一种轨道车辆小幅倾摆调节系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及轨道车辆技术领域，具体涉及一种轨道车辆小幅倾摆调节系统及其控制方法。

背景技术

随着车辆运行速度以及乘坐舒适性要求不断提高，现有车辆悬挂系统难以满足列车高速通过曲线时的安全性和舒适性要求。摆式列车能够在车辆到达曲线前让车体主动倾摆，在曲线上依靠自身重力平衡离心力，因此相比传统轨道交通车辆能够更好地解决高速通过曲线时的安全性和舒适性问题。

摆式列车按照车体倾斜方式的不同,可分为自然摆式和强制摆式两种。自然摆式又称为无源摆，车体由滚轮装置和高位空气弹簧支承,当列车通过曲线时产生离心力,使车体绕其摆心转动,在没有外加动力的情况下，车体自然地向曲线内侧倾斜。无源摆式车体倾斜角度可达到3°～5°，能提高常规列车曲线运行速度10%～20%。但无源摆式存在结构复杂、成本高、不适合对现有轨道车辆改造的问题。

强制摆式又称为有源摆，即利用曲线监测装置、车载计算机控制装置和倾摆传动装置倾摆。强制摆式又可分为大幅倾摆和小幅倾摆：大幅倾摆其倾摆角度最高可达到10°，提高常规列车曲线运行速度30%～35%，其结构复杂、成本高、不适合对现有轨道车辆改造。

因此本发明要解决的技术问题是：利用轨道车辆现有的空簧系统来实现轨道车辆的小幅倾摆，以提高轨道车辆在曲线上行驶速度，提升运营效率。

经专利检索，与本申请有一定关系的主要有以下专利：

1、申请号为“CN01116606.1”、申请日为“2001.04.13”、公开号为“CN1345673A”、公开日为“2002.04.24”、名称为“铁路车辆”、申请人为“株式会社日立制作所”的发明专利，该发明专利车身8通过空气弹簧5支承在转向架座4上。沿车身8的横方向将扭力杆11配置在转向架座4上。在扭力杆11的两端部上通过杠杆13、13配置朝着车身8内侧倾斜的连接杆15。由此可约束车身两端的摆动,但不同时约束上部和下部运动。在发生过大的作用于车身8的离心加速度时,车身随连接杆机构而倾斜。该专利是利用车辆在弯道行驶时产生的离心力，使车辆向弯道外侧偏移，使得车辆两侧的连杆角度产生变化，从而改变扭杆作用在车辆两侧的反力，使得车辆向弯道内侧倾斜，利用车辆倾斜后的重力分力来平衡离心力，是一种被动平衡方式。

2、申请号为“94104993.4”、申请日为“1994.03.30”、 公开号为“ES2101377T3”、公开日为“1997.07.01”、名称为“铁路车辆防平衡装置”、申请人为“WAGGONFABRIK TALBOTGMBH & CO”的发明专利，该发明专利描述了一种将轨道车辆上的传统机械振动支承与主动横向倾斜控制相结合的方法。其中，根据本发明，提供了至少一个可调节的连接件（10），该连接件（10）通过一个可控制的驱动元件（11）纵向可调，该驱动元件具有一个支撑件（8），该支撑件可摆动地放置在车辆的车厢外壳中或横向放置在可移动的框架上，支撑在一个可移动的机构（1，1）上，该机构在货车的一个箱体（4）的一个侧面上承受不必要的横向倾斜。通过控制连接件（10）的纵向变化，使其从一个中立的倾斜角位置开始，从而使车厢（4）主动倾斜到可移动的框架（1）上，该框架可用于改善曲线上的离心力偏移。优选地，根据本发明的组合适用于在增加舒适性和/或缩短旅行时间的意义上对传统铁路的载人车厢进行附加设备。该专利结构复杂、成本高，不适用现有轨道车辆改造。

3、申请号为“JP21044292”、申请日为“1992.08.06”、公开号为“JPH0656034A”、公开日为“1994.03.01”、名称为“机车车辆车体倾斜装置”、申请人为“NIPPON SHARYO SEIZOKK”的发明专利，该发明专利公开了一种用于机车车辆的车体倾斜装置，其中通过从超高平衡速度的大位移以及进一步通过保持安全偏心率来提高运行速度。构成：例如，在弯道行驶时，通过降低左杆47L，提升右杆47R，驱动液压执行器35R，车身1向左倾斜。此处，通过将超高中心C放置在车身1下方，将其重心移动到超高的内侧，内轮重量增加，以抵消离心力增加的外轮重量。因此，通过保持安全偏心率，可提高运行速度。这里，通过移动推拉电缆，当左/右高度调节杆的预设长度在左侧比基准值短预定量，在右/左空气弹簧5L比基准值长预定量增加时，5R在左低右高的情况下保持平衡。因此，由于产生的动作使得车身1倾向于保持超高状态，因此在曲线运行时，车身1的超高不会受到干扰。该专利结构复杂、成本高，不适用现有轨道车辆改造。

但上述专利与本申请的技术方案不相同，其倾摆系统结构复杂、成本高，不适用现有轨道车辆改造。而且连杆长度不能实现实时单向随动调节，不能提供单向抗侧滚力矩。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种轨道车辆小幅倾摆调节系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种轨道车辆小幅倾摆调节系统，包括：风缸、左空簧、右空簧及中调高阀，风缸通过中调高阀与左空簧和右空簧连接。还包括：左调高阀、左气阀一及左气阀二，右调高阀、右气阀一及右气阀二；左空簧通过左气阀一和左调高阀与风缸连接，并通过左气阀二和调高阀与风缸连接；右空簧通过右气阀一和右调高阀与风缸连接，并通过右气阀二和调高阀与风缸连接。利用左调高阀控制左空簧的高度，利用右调高阀控制右空簧的高度，在不需要信号监测及反馈系统的条件下能够实现控制两侧空簧的高差及倾摆角β。在现有轨道车辆结构的基础上，只需对轨道车辆稍加改造，就能够使轨道车辆车体产生最大3°的倾摆角，提速幅度可达10%～20%，具有结构简单、成本低的优点，具有良好的经济性和实用性，适用于现有轨道车辆的改造和大面积推广。通过提高轨道车辆曲线行驶速度，能够减少轨道车辆通过曲线时需要减速后再加速所造成的能耗；同时还能节省轨道车辆行驶时间，提升运营效率，具有很好的经济效益。本小幅倾摆调节系统具有结构简单、成本低的优点，具有良好的经济性和实用性，适用于现有轨道车辆的改造和大面积推广。

进一步地，还包括：左附加气室及右附加气室，左空簧通过左附加气室与左气阀一及左气阀二连接；右空簧通过右附加气室与右气阀一及右气阀二连接。以降低空簧的垂向刚度，使轨道车辆行驶更平稳，提高乘客的舒适度。

进一步地，左气阀一、右气阀一、左气阀二和右气阀二采用电磁阀。具有启闭速度快、容易控制的优点。

进一步地，所述轨道车辆小幅倾摆调节系统设置在空簧两点控制系统或空簧四点控制系统上。

一种采用上述轨道车辆小幅倾摆调节系统的控制方法：通过控制左空簧和右空簧的充排气，使左空簧与右空簧产生高差，从而使车体向一侧倾摆，车体与轨面形成倾摆角β；通过预设左调高及右调高阀的调节高度来控制倾摆角β，倾摆角β≤3°。

进一步地，包括单边升高倾摆法或一升一降倾摆法。

所述单边升高倾摆法是指：保持一侧空簧高度不变，提高另一侧空簧高度，使得车体向曲线内侧倾摆，具有控制简便的优点。

所述单边升高倾摆法包括下述四个步骤：

步骤一：从直线进入左转/右转缓和曲线时，保持左气阀二/右气阀二连通，关闭右气阀二/左气阀二；打开右气阀一/左气阀一，将压缩空气充入右空簧/左空簧，升高右空簧/左空簧的高度；此时中调高阀偏离预设高度，处于排气状态，左空簧/右空簧内的压缩空气通过左气阀二/右气阀二及中调高阀排出，降低左空簧/右空簧的高度，使中调高阀91回到预设平衡高度。在右空簧50/左空簧40升高到右调高阀51/左调高阀41的预设调节高度过程中，右空簧50/左空簧40升高，左空簧40/右空簧50降低，以中调高阀91的预设平衡高度为基准，达到动态平衡，使车体向左/右倾摆；当右空簧/左空簧升高到右调高阀/左调高阀的预设调节高度时，右调高阀/左调高关闭，控制右空簧/左空簧的升高高度。

步骤二：在左转/右转曲线正线行驶时，关闭左气阀二和右气阀二，关闭右气阀一和左气阀一，阻止左空簧和右空簧内的压缩空气进出，保持左空簧与右空簧的高度及倾摆角。

步骤三：从左转/右转曲线正线进入左转/右转缓和曲线时，打开左气阀二和右气阀二，使左空簧与右空簧连通，使左空簧与右空簧内的压缩空气平衡，并将过量压缩空气通过中调高阀排出，将右空簧/左空簧恢复到初始高度，使车体结束倾摆状态。

步骤四：从左转/右转缓和曲线进入直线时，使左气阀二和右气阀二连通，使左气阀一和右气阀一关闭。

所述一升一降倾摆法是指：降低一侧空簧高度、提高另一侧空簧高度，使得车体向曲线内侧倾摆。具有形成的高差大、倾摆角度大、平衡离心力大的优点。

所述一升一降倾摆法包括下述四个步骤：

步骤一：从直线进入左转/右转缓和曲线时，保持左气阀二/右气阀二连通，关闭右气阀二/左气阀二；打开右气阀一/左气阀一，将压缩空气充入右空簧/左空簧，升高右空簧/左空簧的高度；此时中调高阀偏离预设高度，处于排气状态，左空簧/右空簧内的压缩空气通过左气阀二/右气阀二及中调高阀排出，降低左空簧/右空簧的高度，使中调高阀回到预设平衡高度。在右空簧/左空簧升高到右调高阀/左调高阀的预设调节高度过程中，右空簧/左空簧升高，左空簧/右空簧降低，以中调高阀的预设平衡高度为基准，达到动态平衡，使车体向左/右倾摆；当右空簧/左空簧升高到右调高阀/左调高阀的预设调节高度时，右调高阀/左调高关闭，控制右空簧/左空簧的升高高度。

步骤二：在左转/右转曲线正线行驶时，关闭左气阀二和右气阀二，关闭右气阀一/左气阀一，阻止左空簧和右空簧内的压缩空气进出，保持左空簧与右空簧的高度及倾摆角β。

步骤三：从左转/右转曲线正线进入左转/右转缓和曲线时，打开左气阀一/右气阀一，压缩空气通过左调高阀及左气阀一/右调高阀及右气阀一充入左空簧/右空簧，升高左空簧/右空簧的高度；打开左气阀二和右气阀二，使左空簧与右空簧连通，使左空簧与右空簧内的压缩空气平衡，并将过量压缩空气通过中调高阀排出，将右空簧和左空簧恢复到初始高度，使车体结束倾摆状态。

步骤四：从左转/右转缓和曲线进入直线时，使左气阀二和右气阀二连通，使左气阀一和右气阀一关闭。

本发明的有益效果为：轨道车辆在曲线上行驶时，通过控制轨道车辆两侧空簧的充排气，使两侧空簧产生高差，使轨道车辆朝曲线内侧实现小幅倾摆，以提高轨道车辆曲线行驶的速度，提升运营效率。本发明的小幅倾摆调节系统是利用调高阀控制空簧高差，不需要信号监测及反馈系统。在现有轨道车辆结构的基础上，只需对轨道车辆稍加改造，就能够使轨道车辆车体产生最大3°的倾摆角，提速幅度可达10%～20%，具有结构简单、成本低的优点，具有良好的经济性和实用性，适用于现有轨道车辆的改造和大面积推广。通过提高轨道车辆曲线行驶速度，能够减少轨道车辆通过曲线时需要减速后再加速所造成的能耗；同时还能节省轨道车辆行驶时间，提升运营效率，具有很好的经济效益。

附图说明

图1为轨道车辆在曲线上倾摆时的示意图，

图2为小幅倾摆系统实施例一示意图，

图3为单边升高倾摆法开始向左倾摆时示意图，

图4为单边升高倾摆法向左倾摆到位时示意图，

图5为单边升高倾摆法倾摆后开始复位时示意图，

图6为单边升高倾摆法复位到初始高度时示意图，

图7为一升一降倾摆法开始向左倾摆时示意图，

图8为一升一降倾摆法向左倾摆到位时示意图，

图9为一升一降倾摆法倾摆后开始复位时示意图，

图10为一升一降倾摆法复位到初始高度时示意图，

图11为小幅倾摆系统实施例二示意图，

图中： 10—左可调连杆、171—左直通阀一、181—左直通阀二；

30—右可调连杆、371—右直通阀一、381—右直通阀二；40—左空簧、41—左调高阀、42—左气阀一、43—左气阀二；50—右空簧、51—右调高阀、52—右气阀一、53—右气阀二；60—车体；90—风缸、91—中调高阀、92—左附加气室、93—右附加气室；F—离心力、F1—离心分力、G—重力、G1—重力分力、H—两侧高差、L—轨距、α—轨道曲线超高产生的超高倾角、β—轨道车辆车体与轨面的倾摆角、Q—气流方向、U—液流方向、V—连杆随动方向。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示：在转弯曲线上，轨道设置超高（外侧轨平面高于内侧轨平面），形成超高倾角α，利用重力G在倾摆后形成的重力分力G1来平衡或部分平衡离心力F。

为了进一步提高轨道车辆曲线行驶的速度，通过技术措施使轨道车辆车体在曲线外侧的高度升高、在曲线内侧的高度降低，使车体两侧相对于轨面产生高差H，形成轨道车辆相对于轨面的倾摆角β，所形成的轨道车辆相对于水平面的倾角由α增大到α+β。利用所增大的倾摆角β，来平衡更大的离心力F。因此可以进一步提高轨道车辆曲线行驶速度，减少离心加速度，提高通过曲线时的安全性和舒适性。

本申请轨道车辆小幅倾摆调节系统实施例一如图2所示，包括：风缸90、左空簧40、右空簧50、中调高阀91、左调高阀41、左气阀一42、左气阀二43、右调高阀51、右气阀一52及右气阀二53；风缸90通过中调高阀91与左空簧40和右空簧50连接。左空簧40通过左气阀一42和左调高阀41与风缸90连接，并通过左气阀二43和中调高阀91与风缸90连接；右空簧50通过右气阀一52和右调高阀51与风缸90连接，并通过右气阀二53和中调高阀91与风缸90连接。左气阀一42、右气阀一52、左气阀二43和右气阀二53采用电磁阀。

当轨道车辆在直线或大曲率半径线路行驶时，左气阀一42和右气阀一52关闭，使左气阀二43和右气阀二53连通。风缸90内的压缩空气通过中调高阀91及左气阀二43和右气阀二53，与左空簧40和右空簧50连接，并通过中调高阀91调节轨道车辆的高度，使轨道车辆在不同的载荷下都保持同样的高度。

当轨道车辆进入弯道时，通过控制进入左空簧40和右空簧50的压缩空气。并利用左调高阀控制左空簧的高度，利用右调高阀控制右空簧的高度，在不需要信号监测及反馈系统的条件下能够实现控制两侧空簧的高差及倾摆角β。能够利用轨道车辆现有的空簧系统实现轨道车辆的小幅倾摆，具有结构简单、成本低的优点。适用于现有轨道车辆改造，以提高轨道车辆在曲线上行驶速度，提升运营效率。

本申请轨道车辆小幅倾摆调节系统实施例二如图11所示，与实施例一所不同的是还包括：左附加气室92及右附加气室93，左空簧40通过左附加气室92与左气阀一42及左气阀二43连接；右空簧50通过右附加气室93与右气阀一52及右气阀二53连接。以降低空簧的垂向刚度，使轨道车辆行驶更平稳，提高乘客的舒适度。

本申请的轨道车辆小幅倾摆调节系统能够用于空簧两点控制系统或空簧四点控制系统的改造升级，使常用的轨道车辆通过改造升级后具备小幅倾摆功能，以提高轨道车辆在曲线上行驶速度，提升运营效率。

采用上述轨道车辆小幅倾摆调节系统的控制方法包括：单边升高倾摆法或一升一降倾摆法。是通过控制左空簧40和右空簧50的充排气，使左空簧40与右空簧50产生高差，从而使车体60向一侧倾摆，车体60与轨面的倾摆角β；通过预设左调高41及右调高阀51的调节高度来控制倾摆角β，使倾摆角β≤3°。

如图3至6所示，所述单边升高倾摆法是指：保持一侧空簧高度不变、提高另一侧空簧高度，使得车体60向曲线内侧倾摆。

当采用单边升高倾摆法左转时包括以下步骤：

步骤一：如图3至4所示，从直线进入左转缓和曲线时，关闭左气阀二43和右气阀二53，阻止左空簧40和右空簧50内的压缩空气通过中调高阀91排出；使左气阀一42保持关闭状态，保持左空簧40的初始高度；打开右气阀一52，将压缩空气充入右空簧50，升高右空簧50的高度，使车体60向左倾摆；当右空簧50升高到右调高阀51的预设调节高度时，右调高阀51关闭，控制右空簧50的升高高度。

步骤二：如图4所示，在左转曲线正线行驶时，关闭右气阀一52，阻止压缩空气进出右空簧50，保持右空簧50高度及倾摆角β。

步骤三：如图5至6所示，从左转曲线正线进入左转缓和曲线时，打开左气阀二43和右气阀二53，使左空簧40与右空簧50连通，使左空簧40与右空簧50内的压缩空气平衡，并将过量压缩空气通过中调高阀91排出，将右空簧50恢复到初始高度，使车体60结束倾摆状态。

步骤四：如图2所示，从左转缓和曲线进入直线时，使左气阀二43和右气阀二53连通，使左气阀一42和右气阀一52关闭。

当采用单边升高倾摆法右转时包括以下步骤：

步骤一：从直线当进入右转缓和曲线时，关闭左气阀二43和右气阀二53，阻止左空簧40和右空簧50内的压缩空气通过中调高阀91排出；使右气阀一52保持关闭状态，保持右空簧50的初始高度；打开左气阀一42，将压缩空气充入左空簧40，升高左空簧40的高度，使车体60向右倾摆；当左空簧40升高到左调高41的预设调节高度时，左调高41关闭，控制左空簧40的升高高度。

步骤二：在右转曲线正线行驶时，关闭左气阀一42，阻止压缩空气进出左空簧40，保持左空簧40高度及倾摆角β。

步骤三：从右转曲线正线进入右转缓和曲线时，打开左气阀二43和右气阀二53，使左空簧40与右空簧50连通，使左空簧40与右空簧50内的压缩空气平衡，并将过量压缩空气通过中调高阀91排出，将右空簧50左空簧40恢复到初始高度，使车体60结束倾摆状态。

步骤四：从右转缓和曲线进入直线时，使左气阀二43和右气阀二53连通，使左气阀一42和右气阀一52关闭。

如图7至10所示，所述一升一降倾摆法是指：降低一侧空簧高度、提高另一侧空簧高度，使得车体（60）向曲线内侧倾摆。

当采用一升一降倾摆法左转时包括以下步骤：

步骤一：如图7至8所示，从直线进入左转缓和曲线时，保持左气阀二43连通，关闭右气阀二53；打开右气阀一52，将压缩空气充入右空簧50，升高右空簧50的高度；此时中调高阀91偏离预设高度，处于排气状态，左空簧40内的压缩空气通过左气阀二43及中调高阀91排出，降低左空簧40的高度，使中调高阀91回到预设平衡高度。在右空簧50升高到右调高阀51的预设调节高度过程中，右空簧50升高，左空簧40降低，以中调高阀91的预设平衡高度为基准，达到动态平衡，使车体60向左倾摆。当右空簧50升高到右调高阀51的预设调节高度时，右调高阀51关闭，控制右空簧50的升高高度。

步骤二：如图8所示，在左转曲线正线行驶时，关闭左气阀二43和右气阀二53，关闭右气阀一52，阻止左空簧40和右空簧50内的压缩空气进出，保持左空簧40与右空簧50的高度及倾摆角β。

步骤三：如图9至10所示，从左转曲线正线进入左转缓和曲线时，打开左气阀一42，压缩空气通过左调高阀41及左气阀一42充入左空簧40/右空簧50，升高左空簧40的高度；打开左气阀二43和右气阀二53，使左空簧40与右空簧50连通，使左空簧40与右空簧50内的压缩空气平衡，并将过量压缩空气通过中调高阀91排出，将右空簧50/左空簧40恢复到初始高度，使车体60结束倾摆状态。

步骤四：如图2所示，从右转缓和曲线进入直线时，使左气阀二43和右气阀二53连通，使左气阀一42和右气阀一52关闭。

当采用一升一降倾摆法右转时包括以下步骤：

步骤一：从直线当进入右转缓和曲线时，保持右气阀二53连通，关闭左气阀二43；打开左气阀一42，将压缩空气充入左空簧40，升高左空簧40的高度；此时中调高阀91偏离预设高度，处于排气状态，右空簧50内的压缩空气通过右气阀二53及中调高阀91排出，降低右空簧50的高度，在左空簧40升高到左调高阀41的预设调节高度过程中，左空簧40升高，右空簧50降低，以中调高阀91的预设平衡高度为基准，达到动态平衡，使车体60向右倾摆。当左空簧40升高到左调高阀41的预设调节高度时，左调高41关闭，控制左空簧40的升高高度。

步骤二：在右转曲线正线行驶时，关闭左气阀二43和右气阀二53，关闭左气阀一42，阻止左空簧40和右空簧50内的压缩空气进出，保持左空簧40与右空簧50的高度及倾摆角β。

步骤三：从右转曲线正线进入右转缓和曲线时，打开右气阀一52，压缩空气通过右调高阀51及右气阀一52充入右空簧50，升高右空簧50的高度；打开左气阀二43和右气阀二53，使左空簧40与右空簧50连通，使左空簧40与右空簧50内的压缩空气平衡，并将过量压缩空气通过中调高阀91排出，将左空簧40恢复到初始高度，使车体60结束倾摆状态。

步骤四：从右转缓和曲线进入直线时，使左气阀二43和右气阀二53连通，使左气阀一42和右气阀一52关闭。

综上所述，本发明的有益效果为：轨道车辆在曲线上行驶时，通过控制轨道车辆两侧空簧的充排气，使两侧空簧产生高差，使轨道车辆朝曲线内侧实现小幅倾摆，以提高轨道车辆曲线行驶的速度，提升运营效率。本发明的小幅倾摆调节系统是利用调高阀控制空簧高差，不需要信号监测及反馈系统。在现有轨道车辆结构的基础上，只需对轨道车辆稍加改造，就能够使轨道车辆车体产生最大3°的倾摆角，提速幅度可达10%～20%，具有结构简单、成本低的优点，具有良好的经济性和实用性，适用于现有轨道车辆的改造和大面积推广。通过提高轨道车辆曲线行驶速度，能够减少轨道车辆通过曲线时需要减速后再加速所造成的能耗；同时还能节省轨道车辆行驶时间，提升运营效率，具有很好的经济效益。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。