘转动，产生反作用力，通过电机底座传递给被动控制模块，与被动控制模块协同作用，增强抑制效果。
主动控制器包括传感器和控制器，传感器用于监测列车的动态行为和被动控制模块工作状态，反馈信号向控制器，控制器控制驱动电机工作，控制器可以安装在电机底座上随着主动控制模块旋转，也可以安装在列车上不随着主动控制模块运动，控制器与驱动电机之间的连接以及信号传输为现有技术，在此不做详细描述。
如图11所示，被动控制模块与固定模块之间通过底座4连接，底座下端带有T形槽41，T形槽与T形连接齿配合安装，底座通过螺栓进一步紧固在连接板上。
本发明的使用过程如下所述：
本发明提出的抑制高速列车侧滚、点头、摇头行为的主被动复合控制系统通过安装在列车车体上的位置可以分别为摇头控制单元，侧滚控制单元，点头控制单元组成，分别安装在列车车顶或车底、车厢尾部、列车侧面上，在不影响列车的正常运行以及方法有效发挥作用前提下，其安装方式可以有所不同，当列车发生晃动(包括摇头、侧滚或点头)的时候，对应位置的主被动复合控制系统开始动作。
晃动幅度较小的时候，仅仅被动控制模块动作，中心力轴带动主动控制模块发生转动，产生的反作用力通过固定模块作用在列车上，给列车的侧滚、点头、摇头动作产生抑制作用，中心力轴转动过程中，阻尼液和复位弹簧可以起到减弱转动和控制中心力轴复位的作用；当列车晃动较大，主动控制器中的传感器监测列车的动态行为和被动控制模块工作状态，反馈信号向控制器，控制器控制驱动电机工作，驱动主动控制模块动作，驱动电机开启，带动转动惯量盘转动，产生反作用力，通过电机底座传递给被动控制模块，与被动控制模块协同作用，增强抑制效果。
控制力矩就是通过主转动惯量盘在被动转动恢复力提供机构作用下发生回转运动，直接产生有效的控制力矩；而主动辅助模块的转动惯量盘必要时在驱动电机作用下发生回转运动，增强主转动惯量盘的回转运动，使得整个单元输出更有效的控制力矩。
列车发生的摇头、侧滚、点头等运动状态，当列车晃动幅度较小的时候，仅仅通过被动控制模块产生控制作用，中心力轴带动被动控制模块发生转动，产生的反作用力通过固定模块作用在列车上，进而达到削弱列车的侧滚、点头、摇头运动的目的。
列车发生的摇头、侧滚、点头等运动状态，当列车晃动幅度较大的时候，需要在被动控制模块动作的基础上开启主动控制模块，主动控制模块产生反作用力施加给被动控制模块，形成主被动复合控制，进而达到削弱列车的侧滚、点头、摇头运动的目的。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，如图9-图10所示，主动控制模块安装在筒状外壳35内，中心力轴与筒状外壳之间通过紧固套5连接。电机底座固定在筒状外壳底部，筒状外壳用盖板36封顶，主动控制模块用筒状外壳包覆之后，有利于防尘，保证主动控制模块的清洁度，整体性更强，筒状外壳和盖板与主动控制模块一起组成了被动控制模块的转动质量块，其他与实施例1一致。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前端”、“后端”、“左右”“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。
Claims (3)
1.一种抑制高速列车侧滚、点头、摇头行为的主被动复合控制系统，其特征在于，包括固定模块（1）、被动控制模块（2）和主动控制模块（3）；固定模块（1）固定在列车（6）上，固定模块（1）上连接被动控制模块（2），被动控制模块（2）上连接主动控制模块（3）；
被动控制模块（2）包括环形底板（21）、连接在环形底板（21）上的环形轴套（22）以及可转动连接在环形底板（21）上的中心力轴（23），中心力轴（23）位于环形轴套（22）内，中心力轴（23）外包覆有复位弹簧（24），复位弹簧（24）一端固定在中心力轴（23）顶端，另一端固定在环形底板（21）上，环形轴套（22）与中心力轴（23）之间的空间内充满阻尼液，阻尼液上下用油封密封；
固定模块（1）包括连接板（11）以及 T 形连接齿（12），T 形连接齿（12）固定在连接板（11）上；主动控制模块（3）包括主动控制器、电机底座（31）、固定在电机底座（31）上的驱动电机（32）、与驱动电机（32）连接的转轴（33）以及连接在转轴（33）顶部的转动质量盘（34）；
被动控制模块（2）与固定模块（1）之间通过底座（4）连接，底座（4）下端带有 T 形槽（41），T 形槽（41）与 T 形连接齿（12）配合安装，底座（4）通过螺栓进一步紧固在连接板（11）上；
主动控制模块（3）安装在筒状外壳（35）内，电机底座（31）固定在筒状外壳（35）底部，筒状外壳（35）用盖板（36）封顶；中心力轴（23）与筒状外壳（35）之间通过紧固套（5）连接；
主动控制器包括传感器和控制器，当列车晃动较大，主动控制器中的传感器监测列车的动态行为和被动控制模块（2）的 工作状态，反馈信号向控制器，控制器控制驱动电机（32）工作，驱动主动控制模块（3）动作，驱动电机（32）开启，带动转动质量盘（34）转动，产生反作用力，通过电机底座（31）传递给被动控制模块（2），与被动控制模块（2）协同作用，增强抑制效果。
2.根据权利要求 1 所述的抑制高速列车侧滚、点头、摇头行为的主被动复合控制系统，其特征在于，中心力轴（23）与环形底板（21）之间安装有轴承（25）。
3.根据权利要求 1 所述的抑制高速列车侧滚、点头、摇头行为的主被动复合控制系统，其特征在于，环形轴套（22）由两个半圆形环形轴套片拼接而成。
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