CN110745156B - 高速列车动态行为主被动混合控制系统 - Google Patents

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，涉及一种高速列车动态行为主被动混合控制系统，其包括平动成分控制单元和转动成分控制单元；平动成分控制单元通过连接板固定在列车车体上，转动成分控制单元连接在平动成分控制单元上；平动成分控制单元包括安装在连接板上的轨道板Ⅰ、活动板Ⅰ、轨道板Ⅱ以及活动板Ⅱ，转动成分控制单元包括被动控制总成和主动控制总成，被动控制总成连接在活动板Ⅱ上，主动控制总成与被动控制总成连接，该发明可以同时抑制运行中的转动和平动，弥补了现有高速列车振动控制悬挂系统技术的空缺，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，减轻车体的破坏及损伤，提高列车服役寿命。

Description

高速列车动态行为主被动混合控制系统

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，涉及一种高速列车动态行为主被动混合控制系统。

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。

另一方面，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),(b),(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),(b),(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。

对于以上具有转动成分的运动形式如侧滚运动，对于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高速列车动态行为主被动混合控制系统，以解决现有技术中高速列车运行过程中在产生的摇头、侧滚、点头等转动成分形式的晃动和列车线性的运动形式横摆、浮沉及伸缩运动；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：

一种高速列车动态行为主被动混合控制系统，其包括平动成分控制单元和转动成分控制单元；平动成分控制单元通过连接板固定在列车车体上，转动成分控制单元连接在平动成分控制单元上；

平动成分控制单元包括安装在连接板上的轨道板Ⅰ、滑动连接在轨道板Ⅰ上的活动板Ⅰ、固定在活动板Ⅰ上的轨道板Ⅱ以及滑动连接在轨道板Ⅱ上的活动板Ⅱ，轨道板Ⅰ和轨道板Ⅱ上均开有主动力导轨，活动板Ⅰ和活动板Ⅱ底部对应设置有主动力轨脚，主动力轨脚尺寸与主动力导轨尺寸相适应，轨道板Ⅰ和轨道板Ⅱ上主动力导轨的方向相垂直；

转动成分控制单元包括被动控制总成和主动控制总成，被动控制总成连接在活动板Ⅱ上，主动控制总成与被动控制总成连接；

被动控制总成包括环形底板、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；

主动控制总成包括主动控制器、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，轨道板Ⅰ的两端安装有限位块，限位块安装在活动板Ⅰ的运动方向上，用于限制活动板Ⅰ的运动范围；轨道板Ⅱ的两端也安装有限位块，用于限制活动板Ⅱ的运动范围。

进一步的，轨道板Ⅰ和轨道板Ⅱ上还开有辅助导轨，活动板Ⅰ和活动板Ⅱ底部对应设置有辅助轨脚，辅助轨脚尺寸与辅助导轨尺寸相适应；

进一步的，主动力导轨内设置线圈以及高强永磁铁；主动力轨脚内设有线圈，利用线性电机的原理驱动主动力轨脚在主动力导轨内运动；主动力导轨的轨道内还设置有断电装置，用于紧急情况下切断整个平动成分控制单元的电力供应；

进一步的，辅助导轨的底部安装有钢滚珠，用于增强辅助轨脚在辅助导轨中的滑动效果；辅助导轨中还安装有光栅尺，用于测量和反馈活动板Ⅰ和/或活动板Ⅱ的直线位移。

进一步的，主动控制总成安装在筒状外壳内，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主动控制总成工作状态，反馈信号给控制器，控制器控制驱动电机工作。

本发明具有以下有益效果：

(1)该高速列车动态行为主被动混合控制系统采用平动与转动复合设计，既能控制列车具有转动成分的运动形式侧滚、摇头及点头运动，又能控制列车线性的运动形式横摆、浮沉及伸缩运动。

(2)该转动成分控制单元，包括被动控制总成和主动控制总成，列车晃动幅度较小的时候，只有被动控制总成起作用，当列车晃动幅度较大的时候，开启主动控制总成，与被动控制总成协同作用，起到节约能源，最大限度发挥控制系统的性能，保证控制系统的控制效率的作用。

(3)本发明提出直接对车体施加控制力矩和线性控制力的控制方法，弥补了现有高速列车振动控制悬挂系统技术的空缺，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。

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是本发明三维结构示意图之一；

图4是本发明结构前视图；

图5是本发明三维结构示意图之二；

图6是平动成分控制单元结构示意图；

图7是主动力导轨和主动力轨脚，辅助导轨和辅助轨脚安装示意图；

图8是钢滚珠位置示意图；

图9是光栅尺位置示意图；

图10是被动控制总成结构示意图；

图11是被动控制总成底部结构示意图；

图12是主动控制总成结构示意图；

图13是筒状外壳结构示意图；

图中：1、连接板；2、平动成分控制单元；21、轨道板Ⅰ；22、活动板Ⅰ；23、轨道板Ⅱ；24、活动板Ⅱ；25、限位块；26、辅助轨脚；27、主动力轨脚；28、辅助导轨；281、钢滚珠；29、主动力导轨；3、被动控制总成；31、环形底板；32、环形轴套；33、中心力轴；34、复位弹簧；35、轴承；4、主动控制总成；41、筒状外壳；42、盖板；43、紧固套；44、电机底座；45、驱动电机；46、转轴；47、转动质量盘；5、断电装置；6、光栅尺；7、车体。

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2-13所示，本实施例所述的一种高速列车动态行为主被动混合控制系统，其包括平动成分控制单元和转动成分控制单元；平动成分控制单元通过连接板固定在列车车体7上，转动成分控制单元连接在平动成分控制单元上。

如图6、图7所示，平动成分控制单元2包括安装在连接板上的轨道板Ⅰ21、滑动连接在轨道板Ⅰ上的活动板Ⅰ22、固定在活动板Ⅰ上的轨道板Ⅱ23以及滑动连接在轨道板Ⅱ上的活动板Ⅱ24，轨道板Ⅰ和轨道板Ⅱ上均开有主动力导轨29，轨道板Ⅰ和轨道板Ⅱ上主动力导轨的排布方向相互垂直；活动板Ⅰ和活动板Ⅱ底部对应设置有主动力轨脚27，主动力轨脚尺寸与主动力导轨尺寸相适应，轨道板Ⅰ和轨道板Ⅱ上主动力导轨的方向相垂直；轨道板Ⅰ的两端安装有限位块25，限位块安装在活动板Ⅰ的运动方向上，用于限制活动板Ⅰ的运动范围；轨道板Ⅱ的两端也安装有限位块，用于限制活动板Ⅱ的运动范围。

轨道板Ⅰ和轨道板Ⅱ上还开有辅助导轨28，活动板Ⅰ和活动板Ⅱ底部对应设置有辅助轨脚26，辅助轨脚尺寸与辅助导轨尺寸相适应，用于辅助轨道板Ⅰ和轨道板Ⅱ的运动。如图9所示，辅助导轨中还安装有光栅尺6，用于测量和反馈活动板Ⅰ和/或活动板Ⅱ的直线位移。

主动力导轨内设置线圈以及高强永磁铁；主动力轨脚内设有线圈，利用线性电机的原理驱动活动板Ⅰ和/或活动板Ⅱ针对列车的晃动状态做加速或者减速运动，。

转动成分控制单元包括被动控制总成3和主动控制总成4，被动控制总成连接在活动板Ⅱ上，主动控制总成与被动控制总成连接。

如图10、图11所示，被动控制总成包括环形底板31、连接在环形底板上的环形轴套32以及可转动连接在环形底板上的中心力轴33，中心力轴位于环形轴套内，中心力轴外包覆有复位弹簧34，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；在被动控制过程中，主动控制总成作为被动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总成发生转动，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。

如图12所示，主动控制总成包括主动控制器、电机底座44、固定在电机底座上的驱动电机45、与驱动电机连接的转轴46以及连接在转轴顶部的转动质量盘47。

中心力轴与筒状外壳41之间通过紧固套43连接，中心力轴与环形底板之间安装有轴承35，能够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，两个半圆形环形轴套片连接处设有卡槽，便于从两侧直接安装或者拆卸。

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主动控制总成工作状态，反馈信号给控制器，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总成旋转，也可以安装在列车上不随着主动控制总成运动，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。

具体实现过程：

本发明提出的高速列车动态行为主被动混合控制系统实现通过三个模块分别安装在列车车顶或车底、车厢尾部以及列车侧面上，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。控制系统通过连接板与车体相应控制面固定，实现对列车相应面的平动和转动动态行为的控制。

针对平动状态，例如传感器检测到列车发生的横摆、浮沉及伸缩运动等平动信号之后，传递给控制器，控制器将运动信号传递给平动成分控制单元，利用线性电机的原理，活动板Ⅰ以及活动板Ⅱ针对列车的晃动状态做加速或者减速运动，光栅尺对活动板Ⅰ或者活动板Ⅱ的位置实时测量并反馈，控制器对活动板Ⅰ或者活动板Ⅱ的运动速度和加速度实时控制，活动板Ⅰ、活动板Ⅱ的运动产生的反作用力将平面内的振动削减，此时转动成分控制单元作为平动成分控制单元的质量块，辅助平动成分控制单元的动作，提供削弱列车发生的横摆、浮沉及伸缩运动的反作用力。

列车发生的横摆、浮沉及伸缩运动，平动成分控制单元针对列车的晃动状态做加速或者减速运动，产生相应的反作用力施加给车体，进而达到削弱列车的横摆、浮沉及伸缩运动的目的。

转对转动状态，例如列车的摇头、侧滚、点头等运动状态，当列车晃动幅度较小的时候，仅仅被动控制总成动作，中心力轴带动被动控制总成发生转动，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，进而达到削弱列车的侧滚、点头、摇头运动的目的。。

当列车侧滚、点头、摇头动作过大的时候，需要在被动控制总成动作的基础上开启主动控制总成，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总成，与被动控制总成协同作用，形成主被动复合控制，增强抑制效果，增强抑制效果，进而达到削弱列车的侧滚、点头、摇头运动的目的。

实施例2

如图13，本实施例与实施例1的区别在于主动控制总成安装在筒状外壳内，电机底座固定在筒状外壳底部，筒状外壳用盖板42封顶，主动控制总成用筒状外壳包覆之后，有利于防尘，保证主动控制总成的清洁度，整体性更强，筒状外壳和盖板与主动控制总成一起组成了被动控制总成的转动质量块，其他与实施例1一致。

实施例3

如图9，主动力导轨的轨道内还设置有断电装置13，用于紧急情况下切断整个平动成分控制单元的电力供应。

实施例4

如图8，辅助导轨的底部安装有钢滚珠281，用于增强辅助轨脚在辅助导轨中的滑动效果。

在本发明的描述中，主要是针对高速列车来举例，上述技术方案同样适合于其他列车；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 (7)

1.一种高速列车动态行为主被动混合控制系统，其特征在于，包括平动成分控制单元和转动成分控制单元；平动成分控制单元通过连接板(1)固定在列车车体(7)上，转动成分控制单元连接在平动成分控制单元上；

平动成分控制单元(2)包括安装在连接板(1)上的轨道板Ⅰ(21)、滑动连接在轨道板Ⅰ(21)上的活动板Ⅰ(22)、固定在活动板Ⅰ(22)上的轨道板Ⅱ(23)以及滑动连接在轨道板Ⅱ(23)上的活动板Ⅱ(24)，轨道板Ⅰ(21)和轨道板Ⅱ(23)上均开有主动力导轨(29)，活动板Ⅰ(22)和活动板Ⅱ(24)底部对应设置有主动力轨脚(27)，主动力轨脚(27)尺寸与主动力导轨(29)尺寸相适应，轨道板Ⅰ(21)和轨道板Ⅱ(23)上主动力导轨(29)的方向相互垂直；

转动成分控制单元包括被动控制总成(3)和主动控制总成(4)，被动控制总成(3)连接在活动板Ⅱ(24)上，主动控制总成(4)与被动控制总成(3)连接；

被动控制总成(3)包括环形底板(31)、连接在环形底板(31)上的环形轴套(32)以及可转动连接在环形底板(31)上的中心力轴(33)，中心力轴(33)位于环形轴套(32)内，中心力轴(33)外包覆有复位弹簧(34)，复位弹簧(34)一端固定在中心力轴(33)顶端，另一端固定在环形底板(31)上，环形轴套(32)与中心力轴(33)之间的空间内充满阻尼液，阻尼液上下用油封密封；

主动控制总成(4)包括主动控制器、电机底座(44)、固定在电机底座(44)上的驱动电机(45)、与驱动电机(45)连接的转轴(46)以及连接在转轴(46)顶部的转动质量盘(47)；

主动控制总成(4)安装在筒状外壳(41)内，电机底座(44)固定在筒状外壳(41)底部，筒状外壳(41)用盖板(42)封顶；中心力轴(33)与筒状外壳(41)之间通过紧固套(43)连接；

轨道板Ⅰ(21)的两端安装有限位块(25)，限位块(25)安装在活动板Ⅰ(22)的运动方向上，用于限制活动板Ⅰ(22)的运动范围；轨道板Ⅱ(23)的两端也安装有限位块(25)，用于限制活动板Ⅱ(24)的运动范围。

2.根据权利要求1所述的高速列车动态行为主被动混合控制系统，其特征在于，轨道板Ⅰ(21)和轨道板Ⅱ(23)上还开有辅助导轨(28)，活动板Ⅰ(22)和活动板Ⅱ(24)底部对应设置有辅助轨脚(26)，辅助轨脚(26)尺寸与辅助导轨(28)尺寸相适应。

3.根据权利要求1所述的高速列车动态行为主被动混合控制系统，其特征在于，主动力导轨(29)内设置线圈以及高强永磁铁；主动力轨脚(27)内设有线圈，利用线性电机的原理驱动主动力轨脚(27)在主动力导轨(29)内运动；主动力导轨(29)的轨道内还设置有断电装置(5)，用于紧急情况下切断整个平动成分控制单元(2)的电力供应。

4.根据权利要求2所述的高速列车动态行为主被动混合控制系统，其特征在于，辅助导轨(28)的底部安装有钢滚珠(281)，用于增强辅助轨脚(26)在辅助导轨(28)中的滑动效果；辅助导轨(28)中还安装有光栅尺(6)，用于测量和反馈活动板Ⅰ(22)和/或活动板Ⅱ(24)的直线位移。

5.根据权利要求1所述的高速列车动态行为主被动混合控制系统，其特征在于，中心力轴(33)与环形底板(31)之间安装有轴承(35)。

6.根据权利要求1所述的高速列车动态行为主被动混合控制系统，其特征在于，环形轴套(32)由两个半圆形环形轴套片拼接而成。

7.根据权利要求1所述的高速列车动态行为主被动混合控制系统，其特征在于，主动控制器包括传感器和控制器，传感器监测列车(6)的动态行为和主动控制总成(4)的工作状态，反馈信号给控制器，控制器控制驱动电机(45)工作。

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