一种具有冗余功能的中低速磁浮车辆走行部的制作方法

本发明属于轨道交通车辆技术领域，涉及一种具有冗余功能的中低速磁浮车辆 走行部。

背景技术：

中低速磁浮列车是一种新型的轨道交通运输工具，它利用电磁吸力使车辆悬浮 磁铁与轨道之间保持8～10mm间隙。走行部作为车辆的一部分，位于车体与轨道 之间，是用于实现车辆悬浮、导向、牵引、制动和走行等功能，是车辆最重要的核 心部件。根据走行部与车体之间横向运动关系，现有电磁悬浮或永磁电磁混合悬浮 的中低速磁浮列车走行部可分为摆杆摆动式和导轨横移式两种类型。摆杆摆动式是 指车体和走行部之间通过摆杆实现相对横向运动；导轨横移式是指车体和走行机构 之间通过直线导轨实现相对横向运动。传统铁路走行部轮对实现车辆的支撑、导向， 这部分内容属于走行部，而中低速磁浮车辆支撑、导向是通过悬浮控制实现的，这 部分内容虽然不是机械机构，但在功能上与走行部结构息息相关，因此，本专利走 行部除传统的走行部结构外，还包含悬浮控制部分。

磁浮列车作为交通运输工具，有较高运行舒适性、安全性、经济性等方面的要 求，这就对走行部提出了更具体的要求。首先走行部在完成车辆悬浮、导向、牵引、 制动和走行等功能时，载荷传递均匀、简洁、可靠；走行部能够适应轨道设计规范 所规定的各种几何扭曲、线形，保证列车在能在较高的速度下的曲线通过性以及直 线稳定性；由于磁浮列车系统走行部连续分布以及相对独立的控制，因此在正常运 行时应能够保证运动解耦；考虑磁浮列车控制点较多、控制系统容易出现故障，因 此走行部必须有较强的冗余性要求。除上述走行部功能外，走行部自身还必须满足 较高的轻量化要求。

目前，中低速磁浮列车车辆走行部结构大多采用5组悬浮架单元模式，如图1、 图2所示。走行部结构按照功能其主要的部件包括：5组悬浮架单元1(如图3所 示)、2组迫导向机构2(如图3所示)、8组第一移动滑台33(如图4所示)、4 组第一固定滑台44、10组第一牵引拉杆55、10组第一空气弹簧悬挂系统66以及 其它辅助结构。悬浮架单元1通过第一空气弹簧悬挂系统66支撑第一移动滑台33 或第一固定滑台44；支撑第一移动滑台33和第一固定滑台44支撑车体结构，第 一移动滑台33和车体之间有直线轴承7，能够自由横向运动，第一固定滑台44和 车体之间采用螺栓固接；第一牵引拉杆55连接悬浮架单元1和第一移动滑台33 或第一固定滑台44，主要实现纵向载荷的传递；迫导向机构包含4组滑台拉杆、1 组长转臂、1组短拐臂，主要实现车体的横向载荷的均匀传递，具体使用原理可参 看现有专利文献CN202016407U。

这种采用5组悬浮架单元组合模式的走行部，5组悬浮架单元相对独立，无法 形成悬浮系统的冗余，任意控制回路中环节(悬浮传感器、悬浮控制器、电磁铁) 失效，则立即会出现机械接触，影响运行品质及运行安全；车辆在运行过程中，由 于线路、控制等原因，可导致空气弹簧载荷变化剧烈，从而导致悬浮控制点出现较 大的载荷变化，导致悬浮控制困难，引起局部振动，甚至控制失效发生机械接触的 可能；相邻两点独立控制导致车辆通过轨缝困难，特别是垂向高差较大的轨缝；走 行部牵引拉杆数量较大，因此牵引拉杆结构不能太长，一方面有结构空间的要求， 另一方面也是考虑结构轻量化的要求，这种短牵引拉杆在传递牵引力的同时容易产 生其它方向的运动约束；另外，现有走行部的轻量化还可以进一步提升。

因此，需要研究一种运行安全冗余大，线路适应能力强，非正常耦合少，轻量 化要求高的中低速磁浮车辆走行部有较强的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有冗余功 能的中低速磁浮车辆走行部。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有冗余功能的中低速磁浮车辆走行部，包括分别位于轨道左右两侧的两 组组合模块、两组组合模块之间的抗侧梁组件、布置在组合模块上的若干空气弹簧 悬挂系统，以及由所述空气弹簧悬挂系统连接支撑并固定连接车体的滑台组件，所 述组合模块包括通过铰接结构依次铰接的五个框架模块，分别为位于端部的两个端 部模块和位于中间位置的三个中间模块，在端部模块和中间模块上均布置有悬浮单 元，所述组合模块与滑台组件之间还铰接布置有牵引拉杆。

进一步的，所述滑台组件包括固定滑台和移动滑台，其中，固定滑台与车体之 间固定连接，移动滑台与车体之间通过直线导轨横向滑动连接。

更进一步的，两组组合模块上的固定滑台分别设有位置对应的两个。

进一步的，所述铰接结构包括分别连接相邻两框架模块的两个拉杆头，所述两 个拉杆头之间通过球形铰连接。

进一步的，所述空气弹簧悬挂系统具有独立的排气功能，其中，位于组合模块 两端的空气弹簧悬挂系统具有部分排气和完全排气功能，其余空气弹簧悬挂系统具 有独立的完全排气功能。

进一步的，所述牵引拉杆沿组合模块方向纵向布置，其一端铰接于最中心的中 间模块，另一端铰接与其相邻的滑台组件。

进一步的，所述两组组合模块中分别位置对应的框架模块之间两两连接布置有 抗侧滚梁组件，所述抗侧滚梁组件包括分别通过抗侧滚梁安装座设置在两组组合模 块对应的框架模块内侧的两片梁，所述片梁与抗侧滚梁安装座布置有活动连接用的 弹性关节或球关节，使得片梁可绕抗侧滚梁安装座转动，两片梁之间还通过端部铰 接布置的吊杆铰接形成四连杆机构。

进一步的，所述框架模块包括结构框架，设置在结构框架端部的托臂，以及布 置在结构框架上并支撑所述托臂的悬浮磁铁，在托臂上安装所述空气弹簧悬挂系 统，所述悬浮磁铁包括电磁铁线圈和悬浮传感器。

更进一步的，所述框架模块中，支撑端部模块最外端的托臂的悬浮磁铁的电磁 铁线圈为三个，悬浮传感器为两个，其中一个电磁铁线圈和其中一个悬浮传感器以 及一个独立的悬浮控制器组成一套独立的控制回路，另外两个电磁铁线圈和另一个 悬浮传感器以及另一个独立的悬浮控制器组成另一套独立的控制回路，两个悬浮控 制器还连接并控制位置对应的空气弹簧悬挂系统。

更进一步的，所述框架模块中，在铰接结构处包含两组托臂，每个托臂由各自 的两个电磁铁线圈悬浮支撑。悬浮控制器包含控制算法和斩波器，在铰接点前后的 悬浮控制器共用一套控制算法。铰接点前后两个传感器采集数据，通过控制算法形 成控制策略，以用于后续实际控制。在具体实施控制时，铰接点前端的两个电磁铁 线圈和斩波器组成一套独立的控制执行回路；铰接点后端的两个电磁铁线圈和斩波 器组成一套独立的控制执行回路。这样通过容易产生故障的悬浮控制器执行控制部 分斩波器以及电磁铁线圈形成的回路保持相对独立，形成控制上的冗余。悬浮控制 器还连接并控制位置对应的空气弹簧悬挂系统。悬浮传感器统一反馈信号给悬浮控 制器，由悬浮控制器分别控制对应的控制执行回路，进而调整电磁铁线圈的运行状 态，同时，根据信号，悬浮控制器还控制空气弹簧悬挂系统对应调整工作状态。

与现有技术相比，本发明针对导轨横移式中低速磁浮车辆，形成了一种具有冗 余功能的中低速磁浮车辆走行部设计，包含走行部结构以及悬浮控制两部分。新型 走行部解决了目前中低速磁浮列车系统中存在的上述问题得到很好解决，提高磁浮 列车的冗余性、可用性、安全性以及舒适性。另外，本次发明的走行部也可以组合 迫导向机构形成新的走行部，而且在实际使用过程中，悬浮模块数量可以增加或减 少。

附图说明

图1为现有走行部的俯视结构示意图；

图2为现有走行部的侧视结构示意图；

图3为现有走行部的的悬浮架单元的结构示意图；

图4为现有走行部的滑台结构的示意图；

图5为本发明的走行部的结构示意图；

图6为本发明的组合模块的结构示意图；

图7为本发明的框架模块之间的结构示意图；

图8为框架模块的结构示意图；

图9为本发明的铰接结构的示意图；

图10为本发明的抗侧滚梁组件的结构示意图；

图11为本发明的空气弹簧悬挂系统的控制示意图；

图12为本发明在铰接点处的控制示意图；

图中标记说明：

1-悬浮架单元，2-迫导向机构，3-第一移动滑台，4-第一固定滑台，5-第一牵 引拉杆，6-第一空气弹簧悬挂系统，7-直线轴承；

8-组合模块，9-第二固定滑台，10-第二移动滑台，11-抗侧滚梁组件，12-第二 牵引拉杆，13-第二空气弹簧悬挂系统，14-端部模块，15-中间模块，16-铰接结构，17-结构框架，18-端部悬浮磁铁，19-牵引电机，20-中间悬浮磁铁，21-电磁铁线圈， 22-悬浮传感器，23-托臂，24-纵梁，25-拉杆头一，26-拉杆头二，27-球形铰，28- 抗侧滚梁安装座，29-片梁，30-吊杆，31-悬浮控制器，32-空气弹簧控制单元，33- 控制算法，34-斩波器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

参见图5-图12，本发明提出了一种具有冗余功能的中低速磁浮车辆走行部， 包括分别位于轨道左右两侧的两组组合模块8、布置在组合模块8上的若干空气弹 簧悬挂系统(即第二空气弹簧悬挂系统13)，以及由第二空气弹簧悬挂系统13连 接支撑并固定连接车体的滑台组件，组合模块8包括通过铰接结构16依次铰接的 五个框架模块，分别为位于端部的两个端部模块14和位于中间位置的三个中间模 块15，在端部模块14和中间模块15上均布置有悬浮单元，组合模块8与滑台组 件之间还铰接布置有牵引拉杆。另外，走行部还包括实现车辆悬浮的悬浮控制器 31、空气弹簧控制单元32等。

在本发明的一种具体的实施方式中，滑台组件包括固定滑台和移动滑台，其中， 固定滑台与车体之间固定连接，移动滑台与车体之间通过直线导轨横向滑动连接。 更具体的实施方式中，两组组合模块8上的固定滑台分别设有位置对应的两个。

在本发明的一种具体的实施方式中，铰接结构16包括分别连接相邻两框架模 块的两个拉杆头，两个拉杆头之间通过球形铰27连接。

在本发明的一种具体的实施方式中，第二空气弹簧悬挂系统13具有独立的排 气功能，其中，位于组合模块8两端的第二空气弹簧悬挂系统13具有部分排气和 完全排气功能，其余第二空气弹簧悬挂系统13具有独立的完全排气功能。

在本发明的一种具体的实施方式中，牵引拉杆沿组合模块8方向纵向布置，其 一端铰接于最中心的中间模块15，另一端铰接与其相邻的滑台组件。

在本发明的一种具体的实施方式中，两组组合模块8中分别位置对应的框架模 块之间两两连接布置有抗侧滚梁组件11，抗侧滚梁组件11包括分别通过抗侧滚梁 安装座28设置在两组组合模块8对应的框架模块内侧的两片梁29，片梁29与抗 侧滚梁安装座28布置有活动连接用的弹性关节或球关节，使得片梁29可绕抗侧滚 梁安装座28转动，两片梁29之间还通过端部铰接布置的吊杆30铰接形成四连杆 机构。

在本发明的一种具体的实施方式中，框架模块包括结构框架17，设置在结构 框架17端部的托臂23，以及布置在结构框架17上并支撑托臂23的悬浮磁铁，在 托臂23上安装第二空气弹簧悬挂系统13，悬浮磁铁包括电磁铁线圈21和悬浮传 感器22。更具体的实施方式中，框架模块中，支撑端部模块14最外端的托臂23 的悬浮磁铁的电磁铁线圈21为三个，悬浮传感器22为两个，其中一个电磁铁线圈 21和其中一个悬浮传感器22以及一个独立的悬浮控制器31组成一套独立的控制 回路，另外两个电磁铁线圈21和另一个悬浮传感器22以及另一个独立的悬浮控制 器31组成另一套独立的控制回路，两个悬浮控制器31还连接并控制位置对应的第 二空气弹簧悬挂系统13。更具体的实施方式中，在铰接结构16处包含两组托臂23， 每个托臂23由各自的两个电磁铁线圈21悬浮支撑。更进一步，悬浮控制器31包 含控制算法33和斩波器34，在铰接点前后的悬浮控制器31，共用一套控制算法 33，铰接点前后两个传感器22采集数据，通过控制算法33形成控制策略。在具体 实施控制时，铰接点前端的两个电磁铁线圈21和悬浮控制器斩波器34组成一套独 立的控制执行回路；铰接点后端的两个电磁铁线圈21和斩波器34悬浮控制器组成 一套独立的控制执行回路。悬浮控制器31还连接并控制位置对应的第二空气弹簧 悬挂系统13。

以下结合具体实施例来对上述实施方式进行更进一步的说明。

实施例：

一种具有冗余功能的中低速磁浮车辆走行部，如图5所示，走行部结构放置在 F形轨道上。走行部结构包括：两组组合模块8，四组第二固定滑台9、八组第二 移动滑台10、七组抗侧滚梁组件11、两组第二牵引拉杆12、二十组第二空气弹簧 悬挂系统13等。走行部主要通过滑台组件(即第二固定滑台9和第二移动滑台10) 与其它车辆结构相连接，通过组合模块8上的悬浮磁铁与轨道产生作用。另外，走 行机部还包括十二组悬浮控制器31用于车辆悬浮控制，二十组空气弹簧控制单元 32实现空气弹簧悬挂系统13的排气功能。

在垂向上，悬浮载荷通过悬浮磁铁等传递给第二空气弹簧悬挂系统13，再传 递给滑台组件，最终传递给车辆其它结构；纵向载荷都需要传递到最中间的悬浮磁 铁上，最终通过第二牵引拉杆12向外传递至车体；横向载荷也是通过悬浮磁铁等 组成的悬浮模块传递给第二空气弹簧悬挂系统13，再传给滑台组件，最终也向外 传递。车辆在轨道上运行时，左、右两组组合模块8能够独立的实现悬浮、牵引、 制动等功能，但由于中低速磁浮悬浮特点，此时单侧的组合模块8的悬浮类似于单 电磁悬浮，抗侧倾的能力较弱，因此模块组合8容易发生侧滚，为了增强左、右组 合模块8的抗侧滚的能力，因此需要布置相应的抗侧滚梁装配；车辆在曲曲线上时， 由于曲线内、外轨线路纵向距离不一致以及相应的轨距变化，因此左、右模块组合 需要有运动解耦，即前后自由度、横向自由度。这些自由度以及相应的约束是通过 抗侧滚梁组件11和铰接结构16等来实现。

如图6、图7所示，组合模块8包括：两组端部模块14、三组中间模块15以 及四组铰接结构16。两组端部模块14位于组合模块8的端部，五个框架模块之间 分别通过铰接结构16完成连接，可以实现相对的转动自由度。组合模块8随着轨 道运动，根据轨道不同线形，能最大限度地拟合成轨道形状，且拟合后的结构位置 容易确定；模块耦合在一起后更不容易发生模块摇头运动、点头等运动；整个模块 组合在通过轨缝时，由于模块在垂向耦合在一起，因此对垂向不平顺不敏感。

如图7所示，相邻框架模块之间除了铰接结构16耦合在一起外，还包括第二 空气弹簧悬挂系统13、滑台组件，车体结构就是通过滑台组件，把各种车体载荷 传递到下部结构。由于框架模块铰接后，从第二空气弹簧悬挂系统13传递下来的 载荷更加均匀，使悬浮载荷稳定，不容易发生悬浮点载荷变化较大而引起的悬浮问 题。另外，两个第二空气弹簧悬挂系统13经同一滑台组件组合后，其总的参数性 能更加稳定。

如图8所示，端部模块14包括：结构框架17、端部悬浮磁铁18、牵引电机 19等部件；中间模块15包含结构框架17、中间悬浮磁铁20、牵引电机19等部件。 端部悬浮磁铁18和中间悬浮磁铁20固接在结构框架17上，端部悬浮磁铁18包含 五组电磁铁线圈21以及三组悬浮传感器22，中间悬浮磁铁20包含四组电磁线圈 以及两组悬浮传感器22。结合图11，悬浮控制系统31、电磁铁线圈21、悬浮传感 器22共同形成走行部的控制回路。

端部模块14采用五组线圈，支撑位于端部的托臂23，其中三个电磁铁线圈21 用于支撑最外端的托臂23。在控制上，最外侧第一个电磁铁线圈21、一个相邻的 悬浮传感器22、一个悬浮控制器形成一个控制环节，第二、第三个电磁铁线圈21、 一个相邻的悬浮传感器22、一个悬浮控制器31形成一个控制环节。两套控制回路 相互独立，保证其中两个控制环节中一个出现问题时，所对应位置的托臂23还能 够正常悬浮，此时，可以通过控制对应位置的第二空气弹簧悬挂系统13中的空气 弹簧部分排气，降低托臂23承担的载荷，保证电磁铁正常的电流条件下工作；如 果端部位置两个控制环节都出现故障时，第二空气弹簧悬挂系统13完全排气，此 时车辆出现接触运行情况。

如图12，在由铰接结构16连接的铰接点位置实施控制时，采用两组悬浮传感 器22采集数据，一方面使得传感器可以有冗余，另外，两组悬浮传感器22的数据 有利于对线路线型的分析，更有利于后面控制的实施。悬浮控制器31包含控制算 法33和斩波器34，在铰接点前后的悬浮控制器31，共用一套控制算法33。铰接 点前后两个传感器22采集数据，通过控制算法33形成控制策略，以用于后续实际 控制。在具体实施控制时，铰接点前端的两个电磁铁线圈21和斩波器34组成一套 独立的控制执行回路；铰接点后端的两个电磁铁线圈21和斩波器34组成一套独立 的控制执行回路。两套控制执行回路相对独立，形成控制上的冗余。当出现一组电 磁铁线圈21控制出现问题时，另一组电磁铁线圈21还能正常工作，故障线圈位置 托臂23上的空气弹簧排空气体，使空气弹簧不传递载荷给对应托臂23，此时故障 位置托臂23、悬浮磁铁等重量通过铰接结构16传给相邻托臂23，整体结构还保持 正常悬浮；如果铰接点前、后控制环节都出现故障，此时，铰接点位置空气弹簧都 排气，车辆接触运行。因此，第二空气弹簧悬挂系统13也需要根据位置，采用部 分排气和完全排气，端部空气弹簧需要能够部分排气以及完全排气两种模式，其余 空气弹簧只需要采用完全排气，而且这些第二空气弹簧悬挂系统13的动作是与悬 浮控制系统31密切相关的，只有悬浮控制系统31故障时，第二空气弹簧悬挂系统 13才会排气动作。

根据上面的论述，悬浮出现故障时需要进行空气弹簧的部分或全部排气，具体 执行情况如图11所示，悬浮控制系统31与空气弹簧控制单元32连接，悬浮控制 系统31获取控制回路故障，形成排气指令，并将指令传递给空气弹簧控制单元32， 空气弹簧控制单元32对第二空气弹簧悬挂系统13进行排气。

如图9所示，铰接结构16主要包括三部分，包含拉杆头一25、拉杆头二26 以及中间的球形铰27，拉杆头一25和拉杆头二26分别固接在两组组合模块8位 置对应的框架模块的结构框架17上，拉杆头一25和拉杆头二26之间采用球形铰27连接，能够实现自由转动。一般铰接结构16采用金属球关节，保证运动的平顺、 载荷传递以及耐磨性要求。

如图7所示，第二牵引拉杆12采用单牵引拉杆结构形式，每一组合模块8使 用一根第二牵引拉杆12，一端连接在纵梁24(即结构框架17的主体部分)上，另 一端连接在滑台组件上，且两个端头都采用弹性关节(如橡胶关节)或金属球关节， 能够实现杆件的转动。通过车辆在曲线通过时，中间模块15理论和车体平行，因 此，牵引拉杆布置在最中心的中间模块15位置，保证牵引力沿着车体中心线方向。 悬浮模块(包括悬浮磁铁)通过铰接结构16把纵向载荷传递到中间模块15的纵梁 24上，通过第二牵引拉杆12把纵向载荷传递到滑台组件，最终传递到车体上。由 于第二牵引拉杆12数量的减少，可以适用尺寸较长的牵引杆，这样由于牵引杆结 构导致的其它方面的耦合进一步降低。

如图5、图6所示，由于考虑端部模块14外侧的托臂23位置没有铰接结构16， 自由度大于中间位置的托臂23，因此布置两组抗侧滚梁组件11进行约束，为了保 证对称性，在端部模块14另一侧也布置抗侧滚梁组件11；对于中间模块15只在 模块的中间位置布置抗侧滚梁组件11。抗侧滚梁结构包括两个抗侧滚梁安装座28， 两个片梁29、两组吊杆30以及中间的转动关节，在端部模块14位置，抗侧滚梁 安装在托臂23上，安装位置位于端部模块14的两侧；在中间模块15位置，抗侧 滚梁组件11安装在纵梁24上，安装位置位于中部。两侧片梁29和抗侧滚梁安装 座28之间有弹性关节或球关节，保证片梁29能够绕着抗侧滚梁安装座28之间前 后转动，片梁29之间通过吊杆30形成机构中的四连杆结构(即片梁29与吊杆30、 吊杆30与吊杆30之间均通过转动关节连接)，能够左右平行拉动。通过对抗侧滚 梁的布置优化，一方面降低了结构重量，另一方面也优化了模块间的耦合关系。

通过耦合结构后，其相应的其它辅助设备也可以相应减少，比如用于紧急落车 的垂向滑橇、用于救援的车轮。这都利于车辆的轻量化要求。

另外，本发明走行部结构中，模块数量可以变化，形成不同的数量的模块组合。 最终形成的走行部结构可以单独作为走行部使用，也可以结合迫导向机构形成走行 部。

以上各实施方式或实施例中，所采用的空气弹簧悬挂系统、悬浮模块等未具体 说明的部件或结构或控制方法均为本领域的常规部件或结构或常规控制方法。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此 说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限 于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改 进和修改都应该在本发明的保护范围之内。