PL235880B1 - System półaktywnej kompensacji przeciążeń bocznych w pojazdach mechanicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest system półaktywnej kompensacji przeciążeń bocznych w pojazdach mechanicznych, w szczególności w pojazdach kolei magnetycznej oraz niskociśnieniowej (próżniowej).

Z dokumentu WO2004080779A1 znany jest system przechylania przedziału w pociągach dużej prędkości, w której korpus pociągu jest skonfigurowany tak, aby mógł się obracać bez konieczności instalacji konwencjonalnego urządzenia przechylającego korpus pociągu. Pozwala to na redukcję przyspieszenia poprzecznego i wzrost komfortu pasażerów. Korpus osadzony ma kształt okrągły i jest osadzony na prowadnicach w kształcie bieżni łożyskowych, które pozwalają na obrót korpusu w osi podłużnej. Ruch obrotowy zapewniany jest za pomocą silnika elektrycznego lub siłownika hydraulicznego, który steruje przechyleniem korpusu. Niemniej wspomniany dokument przedstawia inny sposób mocowania korpusu niż w niniejszym wynalazku. Ponadto, w przeciwieństwie do W O2004080779A1, gdzie silnik razem z przekładnią stanowi aktywny układ wykonawczy obrotu korpusu pociągu, w niniejszym wynalazku układ wykonawczy np. silnik służy tylko do tłumienia drgań ruchu przechylającego, zaś obrót wykonywany jest pasywnie pod wpływem sił bezwładności. Ponadto, wspomniany dokument WO2004080779A1 nie określa sposobu sterowania układem wykonawczym.

Podobne rozwiązanie, jak w powyższym dokumencie W O2004080779A1 można znaleźć we wniosku US 2018/0186389, który odnosi się bezpośrednio do kolei próżniowej.

Podobnym dokumentem, który przedstawia stan techniki względem niniejszego wynalazku, jest EP0808758A1, gdzie został opisany konwencjonalny mechanizm wychylnego nadwozia stosowany m.in. w pociągach wysokich prędkości Alstom serii Pendolino, który ma inny sposób działania w porównaniu do niniejszego wynalazku. Analogicznie, w stanie techniki można znaleźć wynalazek firmy Talgo, która w dokumencie EP1826091A1 przedstawiła mechanizm przechylnego nadwozia na tzw. zawieszeniu kolumnowym, jednakże również odbiega on od wynalazku opisanego w niniejszym dokumencie ze względu na wyraźnie odmienną konstrukcję układu mechanicznego i zasady działania.

Kolej magnetyczną wspomnianą w niniejszym opisie należy rozumieć jako kolej o zawieszeniu elektromagnetycznym (EMS) lub elektrodynamicznym (EDS), która operuje w atmosferze normalnej, zaś kolej konwencjonalną, jako wszelkie pojazdy szynowe kolei konwencjonalnej między innymi pojazdy typu tramwaj oraz metro, poruszające się po nawierzchni złożonej z szyn przy użyciu kół tocznych znajdujących się w podwoziu pojazdu. Jeżeli kolej magnetyczna lub konwencjonalna w rozumieniu powyższych definicji operuje w warunkach obniżonego ciśnienia, wówczas definiuje się ją, jako kolej próżniową lub kolej niskociśnieniową (ang. vactrain, hyperloop).

Konieczność stosowania kompensacji przeciążeń bocznych jest istotnym elementem w transporcie kolejowym, ponieważ pozwala na podniesienie komfortu pasażerów, zwiększenie prędkości podczas pokonywania łuków, a w konsekwencji przepustowości danego korytarza transportowego oraz podniesienie poziomu bezpieczeństwa (niższe prawdopodobieństwo wykolejenia się pociągu). Obecnie w technice stosuje się dwa rozwiązania kompensacji przeciążeń. Pierwszym jest budowanie torowisk z uwzględnieniem przechyłek torowiska (maksymalna dopuszczalna przechyłka dla Polski to 180 mm, co przekłada się na ok. 7.1 stopnia przechylenia torowiska). Drugim rozwiązaniem jest stosowanie wychylnego nadwozia w pociągach dużej prędkości. W tym przypadku maksymalny kąt przechyłu pociągu to 8 stopni. Sumując okazuje się, że maksymalny kąt przechyłu przy zastosowaniu równolegle obu rozwiązań to ok. 15 stopni. Po analizach dotyczących warunków eksploatacji kolei próżniowej określono minimalną przechyłkę znacznie powyżej 15 stopni, co implikuje konieczność zastosowania innych rozwiązań niż znane z kolei konwencjonalnej.

Istotą wynalazku jest system kompensacji przeciążeń bocznych w pojazdach mechanicznych składający się z części mechanicznej oraz elektronicznej, przy czym część mechaniczna składa się z przedziału zamontowanego na zawieszeniu pozwalającym na obrót przedziału względem osi podłużnej pojazdu, zawieszenia, oraz układu wykonawczego natomiast część elektroniczna składa się z czujników, które odczytują właściwe parametry ruchu, magistrali przesyłającej dane z czujników, komputera przetwarzającego, sterownika układu wykonawczego, który otrzymuje przetworzone dane od komputera i zamienia je na sygnał wysyłany do układu wykonawczego charakteryzujący się tym, że składowa środka ciężkości przedziału leżąca na płaszczyźnie symetrii pojazdu zawierającej podłużną oś obrotu przedziału znajduje się poniżej jego podłużnej osi obrotu oraz układ wykonawczy jest sprzężony ujemnym sprzężeniem zwrotnym z komputerem w celu możliwości sterowania uchybem wychylenia przedziału.

PL 235 880 B1

Korzystnie, zawieszenie zawiera łożyska zamontowane na wałach z mocowaniami przedziału, które są przymocowane z obu stron przedziału, lub na prowadnicach przymocowanych bezpośrednio do przedziału. Korzystnie, układ wykonawczy jest elektrycznym silnikiem obrotowym przymocowanym co najmniej do jednego wału z mocowaniem przedziału. Korzystnie, układ wykonawczy jest układem elektromagnesów. Korzystnie układ elektromagnesów jest mocowany na dole przedziału i jest wbudowany w prowadnice lub równolegle do nich.

Korzystnie, układ elektromagnesów jest mocowany na górze przedziału, pełniąc jednocześnie funkcję zawieszenia. Korzystnie, górna część układu elektromagnesów jest przymocowana do pojazdu lub toru prowadzącego wewnątrz rury. Korzystnie, przedziały są połączone w jeden pojazd za pomocą elastycznego łącznika pierścieniowego. Korzystnie, łącznik pierścieniowy jest wykonany z elastomerów wzmocnionych konstrukcją z metali, ich stopów lub materiałów polimerowych lub kompozytowych. Korzystnie, kompensacja przeciążeń każdego z przedziałów odbywa się niezależnie.

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunkach: fig. 1, który przedstawia system półaktywnej kompensacji przeciążeń bocznych w pojazdach mechanicznych, w którym układ wykonawczy jest obrotowym silnikiem elektrycznym, fig. 2 przedstawia system półaktywnej kompensacji przeciążeń bocznych w pojazdach mechanicznych, w którym układ wykonawczy jest układem elektromagnesów wbudowanym w prowadnice zamontowanym w dolnej części przedziału 9, fig. 3 przedstawia system elektroniczny, który pozwala na określanie parametrów ruchu systemu półaktywnej kompensacji przeciążeń bocznych w pojazdach mechanicznych, fig. 4 przedstawia system pozwalający łączyć dwa przedziały ze sobą za pomocą elastycznego łącznika pierścieniowego 12, fig. 5 przedstawia składową środka ciężkości przedziału leżącą na płaszczyźnie symetrii pojazdu zawierającej podłużną oś obrotu przedziału będącą poniżej jego podłużnej osi obrotu, fig. 6 przedstawia system półaktywnej kompensacji przeciążeń bocznych w pojazdach mechanicznych, w którym układ wykonawczy jest układem elektromagnesów 10 zamontowanym w górnej części przedziału 9 oraz obie części układu elektromagnesów 10 są zamontowane w pojeździe mechanicznym, fig. 7 przedstawia system półaktywnej kompensacji przeciążeń bocznych w pojazdach mechanicznych, w którym układ wykonawczy jest układem elektromagnesów zamontowanym w górnej części przedziału 9, przy czym górna część układu elektromagnesów lub cewek 10.2 jest zamontowana w torze, zaś dolna część układu elektromagnesów lub cewek 10.1 przymocowana jest do pojazdu mechanicznego.

P r z y k ł a d 1

System półaktywnej kompensacji przeciążeń bocznych w pojazdach mechanicznych składa się z części mechanicznej pokazanej na fig. 1 oraz fig. 2 oraz elektronicznej pokazanej na fig. 3. Część mechaniczna składa się z przedziału 9, zawieszenia 6, oraz układu wykonawczego 5 z przekładnią mechaniczną 7. Przedział 9, wewnątrz którego przewożone są towary oraz pasażerowie, zamontowany jest na zawieszeniu 6 pozwalającym na obrót przedziału względem osi podłużnej pojazdu. Przedział może być konstrukcją ramową lub samonośną, której przynajmniej dolna część przekroju poprzecznego przedziału jest osiowosymetryczna względem osi obrotu. Zawieszenie 6 może być skonstruowane w taki sposób, że obrót wykonywany jest na łożyskach zamontowanych na wałach przymocowanych do przedziału 9, które są przymocowane z obu stron przedziału 9, lub na prowadnicach 11 przymocowanych bezpośrednio do przedziału 9. Układ wykonawczy 5 jest przymocowany co najmniej do jednego wału z mocowaniem przedziału 8 lub jest związany bezpośrednio z prowadnicami 11. Pełni on funkcję półaktywnego tłumika przeciążeń bocznych. Układ wykonawczy może być obrotowym silnikiem elektrycznym jak pokazano na fig. 1, układem elektromagnesów 10 wbudowanym w prowadnice 11 jak pokazano na fig. 2 lub zamontowanym równolegle do prowadnic, albo układem siłowników elektrycznych, hydraulicznych bądź mieszanych. Istotne jest, żeby składowa środka ciężkości przedziału leżąca na płaszczyźnie symetrii pojazdu zawierającej podłużną oś obrotu przedziału była poniżej jego podłużnej osi obrotu jak pokazano na fig. 5. W przeciwnym przypadku konieczne jest zastosowanie aktywnego układu kompensacji przeciążeń, jednakże takie rozwiązania można znaleźć w obecnym stanie techniki. Poprzez środek ciężkości przedziału rozumie się punkt w przestrzeni, na który działa wypadkowa siła grawitacji wynikająca z sumy sił grawitacji działającej na każdy element przedziału 9.

Część elektroniczna wynalazku jest systemem elektronicznym, który pozwala na określanie parametrów ruchu np. przyspieszeń, prędkości oraz pozycji liniowych i kątowych pojazdu, następnie na ich podstawie określa odpowiedzi układu wykonawczego 5. Część elektroniczna składa się z czujników 1, które odczytują właściwe parametry ruchu, magistrali 2 przesyłającej dane z czujników 1, komputera przetwarzającego 3 oraz sterownika układu wykonawczego 4, który otrzymuje przetworzone dane od kom

PL 235 880 B1 putera 3 i zamienia je na sygnał wysyłany do układu wykonawczego 5. Układ wykonawczy jest sprzężony ujemnym sprzężeniem zwrotnym z komputerem 3 w celu możliwości sterowania uchybem przedziału 9 jak pokazano na fig. 3. Ujemne sprzężenie zwrotne jest mechanizmem regulacyjnym, w którym sygnał wyjściowy jest kierowany z powrotem do wejścia w celu sprawdzenia różnicy pomiędzy sygnałem na wejściu (wartością pożądaną), a jego zmierzoną wartością wyjściową. Dzięki informacji o odchyłce tzw. uchybie można utrzymywać parametr wyjściowy na pożądanym poziomie.

Jeśli pojazd składa się z więcej niż jednego przedziału, systemy kompensacji są niezależne dla każdego z przedziałów.

W przypadku konieczności łączenia przedziałów 9 ze sobą, można to zrealizować za pomocą elastycznego łącznika 12 w kształcie pierścienia, który pozwala zachować szczelność przedziałów oraz umożliwia kompensację różnicy wychyleń dwóch sąsiadujących przedziałów, które w przypadku pracy niezależnej będą w danej chwili miały inne kąty wychylenia jak pokazano na Fig. 4. Łącznik 12 jest wykonany z elastomerów wzmocnionych konstrukcją z metali, ich stopów lub sztywnych materiałów polimerowych lub kompozytowych.

Koncepcja półaktywnego sterowania, co jest istotą wynalazku, opiera się na założeniu, że układ wykonawczy wykonuje możliwie minimum pracy w celu utrzymania przedziału 9 w zadanej pozycji. Oznacza to, że w wyniku działania sił bocznych przedział 9, jako że znajduje się na zawieszeniu, które pozwala mu na swobodny obrót względem osi, obraca się samoistnie tak, żeby siły działające na niego się równoważyły, natomiast układ wykonawczy 5 służy tylko tłumieniu drgań, które wynikają z fluktuacji poszczególnych sił w ruchu oraz z bezwładności elementów mechanicznych.

P r z y k ł a d 2

W korzystnym przykładzie wykonania uwidocznionym na fig. 6 pokazano wariant zawieszenia opartego na układzie elektromagnesów 10 z fig. 2, przy czym układ elektromagnesów 10 składający się z elektromagnesów lub cewek górnych 10.2 oraz elektromagnesów lub cewek dolnych 10.1 jest zamontowany na górze przedziału 9. Dodatkowo, w przypadku zaistnienia konieczności konstrukcyjnej, w dolnej części pojazdu 13 zamontowane są prowadnice 11 przedziału 9.

Wariantem dla tego wykonania systemu półaktywnej kompensacji bocznej jest również montaż magnesów lub cewek górnych 10.2 do toru prowadzącego 15 wewnątrz rury próżniowej 14, który jest widoczny na Fig. 7. Układ taki znajduje zastosowanie szczególnie w kolei magnetycznej lub niskociśnieniowej z lewitacji elektromagnetycznej.

Korzyścią stosowania takiego rozwiązania jest możliwość uzyskania znacząco większych kątów przechylenia przedziału, co implikuje możliwość osiągania znacznie wyższych prędkości przy stałym łuku w porównaniu z istniejącymi rozwiązaniami. Ponadto system zużywa mniej energii względem istniejących rozwiązań i jest bezpieczniejszy, gdyż w wyniku awarii np. zasilania wraca on do położenia bezpiecznego lub działa, jako system pasywny, który również przy odpowiednim zaprojektowaniu jest bezpieczny. Półaktywne sterowanie daje również możliwość optymalizacji ruchu i tłumienia przechyłki przedziału w celu osiągnięcia możliwie najwyższego komfortu jazdy dla pasażerów lub bezpieczeństwa transportu towarów.

Claims (11)

1. System kompensacji przeciążeń bocznych w pojazdach mechanicznych składający się z części mechanicznej oraz elektronicznej, przy czym część mechaniczna składa się z przedziału (9) zamontowanego na zawieszeniu (6) pozwalającym na obrót przedziału względem osi podłużnej pojazdu, zawieszenia (6), oraz układu wykonawczego (5) natomiast część elektroniczna składa się z czujników (1), które odczytują właściwe parametry ruchu, magistrali (2) przesyłającej dane z czujników (1), komputera przetwarzającego (3), sterownika układu wykonawczego (4), który otrzymuje przetworzone dane od komputera (3) i zamienia je na sygnał wysyłany do układu wykonawczego (5) znamienny tym, że składowa środka ciężkości przedziału leżąca na płaszczyźnie symetrii pojazdu zawierającej podłużną oś obrotu przedziału znajduje się poniżej jego podłużnej osi obrotu oraz układ wykonawczy (5) jest sprzężony ujemnym sprzężeniem zwrotnym z komputerem (3) w celu możliwości sterowania uchybem wychylenia przedziału (9).

PL 235 880 B1

2. System według zastrz. 1 znamienny tym, że zawieszenie (6) zawiera łożyska zamontowane na wałach z mocowaniami przedziału (8), które są przymocowane z obu stron przedziału (9), lub na prowadnicach (11) przymocowanych bezpośrednio do przedziału (9).

3. System według zastrz. 1 znamienny tym, że układ wykonawczy jest elektrycznym silnikiem obrotowym przymocowanym co najmniej do jednego wału z mocowaniem przedziału (8).

4. System według zastrz. 1 znamienny tym, że układ wykonawczy jest układem elektromagnesów (10).

5. System według zastrz. 4 znamienny tym, że układ elektromagnesów jest mocowany na dole przedziału (9) i jest wbudowany w prowadnice (11) lub równolegle do nich.

6. System według zastrz. 4 znamienny tym, że układ elektromagnesów jest mocowany na górze przedziału (9), pełniąc jednocześnie funkcję zawieszenia (6).

7. System według zastrz. 6 znamienny tym, że górna część układu elektromagnesów (10.2) jest przymocowana do pojazdu (13) lub toru prowadzącego (15) wewnątrz rury (14).

8. System według zastrz. 1 znamienny tym, że przedziały (9) są połączone w jeden pojazd za pomocą elastycznego łącznika pierścieniowego (12).

9. System według zastrz. 8 znamienny tym, że łącznik pierścieniowy jest wykonany z elastomerów wzmocnionych konstrukcją z metali, ich stopów lub materiałów polimerowych lub kompozytowych.

10. System według zastrz. 8 lub 9 znamienny tym, że kompensacja przeciążeń każdego z przedziałów odbywa się niezależnie.

11. System według zastrz. 1 znamienny tym, że w przypadku awarii systemu elektronicznego może działać, jako system pasywny.