CN110836205A - 转向架主动径向执行系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转向架主动径向执行系统及控制方法，系统包括径向控制器与液压系统，液压系统包括液压动力单元、多个径向作动器；列车网络或转向架径向系统控制器、以及液压动力单元、各径向作动器分别与径向控制器连接；液压动力单元与各径向作动器连接，液压动力单元用于为径向作动器提供高压液压动力源，径向控制器控制液压动力单元启停和输出压力、径向作动器动作、监测系统故障状态等，径向作动器接收径向控制器发送的控制指令，与转向架车轴保持平行或形成夹角。本发明的径向作动器，可以实现油缸的活塞杆的状态快速改变，使转向架能及时随轨道半径调整，降低轮轨作用力，减小车轮磨耗的目的，提高了径向作动器使用寿命。

Description

转向架主动径向执行系统及控制方法

技术领域

本发明属于转向架技术领域，尤其涉及一种转向架主动径向执行系统及控制方法。

背景技术

主动径向转向架是在原有转向架结构基础上，在构架和轮对之间安装布置径向作动器，可以实现对轮对施加主动力或者主动力矩。车辆在直线运行时，各个径向作动器锁定在中间位置，在故障状态下，各个径向作动器锁定在极限位置，可以保证车辆在直线和曲线线路上正常行驶，保证轮对轴线平行且具备足够的定位刚度；车辆曲线运行时，径向控制器控制径向作动器动作，使轮对轴线在曲线上趋于径向位置，使轮对冲角几乎为零。由此，主动径向转向架不仅在曲线上具备较好的性能，而且在直线线路上还可以提高车辆的运行品质。

目前，主动径向转向架的研究集中在转向架结构和性能上，对转向架主动径向执行系统或机构并无详细说明和研究。径向作动器通常分为液压驱动的泵控式电静液作动器与机电式的机电作动器两种方式，即由电机、减速齿轮箱、滚珠丝杆螺母副等组成的机电作动器，伺服电机在控制指令作用下带动驱动器正反转动，由行星齿轮箱与滚珠丝杆螺旋副，将电机的旋转运动转变为丝杆螺母副的直线运动，从而控制作动器的伸缩运动使轮对达到曲线的径向位置。另一种为由电机、双向泵、阀组、阀块和油缸等组成的泵控式电静液作动器。

例如，专利CN201610273349公开了一种主副构架弹性铰接的径向转向架、专利CN201610304015公开了一种双T型构架弹性铰接的柔性架悬直驱径向转向架，其虽然都提及了径向作动器，但并未详细说明径向作动器结构及工作原理。CN201610304011公开了一种轨道列车主动径向系统，其径向作动器为容积式作动器，即为泵控式电静液作动器。

机电作动器虽然结构简单、成本较低、无液压油泄露风险、自锁性好，但其存在以下缺点：①传动机构的长期工作磨损；②在需要输出较大载荷时，结构尺寸比较大，而一般转向架空间有限，难以放置；③在突然失电、控制系统失效等故障情况下，故障导向安全的策略较难实现。泵控式电静液作动器虽然集成度高、便于维护和更换、可以输出较大载荷、无外部管路减小泄露风险，但其存在以下缺点：①由于集成了电机、泵、阀组、油缸等组件，体积相对较大；②在系统失电状态或电机、泵等零部件故障状态下，没有有效的安全机制，作动器活塞杆处于自由状态，危害行车安全。

因此，有必要在现有径向作动器基础上进行改进，提供一种新的转向架主动径向执行系统。

发明内容

本发明针对上述现有径向作动器存在的不足，提供了一种转向架主动径向执行系统及控制方法，能够实现油缸的活塞杆的状态快速改变，使转向架能及时随轨道半径调整。

为了实现上述目的，本发明提供了一种转向架主动径向执行系统，包括：径向控制器与液压系统，所述液压系统包括液压动力单元、多个径向作动器；列车网络或转向架径向系统控制器、以及所述液压动力单元、各径向作动器分别与所述径向控制器连接；所述径向控制器用于根据所述列车网络的牵引、制动状态信息，以及所述转向架径向系统控制器的线路状态、各径向作动器的状态信息，计算出各所述径向作动器的行程、速度信息，以驱动所述径向作动器动作；并实时监测所述液压系统的状态，并向所述列车网络或转向架径向系统控制器上报故障信息；所述液压动力单元与各径向作动器连接，所述液压动力单元用于为所述径向作动器提供高压液压动力源，所述径向作动器接收所述径向控制器发送的控制指令，与转向架车轴保持平行或形成夹角。

优选的，所述液压动力单元包括油箱、油泵电机、液压油泵、蓄能器、以及压力传感器或压力开关；所述油箱的出油口连接所述液压油泵的液体入口，所述液压油泵的液体出口连接所述蓄能器、所述压力传感器或压力开关、以及所述各径向作动器，所述蓄能器存储高压液压油；所述油泵电机与所述液压油泵连接；所述油箱的回油口连接各径向作动器。

优选的，所述液压油泵液体出口与各径向作动器之间设置有开关阀。

优选的，所述油箱的进油口与所述液压油泵的液体入口之间设置有吸油油滤，所述液压油泵的液体出口与所述开关阀入口之间还设置有过滤器。

优选的，所述所述液压油泵的液体出口还设置有第一单向阀，所述开关阀出口设置有第二单向阀。

优选的，所述第一单向阀出口与所述油箱的回油口之间设置有球阀；所述过滤器出口还设置有溢流安全阀；所述溢流安全阀与所述开关阀并联，所述溢流安全阀用于设定所述液压动力单元的安全压力。

优选的，各径向作动器包括伺服阀、油缸，所述油缸上集成有位移传感器；所述伺服阀入口连接所述液压动力单元的出口管路，所述伺服阀出口连接所述油缸。

优选的，所述伺服阀出口与所述油缸之间设置有两路并联的液控单向阀，分别连接至所述油缸的前腔、后腔。

优选的，两路所述液控单向阀的出口之间设置有两路并联的安全阀，所述安全阀用于设定所述油缸的安全压力。

优选的，所述径向控制器、液压动力单元安装于车体上，各径向作动器安装于转向架构架与转向架轮对轴箱之间，每一转向架安装有四个径向作动器。

本发明还提供了一种采用所述的转向架主动径向执行系统的控制方法，包括：

若径向控制器与列车网络或转向架径向系统控制器不能正常通信时，则径向控制器控制油缸的活塞杆锁定至中间位置处或活塞杆推出至最大位置并锁定，使两转向架车轴处于平行位置，列车正常运行；

若径向控制器失电，伺服阀无控制信号时，则伺服阀处于失电保护状态，伺服阀控制蓄能器内高压液压油与油缸后腔连通，油缸前腔与回油油路连通；控制油缸的活塞杆锁定至最大位置处，使两转向架车轴处于平行位置且轴距最大，径向转向架处于安全状态；

若伺服阀或位移传感器失效时，则伺服阀处于失电保护状态，控制油缸的活塞杆锁定至最大位置处，使两转向架车轴处于平行位置且轴距最大，径向转向架处于安全状态；

若液压动力单元失电，蓄能器压力正常时，则控制油缸的活塞杆锁定至中间位置或最大位置处，使两转向架车轴处于平行位置；

若液压动力单元失电，蓄能器压力异常时，则控制油缸的活塞杆锁定至当前位置处，并上报故障信息至列车网络或转向架径向系统控制器。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供了一种转向架主动径向执行系统及控制方法，径向执行系统设置了径向控制器与液压系统，液压系统包括液压动力单元、多个径向作动器，转向架径向作动器，列车网络或转向架径向系统控制器、以及液压动力单元、各径向作动器分别与径向控制器连接，径向控制器能够控制液压动力单元启停和输出压力、驱动径向作动器工作、并监测系统状态及故障模式实施等。

与机电作动器和泵控式电静液作动器相比，本发明利用伺服阀高响应的特点，设计了转向架径向作动器，可以实现油缸活塞杆的状态快速改变，从而使转向架径向系统在多半径连续弯道等特殊路段时车轴夹角得以迅速任意调整，尤其在车速较快的情况下使转向架能及时随轨道半径调整，更好的达到降低轮轨作用力，减小车轮磨耗的目的。径向作动器本身只需要集成伺服阀等少数功能阀，必要时可以不集成任何阀体，径向作动器可以做到结构最紧凑，外形尺寸最小，适合轴箱内置式径向转向架狭小的安装空间。

附图说明

图1为本发明的转向架主动径向执行系统结构框图；

图2为本发明的液压系统的原理图；

其中：1-液压动力单元、11-油箱、12-油泵电机、13-液压油泵、14-蓄能器、15-压力传感器或压力开关、16-开关阀、171-吸油油滤、172-过滤器、181-第一单向阀、182-第二单向阀、19-球阀、120-溢流安全阀；2-径向作动器、21-伺服阀、22-油缸、23-液控单向阀、24-安全阀。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

参考图1所示，本发明提供了一种转向架主动径向执行系统，包括：径向控制器与液压系统，液压系统包括液压动力单元、多个径向作动器：

列车网络或转向架径向系统控制器、以及液压动力单元、各径向作动器分别与径向控制器连接。径向控制器具有液压动力单元启停和输出压力功能、径向作动器控制功能和系统状态监测及故障模式实施功能，径向控制器根据列车网络的牵引、制动状态信息，以及转向架径向系统控制器的线路状态、各径向作动器的状态信息，根据线路曲线半径计算出各径向作动器的行程、速度信息，以驱动径向作动器动作。同时径向控制器能够实时监测液压系统的状态，并向列车网络或转向架径向系统控制器上报故障信息。

液压动力单元与各径向作动器连接，液压动力单元用于为径向作动器提供高压液压动力源，径向作动器接收径向控制器发送的控制指令，控制径向作动器动作，与转向架车轴保持平行或形成夹角。本实施例中将径向控制器、液压动力单元安装于列车车体上，各径向作动器安装于转向架构架与转向架轮对轴箱之间，每一转向架安装有四个径向作动器。转向架主动径向执行系统的配置和组成与径向转向架的结构相关，根据径向转向架的结构设计不同，所需要的径向作动器的数量和布置位置、布置形式都具有差异，但系统中径向控制器、液压动力单元都不会改变。

具体的，参考图2所示，对于液压动力单元1，其包括油箱11、油泵电机12、液压油泵13、蓄能器14、以及压力传感器或压力开关15、开关阀16、吸油油滤171、过滤器172、第一单向阀181、第二单向阀182、球阀19、溢流安全阀120，形成以油泵电机-液压油泵-压力传感器或压力开关-蓄能器为闭环充液的能源供应系统。其中，油箱11的出油口连接液压油泵13的液体入口，液压油泵13的液体出口连接蓄能器14、压力传感器或压力开关15、以及各径向作动器2，蓄能器14存储高压液压油；油泵电机12与液压油泵13连接；油箱11的回油口连接各径向作动器2。液压油泵13液体出口与各径向作动器2之间设置有开关阀16，开关阀16实现在列车直线行驶时关断液压能源系统与执行机构之间的管路，降低执行机构的内漏对液压能源的损耗。油箱11的进油口与液压油泵13的液体入口之间设置有吸油油滤171，液压油泵13的液体出口与开关阀17入口之间还设置有过滤器172，滤除油路高压液压油中的杂质。液压油泵13的液体出口还设置有第一单向阀181，开关阀出口设置有第二单向阀182，使油路中的高压液压油单向流通，防止回流。第一单向阀181的出口与油箱11的回油口之间设置有球阀19，实现在系统维护时释放蓄能器14中的高压液压油。过滤器172出口还设置有溢流安全阀120，溢流安全阀120与开关阀17并联，溢流安全阀120设定液压动力单元的安全压力，防止液压系统超压，保护系统部件安全。

对于径向作动器2，进一步参考图2所示，各径向作动器2包括伺服阀21、油缸22、液控单向阀23、安全阀24。其中，油缸22上集成有位移传感器，伺服阀21入口连接液压动力单元1的出口管路，即第二单向阀182出口端连接各伺服阀21入口，伺服阀21出口连接油缸22，伺服阀21出口与油缸22之间设置有两路并联的液控单向阀23，分别连接至油缸22的前腔、后腔。径向作动器利用液压动力单元提供的能量由伺服阀驱动实现高响应的伺服运动，驱动油缸实现转向架车轴偏转；伺服阀作为径向作动器的控制阀，具备失电保护功能，能够实现多种系统故障模式处理，保证径向转向架主动径向执行系统中每个部件故障后都能够保证转向架正常使用，使得列车安全运行。液控单向阀实现在列车在直线运行时锁定油缸活塞杆，从而锁定转向架车轴，减小了控制阀的泄露量，降低液压油泵及油泵电机的负荷。此外，在故障模式时液控单向阀可以配合具备失电保护功能的伺服阀一起使用，实现多种故障模式下对作动器锁定。两路液控单向阀23的出口之间设置有两路并联的安全阀24，安全阀用于设定油缸的安全压力，防止径向作动器在承受被动负载时超压，保护径向作动器部件安全。

根据上述的转向架主动径向执行系统，本发明还提供了相应的控制方法，以实现故障模式控制，其包括：

若径向控制器与列车网络或转向架径向系统控制器不能正常通信时，径向控制器不能接收到各个径向作动器的动作指令，则径向控制器控制油缸的活塞杆在中间位置处或活塞杆推出至最大位置并锁定，使两转向架车轴处于平行位置，列车正常运行。

若径向控制器失电，伺服阀无控制信号时，则伺服阀处于失电保护状态，伺服阀控制蓄能器内高压液压油与油缸后腔连通，油缸前腔与回油油路连通；控制油缸的活塞杆推出至最大位置处并锁定，使两转向架车轴处于平行位置且轴距最大，径向转向架处于安全状态。若伺服阀或位移传感器失效时，则伺服阀处于失电保护状态，控制油缸的活塞杆推出至最大位置处并锁定，使两转向架车轴处于平行位置且轴距最大，径向转向架处于安全状态。

若液压动力单元失电，蓄能器压力正常时，则控制油缸的活塞杆推至中间位置或最大位置处并锁定，使两转向架车轴处于平行位置，列车正常运行；若液压动力单元失电，蓄能器压力异常时(压力偏低或系统失压)，由于系统中单向阀和液控单向阀的存在，径向作动器可以暂时保持一定工作压力，此时控制油缸的活塞杆锁定至当前位置处，并上报故障信息至列车网络或转向架径向系统控制器。

综上，与机电作动器和泵控式电静液作动器相比，本实施例利用伺服阀高响应的特点，设计了转向架径向作动器，可以实现油缸活塞杆的状态快速改变，尤其在车速较快的情况下使转向架能及时随轨道半径调整，更好的达到降低轮轨作用力，减小车轮磨耗的目的。同时利用伺服阀具有失电保护位置的特点，使得径向作动器具备合理的故障导向机制，保证即使系统故障状态下车辆也可以安全运行。虽然转向架主动径向执行系统中单独设计的液压动力单元占用了空间，但径向作动器本身只需要集成伺服阀等少数功能阀，必要时可以不集成任何阀体，径向作动器可以做到结构最紧凑，外形尺寸最小，适合轴箱内置式径向转向架狭小的安装空间。

Claims (11)

1.一种转向架主动径向执行系统，其特征在于，包括：径向控制器与液压系统，所述液压系统包括液压动力单元、多个径向作动器；列车网络或转向架径向系统控制器、以及所述液压动力单元、各径向作动器分别与所述径向控制器连接；所述径向控制器用于根据所述列车网络的牵引、制动状态信息，以及所述转向架径向系统控制器的线路状态、各径向作动器的状态信息，计算出各所述径向作动器的行程、速度信息，以驱动所述径向作动器动作；并实时监测所述液压系统的状态，并向所述列车网络或转向架径向系统控制器上报故障信息；所述液压动力单元与各径向作动器连接，所述液压动力单元用于为所述径向作动器提供高压液压动力源，所述径向作动器接收所述径向控制器发送的控制指令，与转向架车轴保持平行或形成夹角。

2.根据权利要求1所述的转向架主动径向执行系统，其特征在于，所述液压动力单元包括油箱、油泵电机、液压油泵、蓄能器、以及压力传感器或压力开关；所述油箱的出油口连接所述液压油泵的液体入口，所述液压油泵的液体出口连接所述蓄能器、所述压力传感器或压力开关、以及所述各径向作动器，所述蓄能器存储高压液压油；所述油泵电机与所述液压油泵连接；所述油箱的回油口连接各径向作动器。

3.根据权利要求2所述的转向架主动径向执行系统，其特征在于，所述液压油泵液体出口与各径向作动器之间设置有开关阀。

4.根据权利要求3所述的转向架主动径向执行系统，其特征在于，所述油箱的进油口与所述液压油泵的液体入口之间设置有吸油油滤，所述液压油泵的液体出口与所述开关阀入口之间还设置有过滤器。

5.根据权利要求3所述的转向架主动径向执行系统，其特征在于，所述所述液压油泵的液体出口还设置有第一单向阀，所述开关阀出口设置有第二单向阀。

6.根据权利要求5所述的转向架主动径向执行系统，其特征在于，所述第一单向阀出口与所述油箱的回油口之间设置有球阀；所述过滤器出口还设置有溢流安全阀；所述溢流安全阀与所述开关阀并联，所述溢流安全阀用于设定所述液压动力单元的安全压力。

7.根据权利要求1-6任一项所述的转向架主动径向执行系统，其特征在于，各径向作动器包括伺服阀、油缸，所述油缸上集成有位移传感器；所述伺服阀入口连接所述液压动力单元的出口管路，所述伺服阀出口连接所述油缸。

8.根据权利要求7所述的转向架主动径向执行系统，其特征在于，所述伺服阀出口与所述油缸之间设置有两路并联的液控单向阀，分别连接至所述油缸的前腔、后腔。

9.根据权利要求8所述的转向架主动径向执行系统，其特征在于，两路所述液控单向阀的出口之间设置有两路并联的安全阀，所述安全阀用于设定所述油缸的安全压力。

10.根据权利要求1所述的转向架主动径向执行系统，其特征在于，所述径向控制器、液压动力单元安装于车体上，各径向作动器安装于转向架构架与转向架轮对轴箱之间，每一转向架安装有四个径向作动器。

11.一种采用权利要求7-10任一项所述的转向架主动径向执行系统的控制方法，其特征在于，包括：

若径向控制器与列车网络或转向架径向系统控制器不能正常通信时，则径向控制器控制油缸的活塞杆锁定至中间位置处或活塞杆推出至最大位置并锁定，使两转向架车轴处于平行位置，列车正常运行；

若径向控制器失电，伺服阀无控制信号时，则伺服阀处于失电保护状态，伺服阀控制蓄能器内高压液压油与油缸后腔连通，油缸前腔与回油油路连通；控制油缸的活塞杆锁定至最大位置处，使两转向架车轴处于平行位置且轴距最大，径向转向架处于安全状态；

若伺服阀或位移传感器失效时，则伺服阀处于失电保护状态，控制油缸的活塞杆锁定至最大位置处，使两转向架车轴处于平行位置且轴距最大，径向转向架处于安全状态；

若液压动力单元失电，蓄能器压力正常时，则控制油缸的活塞杆锁定至中间位置或最大位置处，使两转向架车轴处于平行位置；

若液压动力单元失电，蓄能器压力异常时，则控制油缸的活塞杆锁定至当前位置处，并上报故障信息至列车网络或转向架径向系统控制器。

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