CN115357835A - 一种轨道车辆前端动态限界获取方法及附加防撞系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道车辆前端动态限界获取方法及附加防撞系统，其将各车辆前端轮廓各计算点计算出的相对于限界基准线的横向缩减量E和削型线夹角θ画出形成车辆运行前段的动态限界，所述附加防撞系统包括附加防撞机构(5)、防撞控制系统主机、车载信号系统及供电系统，附加防撞机构包括排障梁和连接排障梁和车辆的伸缩式驱动单元，所述防撞控制系统主机得出车辆前端动态限界，并根据得出的车辆前端动态限界指令排障梁向前移动第一距离，侧翼可伸缩排障梁向后伸出第二距离，且第一距离和第二距离分别位于车辆前端动态限界内。本发明使车辆在前方具备最佳的防碰撞缓冲能力，同时能防止侧翼障碍物撞向车辆前段底部的设备。

Description

一种轨道车辆前端动态限界获取方法及附加防撞系统

技术领域

本发明涉及车辆动态限界获取及附加防撞系统，特别是一种轨道车辆前端动态限界获取方法及附加防撞系统。

背景技术

轨道车辆的运行安全历来备受重视，在车辆碰撞领域有着严格的碰撞标准规定，不同类型列车车辆根据运行线路和场景设置不同等级的防撞设置，通过牺牲车辆前段结构和空间来确保车辆主体和司乘人员安全，为此一般在车辆前端从前至后依次设置车钩及缓冲器、防爬器及吸能器、车体形变吸能结构形成三级防撞机构。由于车辆前端空间受制于限界的影响，可以用空间有限，因此目前的研究主要在三级防撞结构内部通过各种吸能结构和方式优化实现不同的吸能分配，增加薄弱环节的抗撞击能力，实现碰撞损失的最小化。在长编组或多编组重联运行时，由于整碰撞能量的增加，车辆前端的有限空间很难满足安全需求。

为清除轨道上的小障碍物和积雪，车辆设有排障器和扫石器。随着智能技术的发展，车辆与车辆之间的防碰撞问题通过列车信号系统、车载雷达、控制系统等实时控制车辆安全距离即可解决。列车前方的障碍物通过图像识别、声学或光学测距雷达等措施可以提前预警或实施规避行动以降低碰撞危害。因而，在理想状态下能够确保车辆主体和司乘人员的生命安全。但由于为实现防撞的数据传输和处理量较大，电子设备成本较高，障碍物探测距离不足，受曲线轨道影响，以及纵向上线路两旁突然侵入的动物或滚石等障碍物无法探测或车辆无反应时间，排障器和扫石器位于导流罩和开闭机构的后部，使得现实中车辆前段和底部设备的损坏很难避免，严重时还会造成脱轨、翻车等严重事故。

中国专利CN202657045U公开了一种轨道车辆用防撞装置，其包括横梁和伸长杆，所述横梁水平设置，并通过横梁底部的长圆销安装在车体前端，所述伸长杆的第一端与所述横梁的前侧面连接，所述伸长杆的第二端设有缓冲装置，所述缓冲装置延伸长杆的延伸方向伸出所述伸长杆的第二端。如此，虽然通过设置附加的缓冲装置提高了车辆的防撞效果，但由于其缓冲装置的长度不可调节，且缓冲装置仅位于车辆前端的某一处，不能为车辆前段提供全方位的防撞，从非缓冲装置安装位置的障碍物仍可能对车辆造成破坏，更不可能实现车辆前端动态限界内的全面主动防撞。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有轨道车辆防撞结构及系统的不足，本发明提供一种使车辆前方具备实时防碰撞缓冲能力，同时防止侧翼障碍物撞向车辆前段底部设备的轨道车辆前端动态限界获取方法及附加防撞系统。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种轨道车辆前端动态限界获取方法，其包括：

轨道车辆前端动态限界为削型轮廓；

设X1为削型轮廓开始点距转向架中心销距离，X2为车端最远设备距转向架中心销距离，a为车辆定距，n为在车辆前端轮廓上选取的计算点距转向架中心销距离，p为轴距，d为最小轨距，q、w分别为一系、二系横向位移，z为静态横移量,R为弯曲线路的转弯半径，得到计算点相对限界基准线的横向缩减量E的计算公式：

同时得到计算点削型线与限界基准线的夹角，即削型线夹角θ：

其中E_X2为车端最远设备相对限界基准线的横向缩减量，E_X1为削型轮廓开始点相对限界基准线的横向缩减量；

将各计算点计算出的横向缩减量E和削型线夹角θ画出即形成车辆运行前段的动态限界。

本发明参考文献《EN 15273-2铁路设施—量规第2部分：机车车辆量规》，得到车辆前端各计算点相对限界基准线的横向缩减量E计算公式，并由此计算出削型线夹角，由于车辆运行时各计算点的线路转弯半径R为实时变量，使得各计算点计算出的E值和削型线夹角θ都处于实时动态变化之中，将各计算点的E值和削型线夹角θ画出，即形成车辆运行前段的动态限界。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种轨道车辆附加防撞系统，其包括：

附加防撞机构，所述附加防撞机构包括呈弓状安装于车辆前端的排障梁和连接所述排障梁和所述车辆的伸缩式驱动单元，所述排障梁包括前端排障梁、连接于前端排障梁两端的侧翼排障梁、可伸缩安装在侧翼排障梁端部的侧翼可伸缩排障梁，所述前端排障梁连接所述伸缩式驱动单元的活动端，所述伸缩式驱动单元的固定端连接所述车辆；

防撞控制系统主机，用于利用前述轨道车辆前端动态限界获取方法形成车辆前端动态限界，并根据计算出的车辆前端动态限界指令所述伸缩式驱动单元推动所述排障梁向前移动第一距离，侧翼可伸缩排障梁向后伸出第二距离，所述第一距离和所述第二距离分别位于所述车辆前端动态限界内；

车载信号系统，用于将车辆线路曲线半径、隧道信息、速度信息实时传输给防撞控制系统主机；

供电系统，用于为防撞控制系统主机和执行机构电磁阀提供电源。

本发明基于前述轨道车辆前端动态限界获取方法，得到轨道车辆前端可利用动态空间，并在轨道车辆原有三级防碰撞机构上增加附加防撞系统，附加防撞系统的附加防撞机构可利用伸缩式驱动单元提供动力，使附加防撞机构的排障梁向前移动，侧翼可伸缩排障梁向后伸出，从而使车辆在前方实时具备较佳的防碰撞缓冲能力，同时防止侧翼障碍物撞向车辆前段底部的设备。

优选地，所述车辆的前部还安装有车钩和缓冲器，防爬和吸能器,车体形变吸能结构,底部排障器，静态时，所述车钩和缓冲器，防爬和吸能器，附加防撞机构，车体形变吸能结构及底部排障器在车辆前部从前至后依次安装。

优选地，所述伸缩式驱动单元为至少三个液压缸或气压缸，以便利用车辆现有的液压或气压系统为附加防撞系统的附加防撞机构动作提供动力。具体连接时，可从列车空气制动系统或液压制动系统接入。显然，也可以设置独立的液压或气压系统驱动液压缸或气压缸。

优选地，所述第一距离的最大值L1为：

其中E_X2+L1为车辆前端动态限界上X2+L1点处相对限界基准线的横向缩减量；

所述第二距离的最大值L2为：

其中E_{X2+L1－L2－L3}为车辆前端动态限界上X2+L1－L2－L3点处相对限界基准线的横向缩减量，L3为排障梁和侧翼可伸缩排障梁都未伸出时，侧翼可伸缩排障梁后端相对排障梁前端的距离。当附加防撞机构的排障梁向前移动到第一距离的最大值L1，侧翼可伸缩排障梁向后伸出第二距离的最大值L2时，车辆在前方实时具备最佳的防碰撞缓冲能力，同时能最大程度防止侧翼障碍物撞向车辆前段底部的设备。

优选地，所述车载信号系统替换为整车控制系统。

优选地，所述防撞控制系统主机替换为具备动态限界实时分析能力并能给出第一距离L1、第二距离L2最大值的障碍物探测系统。

优选地，当所述障碍物探测系统接收到障碍物信号时，在司机控制界面增加防撞允许/不允许动作选项，当司机选择允许时，附加防撞机构执行动作，排障梁向前伸出第一距离L1，侧翼可伸缩排障梁向后伸出第二距离L2；当选择不允许时，附加防撞机构不执行任何动作。

优选地，在司机控制界面增加超限动作选项，当司机选择超限时，附加防撞机构的排障梁向前伸出最大行程，即达到第一距离的最大值L1，侧翼可伸缩排障梁向后伸出最大行程，即达到第二距离的最大值L2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种轨道车辆运行时车辆前部的动态限界空间实时分析技术路线，并利用该动态空间，在轨道车辆现有的三级防撞机构上增加附加防撞系统，附加防撞系统的附加防撞机构利用液压或气压提供动力，使附加防撞机构的排障梁向前移动到最大行程，侧翼可伸缩排障梁向后伸出到最大行程，进而使车辆在前方实时具备最佳的防碰撞缓冲能力，同时防止侧翼障碍物撞向车辆前段底部的设备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明轨道车辆附加防撞结构的示意图。

图2为附加防撞机构的组成结构图。

图3为本发明轨道车辆附加防撞系统的组成框图。

图4为附加防撞机构工作示意图，其中a为立体图，b为俯视图，图中虚线为动态限界。

图5为动态限界计算原理图。

图6为第一距离的最大值L1、第二距离的最大值L2的计算原理图。

在图中：1为车钩和缓冲器，2为防爬和吸能器，3为车体形变吸能结构，4为底部排障器，5为附加防撞机构；

6为液压缸或气压缸，7为前端排障梁，8为侧翼排障梁，9为侧翼可伸缩排障梁；

10为动态限界；11为限界基准线。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

为了便于描述，各部件的相对位置关系，如：上、下、左、右等的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。

如图1所示，本发明轨道车辆防撞结构一实施例包括车钩和缓冲器1,防爬和吸能器2,车体形变吸能结构3,底部排障器4，以及附加防撞机构5，其中车钩和缓冲器1、防爬和吸能器2、车体形变吸能结构3、底部排障器4都为现有结构。本发明轨道车辆防撞结构整体位于车辆前部，静态时从前至后依次为车钩和缓冲器1、防爬和吸能器2、附加防撞机构5、车体形变吸能结构3、底部排障器4。

如图2所示，附加防撞机构5包括呈弓状安装于车辆前端的排障梁和连接所述排障梁和所述车辆的伸缩式驱动单元。所述排障梁包括由金属框架焊接而成的前端排障梁7、金属管材焊接而成的侧翼排障梁8和侧翼可伸缩排障梁9，其中，前端排障梁7的两端分别焊接管状的侧翼排障梁8，侧翼可伸缩排障梁9可伸缩安装在侧翼排障梁8内。所述伸缩式驱动单元为至少三个液压缸或气压缸6，前端排障梁7连接液压缸或气压缸6的活动端，液压缸或气压缸6的固定端与车体形变吸能结构3通过螺栓固定。如此，通过液压缸或气压缸6的活动端的伸缩可实现前端排障梁7、侧翼排障梁8和侧翼可伸缩排障梁9的整体前后移动。为方便控制行程，液压缸或气压缸6自带行程开关。侧翼可伸缩排障梁9自带液压缸或气压缸，可以实现前后伸缩移动。

如图3所示，本发明轨道车辆附加防撞系统包括防撞控制系统主机、信号系统、控制系统、供电系统、液压或气压系统、附加防撞机构。障碍物探测系统可以作为防撞控制系统主机的替换部件。

所述信号系统优选采用列车配置的任何一种现有的车载信号系统，比如车载信号系统ETCS，用于将列车运行的实时线路信息(比如线路曲线半径、隧道信息等)、速度信息实时传输给防撞控制系统主机。

列车速度信息也可通过列车的制动系统、牵引系统、控制系统获得，图3中列举了通过控制系统(优选为整车控制系统)获得列车速度信号信息传输给防撞控制系统主机。

所述供电系统优选为车载直流或交流辅助供电系统，用于为防撞控制系统主机及其执行机构电磁阀提供电源。

所述防撞控制系统主机根据车辆运行的实时线路信息、速度信息计算出车辆前端动态限界的削型轮廓(如图4所示)，并根据计算出的车辆前端动态限界指令所述伸缩式驱动单元(液压缸或气压缸6)推动所述排障梁向前移动第一距离，侧翼可伸缩排障梁向后伸出第二距离。在确保能够使附加防撞机构5时刻位于车辆动态限界内的前提下，第一距离和第二距离取其位于动态限界范围内的最大值，以使车辆在前方具备最佳的防碰撞缓冲能力，同时防止侧翼障碍物撞向车辆前段底部的设备。

所述车辆前端动态限界的削型轮廓计算，如图5所示，具体过程如下：设X1为削型开始点距转向架中心销距离，X2为车端最远设备(本实施例中为排障梁未伸出时的排障梁前端)距转向架中心销距离，a为车辆定距，n为计算点(车辆前端轮廓上的选取点)距转向架中心销距离，p为轴距，d为最小轨距，q、w分别为一系、二系横向位移，z为静态横移量,R为弯曲线路的转弯半径。参考文献《EN 15273-2铁路设施—量规第2部分：机车车辆量规》计算出，相对限界基准线的横向缩减量E计算公式如(1)：

由此计算出计算点削型线与限界基准线的夹角，即削型线夹角θ如公式(2)：

其中E_X2为车端最远设备相对限界基准线的横向缩减量，E_X1为削型轮廓开始点相对限界基准线的横向缩减量；

由于车辆运行时各计算点的线路转弯半径R为实时变量，使得各计算点计算出的E值和削型线夹角θ都处于实时动态变化之中，将各计算点的E值和削型线夹角θ画出，即形成车辆运行前段的动态限界。

如图6所示，根据公式(1)，(2)已获得θ值时，附加防撞机构在不超过动态限界时，即附加防撞机构前移到最大位置时，其前端点刚好位于削型线上，此时，附加防撞机构的排障梁向前移动至第一距离的最大值L1，且车辆的削型线夹角和防撞机构前端的削型线夹角是相等的。因此第一距离的最大值L1可以获得：

由公式(2)、(3)可以推出：

计算得出第一距离的最大值L1:

其中E_X2+L1为车辆前端动态限界上X2+L1点处相对限界基准线的横向缩减量。

如图6所示，附加防撞机构未伸出时，附加防撞机构前端距离转向架中心销距离(即车端最远设备距转向架中心销距离)为X2，侧翼可伸缩排障梁未伸出时，侧翼可伸缩排障梁后端相对附加防撞机构未伸出时前端的距离为L3，根据公式(1)，(2)已获得θ值时，附加防撞机构在不超过动态限界时，第二距离的最大值L2可由公式(6)获得。

由公式(2)、(6)可以推出：

结合公式(5),计算得出第二距离的最大值L2：

其中E_{X2+L1－L2－L3}为车辆前端动态限界上X2+L1－L2－L3点处相对限界基准线的横向缩减量。

所述液压或气压系统为附加防撞系统的附加防撞机构动作提供动力，其具体可从列车空气制动系统或液压制动系统接入，当然，也可以设置独立液压或气压系统。

所述障碍物探测系统可以为具备车辆动态限界实时分析能力的图像识别、声学雷达、光学雷达等技术或任意技术组合组成的障碍物探测系统，在确保附加防撞机构不会超过车辆动态限界的条件下，给出第一距离的最大值L1，第二距离的最大值L2，使车辆在前方具备最佳的防碰撞缓冲能力，同时防止侧翼障碍物撞向车辆前段底部的设备。因此，所述障碍物探测系统可代替所述防撞系统控制主机直接控制附加防撞机构：

当所述障碍物探测系统接收到障碍物信号时，在司机控制界面增加防撞允许/不允许动作选项，当司机选择允许时，附加防撞机构5执行动作，排障梁向前伸出第一距离的最大值L1，侧翼可伸缩排障梁向后伸出第二距离的最大值L2，当选择不允许时，附加防撞机构5不执行任何动作；

或者，当所述障碍物探测系统接收到障碍物信号时，在司机控制界面增加防撞允许/不允许/超限动作选项，当司机选择超限时，附加防撞机构5执行动作，排障梁向前伸出第一距离的最大值L1，侧翼可伸缩排障梁向后伸出第二距离的最大值L2。

如图4所示，在一实施例中，附加防撞机构执行防撞控制系统主机或障碍物探测单元发出的指令，由液压或气压系统提供的动力下，确保第一距离、第二距离取在现有线路和运行条件下允许的最大值，为车辆的正面碰撞提供最大的缓冲力，同时避免侧面瞬时进入的障碍。

以上所述，仅为本发明的具体实施方案，但本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种轨道车辆前端动态限界获取方法，其特征在于：

轨道车辆前端动态限界为削型轮廓；

设X1为削型轮廓开始点距转向架中心销距离，X2为车端最远设备距转向架中心销距离，a为车辆定距，n为在车辆前端轮廓上选取的计算点距转向架中心销距离，p为轴距，d为最小轨距，q、w分别为一系、二系横向位移，z为静态横移量,R为弯曲线路的转弯半径，得到计算点相对限界基准线的横向缩减量E的计算公式：

同时得到计算点削型线与限界基准线的夹角，即削型线夹角θ：

其中E_X2为车端最远设备相对限界基准线的横向缩减量，E_X1为削型轮廓开始点相对限界基准线的横向缩减量；

将各计算点计算出的相对限界基准线的横向缩减量E和削型线夹角θ画出即形成车辆运行前段的动态限界。

2.一种轨道车辆附加防撞系统，其特征在于包括：

附加防撞机构(5)，所述附加防撞机构包括呈弓状安装于车辆前端的排障梁和连接所述排障梁和所述车辆的伸缩式驱动单元，所述排障梁包括前端排障梁(7)、连接于前端排障梁两端的侧翼排障梁(8)、可伸缩安装在侧翼排障梁端部的侧翼可伸缩排障梁(9)，所述前端排障梁连接所述伸缩式驱动单元的活动端，所述伸缩式驱动单元的固定端连接所述车辆；

防撞控制系统主机，用于利用权利要求1所述方法形成车辆前端动态限界，并根据计算出的车辆前端动态限界指令所述伸缩式驱动单元推动所述排障梁向前移动第一距离，侧翼可伸缩排障梁向后伸出第二距离，所述第一距离和所述第二距离分别位于所述车辆前端动态限界内；

车载信号系统，用于将车辆运行的实时线路信息、隧道信息、速度信息实时传输给防撞控制系统主机；

供电系统，用于为防撞控制系统主机和执行机构电磁阀提供电源。

3.根据权利要求2所述的轨道车辆附加防撞系统，其特征在于，所述车辆的前部还安装有车钩和缓冲器(1)，防爬和吸能器(2),车体形变吸能结构(3),底部排障器(4)，静态时，所述车钩和缓冲器，防爬和吸能器，附加防撞机构，车体形变吸能结构及底部排障器在车辆前部从前至后依次安装。

4.根据权利要求2所述的轨道车辆附加防撞系统，其特征在于，所述伸缩式驱动单元为至少三个液压缸或气压缸(6)。

5.根据权利要求2所述的轨道车辆附加防撞系统，其特征在于，所述第一距离的最大值L1为：

其中E_X2+L1为车辆前端动态限界上X2+L1点处相对限界基准线的横向缩减量；

所述第二距离的最大值L2为：

其中E_{X2+L1－L2－L3}为车辆前端动态限界上X2+L1－L2－L3点处相对限界基准线的横向缩减量，L3为排障梁和侧翼可伸缩排障梁都未伸出时，侧翼可伸缩排障梁后端相对排障梁前端的距离。

6.根据权利要求2所述的轨道车辆附加防撞系统，其特征在于，所述车载信号系统替换为整车控制系统。

7.根据权利要求2所述的轨道车辆附加防撞系统，其特征在于，所述防撞控制系统主机替换为具备动态限界实时分析能力并能给出第一距离、第二距离最大值的障碍物探测系统。

8.根据权利要求7所述的轨道车辆附加防撞系统，其特征在于，当所述障碍物探测系统接收到障碍物信号时，在司机控制界面增加防撞允许/不允许动作选项，当司机选择允许时，附加防撞机构执行动作，排障梁向前伸出第一距离，侧翼可伸缩排障梁向后伸出第二距离；当选择不允许时，附加防撞机构不执行任何动作。

9.根据权利要求8所述的轨道车辆附加防撞系统，其特征在于，在司机控制界面增加超限动作选项，当司机选择超限时，附加防撞机构的排障梁向前伸出最大行程，侧翼可伸缩排障梁向后伸出最大行程。

Images