一种自适应抗蛇形运动系统及其控制方法与流程

本发明涉及轨道交通车辆领域，特别是一种自适应抗蛇形运动系统及其控制方法。

背景技术：

目前，高速动车组上普遍要求安装抗蛇形减振器，用于提高车辆在直线轨道高速行驶时的稳定性，防止车体发生蛇形运动。抗蛇形减振器安装于转向架与车体之间，一端连接车体安装座，另一端连接转向架安装座。

抗蛇形减振器有两个关键特性参数：卸荷速度和卸荷力。卸荷力与卸荷速度比值称为减振器的阻尼系数，若阻尼系数越大，则抗蛇形减振器的抗蛇形运动特性越好，有利于提高车辆临界速度。但阻尼系数越大，同时会使转向架相对于车体的摇头运动越困难，转向架相对于车体的摇头角度相对减小，车辆轮对与钢轨的冲角增大，降低了车辆的曲线通过性能。

根据以上分析，高速车辆在直线上稳定性（临界速度）与小曲线（通常指曲线半径小于150m的曲线）通过性能是矛盾的。现有技术中，通常高速车辆安装的抗蛇形减振器为普通油压减振器，普通油压减振器在任何工况下特性参数是固定不变的，其阻尼特性在直线稳定性和曲线通过性能上无法兼顾，只能折中设计。

中国专利cn110360263a公开了一种半主动抗蛇形减振器及减振系统、车辆，用以解决现有技术中传统的抗蛇形减振器因性能参数不能调整导致的各种缺陷。该技术方案通过数据采集机构将实时工作参数反馈给控制器，控制器据此计算出抗蛇形减振器所需要的阻尼力，并输出信号到可调电磁阀，通过电磁阀调节抗蛇形减振器的阻尼力，该发明属于是一种主动控制的思路，结构比较复杂。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种自适应抗蛇形运动系统及其控制方法，该自适应抗蛇形运动系统及其控制方法在直线轨道上行驶时输出的阻尼系数增大，在小曲线轨道上行驶时输出的阻尼系数减小，解决了现有抗蛇形减振器在直线稳定性与曲线通过性能上的矛盾。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种自适应抗蛇形运动系统，其结构特点是，包括第一双杆伸缩油缸、第二双杆伸缩油缸、第一阻尼模块、第二阻尼模块、第三阻尼模块、第四阻尼模块、弯道传感器；

所述第一双杆伸缩油缸与第二双杆伸缩油缸之间连接形成一条串联油路，所述串联油路分为第一段干路、第二段干路；

所述第一段干路的两端分别与所述第一双杆伸缩油缸的第一油腔、第二双杆伸缩油缸的第一油腔相连接，所述第一阻尼模块、第二阻尼模块串联设在所述第一段干路中；

所述第二段干路的两端分别与所述第一双杆伸缩油缸的第二油腔、第二双杆伸缩油缸的第二油腔相连接，所述第三阻尼模块、第四阻尼模块串联设在所述第二段干路中；

所述弯道传感器分别与第一阻尼模块、第二阻尼模块、第三阻尼模块、第四阻尼模块相连接，用于调节所述第一段干路、第二段干路的阻尼力。

本发明的自适应抗蛇形运动系统包括2个双杆伸缩油缸、4个阻尼模块，2个双杆伸缩油缸对称布置在车体的两侧，当车辆通过不同的轨道工况时，转向架与车体之间会发生相应的摇头转角，由此带动双杆伸缩油缸的拉伸或压缩动作；每个阻尼模块的组成结构和参数设置一致，2个双杠伸缩油缸的第一油腔与第一阻尼模块、第二阻尼模块串联形成第一段干路，2个双杠伸缩油缸的第二油腔与第三阻尼模块、第四阻尼模块串联形成第二段干路。弯道传感器安装在车体底架或转向架上，用于实时检测车辆行走的轨道线路工况，并输出相应的信号控制第一阻尼模块、第二阻尼模块、第三阻尼模块、第四阻尼模块的阻尼力，从而使得在不同的轨道线路工况中，两段干路为抗蛇形运动系统提供相应的阻尼力。

本发明利用双杆伸缩油缸与阻尼模块配合实现减振功能，根据弯道传感器的检测信号输出到电磁阀，电磁阀仅控制液压系统中相应的阻尼阀中节流阀的开、关状态，从而调整抗蛇形运动系统的阻尼系数，使车辆通过直线轨道行驶时产生的阻尼力f1大于车辆通过曲线轨道行驶时产生的阻尼力f2，在直线上时有较大的阻尼，提高列车的直线上临界速度；在小曲线弯道上时有较小的阻尼，保证良好的曲线通过性能，解决现有车辆在直线稳定性与曲线通过性能的矛盾。整个液压系统是根据线路情况被动控制、自动适应，不过度依赖控制信号，整体结构简单、使用方便。

进一步的，所述第一阻尼模块包括第一电磁阀、第一节流阀a、第一节流阀b、第一单向阀，所述第一节流阀a、第一节流阀b、第一单向阀并联连接，所述第一电磁阀与所述第一节流阀a串联连接；所述第二阻尼模块包括第二电磁阀、第二节流阀a、第二节流阀b、第二单向阀，所述第二节流阀a、第二节流阀b、第二单向阀并联连接，所述第二电磁阀与所述第二节流阀a串联连接；

第三阻尼模块包括第三电磁阀、第三节流阀a、第三节流阀b、第三单向阀，所述第三节流阀a、第三节流阀b、第三单向阀并联连接，所述第三电磁阀与所述第三节流阀a串联连接；

第四阻尼模块包括第四电磁阀、第四节流阀a、第四节流阀b、第四单向阀，所述第四节流阀a、第四节流阀b、第四单向阀并联连接，所述第四电磁阀与所述第四节流阀a串联连接；

所述第二阻尼模块中的第二单向阀与所述第一阻尼模块中的第一单向阀的方向相反；所述第三阻尼模块中的第三单向阀与所述第四阻尼模块中的第四单向阀的方向相反。优选的，所述第二阻尼模块、第三阻尼模块、第四阻尼模块的组成与所述第一阻尼模块相同；

每个阻尼模块中均设有电磁阀、节流阀a、节流阀b和单向阀，由电磁阀控制节流阀a所在液压油路的通断，电磁阀为常开状态，节流阀a和节流阀b为阻尼模块提供合适的阻尼力。通过电磁阀的开闭控制，使阻尼模块输出不同的阻尼系数。

进一步的，所述弯道传感器分别与所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀相连接。弯道传感器为各个阻尼模块的电磁阀提供弯道检测信号。当车辆行驶在直线轨道时，弯道传感器输出为低电平或输出检测信号为0，使电磁阀断开，节流阀a单独起作用；当车辆行驶在小曲线轨道时，弯道传感器输出为高电平或输出检测信号为1，使电磁阀连通，节流阀a和节流阀b共同起作用，此时阻尼模块提供的等效阻尼减小。

进一步的，所述第一阻尼模块和/或第二阻尼模块和/或第三阻尼模块和/或第四阻尼模块中并联设有至少一个节流阀。每个阻尼模块中的节流阀数量不限于2个，可以是3个、4个或多个并联，每个阻尼模块中的节流阀数量可以相同，也可以不同，可根据实际工况计算所需的阻尼力，从而通过控制每个阻尼模块中的节流阀数量来控制所在干路输出的阻尼系数。

进一步的，所述第一阻尼模块、第二阻尼模块、第三阻尼模块、第四阻尼模块中分别并联设有第一限压阀、第二限压阀、第三限压阀、第四限压阀。限压阀用于限制阻尼模块的最大阻尼力。

进一步的，所述第一双杆伸缩油缸的第一油腔、第二双杆伸缩油缸的第一油腔呈对称布置于车体的两侧；所述第一双杆伸缩油缸的第二油腔、第二双杆伸缩油缸的第二油腔呈对称布置于转向架的两侧。当车辆通过不同的轨道工况时，转向架与车体之间会发生相应的摇头转角，由此带动双杆伸缩油缸的拉伸或压缩动作。

进一步的，所述第一双杆伸缩油缸的第一油腔、第二双杆伸缩油缸的第一油腔通过球铰分别与车体两侧的第一车体安装座、第二车体安装座相连接；所述第一双杆伸缩油缸的第二油腔、第二双杆伸缩油缸的第二油腔通过球铰分别与转向架两侧的第一转向架安装座、第二转向架安装座相连接。

基于同一种发明构思，本发明还提出一种自适应抗蛇形运动系统的控制方法。

一种自适应抗蛇形运动系统的控制方法，包括如前所述的自适应抗蛇形运动系统，其特点是：

当弯道传感器的输出信号使所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀均断开时；

在第一段干路中，油液通过所述第一阻尼模块中的第一节流阀b或所述第二阻尼模块中的第二节流阀b，产生的阻尼力为f1；

在第二段干路中，油液通过所述第三阻尼模块中的第三节流阀b或所述第四阻尼模块中的第四节流阀b，产生的阻尼力为f1；

当弯道传感器的输出信号使所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀均连通时；

在第一段干路中，油液同时通过所述第一阻尼模块中的第一节流阀a、第一节流阀b，或者，油液同时通过所述第二阻尼模块中的第二节流阀a、第二节流阀b，产生的阻尼力为f2；

在第二段干路中，油液同时通过所述第三阻尼模块中的第三节流阀a、第三节流阀b，或者，油液同时通过所述第四阻尼模块中的第四节流阀a、第四节流阀b，产生的阻尼力为f2。

优选的，f1>f2。

进一步的，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀均为常开电磁阀，所述弯道传感器设在车体底架或转向架上，当车体通过直线轨道行驶时，所述弯道传感器输出为低电平或输出检测信号为0；当车体通过小曲线轨道行驶时，所述弯道传感器输出为高电平或输出检测信号为1。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1）本发明的自适应抗蛇形运动系统及其控制方法通过弯道传感器的检测信号控制，可以满足车辆行驶在直线和弯道上时对阻尼的不同需求。在直线上时有较大的阻尼，提高列车的直线上临界速度；在小曲线弯道上时有较小的阻尼，保证良好的曲线通过性能，解决现有车辆在直线稳定性与曲线通过性能的矛盾。

2）本发明的自适应抗蛇形运动系统及其控制方法利用本领域常规的双杆伸缩油缸（无控制或数据采集功能）与阻尼模块配合使用实现减振功能。根据弯道传感器的检测信号输出到电磁阀，电磁阀仅控制液压系统中相应的阻尼阀中节流阀的开、关状态，从而调整抗蛇形运动系统的阻尼系数，整个液压系统是根据线路情况被动控制、自动适应，不过度依赖控制信号，整体结构简单、使用方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明一实施例的液压原理图。

图2为本发明一实施例的各阻尼模块的组成图。

图3为本发明一实施例在直线轨道上的液压流向图。

图4为本发明一实施例在弯道上的液压流向图。

附图标记：

1-第一阻尼模块；2-第二阻尼模块；3-第三阻尼模块；4-第四阻尼模块；5-第一双杆伸缩油缸；6-第二双杆伸缩油缸；7-弯道传感器；

51-第一双杆伸缩油缸的第一油腔；52-第一双杆伸缩油缸的第二油腔；

61-第二双杆伸缩油缸的第一油腔；62-第二双杆伸缩油缸的第二油腔；

81-第一车体安装座；82-第二车体安装座；

91-第一转向架安装座；92-第二转向架安装座；

pa-第一段干路；pb-第二段干路；

cv1-第一单向阀；cv2-第二单向阀；cv3-第三单向阀；cv4-第四单向阀；

mv1-第一电磁阀；mv2-第二电磁阀；mv3-第三电磁阀；mv4-第四电磁阀；

pv1-第一限压阀；pv2-第二限压阀；pv3-第三限压阀；pv4-第四限压阀；

tv11-第一节流阀a；tv12-第一节流阀b;

tv21-第二节流阀a；tv22-第二节流阀b;

tv31-第三节流阀a；tv32-第三节流阀b;

tv41-第四节流阀a；tv42-第四节流阀b。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明至少一个实施例提供一种自适应抗蛇形运动系统，如图1、图2所示，包括第一双杆伸缩油缸5、第二双杆伸缩油缸6、第一阻尼模块1、第二阻尼模块2、第三阻尼模块3、第四阻尼模块4、弯道传感器7；所述第一双杆伸缩油缸5与第二双杆伸缩油缸6之间连接形成一条串联油路，所述串联油路分为第一段干路pa、第二段干路pb；所述第一段干路pa的两端分别与所述第一双杆伸缩油缸的第一油腔51、第二双杆伸缩油缸的第一油腔61相连接，所述第一阻尼模块1、第二阻尼模块2串联设在所述第一段干路pa中；所述第二段干路pb的两端分别与所述第一双杆伸缩油缸的第二油腔52、第二双杆伸缩油缸的第二油腔62相连接，所述第三阻尼模块3、第四阻尼模块4串联设在所述第二段干路pb中；所述弯道传感器7分别与第一阻尼模块1、第二阻尼模块2、第三阻尼模块3、第四阻尼模块4相连接，用于调节所述第一段干路pa、第二段干路pb的阻尼力。所述第一双杆伸缩油缸的第一油腔51、第二双杆伸缩油缸的第一油腔61通过球铰分别与车体两侧的第一车体安装座81、第二车体安装座82相连接，呈对称布置于车体的两侧；所述第一双杆伸缩油缸的第二油腔52、第二双杆伸缩油缸的第二油腔62通过球铰分别与转向架两侧的第一转向架安装座91、第二转向架安装座92相连接，呈对称布置于转向架的两侧。

结合图2释明每个阻尼模块的组成结构：所述第一阻尼模块1包括第一电磁阀mv1、第一节流阀a、第一节流阀b、第一单向阀cv1、第一限压阀pv1，所述第一节流阀a、第一节流阀b、第一单向阀cv1、第一限压阀pv1并联连接，所述第一电磁阀mv1与所述第一节流阀a串联连接；所述第二阻尼模块2包括第二电磁阀mv2、第二节流阀a、第二节流阀b、第二单向阀cv2、第二限压阀pv2，所述第二节流阀a、第二节流阀b、第二单向阀cv2、第二限压阀pv2并联连接，所述第二电磁阀mv2与所述第二节流阀a串联连接；所述第三阻尼模块3包括第三电磁阀mv3、第三节流阀a、第三节流阀b、第三单向阀cv3、第三限压阀pv3，所述第三节流阀a、第三节流阀b、第三单向阀cv3、第三限压阀pv3并联连接，所述第三电磁阀mv3与所述第三节流阀a串联连接；所述第四阻尼模块4包括第四电磁阀mv4、第四节流阀a、第四节流阀b、第四单向阀cv4、第四限压阀pv4，所述第四节流阀a、第四节流阀b、第四单向阀cv4、第四限压阀pv4并联连接，所述第四电磁阀mv4与所述第四节流阀a串联连接；

每个阻尼模块中均设有电磁阀、节流阀a、节流阀b、单向阀和限压阀，由电磁阀控制节流阀a所在液压油路的通断，电磁阀为常开状态，节流阀a和节流阀b为阻尼模块提供合适的阻尼力。通过电磁阀的开闭控制，使阻尼模块输出不同的阻尼系数，限压阀用于限制阻尼模块的最大阻尼力。

所述第二阻尼模块2、第三阻尼模块3、第四阻尼模块4的组成与所述第一阻尼模块1相同，所述第二阻尼模块2中的第二单向阀cv2与所述第一阻尼模块1中的第一单向阀cv1的方向相反，所述第三阻尼模块3中的第三单向阀cv3与所述第四阻尼模块4中的第四单向阀cv4的方向相反。所述弯道传感器7分别与所述第一电磁阀mv1、第二电磁阀mv2、第三电磁阀mv3、第四电磁阀mv4相连接。

优选的，所述第一阻尼模块1、第二阻尼模块2、第三阻尼模块3、第四阻尼模块4中还并联设有至少一个节流阀，每个阻尼模块中的节流阀数量不限于2个、3个，可以根据需要设置多个节流阀。

本发明的自适应抗蛇形运动系统包括2个双杆伸缩油缸、4个阻尼模块，2个双杆伸缩油缸对称布置在车体的两侧，当车辆通过不同的轨道工况时，转向架与车体之间会发生相应的摇头转角，由此带动双杆伸缩油缸的拉伸或压缩动作；每个阻尼模块的组成结构和参数设置一致，2个双杠伸缩油缸的第一油腔与第一阻尼模块、第二阻尼模块串联形成第一段干路，2个双杠伸缩油缸的第二油腔与第三阻尼模块、第四阻尼模块串联形成第二段干路。弯道传感器设在车体底架或转向架上，用于实时检测车辆行走的轨道线路工况，并输出相应的信号控制第一阻尼模块、第二阻尼模块、第三阻尼模块、第四阻尼模块的阻尼力，从而使得在不同的轨道线路工况中，两段干路为抗蛇形运动系统提供相应的阻尼力。

基于同一种发明构思，本发明还提出一种自适应抗蛇形运动系统的控制方法，包括如前所述的自适应抗蛇形运动系统，其特点是：

当弯道传感器7的输出信号为0时：

所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀均断开；

在第一段干路中，油液通过所述第一阻尼模块1中的第一节流阀b或所述第二阻尼模块2中的第二节流阀b，产生的阻尼力为f1；

在第二段干路中，油液通过所述第三阻尼模块3中的第三节流阀b或所述第四阻尼模块4中的第四节流阀b，产生的阻尼力为f1；

当弯道传感器7的输出信号为1时：

所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀均连通；

在第一段干路中，油液同时通过所述第一阻尼模块1中的第一节流阀a、第一节流阀b，或者，油液同时通过所述第二阻尼模块2中的第二节流阀a、第二节流阀b，产生的阻尼力为f2；

在第二段干路中，油液同时通过所述第三阻尼模块3中的第三节流阀a、第三节流阀b，或者，油液同时通过所述第四阻尼模块4中的第四节流阀a、第四节流阀b，产生的阻尼力为f2。

优选的，f1>f2。

优选的，所述弯道传感器7设在车体底架或转向架上，当车体通过直线轨道行驶时，所述弯道传感器7的输出信号为0；当车体通过小曲线轨道行驶时，所述弯道传感器7的输出信号为1。

结合图3、图4释明本发明的工作原理。

如图3所示，当车辆通过直线轨道行驶时，弯道传感器7的输出信号为0。由于轨道的不平顺等原因，车辆会出现蛇形运动，以转向架相对车体发生逆时针摇头运动为例：逆时针摇头运动迫使位于车体左侧的第一双杆伸缩油缸5作拉伸动作，位于车体右侧的第二双杆伸缩油缸6作压缩动作，此时左侧的第一双杆伸缩油缸的第二油腔52压力增大，第二油腔的液压油流出，由于此时弯道传感器的信号为0，第一阻尼模块1的第一电磁阀mv1断开，液压油液依次通过第一阻尼模块1的节流阀b，第二阻尼模块2的第二单向阀cv2，最后流向位于车体右侧的第二伸缩油缸的第二油腔62。与此同时，第二双杆伸缩油缸6压缩，第二双杆伸缩油缸的第一油腔61压力增大，油液流出，由于此时弯道传感器的信号为0，第四阻尼模块4中的第四电磁阀mv4断开，液压油依次通过第四阻尼模块4的节流阀b和第三阻尼模块3的第三单向阀cv3。可以看出，当车辆在直线轨道上行驶时，每段干路中只有一个阻尼阀在起作用。若转向架相对车体发生顺时针摇头运动，第一段干路pa、第二段干路pb中的液压流向的分析方法如上所述，双杆伸缩油缸的动作相反、液压流向相反，但每段干路中仍只有一个阻尼阀起作用。

如图4所示，当车辆通过小曲线轨道行驶时，弯道传感器7的输出信号为1。由于轨道的不平顺等原因，车辆会出现蛇形运动，以转向架相对车体发生逆时针摇头运动为例：逆时针摇头运动迫使位于车体左侧的第一双杆伸缩油缸5作拉伸动作，位于车体右侧的第二双杆伸缩油缸6作压缩动作，此时左侧的第一双杆伸缩油缸的第二油腔52压力增大，第二油腔的液压油流出，由于此时弯道传感器的信号为1，第一阻尼模块1的第一电磁阀mv1连通，液压油液并行通过第一阻尼模块1的节流阀a、节流阀b，再通过第二阻尼模块2的第二单向阀cv2，最后流向位于车体右侧的第二伸缩油缸的第二油腔62。在这个过程中，第一阻尼模块1的节流阀a和节流阀b同时起作用，第一阻尼模块1的等效输出阻尼相应减小。

对于第二段干路pb中的液压流向分析与上述相一致：第二双杆伸缩油缸6压缩，第二双杆伸缩油缸的第一油腔61压力增大，油液流出，由于此时弯道传感器的信号为1，第四阻尼模块4中的第四电磁阀mv4连通，液压油并行通过第四阻尼模块4的节流阀a、节流阀b，再通过第三阻尼模块3的第三单向阀cv3。同样，第四阻尼模块4的节流阀a、节流阀b同时起作用，第四阻尼模块4的等效输出阻尼相应减小。对于转向架相对车体发生顺时针摇头运动，第一段干路pa、第二段干路pb中的液压流向的分析方法与上述分析相对应。

以单个阻尼模块为例，说明本发明的技术方案中不同工况下输出的阻尼力的计算依据：

设两个节流阀的阻尼孔直径为d1、d2，并联时的等效阻尼孔直径为d：

d=（d1² d2²）^1/2

当d1=d2时，等效阻尼孔d=1.41d1，即d>d1。

即1个节流阀单独起作用时的阻尼孔直径大小d1小于2个节流阀同时起作用（并联）时的阻尼孔直径大小d，则1个节流阀单独起作用时的阻尼力大于2个节流阀同时起作用（并联）时的阻尼力，使得车辆在直线轨道上时有较大的阻尼，提高车辆的直线上临界速度；在小曲线轨道上有较小的阻尼，保证良好的曲线通过性能。

需要特别说明的是：本发明的技术方案不限于两个阻尼孔d1与d2直径相同，每个阻尼模块中的节流阀数量不限于2个，可以是多个并联。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。