一种用于高速列车的主动抗侧风系统及其方法

1.本发明涉及高速列车技术领域，具体涉及一种用于高速列车的主动抗侧风系统及其方法。


背景技术：

2.伴随着我国铁道车辆速度高速化与车体材料的轻量化的发展，高速列车横向气动性能越来越受人们关注。在强侧风作用下，其空气动力学性能和列车运行的稳定性都将受到很大影响，由侧风效应所导致的列车失稳和倾覆问题在世界各国时有发生。侧风已经成为影响高速列车运行安全的重要因素之一，因此，尽量采取相应措施加强列车的抗侧风能力来保证其运行安全具有实际意义。
3.列车在曲线上受到侧风作用时的主要运动形式为横移与侧滚，二者耦合作用对列车的行车安全造成隐患。针对高速列车在侧风作用下的防护装置可以主要从两个方面入手——即控制车体的横移与侧滚运动。
4.目前主要采取的措施是在高速列车转向架的中央悬挂装置(二系悬挂装置)中加装抗侧滚扭杆和横向减振器，经实际运行证明，传统抗侧滚扭杆装置对于高速列车在侧风作用下的倾覆稳定性确实有所提高，但随着扭杆刚度增大到一定范围后其效果不再明显。而普通二系横向减振其悬挂参数特定，不能随车辆运行工况的改变而调节，车辆运行的最优性能只能在特定运行情况下才能获得。当车辆过曲线侧风增大时，往往不能完全与车体发生作用，列车的倾覆稳定性得不到保障。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于高速列车的主动抗侧风系统及其方法，以解决现有的高速列车受侧风影响所导致的倾覆稳定性的问题。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
7.本发明提供一种用于高速列车的主动抗侧风系统，所述高速列车包括车体和构架，所述主动抗侧风系统包括：主动抗侧滚扭杆子系统、主动横向减振子系统和传感子系统，所述主动抗侧滚扭杆子系统和所述主动横向减振子系统分别设置于所述车体和所述构架之间，所述传感子系统设置于所述车体上，以用于获取高速列车的侧滚数据和所述高速列车的横移数据，并将所述侧滚数据和所述横移数据传输至远端。
8.可选择地，所述主动抗侧滚扭杆子系统包括：圆扭杆，所述圆扭杆具有彼此相对设置的两个端部；扭臂，所述扭臂具有第一连接端和第二连接端，每个所述端部分别连接所述第一连接端；以及竖直作动器，所述第二连接端连接有所述竖直作动器，且所述竖直作动器远离所述第二连接端的一端连接所述车体；所述圆扭杆、所述扭臂和所述竖直作动器在空间内两两相互垂直，且所述竖直作动器的长度延伸方向为竖直方向。
9.可选择地，所述传感子系统包括位移传感器、车速传感器和风速传感器，所述位移传感器设置于所述车体的底部，且位于所述车体宽度的中线上，以用于获取所述车体在竖
直方向上的位移数据；所述车速传感器和所述风速传感器设置于所述车体的相对两侧，以分别获取驾驶时所述高速列车的车速数据和风速数据。
10.可选择地，所述车体下方竖直设置有横向止挡，所述主动横向减振子系统包括：平行于所述车体宽度方向设置的水平作动器，所述水平作动器一端固设于所述横向止挡上，另一端固设于所述构架上。
11.可选择地，所述传感子系统还包括横向位移传感器，所述横向位移传感器设置于所述车体底部，且位于所述车体宽度的中线上；所述横向位移传感器用于获取所述高速列车构架在所述车体宽度方向上的位移数据。
12.本发明还提供一种根据上述的用于高速列车的主动抗侧风系统的主动抗侧风方法，所述主动抗侧风方法包括：
13.利用所述主动抗侧滚扭杆子系统对所述高速列车进行主动抗侧滚操作；
14.利用所述主动抗横移减振子系统对所述高速列车进行主动抗横移操作。
15.可选择地，所述利用所述主动抗侧滚扭杆子系统对所述高速列车进行主动抗侧滚操作包括：
16.s1：获取所述高速列车的侧滚数据，其中，所述侧滚数据包括所述车体在竖直方向上的位移数据、驾驶时所述高速列车的车速和风速；
17.s2：根据所述侧滚数据，得到竖直作动器的侧滚位移；
18.s3：判断所述侧滚位移是否小于第一预设阈值，若是，返回步骤s1，否则，进入步骤s4；
19.s4：根据所述第一预设阈值和所述侧滚位移之间的差值，得到主动抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数；
20.s5：根据所述主动抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数，得到所述竖直作动器的输出位移与作用力；
21.s6：根据所述竖直作动器的输出位移与作用力，得到复原侧滚力矩；
22.s7：利用所述复原侧滚力矩，实现所述主动抗侧滚。
23.可选择地，所述步骤s4中，所述主动抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数为：
[0024][0025]
其中，k为主动式抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数；yb表示车体重心横移量；f
l
表示侧风引起的升力；mb表示车体质量的一半；b表示轮轨接触点横向跨距的一半；e表示风压作用中心与车体重心的间距；车体侧滚角位移；h
gb
为车体重心至轨面的距离；μ为构架质量与车体质量的一半的比值；h
gt
为构架重心至轨面的距离；au为列车未平衡时的离心加速度；ay为高速列车横向振动加速度；d为所述高速列车的倾覆系数；h
bc
风压作用中心至轨面距离且cm为气动力矩系数；fs为侧风力且u为风速；ρ为空气密度，s表示接触面积。
[0026]
可选择地，所述利用所述主动抗横移减振子系统对所述高速列车进行主动抗横移操作包括：
[0027]
a1：获取所述高速列车的横移数据；其中，所述横移数据包括所述横向止挡在所述车体宽度方向上的横向位移；
[0028]
a2：判断所述横向位移是否小于横移限制，若是，返回步骤a1；否则，进入步骤a3；
[0029]
a3：控制水平作动器输出作用力；
[0030]
a4：利用所述水平作动器的输出作用力，实现所述主动抗横移。
[0031]
本发明具有以下有益效果：
[0032]
一、本系统通过引入作动器的概念，将其作为主动控制的核心部件，较之前的系统来说，主动抗侧滚子系统可以得到输出位移与倾覆稳定性的关系。该系统不仅考虑了侧滚的影响，还考虑了侧风给车辆带来的横移影响。
[0033]
主动抗侧滚扭杆子系统对于抑制车体的侧滚位移具有较好的效果，主动防横移子系统对于控制车体与构架间的相对横移也具有明显的作用，该装置的安装使得高速列车行车安全得到保障。
[0034]
二、本系统结构简单，操作方便；同时安装传感器使测量值精确，反馈至控制器实现闭环控制，数据更加真实、可靠。
附图说明
[0035]
图1为本发明所提供的主动抗侧滚扭杆子系统的立体结构示意图；
[0036]
图2为本发明所提供的主动抗侧风系统的结构示意图1；
[0037]
图3为本发明所提供的主动抗侧风系统的结构示意图2；
[0038]
图4为本发明所提供的用于高速列车的主动抗侧风方法流程图1；
[0039]
图5为本发明所提供的用于高速列车的主动抗侧风方法流程图2。
[0040]
附图标记说明
[0041]
1-竖直作动器；2-扭臂；3-圆扭杆；4-水平作动器；5-横向位移传感器；6-位移传感器；7-车速传感器；8-风速传感器；12-空气弹簧。
具体实施方式
[0042]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0043]
实施例
[0044]
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
[0045]
本发明提供一种用于高速列车的主动抗侧风系统，所述高速列车包括车体和构架，所述主动抗侧风系统包括：主动抗侧滚扭杆子系统、主动横向减振子系统和传感子系统，所述主动抗侧滚扭杆子系统和所述主动横向减振子系统分别设置于所述车体和所述构架之间，所述传感子系统设置于所述车体上，以用于获取高速列车的侧滚数据和所述高速列车的横移数据，并将所述侧滚数据和所述横移数据传输至远端。
[0046]
一、本系统通过引入作动器的概念，将其作为主动控制的核心部件，较之前的系统来说，主动抗侧滚子系统可以得到输出位移与倾覆稳定性的关系。该系统不仅考虑了侧滚
的影响，还考虑了侧风给车辆带来的横移影响。
[0047]
主动抗侧滚扭杆子系统对于抑制车体的侧滚位移具有较好的效果，主动防横移子系统对于控制车体与构架间的相对横移也具有明显的作用，该装置的安装使得高速列车行车安全得到保障。
[0048]
二、本系统结构简单，操作方便；同时安装传感器使测量值精确，反馈至控制器实现闭环控制，数据更加真实、可靠。
[0049]
可选择地，参考图1和图2所示，所述主动抗侧滚扭杆子系统包括：圆扭杆3，所述圆扭杆3具有彼此相对设置的两个端部；扭臂2，所述扭臂2具有第一连接端和第二连接端，每个所述端部分别连接所述第一连接端；以及竖直作动器1，所述第二连接端连接有所述竖直作动器1，且所述竖直作动器1远离所述第二连接端的一端连接所述车体；所述圆扭杆3、所述扭臂2和所述竖直作动器1在空间内两两相互垂直，且所述竖直作动器1的长度延伸方向为竖直方向。
[0050]
这里，竖直作动器1可以进行伸缩变化，通过外力源以输出作用力，从而对圆扭杆3和扭臂2产生侧滚力矩，控制车体的侧滚角位移。
[0051]
可选择地，参考图2所示，所述传感子系统包括位移传感器6、车速传感器7和风速传感器8，所述位移传感器设置于所述车体的底部，且位于所述车体宽度的中线上，以用于获取所述车体在竖直方向上的位移数据；所述车速传感器7和所述风速传感器8设置于所述车体的相对两侧，以分别获取驾驶时所述高速列车的车速数据和风速数据。
[0052]
位移传感器6安装在待测车体下方、两个空气弹簧12中间。其工作过程表示如下：
[0053]
高速列车在线路上运行受到侧风作用产生侧滚，引起构架二系悬挂装置的左右空气弹簧12产生垂向位移高度差δh；该高度差可以通过侧滚角θ和两空簧之间距离l计算得到:δh＝l*tanθ。
[0054]
根据要求规定侧滚角的限值θmax，从而在反馈控制器中预先设置好左右空簧产生位移高度差限值δhmax。
[0055]
通过安装在车体下方的位移传感器6确定二系空簧实际垂向位移差δh，将实际位移差与位移差限值进行比较，判断主动抗侧滚扭杆是否需要提供额外作用力。当车辆受到横风发生侧滚时，车体实际二系空簧垂向位移差为δh；当δh《δhmax,反馈控制器不对作动器进行控制，此时作动器和传统抗侧滚扭杆中刚性连杆作用一样，不对车辆产生影响；而当δh》δhmax时,作动器需要提供额外作用力。
[0056]
在加入主动抗侧滚扭杆子系统后，车辆的倾覆系数d计算表达式如下：
[0057][0058]
其中，d为所述高速列车的倾覆系数；k为主动抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数；h
bc
风压作用中心至轨面距离且cm为气动力矩系数；fs为侧风力且
u为风速。
[0059]
主动抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数k为：
[0060][0061]
其中，k为主动式抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数；yb表示车体重心横移量；f
l
表示侧风引起的升力；mb表示车体质量的一半；b表示轮轨接触点横向跨距的一半；e表示风压作用中心与车体重心的间距；车体侧滚角位移；h
gb
为车体重心至轨面的距离；μ为构架质量与车体质量的一半的比值；h
gt
为构架重心至轨面的距离；au为列车未平衡时的离心加速度；ay为高速列车横向振动加速度；d为所述高速列车的倾覆系数；h
bc
风压作用中心至轨面距离且cm为气动力矩系数；fs为侧风力且u为风速；ρ为空气密度，s表示接触面积。
[0062]
在行使过程中，高速列车的运行速度和风速不断改变，而列车的倾覆系数会受其影响；在实际情况作用下，当倾覆系数的计算值不小于0.8时，车体已经达到发生倾覆的临界值，故在程序计算结果中，将倾覆系数临界值的取值视为0.8。在反馈控制器中设定一个合适的倾覆系数范围，从而合理选择主动抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数k，可以使控制具有更好的效果。
[0063]
从而根据控制算法对作动器施行主动控制，一端拉伸另一端收缩，输出作用力产生与车体侧滚方向相反的复原力矩以抵消部分侧滚角位移，直至δh《δh max。
[0064]
车体的侧滚运行姿态逐渐减小，增强其抗倾覆稳定性。
[0065]
对于受侧风影响的高速列车，产生侧滚力的同时，往往伴随着横移，因此安装一个主动防横移子系统来减少车体在受侧风时的横移。可选择地，参考图3所示，所述车体下方竖直设置有横向止挡，所述主动横向减振子系统包括：平行于所述车体宽度方向设置的水平作动器4，所述水平作动器4一端固设于所述横向止挡上，另一端固设于所述构架上。
[0066]
可选择地，所述传感子系统还包括横向位移传感器5，所述横向位移传感器5设置于所述车体底部，且位于所述车体宽度的中线上；所述横向止挡活动设置于所述车体上，所述横向位移传感器5用于获取所述高速列车构架在所述车体宽度方向上的位移数据。
[0067]
当车体转向架位移δx超限，反馈控制器接受到信号后，水平作动器4开始作用。车体上安装有横向位移传感器5，当水平作动器4作用，位移传感器5移动到设定的区域内，水平作动器4停止作用，该水平作动器4具有自动对中功能。
[0068]
具体工作过程如下：
[0069]
高速列车在线路上运行受到侧风作用产生横移运动，引起转向架与车体产生相对横向位移，横移量越来越大；
[0070]
在反馈控制器中预先设置好横向位移传感器5允许的横移量限值δxmax；
[0071]
将实际横移量与横移量限值进行比较，当δx《δxmax,反馈控制器不对作动器进
行控制，不对车辆产生影响；当实际横移量δx》δxmax时,水平作动器4需要提供额外水平作用力。
[0072]
在控制器中设置一个对中区间，当实际横移量δx》δxmax水平作动器4产生作用力时，横移量逐渐减小，当安装在车体上的横向位移传感器5到达指定对中区间内，传回至反馈控制器，水平作动器4停止输出作用力，表明对中完毕。
[0073]
车体横移量得到减小，车辆的抗倾覆稳定性得到提升。
[0074]
本发明还提供一种根据上述的用于高速列车的主动抗侧风系统的主动抗侧风方法，所述主动抗侧风方法包括：
[0075]
利用所述主动抗侧滚扭杆子系统对所述高速列车进行主动抗侧滚操作；
[0076]
利用所述主动抗横移减振子系统对所述高速列车进行主动抗横移操作。
[0077]
可选择地，参考图4所示，所述利用所述主动抗侧滚扭杆子系统对所述高速列车进行主动抗侧滚操作包括：
[0078]
s1：获取所述高速列车的侧滚数据，其中，所述侧滚数据包括所述车体在竖直方向上的位移数据、驾驶时所述高速列车的车速和风速；
[0079]
s2：根据所述侧滚数据，得到竖直作动器1的侧滚位移；
[0080]
s3：判断所述侧滚位移是否小于第一预设阈值，若是，返回步骤s1，否则，进入步骤s4；
[0081]
s4：根据所述第一预设阈值和所述侧滚位移之间的差值，得到主动抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数；
[0082]
s5：根据所述主动抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数，得到所述竖直作动器1的输出位移与作用力；
[0083]
s6：根据所述竖直作动器1的输出位移与作用力，得到复原侧滚力矩；
[0084]
s7：利用所述复原侧滚力矩，实现所述主动抗侧滚。
[0085]
可选择地，所述步骤s4中，所述主动抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数为：
[0086][0087]
其中，k为主动式抗侧滚扭杆输出力矩控制比例系数；yb表示车体重心横移量；f
l
表示侧风引起的升力；mb表示车体质量的一半；b表示轮轨接触点横向跨距的一半；e表示风压作用中心与车体重心的间距；车体侧滚角位移；h
gb
为车体重心至轨面的距离；μ为构架质量与车体质量的一半的比值；h
gt
为构架重心至轨面的距离；au为列车未平衡时的离心加速度；ay为高速列车横向振动加速度；d为所述高速列车的倾覆系数；h
bc
风压作用中心至轨面距离且cm为气动力矩系数；fs为侧风力且u为风速；ρ为空气密度，s表示接触面积。
[0088]
可选择地，参考图5所示，所述利用所述主动抗横移减振子系统对所述高速列车进行主动抗横移操作包括：
[0089]
a1：获取所述高速列车的横移数据；其中，所述横移数据包括所述横向止挡在所述车体宽度方向上的横向位移；
[0090]
a2：判断所述横向位移是否小于横移限制，若是，返回步骤a1；否则，进入步骤a3；
[0091]
a3：控制水平作动器4输出作用力；
[0092]
a4：利用所述水平作动器4的输出作用力，实现所述主动抗横移。
[0093]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。