CN114620086A - 一种高度调节组件及其调节方法 - Google Patents

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周正文
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Abstract

本发明公开了一种高度调节组件，包括钢轨以及位于所述钢轨上方的转向架，所述转向架的上部通过空气弹簧连接有车体，所述空气弹簧连通有用于充气的电控充气阀，所述电控充气阀与外界气源连通；所述空气弹簧连通有用于排气的电控排气阀；每个所述空气弹簧的两侧均设有位移传感器；所述调节组件还包括控制系统，所述电控充气阀、所述电控排气阀和所述位移传感器均与所述控制系统电连接；通过设置的电控充气阀和电控排气阀替代传统的机械式的充气阀和排气阀，电控充气阀和电控排气阀配合位移传感器在控制系统的控制下可以实现充排气的无极调节，极大的提高了机车车辆高度调节的可控性。

Description

一种高度调节组件及其调节方法
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，具体属于一种高度调节组件及其调节方法。
背景技术
动车、城市轨道车辆采用空气弹簧和高度阀的组合来实现车体的高度控制，目前采用的高度阀为机械式闭环控制系统，主要包括高度控制机构(连杆套筒、连杆和主轴)和进排气机构(阀体、过滤网、空气节流阀、进气阀体、进气阀、单向阀、排气阀体和排气阀)，当外部负载变化导致车体相对轨道下降超过一定值时，进气阀打开，向空气弹簧充气，对应位置的车体抬升；当外部负载变化，导致车体相对轨道上升超过一定值时，排气阀打开，空气弹簧中空气通过排气阀、消音器排放至大气，对应位置的车体下降。铁道机车高度阀属于机械反馈式闭环控制的核心元件，车体与高度阀的高度控制机构固联，车体运动推动主轴转动，从而将车体的运动直接传递至高度阀，最终通过机械方式推动进气/排气阀动作，实现控制车体相对高度在恒定范围内。
公开号为CN205951984U的实用新型专利公开了一种具有车厢和转向架的轨道车辆，车厢支撑在所述转向架上，其中在车厢的下侧和转向架框架之间设有空气弹簧，所述空气弹簧配设有固定在车厢上的空气弹簧阀，经由所述空气弹簧阀能够控制空气弹簧中的空气压力并且经由连杆操作所述空气弹簧阀，所述连杆的一个端部以铰接的方式安置在转向架框架上并且所述连杆的另一端部以铰接的方式安置在用于空气弹簧阀的操作元件上，其中连杆、操作元件和空气弹簧阀完全地由外壳包围。
上述内容存在缺陷，上述为机械式充气阀和排气阀，所述充气阀与排气阀无法自动控制，这导致连杆容易因不可抗外力而容易发生弯曲变形，并且导致连杆容易因活塞组件的不耐磨而产生卡滞、烧结的现象，影响连杆的使用寿命及可靠性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种高度调节组件及其调节方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一方面，提供了一种高度调节组件，包括钢轨以及位于所述钢轨上方的转向架，所述转向架的上部通过空气弹簧连接有车体，所述空气弹簧连通有用于充气的电控充气阀，所述电控充气阀与外界气源连通；所述空气弹簧连通有用于排气的电控排气阀；每个所述空气弹簧的两侧均设有位移传感器，所述位移传感器的一端与所述转向架的顶部固定，另一端与所述车体的底部固定；所述调节组件还包括控制系统，所述电控充气阀、所述电控排气阀和所述位移传感器均与所述控制系统电连接。
本发明通过设置的电控充气阀和电控排气阀替代传统的机械式的充气阀和排气阀，并通过控制系统控制电控充气阀和电控排气阀开闭，进而调节空气弹簧内的气体量，进行车体相对高度调节；通过设置的位移传感器用于检测车体相对于转向架的高度(即车体相对高度)，控制系统根据位移传感器实时检测到的车体相对高度，判断是否需要对车体相对高度进行调节，以及判断如何对车体相对高度进行调节；通过在空气弹簧的两侧均设置与其对应的位移传感器，能够更精准的测量车体相对高度。
一些实施例中，所述电控排气阀的排气端连通有消音器，能够降低空气弹簧在排气时产生的噪音。
一些实施例中，所述位移传感器的长度方向与所述空气弹簧的伸缩方向一致，从而可以准确检测到车体相对高度，还能避免因位移传感器与车体以及转向架之间产生运动干涉而造成位移传感器损坏。
一些实施例中，所述电控充气阀与外界气源连通处设有气源压力传感器，所述气源压力传感器与所述控制系统电连接，气源压力传感器能够检测外界气源与电控充气阀连通处的气压。
一些实施例中，所述空气弹簧上设有空气弹簧压力传感器，所述空气弹簧压力传感器与所述控制系统电连接，空气弹簧压力传感器能够检测空气弹簧压力。
一些实施例中，所述转向架顶部两侧均设有所述空气弹簧，能够更好地支撑车体。
另一方面，本发明还提供一种高度调节方法，采用上述任一项的所述高度调节组件，包括以下步骤：S1、采集空气弹簧的压力和车体相对高度hA和hB；
S2、判断车体相对高度hA和hB之间的差值⊿h是否处于设定范围，若处于设定范围则进行下一步，若不处于设定范围则进入故障模式；
S3、计算平均车体相对高度h，h＝(hA+hB)/2,若h处于设定范围，则回到步骤S1，若不处于设定范围，则进行下一步；
S4、根据平均车体相对高度h以及空气弹簧的压力进行高度自动控制；
S5、判断进行调节后的平均车体相对高度h是否处于设定范围，若处于，且h保持在设定范围内的时间大于设定时间，设定时间为ts，则回到步骤S1，若不处于，则回到步骤S4；
所述hA和hB分别为同一空气弹簧对应的两个位移传感器检测到的车体相对高度。
一些实施例中，所述步骤S2中，进入故障模式后，进行人工检修，检修完毕后重新回到步骤S1。
一些实施例中，所述步骤S4中，若h大于设定范围，则控制系统控制电控排气阀打开，使空气弹簧排气，直至h处于设定范围内。
一些实施例中，所述步骤S4中，若h小于设定范围，则控制系统控制电控充气阀打开，向空气弹簧充气，直至h处于设定范围内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过设置的电控充气阀和电控排气阀替代传统的机械式的充气阀和排气阀，电控充气阀和电控排气阀配合位移传感器在控制系统的控制下可以实现充排气的无极调节，极大的提高了机车车辆高度调节的可控性；
(2)本发明采用电控的位移传感器替代了原高度阀的连杆机构，提升了安装的便捷性和灵活性，同时将车体多个位置的高度值实时采集，便于司机掌控整车高度状态；
(3)本发明在同一个空气弹簧的两侧均设置位移传感器，能够提高检测到的车体相对高度的准确性，也能提高本组件的可靠性；
(4)本发明能够实时更新列车转向架与车体的相对高度，为机车整体的智能化提供数据，为以后大数据运用、自动故障诊断等新技术的应用提供数据支撑；
(5)本发明可运用于动车、城市轨道交通车辆的高度控制，对车辆整体的数字化水平提升有一定帮助；
(6)本发明通过对位移传感器、气源压力传感器和空气弹簧压力传感器的数据采集，能够降低维护难度，提升总体的可靠性。
附图说明
图1为本发明一种高度调节组件结构示意图；
图2为本发明一种高度调节方法流程图；
图3为本发明控制系统的数学模型中的数据流通图。
图中：1、钢轨；2、转向架；3、空气弹簧；4、车体；5、位移传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的轨道车辆的车体控制组件存在以下问题：
(1)连杆因受不可抗外力而容易发生弯曲变形、活塞组件的不耐磨易导致卡滞、烧结，影响其使用寿命及可靠性等问题。
(2)现有的高度阀在批量生产及检修时中立位、死区和流量的调整工作量较大；
(3)缺少状态实时检测，司机不能够实时掌握各节车厢箱体的高度情况，存在安全隐患；
(4)缺少故障提前预报警功能，只能通过停车检修方式发现问题。
如图1所示，本实施例提供一种高度调节组件，包括钢轨以及位于所述钢轨1上方的转向架2，所述转向架2的上部通过空气弹簧3连接有车体4，所述转向架2顶部两侧均设有多个所述空气弹簧3，能够更好地支撑车体4，所述空气弹簧3连通有用于充气的电控充气阀(所述电控充气阀图1中未画出)，所述电控充气阀与外界气源连通；所述空气弹簧3连通有用于排气的电控排气阀(所述电控排气阀图1中未画出)；每个所述空气弹簧3的两侧均设有位移传感器5，所述位移传感器5的一端与所述转向架2的顶部固定，另一端与所述车体4的底部固定；所述调节组件还包括控制系统，所述电控充气阀、所述电控排气阀和所述位移传感器5均与所述控制系统电连接。
本发明通过设置的电控充气阀和电控排气阀替代传统的机械式的充气阀和排气阀，并通过控制系统控制电控充气阀和电控排气阀开闭，进而调节空气弹簧3内的气体量，进行车体4相对高度调节；通过设置的位移传感器5用于检测车体4相对于转向架2的高度(即车体4相对高度)，控制系统根据位移传感器5实时检测到的车体4相对高度，判断是否需要对车体4相对高度进行调节，以及判断如何对车体4相对高度进行调节；通过在空气弹簧3的两侧均设置与其对应的位移传感器5，能够更精准的测量车体4相对高度。
一些实施例中，所述电控排气阀的排气端连通有消音器，能够降低空气弹簧3在排气时产生的噪音。
一些实施例中，所述位移传感器5的长度方向与所述空气弹簧3的伸缩方向一致，从而可以准确检测到车体4相对高度，还能避免因位移传感器5与车体4以及转向架2之间产生运动干涉而造成位移传感器5损坏。
一些实施例中，所述电控充气阀与外界气源连通处设有气源压力传感器，所述气源压力传感器与所述控制系统电连接，气源压力传感器能够检测外界气源与电控充气阀连通处的气压。
一些实施例中，所述空气弹簧3上设有空气弹簧压力传感器，所述空气弹簧压力传感器与所述控制系统电连接，空气弹簧压力传感器能够检测空气弹簧3的压力。
一些实施例中，所述转向架2顶部两侧均设有所述空气弹簧3，能够更好地支撑车体4。
如图2所示，本实施例还提供一种高度调节方法，基于上述的所述高度调节组件，控制系统用于实现所述高度调节方法，控制系统能够运行状态监测模式、故障模式和高度调整模式；所述高度调节方法包括以下步骤：
S1、控制系统开始运行，进入状态监测模式，在状态监测模式下，采集空气弹簧3的压力和车体4相对高度hA和hB，hA和hB分别为空气弹簧3两侧对应的位移传感器5检测到的车体4相对高度；
S2、判断车体4相对高度hA和hB之间的差值⊿h是否处于设定范围，⊿h＝|hA-hB|，若处于设定范围则进行下一步，若不处于设定范围则进入故障模式；设定⊿h的最大值为⊿hs；
S3、计算平均车体4相对高度h，h＝(hA+hB)/2,若h处于设定范围，则回到步骤S1，若不处于设定范围，则进行下一步；设定h最大值为hh，设定h最小值为hl，平均车体4相对高度h是指空气弹簧3两侧对应的位移传感器5检测到的车体4相对高度的平均值；
S4、控制系统进入高度调整模式，根据平均车体4相对高度h以及空气弹簧3的压力进行高度自动控制；
S5、判断进行调节后的平均车体4相对高度h是否处于设定范围，若处于，且h保持在设定范围内的时间大于设定时间，设定时间为ts，则回到步骤S1，若不处于，则回到步骤S4。
一些实施例中，所述步骤S2中，进入故障模式后，控制系统同时通过总线上传故障报警信号，进行人工检修，检修完毕后，需通过人工手动调节，重新回到步骤S1。
一些实施例中，所述步骤S4中，若h大于设定范围，则控制系统控制电控排气阀打开，使空气弹簧3排气，空气弹簧3压力降低，直至h处于设定范围内。
一些实施例中，所述步骤S4中，若h小于设定范围，则控制系统控制电控充气阀打开，向空气弹簧3充气，直至h处于设定范围内。
一些实施例中，根据控制系统实时采集到的数据能够用于故障自动诊断，采集的数据包括气源压力、空气弹簧3压力、车体4相对高度，控制系统将其正常运行以及异常运行情况时实时采集的数据记录，控制系统运行时，将实时采集的数据与记录的正常运行以及异常运行的数据进行对比，可以判断出故障情况，故障诊断情况及方法如下：
(a)对应初始气源压力(气源压力即为外接气源与电控充气阀连通处的气压)、空气弹簧3压力条件下，控制系统控制电控充气阀充气时，对应的空气弹簧3压力和车体4相对高度的实际变化小于预期变化时，能够判断电控充气阀出现卡滞或局部堵塞；
(b)控制系统控制电控充气阀和电控排气阀均闭合时，空气弹簧3压力和车体4相对高度实际值升高时，能够判断电控充气阀的阀体与阀芯之间出现磨损泄露；
(c)控制系统控制电控充气阀和电控排气阀均闭合时，空气弹簧3压力和车体4相对高度值异常降低时，能够判断空气弹簧3出现破损泄露或电控排气阀的阀体与阀芯之间出现磨损泄露；
(d)控制系统工作过程中，若两只位移传感器5差值较大，根据预期高度值可判断与预期值差值大者损坏。
进一步地，所述电控充气阀和所述电控排气阀为电控气动高速开关阀或电控比例阀，上述电控充气阀的流量特性方程如下：
Figure BDA0003545260230000061
其中：P1为阀前压力，P2为阀后压力，C表示阀口流量系数，与实际选择的电控充气阀的类型相关；b为临界压力比，在一定范围内变化，变化范围为0.2～0.5；ρ是压力为大气压、温度T为293.15K条件下的空气密度；u为输入信号与最大开度的比值，取值范围在0～1。
空气管路的空气流量特性方程：
基础公式参考方程(1)，其中：
Figure BDA0003545260230000062
Figure BDA0003545260230000063
其中：D为管路内径；L为空气管路长度。
空气弹簧的非线性方程：
x＝f(qm,A(x),F(t)) (4)
其中，x为空气弹簧高度，qm为进出空气弹簧的气体质量流量，A(x)为有效作用面积与弹簧高度x的函数，F(t)为外负载随时间变化的函数。
Figure BDA0003545260230000071
Figure BDA0003545260230000072
其中：P0为大气压；
Figure BDA0003545260230000073
F1为外部负载；T1为空气弹簧内初始气体温度；m为空气弹簧负载质量；C为阻尼系数；g＝9.8为重力加速度；V1为空气弹簧的初始容积；V2为空气弹簧的实时容积，
Figure BDA0003545260230000074
如图3所示，将阀口与空气管路视为一个整体，阀前压力P1、空气弹簧内气体压力P2、空气弹簧高度x的值与平均车体相对高度的值一致，qm为中间预测变量，将阀口方程与管路方程中代表流阻系数C作为一个整体，通过大数据进行在线辨识，从而获得与P1、P2、阀口控制指令相关的动态值。最终，结合大数据获得特定P1、P2、x及控制指令输入对应的x及P2变化的预测值，当检测值与预测值的差值过大时，进行故障报警。同时，可结合系统数学模型进行故障定位及分类。
一些实施例中，所述位移传感器5的两端分别与车体4底面和转向架2顶面固定，通过检测车体4底面与转向架2顶面之间的位移量，再结合所述位移传感器5初始状态下自身的长度来测量车体4底面与转向架2顶面之间的距离，即用来检测车体4相对高度。
本发明将数字技术应用于车体4高度控制，使得机车车辆的高度实时、无极调节成为可能，为未来根据工况调节车体4高度以进一步提升车辆的运行平稳性提供了技术基础；
每个空气弹簧3配置两个位移传感器5，控制系统采用双系统热备份的工作模式，可有效提升组件整体的可靠性；控制系统预留模拟及数字量接口。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高度调节组件，包括钢轨(1)以及位于所述钢轨(1)上方的转向架(2)，所述转向架(2)的上部通过空气弹簧(3)连接有车体(4)，其特征在于，所述空气弹簧(3)连通有用于充气的电控充气阀，所述电控充气阀与外界气源连通；所述空气弹簧(3)连通有用于排气的电控排气阀；每个所述空气弹簧(3)的两侧均设有位移传感器(5)，所述位移传感器(5)的一端与所述转向架(2)的顶部固定，另一端与所述车体(4)的底部固定；所述调节组件还包括控制系统，所述电控充气阀、所述电控排气阀和所述位移传感器(5)均与所述控制系统电连接。
2.根据权利要求1所述的一种高度调节组件，其特征在于，所述电控排气阀的排气端连通有消音器。
3.根据权利要求1所述的一种高度调节组件，其特征在于，所述位移传感器(5)的长度方向与所述空气弹簧(3)的伸缩方向一致。
4.根据权利要求1所述的一种高度调节组件，其特征在于，所述电控充气阀与外界气源连通处设有气源压力传感器，所述气源压力传感器与所述控制系统电连接。
5.根据权利要求1所述的一种高度调节组件，其特征在于，所述空气弹簧(3)上设有空气弹簧压力传感器，所述空气弹簧压力传感器与所述控制系统电连接。
6.根据权利要求1所述的一种高度调节组件，其特征在于，所述转向架(2)顶部两侧均设有所述空气弹簧(3)。
7.一种高度调节方法，其特征在于，采用根据权利要求1～6中任一项的所述高度调节组件，包括以下步骤：
S1、采集空气弹簧(3)的压力和车体(4)相对高度hA和hB；
S2、判断车体(4)相对高度hA和hB之间的差值⊿h是否处于设定范围，若处于设定范围则进行下一步，若不处于设定范围则进入故障模式；
S3、计算平均车体(4)相对高度h，h＝(hA+hB)/2,若h处于设定范围，则回到步骤S1，若不处于设定范围，则进行下一步；
S4、根据平均车体(4)相对高度h以及空气弹簧(3)的压力进行高度自动控制；
S5、判断进行调节后的平均车体(4)相对高度h是否处于设定范围，若处于，且h保持在设定范围内的时间大于设定时间，设定时间为ts，则回到步骤S1，若不处于，则回到步骤S4；
所述hA和hB分别为同一空气弹簧(3)对应的两个位移传感器检测到的车体(4)相对高度。
8.根据权利要求7所述的一种高度调节方法，其特征在于，步骤S2中，进入故障模式后，进行人工检修，检修完毕后重新回到步骤S1。
9.根据权利要求7所述的一种高度调节方法，其特征在于，所述步骤S4中，若h大于设定范围，则控制系统控制电控排气阀打开，使空气弹簧(3)排气，直至h处于设定范围内。
10.根据权利要求7所述的一种高度调节方法，其特征在于，所述步骤S4中，若h小于设定范围，则控制系统控制电控充气阀打开，向空气弹簧(3)充气，直至h处于设定范围内。
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