轨道车辆转向架及其飞轮动能回收装置的制作方法

本发明涉及轨道车辆技术领域，特别涉及一种轨道车辆的转向架及其飞轮动能回收装置。

背景技术：

随着城市化进程的加快，轨道交通建设迅速发展，轨道交通在大、中型城市成为重要交通工具。因为具有速度快、站距短、运载量大等特点，已成为解决城市快速交通的有效方式。

地铁系统作为轨道车辆系统中一种典型的应用，在我国也发展迅速。

地铁供电系统负责为电动列车提供牵引电源和为各种运营设备提供动力照明电源，是城市电网的用电大户。在地铁的运营成本中，电力消耗约占全部运营成本的50％。一条典型的地铁线路日均用电量约为300000千瓦时，其中牵引用电量约占50％，其它的电能消耗包括照明、通风、空调系统及其他关联设备的运行。

由于地铁运行特点的特殊性就是运行速度快，启动、制动频繁，且制动时会产生大量的能量，为了回收这部分能量，传统的城市轨道交通列车普遍采用电阻吸收型制动能量吸收方式，列车的制动能量除少部分被邻近的牵引车辆吸收外，剩余的部分通过车辆的制动电阻以发热的方式消耗，这种能量吸收方式不仅能量转化效能低，还会使得隧道内温度升高，提高对空调和通风系统的要求，进一步造成能量的浪费，所以其具有很大的局限性。

即便如此，在轨道车辆系统中实施电阻吸收型制动能量吸收操作，也必须具备相当复杂的控制系统、电能逆变装置、电路和可选择的电能存储装置，该系统需要承载最大高达1800v的电压和超过4000kw的瞬时功率，所以其生产制造成本及使用维护成本居高不下。

所以亟待一种体型小，功率承载高，控制方便，具有能量存储功能，并可以直接安装在轨道车辆转向架上的动能回收系统。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种轨道车辆的转向架及其飞轮动能回收装置，在转向架的构架中设置飞轮动能回收装置，使该转向架在具备现有转向架功能的情况下，过其飞轮动能回收装置，实现动能回收功能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种飞轮动能回收装置，包括，齿轮传动部件、输入输出轴、调速部件、中间轴、后级变速部件、飞轮轴、飞轮和壳体；

所述飞轮动能回收装置依据齿轮传动部件、输入输出轴、调速部件、中间轴、后级变速部件、飞轮轴和飞轮的前后循序排列放置在壳体内，其中的转动部件通过轴承连接在壳体上，壳体和转向架的构架连接。

所述齿轮传动部件用于连接轨道车辆转向架的车轴与飞轮动能回收装置的输入输出轴，其前端连接车轴，后端连接输入输出轴，齿轮传动部件具有传动和变速功能；

所述齿轮传动部件从其前端车轴至后端输入输出轴的传动为升速传动，其转速比为2～5，优选的，转速比为3。

所述调速部件为具有齿轮锁定和转速限制装置的行星齿轮系统；

该行星齿轮系统具有传动、变速和调节传动比的功能；

该行星齿轮系统依据其结构，从其前端输入输出轴至后端中间轴的传动为升速传动，其转速比为2～10，优选的，转速比为5；

当行星齿轮部件实施对齿轮锁定和转速限制操作后，可以实现行星齿轮系统在其固定传动比范围内实施传动比的调节功能，从其前端输入输出轴至后端中间轴转速比的调节范围为0～2与0～10之间，优选的，转速比的调节范围为0～5。

所述后级变速部件为二档变速器；

该二档变速器具有传动、二档变速和“空档”功能；

该两档变速器的两档切换分别对应实施飞轮能量蓄入操作和实施飞轮能量释放操作；

所述两档变速器在实施飞轮能量蓄入操作时，齿轮啮合飞轮能量蓄入齿轮，从前端中间轴至后端飞轮轴的传动为升速传动，其转速比为25～5倍，优选的，其转速比为10；

在实施飞轮能量释放操作时，齿轮啮合飞轮能量释放齿轮，从前端飞轮轴至后端中间轴的传动为降速传动，其转速比为0.1～0.8，优选的，其转速比为0.6667(2/3)；

当二档变速器未啮合齿轮时，后级变速部件可以实现“空档”功能。

飞轮放置在飞轮轴上，飞轮可以以飞轮轴轴心进行旋转，用于存储能量。

飞轮由金属或金属及其它复合材料制作而成。

飞轮的质量为10～100千克，优选的，飞轮的质量为40千克。

飞轮的直径为20～80厘米，优选的，飞轮的直径为27厘米。

飞轮的最高转速为20000～70000rpm，优选的，飞轮的最高转速为24000rpm。

本发明还提供一种轨道车辆转向架，包括上述任意一项所述的飞轮动能回收装置。

通过对调速部件和后级变速部件的操作，实现调速部件和后级变速部件的传动转速比的调节功能，从而在本发明中，实现从轨道车辆动能向飞轮转动动能的能量蓄入功能，也能够实现从飞轮转动动能向轨道车辆动能的能量释放功能，从而实现动能回收功能。

对比现有技术，本发明轨道车辆转向架及其飞轮动能回收装置具有以下有益好处：

本发明结构简单，布局合理，在实施能量蓄入和能量释放操作时，无需其他用于能量转换及存储的辅助设备，降低了生产制造成本和设备维护成本；

本发明飞轮动能回收系统主要部件放置在轨道车辆的转向架上，方便对现有设备进行改良，也无需改变列车车厢的结构；

本发明采用机械传动的方式实施能量的蓄入和能量释放操作，转换效能高，控制灵活方便，提高了乘用者的用户体验；

本发明动能回收装置在运行时不产生超额热量，减少了对轨道交通系统中的通风和空调要求；

采用本发明的轨道车辆可以降低牵引电机的设计功率，并降低了牵引电机对所配套周边设备的功率要求，从而降低了生产制造成本和设备维护成本；

采用本发明的轨道车辆在制动时，其动能将有效的转换为飞轮的转动动能，减少了因车辆制动对车轮、基础制动部件及轨道的摩擦和制动冲击力，提高了车轮、基础制动部件及轨道等设备使用寿命；

附图说明

图1本发明轨道车辆转向架的结构示意图。

图2本发明飞轮动能回收装置的结构示意图。

图3本发明飞轮动能回收装置的结构分解示意图。

图4本发明飞轮的蓄能能力工况示意图。

图5本发明轨道车辆运动动能示意图。

图6本发明飞轮能量蓄入工况表格图。

图7本发明飞轮能量释放工况表格图。

具体实施方法

参考图1一种轨道车辆转向架100，包括，构架101，轮对轴箱102、齿轮减速箱103、牵引电机104、基础制动部件(未图示)、悬挂系统(未图示)和飞轮动能回收装置200；

其中牵引电机104通过齿轮减速箱103连接轮对轴箱102，通过牵引电机104的工作，可以驱动轨道车辆运行，也可以通过牵引电机104及相关联设备实施电阻吸收型制动能量吸收操作。

参考图2图3一种飞轮动能回收装置200，包括，齿轮传动部件201、输入输出轴202、调速部件203、中间轴204、后级变速部件205、飞轮轴206、飞轮207和壳体210；

飞轮动能回收装置依据齿轮传动部件201、输入输出轴202、调速部件203、中间轴204、后级变速部件205、飞轮轴206和飞轮207的前后循序排列放置在壳体210内，其中的转动部件通过轴承连接在壳体210上，壳体210和转向架100的构架101连接。

齿轮传动部件201从其前端前轮对轴箱102的车轴至后端输入输出轴202的传动为升速传动，其转速比为3，反之，从其后端输出输出轴202至前端车轴的传动为降速传动，其转速比为0.3333(1/3)。

调速部件203为具有齿轮锁定和转速限制装置的行星齿轮系统；

该行星齿轮系统依据其结构，从其前端输入输出轴202至后端中间轴203的传动为升速传动，其转速比为5；反之，从其后端中间轴203至前端输入输出轴202的传动为降速传动，其转速比为0.2；

当行星齿轮部件实施对齿轮锁定和转速限制操作后，可以实现行星齿轮系统在其固定传动比范围内实施传动比的调节功能，从其前端输入输出轴202至后端中间轴203转速比的调节范围为0～5之间，反之，从其后端中间轴203至前端输入输出轴202转速比的调节范围为0～0.2之间。

后级变速部件205为二档变速器；

该两档变速器的两档切换分别对应实施飞轮能量蓄入操作和实施飞轮能量释放操作；

两档变速器在实施飞轮能量蓄入操作时，齿轮啮合飞轮能量蓄入齿轮，从前端中间轴203至后端飞轮轴204的传动为升速传动，其转速比10；

在实施飞轮能量释放操作时，齿轮啮合飞轮能量释放齿轮，从后端飞轮轴204至前端中间轴203的传动为降速传动，其转速比为0.6667(2/3)；

当二档变速器未啮合齿轮时，后级变速部件205处于“空档”状态。

飞轮207放置在飞轮轴206上，飞轮207可以以飞轮轴207轴心进行旋转，用于存储能量，飞轮207由金属或金属及其它复合材料制作而成；

飞轮207的质量为40千克，飞轮207的直径为27厘米，飞轮207的最高转速为24000rpm，飞轮207能量释放的最低转速为6000rpm，飞轮207质量分布系数为0.7；

参考图4根据动能定律，飞轮207蓄能能力和其转速的对应关系如图所示，并可得知，本实施例中飞轮207在最高转速时能量值为6440kj，飞轮207在能量释放最低转速时能量值为403kj，且蓄能能力的关系与转速的平方成正比。

根据公知的内容，城市轨道交通地铁车辆，单个车厢的重量为48吨，车厢首尾设有两个转向架，单个转向架的载重为24吨，轨道车辆轮子的直径为0.84米；

参考图5根据动能定律，单个转向架与轨道车辆的运行速度所对应的动能值关系如图所示，并可得知，轨道车辆在80千米每小时匀速直线运动时，分配到单个转向架处的运动能量值为5926kj，且能量值大小的关系与车辆运行速度的平方成正比。

以下内容表述本发明飞轮动能回收装置的三种典型实施方法：

1.能量蓄入操作：

参考图6典型的飞轮能量蓄入操作发生在轨道车辆制动时，即轨道车辆从高速运行至停靠站台速度降为“零”时，当实施飞轮能量蓄入操作时，飞轮动能回收装置200中的后级变速部件205切换到飞轮能量蓄入齿轮组，通过调速部件203实施传动比的调节功能，实施如图6中a0-a1的操作过程，期间，飞轮207的转速由6000rpm上升至23000rpm，而轨道车辆的速度由80千米每小时降低到25千米每小时，此时，飞轮存储有5347kj能量；

轨道车辆的速度由25千米每小时降低到为“零”的过程，可以由电阻吸收型制动能量吸收操作或基础制动部件操作实施；

2.能量保持操作：

通过飞轮动能回收装置200中的调速部件203和后级变速部件207的操作，使后级变速部件207处于“空档”状，此时，飞轮207的转动与轨道车辆车轴的转动彼此不相干涉，在这种情况下，飞轮207的转动仅受到自身和与其连接机械部件的摩擦阻力影响，其转动得以持续，实现能量的保持功能；

3.能量释放操作：

参考图7典型的飞轮能量释放操作发生在轨道车辆加速运行时，即轨道车辆从静止加速到高速运行时，当实施飞轮能量释放操作时，飞轮动能回收装置200中的后级变速部件207切换到飞轮能量释放齿轮组，通过调速部件203实施传动比的调节功能，实施如图7中曲线b0-b1的操作过程，期间，飞轮207的转速由23000rpm下降至8000rpm，同时轨道车辆的速度由“零”加速到55千米每小时；

在有驱动电机104协同工作的情况下，实施如图7中曲线b0-b2的操作过程，期间，飞轮207的转速由23000rpm下降至11000rpm，同时轨道车辆的速度由“零”加速到80千米每小时。

在本实施例中已经表述飞轮动能回收装置的三种典型实施方法，但是在轨道车辆运行在诸如弧线轨道、道岔或桥梁等轨道情况时，也存在先需要制动减速，而后又需要加速的运行情况，在这种情况下，本发明的轨道车辆转向架100及其飞轮动能回收装置200也可以实施动能回收操作。

至此，本发明轨道车辆转向架及其飞轮动能回收装置实现了动能回收功能。

本发明提供的各种实施例可根据需要以任意方式相互组合，通过这种组合得到的技术方案，也在本发明的范围内，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型，如果对本发明的这些改动和变型是在本发明的权利要求及其等同方案的范围之内，则本发明也将包含这些改动和变型。