CN116118700A - 高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道交通车辆制动领域，具体涉及高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统，主要适用于装配有具备多级制动工作角度切换及选择功能的风阻制动装置的高速列车，主要包括数据信息及采集模块、数据模型构建及处理模块、动力学行为可视化模块及制动风翼实时智能调控模块，所述数据信息及采集模块主要包括布设在所述风阻制动装置的制动风翼板上的动态压力传感器、数据采集卡及计算机处理单元。满足列车高速制动阶段高速列车的风阻制动装置制动力稳定可靠、可多级调控、智能监测、制动效率高、实现协同控制等技术要求。

Description

高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统
技术领域
本发明涉及轨道交通车辆制动领域，具体涉及高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统。
背景技术
在轨道交通车辆制动领域，轨道涡流制动、磁轨制动和风阻制动为现阶段主流的3种非黏着制动技术，而风阻制动是高速列车非黏着制动的一种全新制动方式，其利用车身表面设置制动风翼板装置增加空气阻力来产生制动力。随着高速列车技术的快速发展，国内在实现350km/h商业运营的基础上，已经开展更高速高铁列车技术攻关。相关研究发现当列车在300km/h以上速度等级运行时，所受空气阻力占总阻力的80％以上，同时随着运行速度的提高，黏着制动力将逐渐降低，不能满足高性能制动需求，由此可见，同时具备开发应用风阻制动装置的速度条件，尤其适合弥补列车在高速段制动时黏着制动力的不足，特别是在列车紧急制动情况下。
国外对高速列车风阻制动系统的研究及应用主要集中在日本，近年来日本对于列车空气制动的有效性研究不仅从风洞试验及计算机数值模拟的方法进行了大量分析，同时还开展了多项实车试验。日本最早在宫崎试验线及山梨试验线上开展风阻制动装置在时速500km工况下MLU002N型磁浮列车空气动力学计算和机构优化研究，对风阻制动装置制动性能做了初步评估。2005年6月，JR东日本公司联合开发了“猫耳”型空气动力制动装置，并于E954型Fastech360S和Fastech360Z型高速列车成功安装应用，同时完成了时速400km车况条件下的风阻制动板性能测试，试验结果显示，风阻制动装置在紧急制动时具有良好的可靠性和较高的应用价值。在风阻制动风翼板安装及布置方面，日本相关组织研发了小型分散式风阻制动装置并对其进行改进，着重从缩小风阻制动装置体积及增大制动板阻力系数两方面进行了研究考虑。
国内较早由同济大学和中南大学在高速列车空气动力制动应用领域展开研究，分析了列车顶部不同纵向位置处制动风翼周围流场特性，同时通过数值计算对空气动力制动产生制动力效果进行了分析，在研究计算中制动风翼板主体参考了最初日本的“猫耳”型结构，在风翼板布置时采用单节单排设置的方案，通过计算流体力学方法对带风翼板时速400km高速列车交汇时动力学性能及运行安全性进行探究，结果表明，与未开启制动风翼板相比其运行安全性指标均在合格范围内。相关研究以矩形结构风翼板为研究对象，重点分析了首排风翼板对空气动力制动能力的影响规律，结果表明，首排风翼板的高度变化对后排风翼板的流场结构及制动力变化影响较小。
在制动风翼板结构设计及制造方面，目前，国内外已研发了多种风阻制动装置，主要有日本早期研制开发的“猫耳”型风阻制动装置、分散式风阻制动装置、“蝶形”风阻制动装置及液压式风阻制动装置等。
（一）申请公布号为CN108099944A，发明名称为一种高速列车风阻制动装置的中国发明专利申请，公开了一种高速列车风阻制动装置，包括箱体，所述箱体固定嵌入于列车顶部，所述体内设有开启机构、锁闭装置、驱动机构、传动机构、锁定机构及角度传感器，所述驱动机构与传动机构相连接，所述开启机构和锁闭装置上端与所述制动风翼板内表面中部相接触，装有摇臂，所述摇臂基于止档轴承座旋转，所述锁定机构用于控制摇臂的旋转角度，所述摇臂上安装有制动风翼板，所述角度传感器用于测量摇臂的旋转角度。
（二）授权公告号为CN110435613B，发明名称为一种轨道列车双向风阻制动装置的中国发明专利，公开了一种轨道列车双向风阻制动装置，包括底座，第一气缸，和第二气缸，所述轨道列车双向风阻制动装置还包括：第一风阻板和第二风阻板，所述第一风阻板尾部与底座铰接，所述第一风阻板还包括第一支撑杆，所述第一支撑杆一端铰接在所述第一风阻板中部，另一端与所述第一气缸连接；所述第二风阻板尾部与底座铰接，所述第二风阻板还包括第二支撑杆，所述第二支撑杆一端铰接在所述第二风阻板中部，另一端与所述第二气缸连接；所述第一风阻板与所述第二风阻板镜像对称设置。
（三）申请公布号为CN111976754A，发明名称为一种双层风阻制动装置、双层司机室结构及高速列车的中国发明专利申请，公开了一种双层风阻制动装置、双层司机室结构及高速列车，双层风阻制动装置包括安装于列车变截面区域的外层风阻制动板和内层风阻制动板，外层风阻制动板包括沿变截面区域外部轮廓横向设置的多块外层制动单元板，内层风阻制动板包括沿变截面区域外部轮廓横向设置的多块内层制动单元板，高速列车司机室上安装开合驱动机构，外层风阻制动板和内层风阻制动板打开时，内层制动单元板位于外层制动单元板内侧且位于相邻的外层制动单元板间隙中。
（四）申请公布号为CN111976755A，发明名称为一种具有风阻制动装置的高速列车司机室及高速列车的中国发明专利申请，公开了一种具有风阻制动装置的高速列车司机室及高速列车，高速列车司机室包括司机室本体，司机室本体的变截面区域上安装有多组风阻制动板，多组风阻制动板沿司机室本体的长度方向并排布置，每组风阻制动板均包括沿变截面区域外部轮廓横向间隔设置的多块制动单元板，相邻的两组风阻制动板中的制动单元板错位安装，司机室本体上安装有用于收拢或打开制动单元板的开合驱动机构。
（五）授权公告号为CN109878473B，发明名称为风阻制动装置的中国发明专利，公开了一种风阻制动装置，包括至少一套第一组件，该组件包括：底座和制动板，制动板上设置有第一延伸部；可控制制动板打开或关闭的驱动装置，第一导轨及其上的第一滑块，第一滑块具有第一突出端；第一拉杆一端与第一滑块可旋转地连接，另一端与第一延伸部可旋转地连接；靠近第一导轨第一端处设有第一电控锁，靠近第二端处设有第二电控锁；第一组件还包括与驱动装置、第一电控锁和第二电控锁电连接的控制单元；所述控制单元可控制驱动装置运行，带动第一延伸部打开或关闭制动板；所述控制单元可控制电控锁限制或者不限制第一突出端。
（六）申请公布号为CN113895474A，发明名称为一种新型高速列车风阻制动装置的中国发明专利申请，明公开了一种新型高速列车风阻制动装置，主要包括基座、制动风翼板、驱动装置及控制单元、侧板、车顶流线型外观补偿组件、风翼板限位组件及复位缓冲组件等。制动风翼板为前后两排分别于沿基座前后边缘处安装固定架上转动安装，前后对称布置，制动工作时可选用单排制动或双排制动的方式。该新型高速列车风阻制动装置可实现制动工作时制动力多级调控。
综上所述，在风阻制动装置结构形式方面，截止提出并做了多种方案研究及设计，但在高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制方面，尚处于技术空白。基于此，研究开发一种列车高速制动阶段制动力稳定可靠、可多级调控、智能监测、制动效率高、可实现协同控制的适用于高速列车的风阻制动装置是目前亟待解决的问题之一。
发明内容
为了弥补现有技术空白，提出目前研发设计阶段风阻制动装置检测控制系统，满足列车高速制动阶段高速列车的风阻制动装置制动力稳定可靠、可多级调控、智能监测、制动效率高、实现协同控制等技术要求。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统，所述高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统适用于装配有风阻制动装置的高速列车，所述风阻制动装置具备多级制动工作角度切换及选择功能。所述风阻制动装置为前后两排布置协同制动的工作模式，主要包括数据信息及采集模块、数据模型构建及处理模块、动力学行为可视化模块及制动风翼实时智能调控模块，所述数据信息及采集模块主要包括布设在所述风阻制动装置的制动风翼板上的动态压力传感器、数据采集卡及计算机处理单元。
所述制动风翼实时智能调控模块包括风阻制动装置驱动电机控制电路和风阻制动板动作模拟电路，分别控制制动工作时风阻制动板3种工作位置状态，分别为前排风阻制动板的主制动位、后排风阻制动板的辅助制动位及前后排风阻制动板均下降的停止制动位；控制前后2排风阻制动板主辅位同时制动及前排风阻制动板主制动位单排制动的2种工作制动状态。
所述风阻制动装置驱动电机控制电路，前部布置的第一低速驱动电机MⅠ通过第一接触器KM1和第二接触器KM2联锁正反转电路控制风阻制动板启动和回收；后部布置的第二低速驱动电机MⅡ通过第三接触器KM3；第四接触器KM4联锁正反转电路控制风阻制动板启动和回收；第一开关SB1、第二开关SB2、第三开关SB3、第四开关SB4、第五开关SB5和第六开关SB6分别用于控制风阻制动板的动作，其中所述第一开关SB1和第二开关SB2分别实现前后2排风阻制动板的同时启动和回收，所述第三开关SB3和第四开关SB4分别实现控制前排分组制动板的启动和回收，所述第五开关SB5和第六开关SB6分别实现控制后排风阻制动板的启动和回收；模拟机车主控端SA控制实现在不同的主控端控制风阻制动板上升不同的角度。
所述风阻制动板动作模拟电路，制动工作中通过对应风阻制动板工作角度的多组限位器来控制2个风阻制动板制动工作定位与锁紧，在控制电路中利用定时器模拟制动板的工作过程，分别采用第一定时器KA1、第二定时器KA2、第三定时器KA3、第四定时器KA4、第五定时器KA5和第六定时器KA6来模拟对应位置的限位器，实现风阻制动板开启和回收时的位置控制。
作为优选地，所述数据信息采集模块为制动风翼表面受压数据采集处理，分别从布设的多个动态压力传感器输出动态压力信号，经过信号调理，至数据采集卡，在计算机中进行实时存储和处理，其中计算机硬件及软件系统主要包括驱动程序、内存、升力翼系统采集处理软件及数据显示、存储、后处理及输出平台。
作为优选地，所述动态压力传感器于列车横向对称布设在风阻制动装置制动风翼的迎风面。
作为优选地，所述动态压力传感器为电感式压力传感器或压电式压力传感器。
作为优选地，根据高速列车双向开行需求及制动要求，所述制动风翼的迎风面为沿高速列车前进方向的前外侧面或内侧面。
作为优选地，所述制动风翼实时智能调控模块主要包括整车阻力、行车安全及风翼板结构强度分析单元、风阻制动装置驱动单元及风阻制动装置控制单元。
本发明的有益效果为：该高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统，适用于装配有具备多级制动工作角度切换及选择功能的风阻制动装置的高速列车，主要包括数据信息及采集模块、数据模型构建及处理模块、动力学行为可视化模块及制动风翼实时智能调控模块，所述数据信息及采集模块主要包括布设在所述风阻制动装置的制动风翼板上的动态压力传感器、数据采集卡及计算机处理单元。能够有效实现列车高速制动阶段高速列车的风阻制动装置制动力稳定可靠、可多级调控、智能监测、制动效率高、实现协同控制等的技术要求。
附图说明
图1为本发明的高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统结构组成图；
图2为本发明的高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统的数据采集系统的组成图；
图3为本发明的高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统流程图；
图4为本发明的所适用的风阻制动装置基本机构设计原理图；
图5为本发明的第一种适用风阻制动装置动态压力传感器布置示意图；
图6为本发明的第一种适用风阻制动装置另一状态动态压力传感器布置示意图；
图7为本发明的第二种适用风阻制动装置动态压力传感器布置示意图；
图8为本发明的第二种适用风阻制动装置另一状态动态压力传感器布置示意图；
图9为本发明的风阻制动装置驱动电机控制电路和风阻制动板动作模拟电路。
图中：第一定时器（KA1）；第二定时器（KA2）；第三定时器（KA3）；第四定时器（KA4）；第五定时器（KA5）；第六定时器（KA6）；第一低速驱动电机（MⅠ）；第二低速驱动电机（MⅡ）；第一开关（SB1）；第二开关（SB2）；第三开关（SB3）；第四开关（SB4）；第五开关（SB5）；第六开关（SB6）；第一接触器（KM1）；第二接触器（KM2）；第三接触器（KM3）；第四接触器（KM4）；模拟机车主控端（SA）。
实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图4所示，高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统，所述高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统适用于装配有风阻制动装置的高速列车，所述风阻制动装置具备多级制动工作角度切换及选择功能，所述风阻制动装置为前后两排布置协同制动的工作模式。
如图1、5、6、7、8所示的两种制动风翼板工作角度可多级或无级调控的风阻制动装置。所述高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统主要包括数据信息及采集模块、数据模型构建及处理模块、动力学行为可视化模块及制动风翼实时智能调控模块，所述数据信息及采集模块主要包括布设在所述风阻制动装置的制动风翼板上的动态压力传感器、数据采集卡及计算机处理单元。所述制动风翼实时智能调控模块主要包括整车阻力、行车安全及风翼板结构强度分析单元、风阻制动装置驱动单元及风阻制动装置控制单元。
所述动态压力传感器于列车横向对称布设在风阻制动装置制动风翼的迎风面，其中所述动态压力传感器为电感式压力传感器或压电式压力传感器。根据高速列车双向开行需求及制动要求，所述制动风翼的迎风面为沿高速列车前进方向的前外侧面或内侧面。
如图2所示，所述数据信息采集模块为制动风翼表面受压数据采集处理，分别从布设的多个动态压力传感器输出动态压力信号，经过信号调理，至数据采集卡，在计算机中进行实时存储和处理，其中计算机硬件及软件系统主要包括驱动程序、内存、升力翼系统采集处理软件及数据显示、存储、后处理及输出平台。
如图3所示，风阻制动装置工作时，对制动风翼系统数据实时采集处理，同时在计算机处理软件中国完成制动风翼空间压力模型构建的，经空间差值方程构建计算处理确定制动风翼动力学行为，判断当前高速列车风阻制动需求满足情况及制动风翼板强度等指标要求，若满足，则维持目前制动状态，若不满足，启动制动风翼工作姿态智能调控系统，进行制动风翼制动角度补偿或其他制动方式辅助协同调整等，直至满足列车风阻制动需求及行车安全等指标要求。
如图9所示，所述制动风翼实时智能调控模块包括风阻制动装置驱动电机控制电路和风阻制动板动作模拟电路，分别控制制动工作时风阻制动板3种工作位置状态，分别为前排风阻制动板的主制动位、后排风阻制动板的辅助制动位及前后排风阻制动板均下降的停止制动位；控制前后2排风阻制动板主辅位同时制动及前排风阻制动板主制动位单排制动的2种工作制动状态。所述风阻制动装置驱动电机控制电路，前部布置的第一低速驱动电机MⅠ通过第一接触器KM1和第二接触器KM2联锁正反转电路控制风阻制动板启动和回收；后部布置的第二低速驱动电机MⅡ通过第三接触器KM3；第四接触器KM4联锁正反转电路控制风阻制动板启动和回收；第一开关SB1、第二开关SB2、第三开关SB3、第四开关SB4、第五开关SB5和第六开关SB6分别用于控制风阻制动板的动作，其中所述第一开关SB1和第二开关SB2分别实现前后2排风阻制动板的同时启动和回收，所述第三开关SB3和第四开关SB4分别实现控制前排分组制动板的启动和回收，所述第五开关SB5和第六开关SB6分别实现控制后排风阻制动板的启动和回收；模拟机车主控端SA控制实现在不同的主控端控制风阻制动板上升不同的角度。所述风阻制动板动作模拟电路，制动工作中通过对应风阻制动板工作角度的多组限位器来控制2个风阻制动板制动工作定位与锁紧，在控制电路中利用定时器模拟制动板的工作过程，分别采用第一定时器KA1、第二定时器KA2、第三定时器KA3、第四定时器KA4、第五定时器KA5和第六定时器KA6来模拟对应位置的限位器，实现风阻制动板开启和回收时的位置控制。
其中所述风阻制动装置制动工作时风阻制动板有3种工作位置状态，分别为前排风阻制动板上升至75°的主制动位、后排风阻制动板上升至105°的辅助制动位及前后排风阻制动板均下降至0°的停止，有前后2排风阻制动板主辅位同时制动及前排风阻制动板主制动位单排制动的2种工作制动状态。
其中需要说明的是，本文献中提到的“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”、“上”、“下”等指示方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对技术方案的限制，所述连接关系可以指直接连接关系，也可以指间接连接关系；此外，本文献中提到的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统，所述高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统适用于装配有风阻制动装置的高速列车，所述风阻制动装置具备多级制动工作角度切换及选择功能，其特征在于：所述风阻制动装置为前后两排布置协同制动的工作模式，主要包括数据信息及采集模块、数据模型构建及处理模块、动力学行为可视化模块及制动风翼实时智能调控模块，所述数据信息及采集模块主要包括布设在所述风阻制动装置的制动风翼板上的动态压力传感器、数据采集卡及计算机处理单元；
所述制动风翼实时智能调控模块包括风阻制动装置驱动电机控制电路和风阻制动板动作模拟电路，分别控制制动工作时风阻制动板3种工作位置状态，分别为前排风阻制动板的主制动位、后排风阻制动板的辅助制动位及前后排风阻制动板均下降的停止制动位；控制前后2排风阻制动板主辅位同时制动及前排风阻制动板主制动位单排制动的2种工作制动状态；
所述风阻制动装置驱动电机控制电路，前部布置的第一低速驱动电机（MⅠ）通过第一接触器（KM1）和第二接触器（KM2）联锁正反转电路控制风阻制动板启动和回收；后部布置的第二低速驱动电机（MⅡ）通过第三接触器（KM3）；第四接触器（KM4）联锁正反转电路控制风阻制动板启动和回收；第一开关（SB1）、第二开关（SB2）、第三开关（SB3）、第四开关（SB4）、第五开关（SB5）和第六开关（SB6）分别用于控制风阻制动板的动作，其中所述第一开关（SB1）和第二开关（SB2）分别实现前后2排风阻制动板的同时启动和回收，所述第三开关（SB3）和第四开关（SB4）分别实现控制前排分组制动板的启动和回收，所述第五开关（SB5）和第六开关（SB6）分别实现控制后排风阻制动板的启动和回收；模拟机车主控端（SA）控制实现在不同的主控端控制风阻制动板上升不同的角度；
所述风阻制动板动作模拟电路，制动工作中通过对应风阻制动板工作角度的多组限位器来控制2个风阻制动板制动工作定位与锁紧，在控制电路中利用定时器模拟制动板的工作过程，分别采用第一定时器（KA1）、第二定时器（KA2）、第三定时器（KA3）、第四定时器（KA4）、第五定时器（KA5）和第六定时器（KA6）来模拟对应位置的限位器，实现风阻制动板开启和回收时的位置控制。
2.根据权利要求2所述的高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统，其特征在于：所述数据信息采集模块为制动风翼表面受压数据采集处理，分别从布设的多个动态压力传感器输出动态压力信号，经过信号调理，至数据采集卡，在计算机中进行实时存储和处理，其中计算机硬件及软件系统主要包括驱动程序、内存、升力翼系统采集处理软件及数据显示、存储、后处理及输出平台。
3.根据权利要求1或2所述的高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统，其特征在于：所述动态压力传感器于列车横向对称布设在风阻制动装置制动风翼的迎风面。
4.根据权利要求1或2所述的高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统，其特征在于：所述动态压力传感器为电感式压力传感器或压电式压力传感器。
5.根据权利要求3所述的高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统，其特征在于：根据高速列车双向开行需求及制动要求，所述制动风翼的迎风面为沿高速列车前进方向的前外侧面或内侧面。
6.根据权利要求1所述的高速列车风阻制动装置智能监测及协同控制系统，其特征在于：所述制动风翼实时智能调控模块主要包括整车阻力、行车安全及风翼板结构强度分析单元、风阻制动装置驱动单元及风阻制动装置控制单元。
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