CN110758436B - 高速列车侧滚动态行为主动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及振动控制领域，公开了一种高速列车侧滚动态行为主动控制系统，其包括传感器、控制器和控制装置；控制装置包括动力单元、出力单元和壳体，壳体包括底板、环状侧板和盖板，底板和盖板上均设置有通孔；动力单元包括电机和增速齿轮组，增速齿轮组包括相互啮合的增速主齿轮和增速副齿轮，增速主齿轮安装在电机上；出力单元包括转动惯量环、力矩传输环和连接环，连接环固定在底板上，转动惯量环通过力矩传输环固定在连接环上，转动惯量环外周上设置有齿牙，齿牙与增速副齿轮相啮合。本发明的主动控制系统针对列车车体的摇头、侧滚、点头运动施加主动控制力矩，直接作用给车体产生控制作用，弥补了现有高速列车振动控制悬挂系统技术的空缺。
Description
技术领域
本发明涉及振动控制领域，具体而言，涉及一种高速列车侧滚动态行为主动控制系统。
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影响，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。但是，由于现有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，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。
现实情况中，列车的动态响应会产生摇头、侧滚、点头等类似于转动形式的运动，针对转动运动，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。
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进一步提高，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，因此，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。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术中悬挂系统存在的不足,提供一种能够控制列车摇头、侧滚、点头等具有转动成分的运动形式的高速列车侧滚动态行为主动控制系统。
为了实现上述目的，本发明的高速列车侧滚动态行为主动控制系统包括传感器、控制器和控制装置；
传感器安装于被控列车上；
控制装置安装于车厢连接处，包括动力单元、出力单元和壳体，动力单元和出力单元安装于壳体内；
壳体包括底板、环状侧板和盖板，底板和盖板上均设置有通孔，底板(2)和盖板(4)固定在车厢上；
动力单元包括电机和增速齿轮组，增速齿轮组包括增速主齿轮和增速副齿轮，电机固定在底板上，增速主齿轮安装在电机上，增速副齿轮固定在底板上，增速主齿轮和增速副齿轮相互啮合；控制器与传感器和电机电连接。
出力单元包括转动惯量环、力矩传输环和连接环，转动惯量环、力矩传输环和连接环均为空心圆环，空心圆环的圆心与底板和盖板上的通孔的中心重合，连接环固定在底板上，转动惯量环通过力矩传输环固定在连接环上，转动惯量环外周上设置有齿牙，齿牙与增速副齿轮相啮合。
优选地，动力单元共有四组，均布于出力单元的四周。
优选地，连接环上设置有环形插槽，力矩传输环固定于环形插槽中。
优选地，转动惯量环与力矩传输环为一体结构。
优选地，增速副齿轮的直径小于增速主齿轮。
优选地，力矩传输环采用橡胶材质。
优选地，控制装置的中心位于车体中心轴线上。
优选地，传感器安装于车厢顶部上，控制器固定于电机底部。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的主动控制系统针对列车车体的摇头、侧滚、点头运动施加主动控制力矩，直接作用给车体产生控制作用，弥补了现有高速列车振动控制悬挂系统技术的空缺；
(2)本发明的主动控制系统减小了车体受动态扰动的不稳定运动行为，增强了车体动态稳定性能，保证了乘客的舒适度，减轻了车体的破坏及损伤，提高了列车服役寿命；
(3)本发明的主动控制设计，能够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是本发明安装位置示意图；
图2是壳体结构示意图；
图3是本发明内部结构示意图；
图4是动力单元结构示意图；
图5是出力单元结构示意图；
图6是连接环结构示意图；
图7是动力单元和出力单元安装结构示意图；
其中，上述附图包括以下附图标记：1、控制装置；2、底板；3、环状侧板；4、盖板；5、通孔；6、电机；7、增速主齿轮；8、增速副齿轮；9、转动惯量环；10、力矩传输环；11、连接环；12、环形插槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的高速列车侧滚动态行为主动控制系统包括传感器、控制器和控制装置，如图1所示，控制装置安装于车厢连接处，控制装置的中心位于车体中心轴线上；
控制装置包括动力单元、出力单元和壳体；
如图2-3所示，壳体包括底板2、环状侧板3和盖板4，底板与盖板均与环状侧板固定连接，底板和盖板均与车厢固定连接，底板和盖板上均设置有通孔5，动力单元和出力单元安装于壳体内；
如图4所示，动力单元包括电机6和增速齿轮组，增速齿轮组包括增速主齿轮7和增速副齿轮8，电机通过电机底座固定在底板上，增速主齿轮安装在电机上，增速副齿轮通过齿轮座固定在底板上，增速主齿轮和增速副齿轮相互啮合，增速副齿轮的直径小于增速主齿轮。
如图5-7所示，出力单元包括转动惯量环9、力矩传输环10和连接环11，转动惯量环、力矩传输环和连接环均为空心圆环，圆心重合，连接环通过螺栓固定在底板上，连接环上设置有环形插槽12，转动惯量环与力矩传输环为一体结构，力矩传输环固定于环形插槽中，力矩传输环采用质地较硬的橡胶制成，可以传输扭矩，且具有一定的阻尼；转动惯量环外周上设置有齿牙，齿牙与增速副齿轮相啮合；动力单元共有四组，均布于出力单元的四周。
转动惯量环、力矩传输环和连接环的圆心与底板和盖板上的通孔的中心重合，底板和盖板与车厢固定连接，整个控制系统中间形成一个通道，通道与车厢相连通，供乘客通过。
传感器安装于车厢顶部上，控制器固定于电机底部。控制器与传感器和电机电连接。
本发明的作用过程如下：
传感器实时监测列车的转角响应并将其转化成电信号传递给控制器，控制器通过一系列解算输出控制电信号传递给电机，电机驱动增速齿轮组，从而驱动转动惯量环加速或减速回转转动产生控制力矩，力矩通过力矩传输环和连接环，传输到连接板上，最终作用在车体上；本发明通过改变电机的转向和转速来输出控制力，进而达到控制车厢的转角响应的目的。
本发明的基本原理来自力学基本概念：力和力偶不能相互等效。某些情况下受控对象的运动特征决定了转动运动形式必须由力矩来控制，因此传统的以出力方式或线性运动的控制系统均将失效，本发明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。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高速列车侧滚动态行为主动控制系统，包括传感器、控制器和控制装置(1)；传感器安装于被控列车上；其特征在于，
控制装置(1)安装于车厢连接处，包括动力单元、出力单元和壳体，动力单元和出力单元安装于壳体内；
壳体包括底板(2)、环状侧板(3)和盖板(4)，底板(2)和盖板(4)上均设置有通孔(5)，底板(2)和盖板(4)固定在车厢上；
动力单元包括电机(6)和增速齿轮组，增速齿轮组包括增速主齿轮(7)和增速副齿轮(8)，电机(6)固定在底板(2)上，增速主齿轮(7)安装在电机(6)上，增速副齿轮(8)固定在底板(2)上，增速主齿轮(7)和增速副齿轮(8)相互啮合；控制器与传感器和电机电连接；
出力单元包括转动惯量环(9)、力矩传输环(10)和连接环(11)，转动惯量环(9)、力矩传输环(10)和连接环(11)均为空心圆环，空心圆环的圆心与底板(2)和盖板(4)上的通孔(5)的中心重合，连接环(11)固定在底板(2)上，转动惯量环(9)通过力矩传输环(10)固定在连接环(11)上，转动惯量环(9)外周上设置有齿牙，齿牙与增速副齿轮(8)相啮合。
2.根据权利要求1所述的高速列车侧滚动态行为主动控制系统，其特征在于，动力单元共有四组，均布于出力单元的四周。
3.根据权利要求1所述的高速列车侧滚动态行为主动控制系统，其特征在于，连接环(11)上设置有环形插槽(12)，力矩传输环(10)固定于环形插槽(12)中。
4.根据权利要求1所述的高速列车侧滚动态行为主动控制系统，其特征在于，转动惯量环(9)与力矩传输环(10)为一体结构。
5.根据权利要求1所述的高速列车侧滚动态行为主动控制系统，其特征在于，增速副齿轮(8)的直径小于增速主齿轮(7)。
6.根据权利要求1所述的高速列车侧滚动态行为主动控制系统，其特征在于，力矩传输环(10)采用橡胶材质。
7.根据权利要求1所述的高速列车侧滚动态行为主动控制系统，其特征在于，控制装置(1)的中心位于车体中心轴线上。
8.根据权利要求1所述的高速列车侧滚动态行为主动控制系统，其特征在于，传感器安装于车厢顶部上，控制器固定于电机(6)底部。
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