本實用新型屬于軌道交通行業(yè)，特別是指一種可以對車體側(cè)滾角度主動控制調(diào)節(jié)的抗側(cè)滾扭桿裝置以及利用該裝置實現(xiàn)主動控制抗側(cè)滾的方法。

背景技術(shù)：

目前高速客車、干線客車和地鐵車輛的車體通過二系空氣彈簧支承在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，以獲取良好的橫向和垂向動力學(xué)性能，一般來說，空氣彈簧的水平剛度和垂向剛度較小，降低了車體相對于轉(zhuǎn)向架的側(cè)滾剛度，使得車輛的柔度系數(shù)和通過曲線線路時車體相對于轉(zhuǎn)向架的側(cè)滾角度明顯增大了，這不僅會對車輛的運行平穩(wěn)性和舒適性產(chǎn)生影響，還會在車輛通過曲線線路時車體產(chǎn)生離心力的作用，影響車輛的運行安全性。

抗側(cè)滾扭桿的工作原理是當(dāng)左右彈簧發(fā)生相互反向的垂向位移時(即車體側(cè)滾時)，水平放置的兩個扭臂對于扭桿分別有一個相互反向的力與力矩的作用，使彈性扭桿承受扭矩而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，起著扭桿彈簧作用，扭桿彈簧的反力矩，總是與車體產(chǎn)生側(cè)滾角位移的方向相反，以約束車體的側(cè)滾振動。但是，當(dāng)左右彈簧為同向垂向位移時，因扭桿兩端為轉(zhuǎn)軸及軸承支承，所以左右兩個扭臂只是使扭桿產(chǎn)生同向的轉(zhuǎn)動，而不產(chǎn)生扭桿彈簧作用，故對車體不產(chǎn)生抗側(cè)滾作用。

在一些特性的多彎道小曲線線路上，車輛所需的抗側(cè)滾剛度頻繁增加或者減小，要求車輛的抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)的靈敏度較高，在車輛所需的抗側(cè)滾剛度較小時減小抗側(cè)滾扭桿的抗側(cè)滾剛度，在車輛所需的抗側(cè)滾剛度較大時提供較大的抗側(cè)滾剛度。這就要求抗側(cè)滾扭桿不僅能提供可選擇的扭轉(zhuǎn)剛度，還需要具有較強(qiáng)的抗側(cè)滾靈敏度。此外，對于軌道車輛尤其是高速動車組車輛來說，車輛進(jìn)出隧道、明線上受到橫風(fēng)作用、頻繁的會車以及高速通過曲線半徑較小的線路等情況下，會對車體產(chǎn)生瞬間的橫向作用力，引起車體的側(cè)滾運動，為了車輛安全性和旅客舒適性，對抗側(cè)滾扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度和抗側(cè)滾靈敏度要求較高。

此外，對于干線客車來說，線路中存在很多曲線線路，極大地限值了車輛的運行速度，擺式列車的出現(xiàn)主要目的就是提高車輛的曲線通過速度，其設(shè)計理念是通過轉(zhuǎn)向架與車體上的一套擺式機(jī)構(gòu)，控制車體的側(cè)滾角度來抵消車體通過曲線時的未平衡橫向加速度，但是該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且需要足夠的安裝空間，在國內(nèi)應(yīng)用面很窄，但是通過對抗側(cè)滾扭桿裝置的控制也可以實現(xiàn)車體的側(cè)滾運動，達(dá)到抵消車體通過曲線時的未平衡橫向加速度的目的。

有鑒于此，如何在不影響正常車輛的動力學(xué)性能前提下，提高車輛系統(tǒng)對不同的線路和天氣環(huán)境的適應(yīng)性，滿足對抗側(cè)滾扭桿剛度(或者扭桿作用力)和抗側(cè)滾靈敏度的需求，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的關(guān)鍵問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于軌道交通車輛上的主動控制抗側(cè)滾扭桿，通過主動控制技術(shù)，該抗側(cè)滾扭桿可以根據(jù)車輛系統(tǒng)的運行環(huán)境提供合理的扭桿作用力。

為解決上述問題，本實用新型的技術(shù)方案是，提供一種軌道交通用主動控制的抗側(cè)滾扭桿裝置，包括車輛傳感器測試系統(tǒng)和抗側(cè)滾扭桿；所述車輛傳感器測試系統(tǒng)包括設(shè)置在待測車體端部的陀螺儀和設(shè)置在待測車體下方的反饋控制器；所述抗側(cè)滾扭桿，包括扭桿、至少一對水平扭轉(zhuǎn)臂和至少一對豎直作動器；所述豎直作動器與一端與車體連接，另一端與水平扭轉(zhuǎn)臂一端鉸連接，水平扭轉(zhuǎn)臂的另一端與扭桿活動連接；所述陀螺儀用于測得車體相對地面的側(cè)滾角；所述反饋控制器會根據(jù)測得的車體側(cè)滾角與限值進(jìn)行比較，判斷是否需要對作動器進(jìn)行操作。

進(jìn)一步的，所述豎直作動器為電磁作動器、液壓作動器或者氣壓作動器。

進(jìn)一步的，所述車輛傳感器測試系統(tǒng)，還包括車輛的運行速度傳感器和車載GPS，所述運行速度傳感器和車載GPS通過光纖與反饋控制器連接，將車輛的運行速度v和車輛實時的GPS信息傳輸?shù)椒答伩刂破鲀?nèi)。

本實用新型的有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實用新型解決了抗側(cè)滾扭桿對線路和天氣等環(huán)境適應(yīng)性差的問題，可以在不影響正常車輛動力學(xué)性能的前提下，通過作動器施加作用力，抑制車體的側(cè)滾運動，并且該作動器可以根據(jù)車輛運行速度的不同快速做出反應(yīng)，滿足車輛系統(tǒng)對抗側(cè)滾作用的需求，實現(xiàn)了抗側(cè)滾作用力可調(diào)、作用時間可控的目標(biāo)，進(jìn)一步可以提高車輛在復(fù)雜環(huán)境下的運行速度。

附圖說明

圖1是本實用新型的實施主動控制抗側(cè)滾扭桿裝置的框架示意圖；

圖2是本實用新型的實施主動控制抗側(cè)滾扭桿裝置的設(shè)計流程圖；

圖3是本實用新型提出的主動控制抗側(cè)滾扭桿的典型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實用新型提出的主動控制抗側(cè)滾扭桿的陀螺儀安裝位置示意圖；

圖5是本實用新型提出的主動控制抗側(cè)滾扭桿與車體之間的位置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.扭桿，2.水平扭轉(zhuǎn)臂，3.豎直作動器，4.陀螺儀，5.車體，6.轉(zhuǎn)向架與車體聯(lián)接單元。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本實用新型作進(jìn)一步的闡述。

如圖3-5所示，一種軌道交通用主動控制的抗側(cè)滾扭桿裝置，包括車輛傳感器測試系統(tǒng)和抗側(cè)滾扭桿；所述車輛傳感器測試系統(tǒng)包括設(shè)置在待測車體5端部的陀螺儀4和設(shè)置在待測車體5下方的反饋控制器；

圖3和5所示，所述抗側(cè)滾扭桿，包括扭桿1、至少一對水平扭轉(zhuǎn)臂2和至少一對豎直作動器3；所述豎直作動器3與一端與車體5連接，另一端與水平扭轉(zhuǎn)臂2一端鉸連接，水平扭轉(zhuǎn)臂2的另一端與扭桿1活動連接；所述陀螺儀4用于測得車體5相對地面的側(cè)滾角；所述反饋控制器會根據(jù)測得的車體側(cè)滾角與限值進(jìn)行比較，判斷是否需要對豎直作動器3進(jìn)行操作。豎直作動器3為了抑制車體5的側(cè)滾運動，施加向上的作用力時，由于力的相互作用，車體5對豎直作動器3有向下的作用力，傳遞到水平扭轉(zhuǎn)臂2上，水平扭轉(zhuǎn)臂2繞扭桿1旋轉(zhuǎn)，將力的作用轉(zhuǎn)換成扭桿1的扭轉(zhuǎn)運動，通過扭轉(zhuǎn)角θ'實現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)力矩M。

豎直作動器3為電磁作動器、液壓作動器或者氣壓作動器。具體選擇可以根據(jù)車輛實際運行環(huán)境和車輛具體參數(shù)進(jìn)行合理選擇。該作動器在車輛系統(tǒng)不需要提供額外作用力時是剛性的，和現(xiàn)有的抗側(cè)滾扭桿原理相似，滿足對車輛動力學(xué)性能不產(chǎn)生影響的目的。

如圖4所示，陀螺儀4可以得到車體的實際側(cè)滾角；安裝在車體下方的反饋控制器會將測得的實際側(cè)滾角與目標(biāo)側(cè)滾角進(jìn)行比較分析，判斷主動控制的抗側(cè)滾扭桿是否需要額外提供側(cè)滾作用力，車輛傳感器測試系統(tǒng)，還包括車輛的運行速度傳感器和車載GPS，所述運行速度傳感器和車載GPS通過光纖與反饋控制器連接。車輛運行的速度、運行位置等信息也通過光纖傳輸?shù)椒答伩刂破髦?，根?jù)抗側(cè)滾靈敏度的需求，快速做出反應(yīng)。該抗側(cè)滾扭桿主動控制裝置屬于主動閉環(huán)控制，通過適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)狀態(tài)或輸出反饋，產(chǎn)生一定的控制作用來主動改變抗側(cè)滾扭桿參數(shù)，從而使系統(tǒng)滿足預(yù)定的動態(tài)特性要求。

如圖1-2所示，利用上述裝置實現(xiàn)主動控制抗側(cè)滾的方法

具體的是利用安裝在車輛上的傳感器測試系統(tǒng)將車輛前方路面信息等預(yù)先傳給懸掛裝置，并把所采集到的狀態(tài)變量反饋給反饋控制器，以實施最優(yōu)控制的一種控制策略。

步驟如下：

步驟(a)反饋控制器中預(yù)先設(shè)置好車體側(cè)滾角的限值θ₀和θ_c。車輛在不同線路上運行所需的懸掛參數(shù)是不同的，例如同樣的車輛運行在客專干線鐵路上車輛的側(cè)滾角限值稍大，在高速鐵路上側(cè)滾角稍小，此外，天氣環(huán)境對側(cè)滾角限值的影響很明顯，比如在常年大風(fēng)天氣的蘭新線上，側(cè)滾角限值θ₀需要設(shè)置的稍微大點，但是在京滬等線路上就需要設(shè)置小點，避免限值過大造成抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)不能對車體5瞬間橫向沖擊做出合理的反應(yīng)。該車體側(cè)滾角限值θ₀需要合理選擇，需要根據(jù)前期分析計算和車輛運營環(huán)境的調(diào)研得到。對于限值θ_c來說，需要根據(jù)線路曲線情況進(jìn)行計算分析得到車體最大未平衡橫向加速度，在確保車輛運行安全性的條件下，選取略小于最大值的限值來提高乘客乘坐舒適性。

步驟(b)安裝在車體5端部的陀螺儀4測試得到車體5相對地面的實際側(cè)滾角θ_m；陀螺儀作為車輛傳感器測試系統(tǒng)重要的組成部分，可以根據(jù)車體5的運行姿態(tài)，對車體5側(cè)滾運動進(jìn)行監(jiān)控和測試，得到車體5的側(cè)滾角θ_m。陀螺儀4將測得的信號通過光釬傳輸?shù)椒答伩刂破鲀?nèi)，此外，步驟(b)中還包括通過車輛的運行速度傳感器和車載GPS，通過光纖傳輸將車輛的運行速度v和車輛實時的GPS信息傳輸?shù)椒答伩刂破鲀?nèi)，用于控制作動器的作用時間t。

步驟(c)反饋控制器會根據(jù)測得的車體5實際側(cè)滾角θ_m與預(yù)先設(shè)置車體側(cè)滾角的限值θ₀和θ_c進(jìn)行比較，判斷是否需要對豎直作動器3進(jìn)行操作。

對于不同的車輛運行環(huán)境，主動控制的抗側(cè)滾扭桿裝置的控制策略不一樣，這里，主要介紹兩種控制機(jī)制。

第一種控制機(jī)制，

步驟(a)中的所述車體側(cè)滾角的限值為固定的最大車體側(cè)滾角的限值θ₀。對于車輛處于橫風(fēng)、穿越隧道等運行環(huán)境下，為了車輛的運行安全性，需要確保車體的側(cè)滾角度不大于限值θ₀。那么，當(dāng)θ_m≤θ₀時，反饋控制器不對抗側(cè)滾扭桿進(jìn)行作用，豎直作動器3相當(dāng)于剛性直桿，與被動抗側(cè)滾扭桿的作用相同；當(dāng)θ_m>θ₀時，車體5的實際側(cè)滾角超過了車體側(cè)滾角限值，需要作動器額外提供作動力F，增大扭桿1的扭矩M。作動力與抗側(cè)滾扭桿扭矩M的關(guān)系是：

F·b＝K_t·θ'＝M

其中，圖5所示，b是水平扭轉(zhuǎn)臂2的水平長度，K_t是扭桿1的角剛度，θ'是扭桿1的扭轉(zhuǎn)角。扭桿1的角剛度K_t與材料的固有屬性有關(guān)，確定后剛度無法修改，但是可以通過施加作動力F，從而控制扭桿1的扭轉(zhuǎn)角θ'實現(xiàn)了對車體側(cè)滾運動的抑制作用。從傳感器測得車體側(cè)滾角θ_m到豎直作動器3做出反應(yīng)的時間是t＝L/v，陀螺儀4的安裝位置與抗側(cè)滾扭桿在車體5上的安裝位置間距是L。可以快速反應(yīng)并做出抑制車體側(cè)滾運動的行為。豎直作動器3施加的額外作用力可表示為：

其中，F(xiàn)_s是個單元作用力，系統(tǒng)會根據(jù)施加后車體側(cè)滾角是否滿足θ_m≤θ₀的條件，若不滿足則繼續(xù)加載單元作用力，如此重復(fù)，直至達(dá)到θ_m≤θ₀的目標(biāo)。

第二種控制機(jī)制：

步驟(a)中的所述車體側(cè)滾角的限值為根據(jù)曲線線路參數(shù)得到實際所需要的車體最大側(cè)滾角θ_c。為提高干線客車車輛通過曲線線路的運行速度，通過抗側(cè)滾扭桿主動控制技術(shù)，抵消車體通過曲線時的未平衡橫向加速度。車輛通過曲線線路的未平衡橫向加速度是：

a_c＝v²/R-gsin(θ+θ_c)

其中，a_c是車輛的未平衡橫向加速度，R是曲線線路半徑，g是重力加速度，θ是曲線線路超高引起的車體傾斜角，θ_c是車體的側(cè)滾角。

我國鐵路按照曲線線路的最大超高值來保證旅客的乘坐舒適度，等效得到車輛系統(tǒng)最大未平衡橫向加速度為0.077g，根據(jù)曲線線路參數(shù)可以得到所需要的車體最大側(cè)滾角θ_c。那么，車載GPS信息實時與控制系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置好的線路圖對照，當(dāng)車輛系統(tǒng)運行至曲線線路的緩和曲線線路段時，豎直作動器3開始作用，豎直作動器3施加的額外作用力可表示為：

系統(tǒng)會根據(jù)施加后車體側(cè)滾角是否滿足θ_m＝θ_c的條件，若不滿足則繼續(xù)加載單元作用力，如此重復(fù)，直至達(dá)到θ_m＝θ_c的目標(biāo)，當(dāng)θ_m>θ_c時，豎直作動器3會減小作用力，避免車體側(cè)滾角度過大。豎直作動器3的作用時間從車輛進(jìn)入緩和曲線至車輛到達(dá)圓曲線段，車輛運行的距離為s，根據(jù)車輛運行速度v，那么作用時間t_c＝s/v。

步驟(d)當(dāng)車輛系統(tǒng)需要通過抗側(cè)滾扭桿的主動控制來實現(xiàn)對車體側(cè)滾運動的抑制時，通過外接能量源提供能量，控制作動器3施加單元載荷F_s，促使扭桿1產(chǎn)生扭矩；然后再進(jìn)行步驟(c)的判斷，車體實際側(cè)滾角是否滿足控制策略的需求，如此，主動控制的抗側(cè)滾扭桿實現(xiàn)了控制目標(biāo)，并且控制時間反饋快捷，不會出現(xiàn)控制不及時的情況，實現(xiàn)了抗側(cè)滾扭桿主動控制的目的。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本實用新型的原理，應(yīng)被理解為本實用新型的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本實用新型公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本實用新型實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。