专利名称：以重力为加速和制动主要施力源的列车系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及列车技术领域，尤其涉及一种以重力为加速和制动主要施力源的列车系统。
背景技术：
列车行驶时，如果向前推力等于运行阻力，列车匀速前进；如果向前推力大于运行阻力，列车加速前进，在此将推动列车加速前进的这一部分力称为列车加速推力。所述列车运行阻力包括列车运行的基本阻力(如轴承阻力、滚动阻力、滑动阻力、冲击和振动阻力、空气阻力等)和运行的附加阻力(如在曲线线路、隧道等运行时附加的阻力)。研究指出，当列车匀速运行速度70km/h时，单位基本阻力为5.lN/kN。另据报道，按照地铁列车运行阻力公式理论计算，列车速度在70km/h时，单位运行阻力为4 5kg / t，与实际测量结果吻合。即在通常没有受到其他额外阻力的情况下，用于平衡列车运行阻力的推力约为其重量的千分之五。所述列车加速推力，设为F，由牛顿第二定律可知:F=ma，m为列车质量，a为列车加速度。也以地铁为例，地铁加速行驶时加速度约1.0m/s2。所述列车加速推力约为其重量的十分之一，通常列车加速推力远远大于用于平衡列车运行阻力的推力。节省列车加速推力是列车节能的关键之一。从1814年英国人乔治.斯蒂芬森创造被称为“半统靴”的蒸汽机车至今近两百年来，或者从1863年世界上首条地下铁路“伦敦大都会铁路”开通至今近一百五十年来，列车发动机(如蒸汽机、内燃机、电动机、以至直线电机等)始终是列车加速推力的主要施力源，从能量的角度分析就是列车加速以热能、化学能、电能转化为动能为主。人类从马车时·代就知道，下坡路有利于车辆加速。这个常识，长期以来在地铁轨道铺设中也有所体现，称为加速坡(或节能坡)，即某些车站位置略高，列车离站时经由一短段下坡路再驶入普通路程，可节省一部分列车发动机用于加速的能量。比如一种较有权威的加速坡设计:列车经由出站端一段坡度为_22%。26%。、长250m的加速坡道，达到目标速度80km/h，可降低列车发动机牵引电能消耗约20% 25%。它代表了加速坡技术的典范，也几乎达到了加速坡节能效率的上限。限制加速坡节能效率进一步提高的原因与一些现有技术问题有关，现分述如下:1、加速坡坡度小。上例中重力在坡度_22%。26%。方向的分力所能产生的加速度约0.210.25m/s2，而所述列车经过250m加速坡加速到目标速度80km/h所需的加速度约
0.99m/s2，加速坡只能产生所需加速度中很小一部分进而只能降低其中很小一部分能耗如20% 25%。2、传统地铁列车车厢地板是固定的(与车厢底盘和/或四壁固定)。因此其车厢地板在列车运行途中始终与轨道走向平行，轨道坡度大了可导致乘客俯、仰，乘车不舒适、不平稳。传统技术对线路坡度大小就有严格限制。比如根据国家《地铁设计规范》(2003版)，正线的最大坡度不宜大于30%0。[0009]3、加速坡坡道短。现有技术中加速坡长度一般为200 300 m，重力沿加速坡方向的分力对列车作用路程短，做功少；坡度小，坡道短，线路高程的变化小，整个加速坡可转化为动能的重力势能就很有限。4、现有技术设计规范中列车发动机是列车加速推力的主要施力源。现有技术中列车加速仍以消耗大量其他形式的能量转化为动能为主，由重力势能转化为动能只占其中很小一部分，加速坡只起配角作用。现有技术设计规范中列车发动机作为列车加速推力的主要施力源也使加速坡坡道长度受到限制，如以某种现行列车在加速坡坡度均为_30%。相同条件下计算机模拟实验证明，400m长的加速坡反而比300m长的加速坡少节能5% 8%。现有技术中加速坡坡道一般不超过200 300 m。研究报告指出，“地铁列车运行时能耗值最大的区段为出站加速坡区段，该区段也是能耗计算时重点模拟对比的环节。”一加速坡区段是能耗值最大的区段，一方面证明加速坡本身节能有限，同时也揭示传统列车发动机作为列车加速主要施力源在列车加速行驶时消耗着大量能量，这一点应作为研究列车节能课题的关键切入点之一。列车制动即用制动力移走列车动能的过程。根据现有技术列车制动主要利用机械摩擦力、电磁力等将列车动能移走，转化为热能(消散)或电能(蓄存)，主要制动方式有:闸瓦制动、盘形制动、磁轨制动、轨道涡流制动、旋转涡流制功、电阻制动、再生制动、液力制动、逆汽制动等。现有技术中机械摩擦力、电磁力等是列车制动力主要施力源，体现在以上各种传统制动方式中；作为一种辅助方式在某些车站入站口设置减速坡(亦称节能坡)，即列车通过进站前的一短段小坡度上坡路，列车的一小部分动能转化为重力势能，降低车速，节省一小部分制动能耗。所述减速坡之所以只能将很有限的一小部分列车动能转化为很有限的重力势能，因为所述减速坡坡度小(小于30%。)、坡道短(200300m)、线路高程的变化小，本质上与传统列车结构、轨道线路设计规范、传统制动方式等现有技术问题有关，同与上文对所述加速坡的分析，参见上述，这里不再重复。
实用新型内容(一)要解决的技术 问题本实用新型要解决的技术问题是:提供一种以重力为加速和制动主要施力源的列车系统，使得列车加速无需再以发动机作为主要施力源耗费大量热能、化学能、电能等，使得列车制动不再主要以机械摩擦力、电磁力等作为主要施力源依靠传统制动方式减速停车，使得列车运行节省能量。(二)技术方案为解决上述问题，一方面，本实用新型提供了一种以重力为加速和制动主要施力源的列车系统，包括:重力列车和重力列车轨道，所述重力列车包括:重力列车车厢，有一或若干节，用于在坡度大、坡道长的线路上运行；平衡运行阻力发动机，用于产生平衡所述重力列车运行中与线路坡度无关的运行阻力的动力；所述重力列车轨道包括:站台轨道，包括出站端和进站端，用于供所述重力列车停靠、启动；[0022]陡长下坡道，上端与当前站站台轨道的出站端连接，用于形成供所述重力列车依靠重力做正功沿所述陡长下坡道加速运行达到目的速度的坡度和长度；陡长上坡道，上端与下一站站台轨道的进站端连接，用于形成供所述重力列车依靠重力做负功沿所述陡长上坡道减速制动至停止在下一站站台轨道的坡度和长度；中间过渡通道，连接在所述陡长下坡道的下端和所述陡长上坡道的下端之间，水平设置或仅具有利于线路排水中央略低的微小坡度±2 3%。；其中，以经过所述中间过渡通道的最低点的水平面为参考平面，所述陡长下坡道的上端和所述陡长上坡道的上端两者在所述参考平面以上的高度相同。优选地，所述陡长下坡道和陡长上坡道分别与所述站台轨道和中间过渡通道之间平滑连接。优选地，所述站台轨道靠近所述出站端的部分具有向前下方的坡度，所述向前下方的坡度形成的所述重力列车在运行方向的重力分量小于所述重力列车的运行阻力，用于所述重力列车借助此向前下方的坡度由所述平衡运行阻力发动机的动力启动；或者所述站台轨道靠近所述出站端的部分为重力启动轨道，所述重力启动轨道用于所述重力列车在其上由重力启动。优选地，所述重力启动轨道的后端即远离所述陡长下坡道的一端通过杵白关节样结构与站台轨道可转动的连接，所述重力启动轨道前端即朝向所述陡长下坡道的一端可升降设置；所述重力启动轨道的工作位置包括水平设置的第一工作位置、以及向前下方倾斜的第二工作位置；所述重力启动轨道在第一工作位置时其前端位于所述陡长下坡道上端的上方，所述重力启动轨道在第二工作位置时其前端与所述陡长下坡道上端平滑对接。优选地，所述重力启 动轨道下方支撑有升降支撑结构，用于通过升降以实现所述重力启动轨道绕所述杵白关节样结构上下转动，在所述第一工作位置和第二工作位置之间切换。优选地，所述重力启动轨道下方还设置有缓冲减震装置。优选地，所述重力列车轨道为地下线轨道、高架线轨道、地下线和高架线的混合轨道、地面线和地下线的混合轨道、或地面线和高架线的混合轨道。优选地，所述重力列车车厢包括车厢本体、与所述车厢本体活动连接的可调式地板和/或与所述车厢本体固定的具有安全带的安全座椅、以及控制装置，所述控制装置根据所述重力列车车厢的水平度将所述可调式地板调节至设定的水平度。优选地，所述可调式地板与所述车厢本体之间通过设于所述可调式地板前后方向的中部的横轴连接，所述横轴的轴向与车厢本体的底盘平行并与重力列车的运行方向垂直，所述可调式地板可绕所述横轴转动。优选地，所述重力列车还包括传感器，用于根据所述重力列车车厢的水平度生成对应的水平度信号并发送至所述控制装置。优选地，所述车厢本体内壁设有卡扣机构，用于在所述重力列车车厢位于所述陡长下坡道或所述陡长上坡道时，对所述调节后的可调式地板进行卡扣限位。优选地，所述重力列车轨道还包括设置在坡度变化位置附近的变坡信号装置，用于向将要进入坡度变化区段的所述重力列车的控制装置发送坡度变化信号。(三)有益效果[0038]本实用新型所述重力列车加速或制动主要依靠重力做正功或做负功，即重力势能转化为动能或动能转化为重力势能。本实用新型所述重力列车加速与传统列车不同，传统列车加速主要依靠列车发动机消耗大量热能、化学能或电能转化为动能。本实用新型所述重力列车不需要作为加速主要施力源的列车发动机，所述重力列车的发动机为所述平衡运行阻力发动机，所需平衡的列车运行阻力与列车加速推力相比甚小，所述平衡运行阻力发动机比传统列车发动机功率小，做功少；所述重力列车制动与传统列车不同，不再主要依靠机械摩擦力、电磁力等耗能以将列车动能移走。根据能量守恒定律、重力势能一动能相互转化的规律mgh=l/2mv2 (其中h为具有重力势能的物体相对于参考平面的高度，m为物体质量、g为重力加速度、V为物体运动速度)，本实用新型所述重力列车车厢使用所述可调式地板有利于列车运行在坡度较大、线路高程变化大的轨道，使所述重力列车在加速、制动过程中重力势能一动能高能量地相互转化成为可能；本实用新型所述重力列车轨道中所述陡长下坡道和陡长上坡道两者上端在通过所述中间过渡通道最低点的参考平面以上的高度相同，使重力成为所述重力列车加速和制动廉价的、可循环重复使用的主要施力源。本实用新型使得列车运行节省大量能量。
图1为根据本实用新型实施例的列车系统的结构示意图；图2a为根据本实用新型实施例的列车系统的重力启动轨道位于第一工作位置的结构示意图；图2b为根据本实用新型实施例的列车系统的重力启动轨道位于第二工作位置的结构示意图2c为图2b中I处的局部放大示意图；图3为根据本实用新型实施例的重力列车车厢可调式地板根据水平度进行调节的不意图；图4为根据本实用新型实施例的重力列车车厢在沿陡长下坡道运行时的示意图；图5为根据本实用新型实施例的重力列车车厢在沿陡长上坡道运行时的示意图；图6为根据本实用新型实施例的列车系统的重力列车在重力列车轨道上运行的示意图；其中，1:重力列车；2:站台轨道；3:陡长下坡道；4:中间过渡通道；5:陡长上坡道；6:重力；7:加速重力分力；8:减速重力分力；9:陡长下坡道上端；10:陡长上坡道上端；11:重力启动轨道；12:杵臼关节样结构；13:杵；14:臼；15:重力列车车厢；16:重力启动轨道前端；17:升降支撑机构；18:对接；19:缓冲减震装置；20:水平线；21:车厢底盘；22:中央横轴；23:可调式地板前段；23(a):可调式地板前段位于与车厢底盘平行的中位平面；23(b):可调式地板前段被调节到水平平面；23 (c):可调式地板前段被调节到可维持乘车舒适的小坡度平面；24:陡长下坡道下端；25:陡长上坡道下端；26:调节支撑柱；27:调节支撑柱；28:可调式地板；28 (a):可调式地板位于与车厢底盘平行的中位平面；28(b):可调式地板前段略为仰起时；28(c):可调式地板前段略为下俯时；29:变坡信号装置；30:仰角；31:俯角；32:卡扣机构；33:参考平面；34:陡长下坡道上端高度；35:陡长上坡道上
端高度。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型进行详细说明如下。实施例一:如图1-图6所示，本实施例记载了一种以重力为加速和制动主要施力源的列车系统，包括:重力列车I和重力列车轨道，所述重力列车I包括:重力列车车厢15，有一或若干节，用于在坡度大、坡道长的线路上运行；平衡运行阻力发动机(图中未显示)，用于产生平衡所述重力列车I运行中与线路坡度无关的运行阻力的动力；所述重力列车轨道包括:站台轨道2，包括出站端和进站端，用于供所述重力列车I停靠、启动；陡长下坡道3，其上端9与当前站站台轨道2的出站端连接，用于形成供所述重力列车I依靠重力做正功沿所述陡长下坡道3加速运行达到目的速度的坡度和长度；陡长上坡道5，其上端10与下一站站台轨道2的进站端连接，用于形成供所述重力列车I依靠重力做负功沿所述陡长上坡道5减速制动至停止在下一站站台轨道2的坡度和长度；中间过渡通道4，连接在所述陡长下坡道3的下端24和所述陡长上坡道5的下端25之间，水平设置或仅具有利于线路排水中央略低的微小坡度±2 3%。(图中未显示)；其中，以经过所述中间过渡通道4的最低点的水平面为参考平面33，所述陡长下坡道3的上端9在所述参考平面33以上的高度34与所述陡长上坡道5的上端10在所述参考平面33以上的高度35相同。在本实施例中，优选地，所述陡长下坡道3和陡长上坡道5对称设置，二者的坡高相等、坡长相等、坡度的绝对值相等(一为负值，另一为正值)，当然，在本实用新型的其它实施例中，根据施工状况等需要，所述陡长下坡道3和陡长上坡道5也可以并不是对称的，只要重力列车I经过所述陡长下坡道3后由重力势能转化的动能可以在经过所述陡长上坡道5后变为零即全部动能又转化为重力势能即可，理论上根据能量守恒定律、重力势能一动能相互转化的规律mgh=l/2mv2，只要所述陡长下坡道3和陡长上坡道5两者的上端9、10在所述参考平面33以上的高度34、35基本相等即可。本实施例的所述陡长下坡道3和陡长上坡道5比传统技术现有的列车轨道坡路陡、长；其坡度大小和坡道长短的具体数值，这些参数涉及列车运行的加速度和可以达到的目标速度，结合站间距离、区间预计行车时间或设计行车最小间隔、行车最大通过能力等因素综合考量确定。在本实施例中，为了保证重力列车I平稳的运行，所述陡长下坡道3和陡长上坡道5分别与所述站台轨道2和中间过渡通道4之间平滑连接，连接部位线路设置为适宜的竖曲线形式。
在本实施例中，所述站台轨道2靠近所述出站端的部分具有向前下方的坡度并与所述陡长下坡道3上端9相延续，所述向前下方的坡度形成的所述重力列车I在运行方向的重力分量小于所述重力列车I的运行阻力，这样既不至于导致所述重力列车I停站时发生不必要的滑动，又有利于所述重力列车I启动时用较小的动力借助这一坡度由所述平衡运行阻力发动机的动力启动；或者所述站台轨道2靠近所述出站端的部分为一段重力启动轨道11，用于所述重力列车I在所述重力启动轨道11上由重力启动，在本实施例中，以采用所述重力启动轨道11为例进行说明。在本实用新型的其它实施例中，所述站台轨道2也可以为基本水平设置。如图2a_2c所示，所述重力启动轨道11的后端即远离所述陡长下坡道3的一端通过杵臼关节样结构12与站台轨道2可转动的连接，以杵13为一端和臼14为另一端活动连接使所述重力启动轨道11能以所述杵白关节样结构12为支点上下略为转动且保持轨道的延续和平滑；所述重力启动轨道11前端16即朝向所述陡长下坡道3的一端可升降设置；所述重力启动轨道11的工作位置包括水平设置的第一工作位置，以及向前下方倾斜的第二工作位置，而向前下方倾斜的坡度形成的所述重力列车I在运行方向的重力分量大于所述重力列车I与轨道之间的静摩擦力及其运行阻力；所述重力启动轨道11在第一工作位置时其前端16位于所述陡长下坡道3上端9的上方，所述重力启动轨道11在第二工作位置时其前端与所述陡长下坡道3上端9平滑对接18。在本实施例中，所述重力启动轨道11下方支撑有升降支撑结构17，用于通过升降以实现所述重力启动轨道11绕所述杵白关节样结构12上下转动，在所述第一工作位置和第二工作位置之间切换。在本实施例中，所述重力启动轨道11下方还设置有缓冲减震装置19，使得重力启动轨道11由第一工作位置向下转动时，能够平稳地并且没有较大震动地到达第二工作位置。在所述重力启动轨道11处于第一工作位置时，其中部或前中1/3处为所述重力列车I前端止停点，所述重力启动轨道11被支撑机构17支撑，所述支撑机构17在重力启动轨道11保持在第一工作 位置时被锁定机关锁定而不下沉；所述锁定机关解锁后所述重力启动轨道11以略为和缓的角速度立即向下转动一个小角度、略向前下方倾斜，使其靠近陡长下坡道3的前端16与所述陡长下坡道3上端9对接18，其中所述支撑机构17定向下沉对于向前下方倾斜的所述重力启动轨道11与所述陡长下坡道3上端9准确对接18还起到导向作用。在本实施例中，所述重力列车轨道为地下线轨道、高架线轨道、地下线和高架线的混合轨道、地面线和地下线的混合轨道、或地面线和高架线的混合轨道。在本实施例中，所述重力列车I在以重力为加速和制动主要施力源的前提下可以保留有某些传统列车的结构功能。如图3至图5所示，在本实施例中，所述重力列车车厢15包括车厢本体、与所述车厢本体活动连接的可调式地板28以及控制装置，所述控制装置根据所述重力列车车厢15的水平度将所述可调式地板28调节至设定的水平度。在本实用新型的其它实施例中，所述重力列车车厢15还可以不设置所述可调式地板28，而是采用与所述车厢本体固定的具有安全带的安全座椅；或者可以除了设置所述可调式地板28外，还设置所述安全座椅。在本实施例中，具备所述可调式地板28的所述重力列车车厢15的长度与传统列车车厢诸类型中较短者相仿或略短。所述可调式地板28与所述车厢本体之间通过设于所述可调式地板28中部的横轴22连接，所述横轴22的轴向与车厢本体的底盘21平行并与重力列车I的运行方向垂直，所述横轴22为所述车厢底盘21和/或所述车厢两侧壁所支撑，所述可调式地板28前段和后段可以以所述横轴22为轴在一定角度内作类似跷跷板样活动，其仰一俯活动的角度随需要可被调节控制。在本实施例中，通过所述横轴22并与所述车厢底盘21平行的平面称为中位平面，图4、图5中28 (a)所示所述可调式地板位于所述中位平面上，所述可调式地板28仰-俯活动的角度指所述可调式地板28前段与所述中位平面所夹角度，前段略为仰起时所述可调式地板28(b)与所述中位平面夹角称为仰角30 (如图4所示)，前段略为下俯时所述可调式地板28(c)与所述中位平面夹角称为俯角31 (如图5所示)。在所述车厢底盘21和/或侧壁设有调节支撑柱(图4和图5中未示出)和卡扣机构32，可将所述可调式地板28分别定位在若干不同的仰一俯角度位置；所述可调式地板28仰一俯角度变换的施力机构可为液压、气压或其他机械装置。在本实施例中，所述重力列车I还包括传感器，例如设于可调式地板28前、后端的位置变化传感器，用于根据所述重力列车车厢15的水平度生成对应的水平度信号并发送至所述控制装置。如图6所示，在本实施例中，所述重力列车轨道还包括设置在坡度变化位置附近的变坡信号装置29，用于向将要进入坡度变化区段的所述重力列车I的控制装置发送坡度
变化信号。所述控制装置可以位于重力列车I的计算机中心，所述控制装置可以接受从所述传感器和从轨道变坡点的所述变坡信号装置29发送来的坡度变化信息，进而调控所述可调式地板28仰一俯角度位置变换(参 见图3-图6)，例如:在所述重力列车车厢15位于水平轨道上时，所述可调式地板28被定位在与所述车厢底盘21平行的中位平面；当所述重力列车车厢15从水平轨道将驶向下坡道时，传感器会立即检测出车身前俯趋势，计算机采集坡度变化信息并立即对所述调节支撑柱27、卡扣机构32和仰俯角度变换施力机构发出指令，所述可调式地板28(b)被调节定位在相应的仰角31上，使所述可调式地板28(b)继续维持水平或维持在一个可维持乘车舒适的小坡度平面之内(比此时轨道线路的坡度小)，使乘坐的感觉仍然舒适、平稳；当所述重力列车车厢15从水平轨道将驶向上坡道上时，传感器会立即检测出车身前仰趋势，计算机采集坡度变化信息并立即对所述调节支撑柱(图中未显示)、卡扣机构32和仰-俯角度变换施力机构发出指令，所述可调式地板28(c)被调节定位在相应的俯角31上，使所述可调式地板28 (c)继续维持水平或维持在一个可维持乘车舒适的小坡度平面之内(比此时轨道线路的坡度小)，使乘坐的感觉仍然舒适、平稳；当所述重力列车车厢15从下坡道或上坡道将驶向水平轨道时，传感器会立即检测出车身姿态改变趋势，计算机采集坡度变化信息并立即对所述调节支撑柱(图中未显示)、卡扣机构32和仰一俯角度变换施力机构发出指令，所述可调式地板28被调节定位在与所述车厢底盘21平行的水平中位平面上，乘坐感觉舒适、平稳。在本实施例中，所述重力列车I的发动机为所述平衡运行阻力发动机(图中未显示)，与传统列车的发动机不同，所述平衡运行阻力发动机不起列车加速推力作用；所述平衡运行阻力发动机比传统列车发动机功率小，用于平衡所述重力列车I运行中与线路坡度无关的运行阻力(包括列车运行基本阻力和其他附加阻力)，必要时协助启动。下面给出本实施例的有关数据举例分析:I)所述重力列车轨道方面如本实用新型技术方案所述，所述陡长下坡道3和所述陡长上坡道5坡度大小和坡道长短的具体数值，这些参数涉及列车运行的加速度和可以达到的目标速度，结合站间距离、区间预计行车时间或设计行车最小间隔、行车最大通过能力等因素综合考量确定。首先关于站间距离，国际上地铁平均站间距离有两种趋势，短者平均Ikm左右，长者平均
1.7km左右；国内几个城市城区地铁线路一般平均站间距I 1.2km左右。关于行车最小间隔巴黎地铁最新设计为85s，其行车最大通过能力为40对(国内规范提出不应少于30对和建成后25年也达到40对，其中:行车最大通过能力是指线路每小时单方向能通过的最多列车数)。本实用新型数据分析以站间距离为1.2km，采用车站在地面的地下线轨道，区间预计行车时间< 85s为例，结合图1、图2a-2c分析如下:图1 中 A、D 两站间距离 AD = 1.2km,其中 AF = ED = 500m, FE = BC = 200m, AB为所述陡长下坡道3，BC为所述中间过渡通道4 (在所述参考平面上)，⑶为所述陡长上坡道5，AB = CD，FB = EC (相当于所述陡长下坡道3上端9在所述参考平面33以上的高度34等于所述陡长上坡道5上端10在所述参考平面33以上的高度35)，FB亦为所述陡长下坡道3斜坡起止点的高度差，AF为所述陡长下坡道3斜坡起止点的水平距离(500m)，本数据分析例设所述陡长下坡道3的坡度为-105.10%。(坡度即斜坡起止点的高度差与其水平距离的比值:FB/AF = -105.10%。，角FAB ^ 6° )，则所述陡长下坡道3长AB = 502.7m，起止点的高度差FB = 52.5m，重力6 (g = 9.8m/s2)在平行于所述陡长下坡道3AB方向的分力7相应的加速度a = 1.0m/s2,以此加速度作匀加速运动完成所述陡长下坡道3 (AB,502.7m)用时31.3s， 达到末速度32.lm/s相当于115.5km/h。所述陡长上坡道5的坡度为105.10%。，所述陡长上坡道5也长CD = 502.7m。驶经AB (所述陡长下坡道3)+ BC (所述中间过渡通道4) +⑶(所述陡长上坡道5)全程用时68.8s。具体探讨:(一)从坡度方面分析，传统地铁正线的最大坡度为30%。，困难地段可采用35%。；德黑兰地铁采用50%。的最大线路坡度，运营状况良好；直线电机线路设计一般地段最大坡度为50%。，困难地段可采用55%。，实际应用值到80%。。比较国际上线路陡坡化的趋势，上例所述重力列车轨道设计中坡度105.10%。是可行的，因为所述重力列车车厢15所述可调式地板28可作一定角度的平衡调节，调节幅度不大(参见图3并详见下文)，乘坐感觉即可良好。(二)从速度方面分析，北京地铁机场线、上海地铁十一号线及其支线、深圳地铁龙岗线等最高速度100km/h，广州地铁三号线及其北延线最高速度为120km/h，美国旧金山地铁速度达到128km/h，而且实现行车最大通过能力必须有较高的行车速度做保障，上例所述重力列车I设计中最高速度115km/h较为适宜。(三)从区间行车时间分析，上例所述重力列车I设计中区间行车68.8s < 85s，有利于行车最大通过能力不少于30对和达到40对的预期。(四)从轨道深度方面分析，伦敦地铁车站最大深度59m，巴黎约地铁车站最大深度63m，莫斯科地铁深90m，大连地铁最深处IOOm以上，平壤地铁深度达120m，由于城市地价高涨和地下浅层已被充分利用，大深度地铁受到重视。上例所述重力列车轨道设计中最大深度52.2m,在一个可以接受的范围内。至于所述站台轨道2，在出站段有向前下方微小坡度但尚不至于导致停靠的列车产生不必要的滑动，这个向前下方微小坡度此例中可以设为_3%。左右；所述重力启动轨道11在所述锁定机关解锁后以所述杵白关节样结构12为支点向下转动一个小角度，所述重力启动轨道11远端16与设置在略低位置上的所述陡长下坡道3的上端9对接18，所述重力启动轨道11在第二工作位置向前下方倾斜的坡度此例中可以设为_6%。左右。所述中间过渡通道4基本水平或仅有微小坡度中央略低(利于排水)，此例中可以设为:_2%。 中央略低 2%。。因为理论和实践提示沿_4%。一-5%。的下坡道作用在列车上的重力分力与列车的运行阻力相平衡，以上此例中所述站台轨道2出站段、所述重力启动轨道11 (在第二工作位置)和所述中间过渡通道4坡度的设计基本合理。2)所述重力列车I方面参见图3 图5，所述重力列车车厢15内可调式地板28的作用，是当所述重力列车车厢15行驶在有较大坡度的所述陡长下坡道3和所述陡长上坡道5轨道上时，所述可调式地板28可以作适当的仰一俯角度调节，使其仍然基本保持水平，或被调节到可维持乘车舒适的小坡度平面，使乘车感觉仍然舒适、平稳。图3为所述重力列车车厢15行驶在此例所说的坡度为-105.10%。所述陡长下坡道3时所述可调式地板前段23活动调节情况侧视示意图。所述可调式地板28的长度与所述重力列车车厢15的长度有关。目前世界上有三种地铁列车车厢:A型长22m，B型长19m，C型长19m。如本实用新型技术方案所述，所述重力列车车厢15的长度与传统列车车厢诸类型中较短者相仿或略短，在此例中设为长15m左右，其中所述可调式地板28长设为14m。图3中ML表示水平线20，LG表示所述陡长下坡道3，ST表示车厢底盘21，O表示所述可调式地板28的中央横轴22，OJ表示位于与所述车厢底盘21平行的所述 中位平面上所述可调式地板前段23 (a)，OJ的长度设为7m，OK表示被调节到水平平面时所述可调式地板前段23(b)，OH表示被调节到可维持乘车舒适的小坡度平面时所述可调式地板前段23(c)。其中所述可维持乘车舒适的小坡度平面，意即车厢地板处于此平面时虽然其具有一定坡度，但乘车感觉仍然舒适。事实上现有技术中车厢地板固定的列车并不总是行驶在水平的轨道上，有时就行驶在规范之内的比如30%。坡度的轨道上，车厢地板亦处于30%。坡度的平面上，乘车感觉并不受影响，仍然舒适。具有30%。坡度的平面就可视为上述可维持乘车舒适的小坡度平面。随着线路的陡坡化的趋势，人们发现，列车行驶在50%。坡度的轨道上，乘车感觉仍不受影响，仍然舒适，比如德黑兰地铁I号线采用50%。的最大线路坡度，经过数年的运营考验，运营状况良好，没有发生异常情况，证明最大坡度50%。的选择是可行的，也提示具有50%。坡度的平面也可视为上述可维持乘车舒适的小坡度平面。现有技术中列车发动机牵引力逐渐加大伴随着线路陡坡化，旋转电机列车行驶的线路坡度限度为30%。左右，线性电机列车已达80%。，直线电机线路设计一般地段最大坡度为50%。，困难地段可采用55%。，实际应用值到80%。，而直线电机理论计算的最大爬坡能力在100%。。这也从另一方面提示50%。坡度的平面可视为上述可维持乘车舒适的小坡度平面，甚至80%。坡度的平面也有可能作为上述可维持乘车舒适的小坡度平面。本实用新型中所述重力列车车厢15内设所述可调式地板28的目的是维持乘车舒适，所以当所述重力列车车厢15行驶在所述重力列车轨道上时，根据路况坡度的变化，所述可调式地板28可以被调节控制在水平平面(0K)，或者被调节控制在所述可维持乘车舒适的小坡度平面(0H)。在此例中，LG所示所述陡长下坡道3的坡度为-105.10%。，从位于与所述车厢底盘21平行的所述中位平面(OJ)的所述可调式地板前段23(a)(长7m)，如果被调节到水平平面(OK)时所述可调式地板前段23 (b)端部调节支撑柱26伸出的长度KH长约70cm ;如果被调节到以50%。为所述可维持乘车舒适的小坡度平面(OH)时所述可调式地板前段23(c)端部调节支撑柱27伸出的长度JH长约37cm，如果被调节到以80%。为所述可维持乘车舒适的小坡度平面(OH)时所述可调式地板前段23(c)端部调节支撑柱27伸出的长度JH仅长约17cm。所述可调式地板28活动的横轴O (支点)22在所述可调式地板28中部，横轴O (支点)22前后两边基本平衡，其如跷跷板样仰一俯角度调解所需施力不大；如上述分析计算，所需调节幅度也甚小，可在控制装置的控制下实现灵敏准确调节。所述可调式地板28后段此时的情况(图3未显示，可参见图4、图5)，所述重力列车车厢15行驶在所述陡长上坡道5时所述可调式地板28调节活动情况(图3未显示，可参见图5)，可以以此类推，不再赘述。对于所述重力列车1，发动机不再是列车加速的主要施力源。所述重力列车I使用的所述平衡运行阻力发动机用于平衡所述重力列车I运行中与线路坡度无关的运行阻力(包括列车运行基本阻力及其他附加阻力)，所需平衡的列车运行阻力通常约为列车重量的千分之五，比列车加速推力小许多。所以所述重力列车I使用的所述平衡运行阻力发动机的功率不大，整个供电系统等相关设施成本、负荷亦会减轻。以上数据分析可见站间距离为1.2km，区间行车时间< 85s情况下所述重力列车系统可行。进一步分 析提示，在与上述站间距离、行车时间等相同的前提下还有多种不同参数可供选择；在与上述站间距离、行车时间等不同的前提下也能优选所述重力列车I和所述重力列车轨道的多种参数组合运用于所述重力列车系统。综上所述，本实施例的技术方案是实际可行的，并且节约了大量的能耗。上述列车系统的运行方法(参见图1-图6)，包括以下步骤:重力列车I由当前站站台轨道2的出站端驶出站台轨道2，到达陡长下坡道3 ；在所述陡长下坡道3的坡度作用下，重力6对所述重力列车I产生沿运行方向的加速重力分量7，所述重力列车I在所述加速重力分量7的作用下加速运行至中间过渡通道
4,达到目的速度；在平衡运行阻力发动机产生的动力的作用下，所述重力列车I在所述中间过渡通道4保持所述目的速度匀速运行至所述陡长上坡道5 ；在所述陡长上坡道5的坡度作用下，重力6对所述重力列车I产生沿运行方向的减速重力分量8，所述重力列车I在所述减速重力分量8的作用下减速运行直至停止在下一站的站台轨道2上。下面以实施例一记载的列车系统的运行方法为例来详细说明本实用新型:S1:所述重力列车I停靠在出站段有微小向下坡度但尚不至于导致列车下滑的所述站台轨道2上，车上所述计算机一自动控制系统对前方路况作信息分析数据处理，所述平衡运行阻力发动机点火，列车止动机制去除，所述重力列车I启动；或者所述重力列车I停靠在具有所述重力启动轨道11的所述站台轨道2上，所述重力列车I前端止于所述重力启动轨道11的中部或前中1/3处，车上所述计算机一自动控制系统对前方路况作信息分析数据处理，所述平衡运行阻力发动机点火，列车止动机制去除，同时所述锁定机关解锁而所述重力启动轨道11以略为和缓的角速度立即垂直向下转动一个小角度从所述第一工作位置切换到所述第二工作位置，略向前下方倾斜的所述重力启动轨道11前端16与设置在略低位置上的所述陡长下坡道3上端9对接18，所述重力列车I受到向前下方重力分力作用启动;S2:与所述重力列车I驶向所述陡长下坡道3同步，车上所述计算机一自动控制系统的控制装置适时发出指令，调节控制所述可调式地板28(b)定位在相应的仰角30上，使所述重力列车I沿所述陡长下坡道3下行途中，所述可调式地板28(b)继续维持水平或维持在一个可维持乘车舒适的小坡度平面之内(比此时轨道线路的坡度小)，乘坐的感觉仍然舒适、平稳；S3:所述重力列车I在沿重力6平行于所述陡长下坡道3的分力7作用下，加速下滑；由于本实施例陡长下坡道3的坡度较大故此重力6的分力7较强，加之坡道较长故此重力6的分力7做功较多；坡度大，坡道长，线路高程的变化大，可提供的用于转化为动能的重力势能就高；重力6成为所述重力列车I加速的主要施力源，而所述平衡运行阻力发动机仅以小功率用于平衡列车运行阻力；在重力势能迅速地转化为动能的同时，获得所述重力列车I运行所需要的加速度，并在所述所陡长下坡道3下端24所述重力列车I达到目标速度；同时车上所述计算机-自动控制系统对前方路况作信息分析、数据处理；S4:与所述重力列车I驶向所述中间过渡通道4同步，车上所述计算机一自动控制系统的控制装置适时发出指令，调节控制所述可调式地板28定位在与车厢底盘21平行的中位平面上，使所述重力列车I沿所述中间过渡通道4平驶途中，所述可调式地板28继续维持基本水平，乘坐的感觉舒适、平稳；S5:在所述中间过渡通道4上，由于所述平衡运行阻力发动机以小功率平衡列车运行阻力，所述重力列车I持续以上述目标速度恒速运行，驶近并将冲向所述陡长上坡道5下端25，这时车上所述计算机一自动控制系统对前方路况作信息分析、数据处理；S6:与所述重力列车I冲上所述陡长上坡道5同步，车上所述计算机一自动控制系统的控制装置适时发出·指令，调节控制所述可调式地板28(c)定位在相应的俯角32上，使所述重力列车I沿所述陡长上坡道5上行途中，所述可调式地板28(c)继续维持水平或维持在一个可维持乘车舒适的小坡度平面之内(比轨道线路的坡度小)，乘坐的感觉仍然舒适、平稳；S7:所述重力列车I在重力6平行于所述陡长上坡道5的分力8作用下，减速上行，根据能量守恒定律、重力势能一动能相互转化的规律mgh=l/2mv2,在本实施例中所述陆长下坡道3与所述陡长上坡道5两者对称，一为下坡道，另一为上坡道，两者高程相等、坡长相等、坡度的绝对值相等(一为负值，另一为正值)，即所述陡长下坡道3上端9与所述陡长上坡道5上端10在通过所述中间过渡通道4最低点的参考平面33以上的高度34、35相同，在排除其他阻力干扰的情况下(列车运行阻力被所述重力列车I平衡运行阻力发动机动力所平衡)，如果所述重力列车I从所述陡长下坡道3坡顶9顺坡加速下滑到坡底24 (相当于参考平面33)其在坡顶所具有的相对于坡底的重力势能全部转化为抵达坡底时所具备的动能，在所述重力列车I以此动能从所述陡长上坡道5坡底25 (相当于参考平面33)逆坡上冲减速抵达坡顶10时其在坡底时所具备的全部动能正好转化为在坡顶所具有的相对于坡底的重力势能，重力成为所述重力列车I沿所述陡长上坡道5上行途中减速制动的主要施力源，在动能转化为重力势能的同时，获得所述重力列车I制动所需要的负加速度，并在接近所述陡长上坡道5上端10时所述重力列车I速度减至极低，同时车上所述计算机一自动控制系统对前方路况作信息分析、数据处理；S8:与所述重力列车I缓缓驶进下站所述站台轨道2同步，车上所述计算机一自动控制系统的控制装置适时发出指令，调节控制所述可调式地板28定位在与车厢底盘21平行的中位平面上，使所述重力列车I沿所述站台轨道2平驶减速至停途中，所述可调式地板28继续维持基本水平，乘坐的感觉舒适、平稳；所述平衡运行阻力发动机熄火，所述重力列车I停靠在出站段有微小向下坡度但尚不至于导致列车下滑的所述站台轨道2上，或者停靠在具有所述重力启动轨道11的所述站台轨道2上，其前端止于所述重力启动轨道11的中部或前中1/3处，准备下一次启动运行。由上可见，本实施例的重力列车I运行方法采用重力作为列车加速和减速制动的主要施力源，与现有技术相比，大大减少了能耗。以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定 。
权利要求1.一种以重力为加速和制动主要施力源的列车系统，其特征在于，包括:重力列车和重力列车轨道， 所述重力列车包括: 在坡度大、坡道长的线路上运行的重力列车车厢，有一或若干节； 产生平衡所述重力列车运行中与线路坡度无关的运行阻力的动力的平衡运行阻力发动机； 所述重力列车轨道包括: 站台轨道，包括出站端和进站端 ，用于供所述重力列车停靠、启动； 陡长下坡道，上端与当前站站台轨道的出站端连接，具有供所述重力列车依靠重力做正功沿所述陡长下坡道加速运行达到目的速度的坡度和长度； 陡长上坡道，上端与下一站站台轨道的进站端连接，具有供所述重力列车依靠重力做负功沿所述陡长上坡道减速制动至停止在下一站站台轨道的坡度和长度； 中间过渡通道，连接在所述陡长下坡道的下端和所述陡长上坡道的下端之间，水平设置或仅具有利于线路排水的中央略低的微小坡度±2 3%。； 其中，以经过所述中间过渡通道的最低点的水平面为参考平面，所述陡长下坡道的上端和所述陡长上坡道的上端两者在所述参考平面以上的高度相同。
2.如权利要求1所述的列车系统，其特征在于，所述陡长下坡道和陡长上坡道分别与所述站台轨道和中间过渡通道之间平滑连接。
3.如权利要求1所述的列车系统，其特征在于，所述站台轨道靠近所述出站端的部分具有向前下方的坡度，所述向前下方的坡度形成的所述重力列车在运行方向的重力分量小于所述重力列车的运行阻力；或者所述站台轨道靠近所述出站端的部分为重力启动轨道。
4.如权利要求3所述的列车系统，其特征在于，所述重力启动轨道的后端即远离所述陡长下坡道的一端通过杵白关节样结构与站台轨道可转动的连接，所述重力启动轨道前端即朝向所述陡长下坡道的一端可升降设置；所述重力启动轨道的工作位置包括水平设置的第一工作位置，以及向前下方倾斜的第二工作位置；所述重力启动轨道在第一工作位置时其前端位于所述陡长下坡道上端的上方，所述重力启动轨道在第二工作位置时其前端与所述陡长下坡道上端平滑对接。
5.如权利要求4所述的列车系统，其特征在于，所述重力启动轨道下方支撑有升降支撑结构。
6.如权利要求4所述的列车系统，其特征在于，所述重力启动轨道下方还设置有缓冲减震装置。
7.如权利要求1所述的列车系统，其特征在于，所述重力列车轨道为地下线轨道、高架线轨道、地下线和高架线的混合轨道、地面线和地下线的混合轨道、或地面线和高架线的混合轨道。
8.如权利要求1所述的列车系统，其特征在于，所述重力列车车厢包括车厢本体、与所述车厢本体活动连接的可调式地板和/或与所述车厢本体固定的具有安全带的安全座椅、以及控制装置，所述控制装置根据所述重力列车的水平度将所述可调式地板调节至设定的水平度。
9.如权利要求8所述的列车系统，其特征在于，所述可调式地板与所述车厢本体之间通过设于所述可调式地板前后方向的中部的横轴连接，所述横轴的轴向与车厢本体的底盘平行并与重力列车的运行方向垂直，所述可调式地板可绕所述横轴转动。
10.如权利要求8所述的列车系统，其特征在于，所述重力列车还包括传感器，根据所述重力列车的水平度生成对应的水平度信号并发送至所述控制装置。
11.如权利要求8所述的列车系统，其特征在于，所述车厢本体内壁设有对所述调节后的可调式地板进行卡扣限位的卡扣机构。
12.如权利要求1或8所述的列车系统，其特征在于，所述重力列车轨道还包括设置在坡度变化位置附近的变坡信号装置，向将要进入坡度变化区段的所述重力列车的控制装置发送坡度变化 信号。
专利摘要本实用新型公开了一种重力列车系统—以重力为加速和制动主要施力源的列车系统，所述重力列车系统包括重力列车和重力列车轨道。所述重力列车包括重力列车车厢其可运行在坡度大、坡道长的线路上，以及小功率的平衡运行阻力发动机；所述重力列车轨道包括陡长下坡道、陡长上坡道、中间过渡通道、站台轨道及其重力启动轨道，其中以经过所述中间过渡通道的最低点的水平面为参考平面，所述陡长下坡道和陡长上坡道两者上端在所述参考平面以上的高度相同。所述重力列车运行的加速推力主要依靠重力做正功即重力势能转化为动能获得，所述重力列车减速制动主要依靠重力做负功即动能转化为重力势能实现，节省大量能耗。
文档编号B61B13/00GK203126849SQ20132009541
公开日2013年8月14日 申请日期2013年3月1日 优先权日2013年3月1日
发明者王力丰 申请人:王力丰