列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，其設(shè)有能量回收系統(tǒng)、主動控制系統(tǒng)和徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，所述徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括前擺臂總成、后擺臂總成和徑向轉(zhuǎn)向傳動裝置，前擺臂總成和后擺臂總成分別通過法蘭與徑向轉(zhuǎn)向傳動裝置的上錐齒輪(11)及下錐齒輪(12)的齒輪座相連。本發(fā)明具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，成本適中，用于裝配軌道列車徑向轉(zhuǎn)向設(shè)備替換部件，可實(shí)現(xiàn)能量回收和具有良好的徑向轉(zhuǎn)向效果等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)向架，特別是一種用于軌道列車的能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有列車因輪軌磨損會造成巨大的粉塵污染和經(jīng)濟(jì)損失，列車徑向轉(zhuǎn)向技術(shù)是減少輪軌磨損的主要技術(shù)方案。
[0003]列車輪對的徑向轉(zhuǎn)向主要依靠徑向轉(zhuǎn)向架來實(shí)現(xiàn)，徑向在轉(zhuǎn)向架主要分為自導(dǎo)向、迫導(dǎo)向和主動徑向轉(zhuǎn)向三種。
[0004]自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架通過車輪和軌道間的作用力驅(qū)使輪對自行移動到徑向方向，該方案成本較低，無需額外耗能，但曲線通過性差且輪對徑向度較低。
[0005]迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架依靠與車體相連的機(jī)構(gòu)，通過車體作用迫使輪對被動的到達(dá)徑向位置，該轉(zhuǎn)向架具有良好的通過性，無需額外耗能，但橫向穩(wěn)定性較差且造價過高。
[0006]主動徑向轉(zhuǎn)向架是通過對輪對的主動控制使輪對到達(dá)徑向位置，該方案能兼顧良好的曲線通過性和橫向穩(wěn)定性，成本適中，更能顯著的減少輪軌間的磨損，然而，現(xiàn)有主動徑向轉(zhuǎn)向技術(shù)存在巨大的能耗問題。
[0007]國內(nèi)相關(guān)專利對徑向轉(zhuǎn)向技術(shù)提出了如下的方案:
[0008]中國專利CN200920297803.2描述了一種徑向轉(zhuǎn)向架扭桿式自導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，它包括布置于構(gòu)架兩側(cè)的四根導(dǎo)向桿，每根導(dǎo)向桿與相應(yīng)的軸箱相連，安裝在構(gòu)架中心的中央扭桿，布置在構(gòu)架兩側(cè)且分別與中央扭桿兩端聯(lián)接的第一、第二轉(zhuǎn)臂。其缺陷是:存在造價高昂的問題。
[0009]中國專利CN200920043065.9描述了一種粘著力可控的軌道車輛動力轉(zhuǎn)向架，包括車輪、輪軸、側(cè)梁、橫梁、懸掛減振器和輪軸驅(qū)動裝置。其缺陷是:存在徑向轉(zhuǎn)向時曲線通過性較差的問題。
[0010]中國專利CN201220258950.0描述了一種副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架，包括輪對、側(cè)架、搖枕、輪對徑向裝置和制動裝置。其缺陷是:存在徑向轉(zhuǎn)向時輪軌間磨損較大的問題。
[0011]中國專利CN200880117322.7描述了一種鐵道車輛用徑向轉(zhuǎn)向架、鐵道車輛和連接車輛，因?yàn)槟軌蚝啽闱业统杀镜貙?shí)施，所以具有能夠真正實(shí)現(xiàn)的、優(yōu)異的曲線通過性能。其缺陷是:存在能耗過大的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，該轉(zhuǎn)向架一方面能夠回收懸掛振動的能量，為主動徑向轉(zhuǎn)向供電，另一方面通過采集實(shí)施車速并建立實(shí)際軌跡車車輛姿態(tài)的反饋，在中央控制單元的控制下驅(qū)動伺服電機(jī)，徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在作動電機(jī)的作動下，驅(qū)動前后輪對反向回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)徑向轉(zhuǎn)向，從而有效的減少輪軌磨損。
[0013]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的方案:
[0014]本發(fā)明提供的列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，設(shè)有能量回收系統(tǒng)、主動控制系統(tǒng)和徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。所述徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括前擺臂總成、后擺臂總成和徑向轉(zhuǎn)向傳動裝置，前擺臂總成和后擺臂總成分別通過法蘭與徑向轉(zhuǎn)向傳動裝置的上錐齒輪及下錐齒輪的齒輪座相連。
[0015]所述的前擺臂總成可以由前擺臂、前懸架、前輪對和驅(qū)動伺服電機(jī)組成，其中:前擺臂與前懸架鉸接相連，前懸架與前輪對相連接，驅(qū)動伺服電機(jī)安裝在前擺臂裝配連接的L型托架上，通過齒輪嚙合驅(qū)動前輪對。
[0016]所述的前擺臂可以為頂端開口叉形，與所述轉(zhuǎn)向架的中間構(gòu)架的輪轂相連兩部分互相平行，最大開口處直線距離為兩輪轂間距離。
[0017]所述的后擺臂總成可以由后擺臂、后懸架和后輪對組成，后擺臂與后懸架鉸接相連，后懸架與后輪對相連接。
[0018]所述的后擺臂可以為頂端開口叉形，與所述轉(zhuǎn)向架的中間構(gòu)架的輪轂相連兩部分互相平行，最大開口處直線距離為兩輪轂間距離。
[0019]所述的徑向轉(zhuǎn)向傳動裝置可以由作動器和差速齒輪對組成，其中:差速齒輪由兩對錐齒輪組成，具體為嚙合相連的前錐齒輪和后錐齒輪，嚙合相連的上錐齒輪和下錐齒輪，它們和作動電機(jī)構(gòu)成作動器。
[0020]所述的主動控制系統(tǒng)可以由中央處理單元，和通過數(shù)據(jù)線分別與中央處理單元相連的軌道路徑識別傳感器、輪速傳感器、擺臂角位移傳感器、驅(qū)動伺服電機(jī)組成。
[0021]所述的中央處理單元由運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件組成，這些部件焊接在同一塊電路板上，通過集成電路相連接。
[0022]所述的能量回收系統(tǒng)可以由能量回收式減振器，空氣彈簧和蓄電池組成，其中:空氣彈簧與所述轉(zhuǎn)向架的外邊框裝配連接；蓄電池安裝在與所述轉(zhuǎn)向架的中間構(gòu)架相連的托架上，其通過導(dǎo)線分別與軌道路徑識別傳感器、中央處理單元、輪速傳感器、擺臂角位移傳感器、驅(qū)動伺服電機(jī)和作動電機(jī)相連。
[0023]本發(fā)明提供的上述列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，其在裝配軌道列車徑向轉(zhuǎn)向設(shè)備中的應(yīng)用。
[0024]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)項(xiàng)目相比具有以下主要優(yōu)點(diǎn):
[0025](I)降低輪軌磨損。建立實(shí)際軌道信息輸入和轉(zhuǎn)向架姿態(tài)反饋的主動控制，優(yōu)化徑向機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，一定程度上改善了徑向轉(zhuǎn)向效果。相對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，降低一定的輪軌磨損。
[0026](2)減少能源消耗。提高主動徑向機(jī)構(gòu)機(jī)械效率，并通過回饋振動能量，為徑向作動供電。減少了系統(tǒng)總能源消耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明列車能量回收式主動徑向轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖2是本發(fā)明的主動控制系統(tǒng)控制邏輯圖。
[0029]圖3是本發(fā)明徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的錐齒輪傳動機(jī)構(gòu)軸測圖。
[0030]圖4是本發(fā)明列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架俯視圖。
[0031]圖中:1.能量回收式減振器；2.空氣彈簧；3.蓄電池；4.軌道路徑識別傳感器；5.中央處理單元；6.輪速傳感器；7.擺臂角位移傳感器；8.驅(qū)動伺服電機(jī)；9.前錐齒輪；10.后錐齒輪；11.上錐齒輪；12.下錐齒輪；13.前擺臂；14.前輪對；15.后擺臂；16.后輪對；17.作動電機(jī)；18.前懸架；19.后懸架。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面對結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不僅限定本發(fā)明。
[0033]本發(fā)明提供的列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架(以下簡稱轉(zhuǎn)向架)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由能量回收系統(tǒng)、主動控制系統(tǒng)和徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。其中:能量回收系統(tǒng)能將列車垂向振動的能量以電能形式進(jìn)行回收，儲存到蓄電池中，并為本發(fā)明主動徑向轉(zhuǎn)向時提供電能。主動控制系統(tǒng)通過采集車輛速度信息同時建立實(shí)際軌道路徑輸入和車身姿態(tài)信息反饋，并通過中央處理單元的控制驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，使徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的鉸接擺臂機(jī)構(gòu)驅(qū)使輪對做徑向轉(zhuǎn)向運(yùn)動。最終實(shí)現(xiàn)輪對的主動徑向轉(zhuǎn)向。
[0034]所述能量回收系統(tǒng)由能量回收式減振器1、空氣彈簧2和蓄電池3組成，其中:能量回收式減振器I為現(xiàn)有技術(shù)，可將垂向振動能量轉(zhuǎn)化成電能的形式回收并儲存到蓄電池中，其通過法蘭與轉(zhuǎn)向架外邊框相連，其由缸筒、活塞、電控整流閥組成?？諝鈴椈?與轉(zhuǎn)向架外邊框裝配連接。蓄電池3安裝在與轉(zhuǎn)向架的中間構(gòu)架上，其通過導(dǎo)線分別與軌道路徑識別傳感器4、中央處理單元5、輪速傳感器6、擺臂角位移傳感器7、驅(qū)動伺服電機(jī)8和作動電機(jī)17相連。所述的中間構(gòu)架為現(xiàn)有技術(shù)，其為直線型結(jié)構(gòu)并與轉(zhuǎn)向架的整體框架焊接連接。
[0035]該能量回收系統(tǒng)的用途是:通過能量回收式減振器的缸筒將懸架振動的能量轉(zhuǎn)化為液壓能，通過液壓油在系統(tǒng)中傳遞；控制單元通過分析活塞上、下腔壓力傳感器采集的壓力信號，判斷整流閥前端液體流向；電磁閥根據(jù)控制單元的指示對整流閥閥芯位置進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對減震器缸筒中流出的液體進(jìn)行整流；整流后的液流能驅(qū)動液壓馬達(dá)朝一個方向進(jìn)行工作，帶動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，最終實(shí)現(xiàn)將振動能量轉(zhuǎn)化為電能，并儲存與蓄電池中，為主動徑向轉(zhuǎn)向架供電。
[0036]所述主動控制系統(tǒng)由中央處理單元5、軌道路徑識別傳感器4、輪速傳感器6、擺臂角位移傳感器7和驅(qū)動伺服電機(jī)8組成，所述中央處理單元5通過數(shù)據(jù)線與驅(qū)動伺服電機(jī)8連接。
[0037]所述中央處理單元5由運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件組成，其中:運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件組成焊接在同一塊電路板上，通過集成電路相連接。
[0038]所述軌道路徑識別傳感器4可以采用SG-2BC的光傳感器，或具有其同樣功能的其它型號的傳感器。
[0039]所述輪速傳感器6可以采用ABS磁電式輪速傳感器，或具有其同樣功能的其它型號的傳感器。
[0040]所述擺臂角位移傳感器7可以采用R36AS角位移傳感器，或具有其同樣功能的其它型號的傳感器。
[0041]所述驅(qū)動伺服電機(jī)8可以采用PLC驅(qū)動伺服電機(jī)。
[0042]所述主動控制系統(tǒng)的用途是:將實(shí)際軌道信息通過軌道路徑識別傳感器獲得，轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)角信息通過擺臂角位移傳感器采集，列車行駛速度型號通過輪速傳感器6獲得。中央處理單元5將上述信息作為輸入信號，通過混合PID算法，輸出對伺服電機(jī)的控制信號，控制信號進(jìn)入伺服控制單元對伺服電機(jī)進(jìn)行控制并驅(qū)動徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)擺臂進(jìn)行動作，擺臂的實(shí)際擺動角度作為系統(tǒng)的反饋量，回到控制器中，形成閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)對車輛徑向轉(zhuǎn)向的主動控制。
[0043]所述徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為可實(shí)現(xiàn)低能耗主動徑向轉(zhuǎn)向的鉸接擺臂式機(jī)械結(jié)構(gòu)，既減少輪軌磨耗，又降低系統(tǒng)能耗。該徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括前擺臂總成、后擺臂總成和徑向轉(zhuǎn)向傳動裝置，前擺臂總成和后擺臂總成分別與徑向轉(zhuǎn)向傳動裝置的上錐齒輪11及下錐齒輪12通過法蘭連接。
[0044]所述前擺臂總成由前擺臂13、前懸架18、前輪對14和驅(qū)動伺服電機(jī)8組成，前擺臂13與前懸架18通過球鉸連接，前懸架18與前輪對14相連接，驅(qū)動伺服電機(jī)8安裝在前擺臂裝配連接的L型托架上，通過齒輪嚙合驅(qū)動前輪對14。驅(qū)動伺服電機(jī)8及其控制算法構(gòu)成電控單元，其為現(xiàn)有技術(shù)。
[0045]所述后擺臂總成由后擺臂15、后懸架19和后輪對16組成，后擺臂15與后懸架19通過球鉸連接，后懸架19與后輪對16相連接。
[0046]上述前擺臂13、后擺臂15為頂端開口叉形，與轉(zhuǎn)向架的中間構(gòu)架的輪轂相連兩部分互相平行，最大開口處直線距離為兩輪轂間距離。所述中間構(gòu)架的結(jié)構(gòu)是:為“X”型，與轉(zhuǎn)向架的整體框架焊接連接。
[0047]所述徑向轉(zhuǎn)向傳動裝置由作動器和差速齒輪對組成，其中:差速齒輪由兩對標(biāo)準(zhǔn)重載錐齒輪組成，具體為嚙合相連的前錐齒輪9和后錐齒輪10,嚙合相連的上錐齒輪11和下錐齒輪12，它們和作動電機(jī)17構(gòu)成作動器。作動電機(jī)17是伺服電機(jī)，其最大工作功率為750wo
[0048]所述作動電機(jī)17的控制策略如圖2所示，列車行駛時，由軌道路徑識別傳感器4、輪速傳感器6、擺臂角位移傳感器7分別采集實(shí)時路徑信息、即時車速、輪對轉(zhuǎn)角。微處理單元將以上述信息作為輸入信號，通過最優(yōu)徑向效果算法，輸出對伺服電機(jī)的控制信號，將轉(zhuǎn)向架的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)作為系統(tǒng)的反饋量，返回到控制器形成閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)對車輛徑向轉(zhuǎn)向的主動控制。
[0049]所述徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其工作原理是當(dāng)列車需要徑向轉(zhuǎn)向時，作動器直接驅(qū)動后錐齒輪7轉(zhuǎn)動，使與后錐齒輪嚙合的上錐齒輪11與下錐齒輪12按相反方向轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)前后擺臂的徑向轉(zhuǎn)向。
[0050]本發(fā)明提供的上述列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，其工作過程是:當(dāng)列車行駛時，列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架的能量回收系統(tǒng)通過能量回收式減振器I將垂向振動能量以電能形式回收到蓄電池3中，并在徑向轉(zhuǎn)向時為主動控制系統(tǒng)提供電能；當(dāng)列車轉(zhuǎn)向時，主動控制系統(tǒng)通過采集實(shí)時路徑信息、輪對轉(zhuǎn)角、即時車速等信息，經(jīng)過最優(yōu)徑向效果算法(模糊PID控制算法)運(yùn)算并反饋到徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)徑向轉(zhuǎn)向。
【權(quán)利要求】
1.列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，設(shè)有能量回收系統(tǒng)，其特征是該轉(zhuǎn)向架還設(shè)有主動控制系統(tǒng)和徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，所述徑向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括前擺臂總成、后擺臂總成和徑向轉(zhuǎn)向傳動裝置，前擺臂總成和后擺臂總成分別通過法蘭與徑向轉(zhuǎn)向傳動裝置的上錐齒輪(11)及下錐齒輪(12)的齒輪座相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，其特征在于所述的前擺臂總成由前擺臂(13)、前懸架(18)、前輪對(14)和驅(qū)動伺服電機(jī)⑶組成，其中前擺臂(13)與前懸架(18)鉸接相連，前懸架(18)與前輪對(14)相連接，驅(qū)動伺服電機(jī)(8)安裝在前擺臂裝配連接的L型托架上，通過齒輪嚙合驅(qū)動前輪對(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，其特征在于所述的前擺臂(13)為頂端開口叉形，與所述轉(zhuǎn)向架的中間構(gòu)架的輪轂相連兩部分互相平行，最大開口處直線距離為兩輪轂間距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，其特征在于所述的后擺臂總成由后擺臂(15)、后懸架(19)和后輪對(16)組成，后擺臂(15)與后懸架(19)鉸接相連，后懸架(19)與后輪對(16)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，其特征在于所述的后擺臂(15)為頂端開口叉形，與所述轉(zhuǎn)向架的中間構(gòu)架的輪轂相連兩部分互相平行，最大開口處直線距離為兩輪轂間距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，其特征在于所述的徑向轉(zhuǎn)向傳動裝置由作動器和差 速齒輪對組成，其中:差速齒輪由兩對錐齒輪組成，具體為嚙合相連的前錐齒輪(9)和后錐齒輪(10)，嚙合相連的上錐齒輪(11)和下錐齒輪(12)，它們和作動電機(jī)(17)構(gòu)成作動器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，其特征在于所述的主動控制系統(tǒng)由中央處理單元(5)，和通過數(shù)據(jù)線分別與中央處理單元(5)相連的軌道路徑識別傳感器(4)、輪速傳感器(6)、擺臂角位移傳感器(7)、驅(qū)動伺服電機(jī)(8)組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，其特征在于所述的中央處理單元(5)由運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件組成，這些部件焊接在同一塊電路板上,通過集成電路相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架，其特征在于所述的能量回收系統(tǒng)由能量回收式減振器(1)，空氣彈簧(2)和蓄電池(3)組成，其中:空氣彈簧(2)與所述轉(zhuǎn)向架的外邊框裝配連接；蓄電池(3)安裝在與所述轉(zhuǎn)向架的中間構(gòu)架相連的托架上，其通過導(dǎo)線分別與軌道路徑識別傳感器(4)、中央處理單元(5)、輪速傳感器(6)、擺臂角位移傳感器(7)、驅(qū)動伺服電機(jī)⑶和作動電機(jī)(17)相連。
10.權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述列車能量回饋式主動徑向轉(zhuǎn)向架的用途，其特征是在裝配軌道列車徑向轉(zhuǎn)向設(shè)備中的應(yīng)用。
【文檔編號】B61F5/00GK104002829SQ201410218460
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】過學(xué)迅, 許煊煚, 任敬, 李瀟翔, 周泉, 方志剛, 葉一凡 申請人:武漢理工大學(xué)