CN112896215B - 一种轨道交通用主动倾摆系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种轨道交通用主动倾摆系统，对称设置于两侧车体下方，包括：空气弹簧，设置在车体和转向架构架之间；过渡板，安装在车体上；高度阀，安装在过渡板上；高度阀的总风接口接总风管路，出气口通过供风管道接空气弹簧的进气口，排气口用于空气弹簧排气到大气中；垂直调整杆，底端与转向架构架球铰连接，顶端与高度阀的杠杆的末端球铰连接，且顶端还设有缓冲块，中间安装作动器；车辆进入缓和曲线后，作动器接收控制系统根据两侧车体的倾摆高度差h’发出的控制信号并根据控制信号进行相应的伸长、缩短动作，控制空气弹簧单独充排气或者通过控制空气弹簧充排气和控制调节所述垂直调整杆对车体支撑的联合作用，提供车体倾摆所需的力矩。

Description

一种轨道交通用主动倾摆系统

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种轨道交通用主动倾摆系统。

背景技术

高速化和舒适性是轨道车辆发展的趋势，但是由于线路条件限制，比如曲线段数量大、小半径曲线多等特点，单纯提高车辆运行速度会增大转弯过程中车辆的未平衡离心力，影响乘客的舒适度和车辆的安全性、稳定性。考虑到建设高速铁路成本高、维修费用高、技术要求高等因素，期望现有线路上对车辆进行改造，从而达到提高车辆运行速度的目的。

摆式列车是在既有线路提速的一种有效技术措施，作用原理如图1所示。其特点是当车辆进入曲线段时,根据检测系统测得线路信息,传输给控制系统计算出车体需要额外产生的倾斜角度,相当于增加了一个额外的超高,因而增大了向心力,使超速离心力大部分得到平衡,保证了列车能高速平稳通过弯道,乘客感觉到的离心力大大减小,乘坐舒适度显著提高。

空气弹簧是很常见的悬挂装置，摆式列车也可以通过控制左右侧空气弹簧的升降而使车体倾摆。但其车体倾摆角度受空气弹簧升高量影响，最大车体倾摆角为2°左右，可以提高车辆运行速度20％～30％，适合于运行速度己经被限制的小半径曲线线路。空气弹簧主动控制倾摆结构相对简单，但是同样具有较好的曲线通过能力。该倾摆方式不必对转向架的构架进行较大改造，从轻量化的观点来看也有较大的优点。

但是，有些车型抗侧滚扭杆刚度比较大，车体倾摆时产生较大的与车体侧滚角位移的方向相反的反力矩，以约束车体的倾摆动作。空气弹簧如果间距较小，且承担气压有限，则无法提供足够的力矩驱使车体倾摆动作，应用范围有限。因此对于此类车型还需要进一步研究开发倾摆系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种轨道交通用主动倾摆系统，利用空气弹簧和高度阀，提高主动倾摆力矩，满足过曲线车体的倾摆需求。

为此，本发明实施例提供了一种轨道交通用主动倾摆系统，所述主动倾摆系统对称设置于两侧车体下方，包括：

空气弹簧，设置在车体和转向架构架之间；

过渡板，安装在车体上；

高度阀，安装在过渡板上；所述高度阀的总风接口接总风管路，出气口通过供风管道接空气弹簧的进气口，排气口用于空气弹簧排气到大气中，降低空气弹簧高度；

垂直调整杆，底端与转向架构架球铰连接，顶端与高度阀的杠杆的末端球铰连接；所述垂直调整杆的顶端设有缓冲块，用于缓和垂直调整杆和车体之间的冲击力；所述垂直调整杆中间安装作动器，用于控制调节所述垂直调整杆的长度；车辆进入缓和曲线后，所述作动器接收控制系统根据两侧车体的倾摆高度差h’发出的控制信号并根据所述控制信号进行相应的伸长、缩短动作，控制空气弹簧单独充排气或者通过控制空气弹簧充排气和控制调节所述垂直调整杆对车体支撑的联合作用，提供车体倾摆所需的力矩。

优选的，所述两侧车体的倾摆高度差通过控制系统计算得到；

所述两侧车体的倾摆高度差h＇＝(a-a')/g·L；

其中，a为未平衡离心加速度；a'为预设的期望得到的加速度；g为重力加速度；L为两侧的作动器的中心间距；h’为两侧车体的倾摆高度差。

优选的，所述作动器接收控制系统根据两侧车体的倾摆高度差h’发出的控制信号并根据所述控制信号进行相应的伸长、缩短动作，控制空气弹簧单独充排气或者通过控制空气弹簧充排气和控制调节所述垂直调整杆对车体支撑的联合作用，提供车体倾摆所需的力矩具体包括：

当h’/2≤h时，弯道外侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道外侧的垂直调整杆伸长h’/2，将弯道外侧的高度阀的杠杆末端上提，使得弯道外侧的高度阀的充气口打开，对弯道外侧的空气弹簧充气，升高弯道外侧的车体高度直到所述杠杆达到中心位置，充气口关闭；弯道内侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道内侧的垂直调整杆缩短h’/2，将弯道内侧的高度阀的杠杆末端下拉，使得弯道内侧的高度阀的排气口打开，对弯道内侧的空气弹簧排气，降低弯道内侧的车体高度直到杠杆达到中心位置，排气口关闭；

当h’/2＞h时，弯道外侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道外侧的垂直调整杆伸长将弯道外侧的高度阀的杠杆末端上提，打开弯道外侧高度阀的充气口对弯道外侧的空气弹簧充气，并且控制弯道外侧的垂直调整杆伸长至缓冲块接触车体，对所述外侧的车体形成向上的支撑力，直至垂直调整杆伸长h’/2+h，外侧车体升高h’/2+h-Δh；h为平衡状态下垂直调整杆的顶端至车体的间距，Δh为缓冲块压缩变形量；弯道内侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道内侧的垂直调整杆缩短h’/2，将弯道内侧的高度阀的杠杆末端下拉，打开弯道内侧高度阀的排气口对弯道内侧的空气弹簧放气直到杠杆达到中心位置，充气口关闭。

优选的，所述作动器具体包括：滚珠丝杠、滚柱丝杠或液压缸中的任一种。

优选的，所述缓冲块由弹性材料制成。

进一步优选的，所述弹性材料包括橡胶或塑料。

优选的，所述高度阀包括：阀体和所述杠杆；

所述阀体包括：驱动轴、所述总风接口、所述出气口和所述排气口；

所述杠杆的首端连接在所述驱动轴上。

本发明实施例提供的轨道交通用主动倾摆系统，车辆通过弯道曲线时，根据控制系统计算出所需车体倾摆角度确定作动器的动作，通过空气弹簧单独充排气或者通过空气弹簧充排气和作动器控制调节垂直调整杆抵顶车体提供支撑力的联合作用对车体提供倾摆力矩。特别是在倾摆角度较大时，通过空气弹簧充排气和作动器支撑力共同提供对车体的倾摆力矩，实现车体的主动倾摆。

附图说明

图1为本发明提供的现有技术应用得摆式列车原理示意图；

图2为本发明实施例提供的轨道交通用主动倾摆系统的应用场景示意图；

图3为本发明实施例提供的主动倾摆系统结构示意图；

图4为本发明实施例提供的高度阀结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例提供了一种轨道交通用主动倾摆系统，该系统可以根据线路曲线和车辆运行情况，接收控制系统计算并下发的指令执行动作，以实现车体的主动倾摆。

本发明提供的轨道交通用主动倾摆系统的应用场景如图2所示，主动倾摆系统对称设置于车体100的两侧下方和转向架构架200两侧上方，抗侧滚装置400横跨于主动倾摆系统两侧，抗侧滚装置400两侧通过吊装支座300吊装在车体100两侧车体下方，抗侧滚装置400下端连接设置在转向架构架200上。

本发明提供的轨道交通用主动倾摆系统包括：高度阀1、空气弹簧2、过渡板(图2中未示出)、支座4、垂直调整杆5和作动器(图中未示出)。

图3为本发明实施例提供的主动倾摆系统结构示意图，结合图2、图3所示，过渡板3安装在车体100上；支座4固定在转向架构架200上；空气弹簧2，设置在车体100和转向架构架200之间；高度阀1安装在过渡板3上。

高度阀1的具体结构如图4所示，高度阀1包括：阀体11和杠杆12；阀体11具体包括：驱动轴111、总风接口112、出气口113和排气口114；杠杆12的首端连接在驱动轴111上。

再如图2、图3所示，高度阀1的总风接口接总风管路6，出气口113通过供风管道7接空气弹簧2的进气口。

垂直调整杆5的底端与支座4球铰连接，顶端与高度阀1的杠杆12的末端球铰连接；垂直调整杆5的顶端设有缓冲块8。缓冲块8可以由橡胶或塑料等弹性材料制成。

作动器安装在垂直调整杆5上，用于控制调节垂直调整杆5的长度。作动器可以具体包括但不限于：滚珠丝杠、滚柱丝杠或液压缸等。

本发明的轨道交通用主动倾摆系统由列车的控制系统控制，能够在列车进入缓和曲线至出弯道曲线的过程中，帮助车体主动倾摆。下面对其原理进行说明。

以车辆进入缓和曲线的过程为例：

在列车行驶过程中，列车上安装的检测系统会实时检测列车的各项行驶状态参数，并发送给控制系统。当车辆进入缓和曲线后，在惯性作用下存在离心力，列车的控制系统根据各项行驶状态参数进行行驶状态判定，当判定进入缓和曲线后，会根据实时的未平衡离心加速度计算两侧车体需要倾摆的倾摆高度差h’，然后根据两侧车体的倾摆高度差h’和平衡状态下垂直调整杆的顶端至车体的间距h，通过空气弹簧或者通过空气弹簧和作动器对车体提供倾摆力矩。

在提供倾摆力矩时，由控制系统计算并下发动作指令给下位的控制模块，以使得下位的控制模块能够控制作动器对垂直调整杆的伸缩进行控制，从而控制空气弹簧的充放气，和/或对车体进行抵顶支撑。

通常检测系统检测车头或前部车厢车体的参数，对于后面各个车体，控制系统可以根据已经确定的车长、速度来相应的计算延时时间，延时向后面各个车体的下位的控制模块逐一发送动作指令。在此仅以一个车体的主动倾摆控制为例进行说明。

当控制系统确定车辆进入缓和曲线后，要控制达到的两侧车体的倾摆高度差可以通过如下公式计算得到：h＇＝(a-a')/g·L；

其中，a为未平衡离心加速度，单位m/s²；a'为预设的期望得到的加速度，单位m/s²；g为重力加速度，单位m/s²；L为两侧的作动器的中心间距；h’为两侧车体的倾摆高度差。未平衡离心加速度通过车辆上的传感器监测获得，预设的期望得到的加速度可以根据标准确定，该数据由加速度对人体乘坐的影响的科学评估和统计获得，在一个具体的标准中，为0.05g。对于不同类型的车辆、轨道条件，在不同的行驶速度下，该数值可以不同。

平衡状态下垂直调整杆的顶端至车体的间距h，根据抗侧滚装置系统刚度和空气弹簧跨距、有效直径、体积和垂向刚度等相关参数综合设计计算确定的。

由此，控制系统会在判定车辆进入缓和曲线后，计算两侧车体所需要的倾摆高度差h’并生成相应的控制信号控制作动器，用以驱动空气弹簧或者通过空气弹簧和所述作动器对所述车体提供倾摆力矩。

具体的，h为平衡状态下垂直调整杆的顶端至车体的间距；

当h’/2≤h时，弯道外侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道外侧的垂直调整杆伸长h’/2，将弯道外侧的高度阀的杠杆末端上提，使得弯道外侧的高度阀充气口打开，对弯道外侧的空气弹簧充气，升高弯道外侧车体高度直到杠杆达到中心位置，充气口关闭；弯道内侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道内侧的垂直调整杆缩短h’/2，将弯道内侧的高度阀的杠杆末端下拉，使得弯道内侧的高度阀排气口打开，对弯道内侧的空气弹簧排气，降低弯道内侧车体高度直到杠杆达到中心位置，排气口关闭；

以上过程中，随着两侧空气弹簧充排气的过程，车体相应的产生倾摆，对于空气弹簧充气的一侧车体，垂直调整杆伸长h’/2，空气弹簧随之充气而升高h’/2*LL'后(L’为两空气弹簧的中心跨距)，杠杆达到中心位置与车体重新平行并倾斜相同角度。因此当h’/2≤h时，当调整完成达到平衡态时，垂直调整杆的顶端与车体之间的间距还是维持在h。

当h’/2＞h时，弯道外侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道外侧的垂直调整杆伸长将弯道外侧的高度阀的杠杆末端上提，打开弯道外侧高度阀的充气口对弯道外侧的空气弹簧充气，并且控制弯道外侧的垂直调整杆伸长至缓冲块接触车体，对所述外侧的车体形成向上的支撑力，直至垂直调整杆伸长h’/2+h，外侧车体升高h’/2+h-Δh；Δh为缓冲块压缩变形量远小于h’/2+h，对车体倾摆角度影响忽略不计，此过程高度阀保持充气口开度最大，空气弹簧始终充气直到与充风管路气压相等；以上过程中，对于空气弹簧充气的一侧车体，由于空气弹簧充气而升高到极限，也不足以提供单侧车体倾摆达到h’/2的程度，作动器会继续伸长，这个伸长量首先要弥补垂直调整杆的顶端与车体之间的间距h，接触到车体后还要继续伸长直到单侧车体倾摆达到h’/2，此时这一侧的作动器控制垂直调整杆的总伸长量为h’/2+h，该侧垂直调整杆的顶端与车体之间的间距为0。

而弯道内侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道内侧的垂直调整杆缩短h’/2，将弯道内侧的高度阀的杠杆末端下拉，打开弯道内侧高度阀的排气口对弯道内侧的空气弹簧放气直到杠杆达到中心位置，排气口关闭。

当车体出弯道曲线时，车体需要从倾摆状态恢复到水平状态，作动器的动作与进入弯道相反。

在一个具体的例子中，平衡状态下垂直调整杆的顶端至车体的间距h＝20mm，计算得到要控制达到的两侧车体的倾摆高度差h’＝20mm，h’/2＝10mm。此时抗侧滚扭杆反向扭矩较小，只需两侧空气弹簧充放气便可提供足够的侧滚力矩，驱动车体达到所需倾摆角度。控制系统生成控制指令，控制车体两侧的作动器分别控制弯道外侧的垂直调整杆伸长10mm，对弯道外侧的空气弹簧充气，以及控制弯道内侧的垂直调整杆缩短10mm，对弯道内侧的空气弹簧放气。

在另一个具体的例子中，平衡状态下垂直调整杆的顶端至车体的间距h＝20mm，计算得到要控制达到的两侧车体的倾摆高度差h’＝60mm，h’/2＝30mm。此时抗侧滚扭杆反向扭矩较大，控制系统生成控制指令，控制车体两侧的作动器分别控制弯道外侧的垂直调整杆伸长，对弯道外侧的空气弹簧充气，当伸长达到20mm时，垂直调整杆的顶端抵顶至车体上，提供给车体向上的支撑力。在抵顶上之后，作动器提供的力会进一步加大，直至伸长长度达到h’/2+h＝50mm。相应的，同时也控制弯道内侧的垂直调整杆缩短30mm，对弯道内侧的空气弹簧放气。当高度阀的杠杆回到中心位置时，空气弹簧放气关闭。

本发明实施例通过安装在高度阀连接的垂直调整杆的作动器和空气弹簧共同提供倾摆力矩，适合于车体两点支撑方式、两空气弹簧跨距较小和抗侧滚扭杆侧滚刚度较大的转向架；发明提供的抗侧滚装置结构简单，在现有结构上只对垂直调整杆进行改造，结构简单易于实现。在车辆通过弯道曲线时，根据倾摆角度确定通过空气弹簧单独充排气或者通过空气弹簧充排气和作动器支撑力联合作用对车体提供倾摆力矩，在倾摆角度较大时，通过空气弹簧充排气和作动器支撑力联合作用提供对车体的倾摆力矩，实现车体的主动倾摆。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种轨道交通用主动倾摆系统，其特征在于，所述主动倾摆系统对称设置于两侧车体下方，包括：

空气弹簧，设置在车体和转向架构架之间；

过渡板，安装在车体上；

高度阀，安装在过渡板上；所述高度阀的总风接口接总风管路，出气口通过供风管道接空气弹簧的进气口，排气口用于空气弹簧排气到大气中，降低空气弹簧高度；

垂直调整杆，底端与转向架构架球铰连接，顶端与高度阀的杠杆的末端球铰连接；所述垂直调整杆的顶端设有缓冲块，用于缓和垂直调整杆和车体之间的冲击力；所述垂直调整杆中间安装作动器，用于控制调节所述垂直调整杆的长度；车辆进入缓和曲线后，所述作动器接收控制系统根据两侧车体的倾摆高度差h’发出的控制信号并根据所述控制信号进行相应的伸长、缩短动作，控制空气弹簧单独充排气或者通过控制空气弹簧充排气和控制调节所述垂直调整杆对车体支撑的联合作用，提供车体倾摆所需的力矩；

其中，所述作动器接收控制系统根据两侧车体的倾摆高度差h’发出的控制信号并根据所述控制信号进行相应的伸长、缩短动作，控制空气弹簧单独充排气或者通过控制空气弹簧充排气和控制调节所述垂直调整杆对车体支撑的联合作用，提供车体倾摆所需的力矩具体包括：

当h’/2≤h时，弯道外侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道外侧的垂直调整杆伸长h’/2，将弯道外侧的高度阀的杠杆末端上提，使得弯道外侧的高度阀的充气口打开，对弯道外侧的空气弹簧充气，升高弯道外侧的车体高度直到所述杠杆达到中心位置，充气口关闭；弯道内侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道内侧的垂直调整杆缩短h’/2，将弯道内侧的高度阀的杠杆末端下拉，使得弯道内侧的高度阀的排气口打开，对弯道内侧的空气弹簧排气，降低弯道内侧的车体高度直到杠杆达到中心位置，排气口关闭；

当h’/2＞h时，弯道外侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道外侧的垂直调整杆伸长将弯道外侧的高度阀的杠杆末端上提，打开弯道外侧的高度阀的充气口对弯道外侧的空气弹簧充气，并且控制弯道外侧的垂直调整杆伸长至缓冲块接触车体，对所述外侧的车体形成向上的支撑力，直至垂直调整杆伸长h’/2+h，外侧车体升高h’/2+h-Δh；h为平衡状态下垂直调整杆的顶端至车体的间距，Δh为缓冲块压缩变形量；弯道内侧的作动器根据所述控制系统生成的控制信号控制弯道内侧的垂直调整杆缩短h’/2，将弯道内侧的高度阀的杠杆末端下拉，打开弯道内侧的高度阀的排气口对弯道内侧的空气弹簧放气直到杠杆达到中心位置，排气口关闭。

2.根据权利要求1所述的轨道交通用主动倾摆系统，其特征在于，所述两侧车体的倾摆高度差通过控制系统计算得到；

所述两侧车体的倾摆高度差h＇＝(a-a')/g·L；

其中，a为未平衡离心加速度；a'为预设的期望达到的加速度；g为重力加速度；L为两侧的作动器的中心间距；h’为两侧车体的倾摆高度差。

3.根据权利要求1所述的轨道交通用主动倾摆系统，其特征在于，所述作动器具体包括：滚珠丝杠、滚柱丝杠或液压缸中的任一种。

4.根据权利要求1所述的轨道交通用主动倾摆系统，其特征在于，所述缓冲块由弹性材料制成。

5.根据权利要求4所述的轨道交通用主动倾摆系统，其特征在于，所述弹性材料包括橡胶或塑料。

6.根据权利要求1所述的轨道交通用主动倾摆系统，其特征在于，所述高度阀包括：阀体和所述杠杆；

所述阀体包括：驱动轴、所述总风接口、所述出气口和所述排气口；

所述杠杆的首端连接在所述驱动轴上。

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