CN113165672A - 具有倾斜车厢的列车及铁路系统 - Google Patents

Abstract

一种铁路系统(1)，其包括沿铁路引导系统(3)可移动的列车(2)，所述列车包括底架(4)和通过枢转联接件(6)可旋转地支撑在所述底架(4)上的车厢(5)。所述列车(2)还包括用于致动和控制车厢(5)相对于底架(4)的旋转的枢转致动系统(7)，所述枢转致动系统(7)包括致动器(12)以及连接到所述致动器(12)和传感器的控制系统(14)。所述车厢(5)绕枢轴(P)相对于所述底架(4)旋转地支撑，所述枢轴(P)相对于所述底架(4)保持在静止位置，所述车厢具有在枢轴下方形成重心的质量分布，由于离心力产生的扭矩作用在绕枢轴(P)的重心上，所述枢转致动系统(7)用于辅助和抑制车厢相对于底架的被动旋转。

Description

具有倾斜车厢的列车及铁路系统

技术领域

本发明涉及一种铁路系统，该铁路系统包括具有倾斜车厢的列车。所述列车可用于具有磁悬浮铁路轨道的真空管铁路系统，或者用于非真空系统和传统的轮轨轨道。

背景技术

为传统的列车提供倾斜机构是众所周知，当车辆在弯道中移动时，该倾斜机构使车厢倾斜以补偿离心力。铁路轨道通常呈弯道倾斜，以便为离心力提供部分补偿。在许多铁路网中，铁路轨道的倾斜角通常限制在大约8°或更小。由于倾斜角度取决于列车的速度，所以主动倾斜机构可以根据速度调节车厢的倾斜角度。

由于列车速度的提高，或者在现有基础设施中启用新的列车，因此可能需要比许多传统系统所提供的倾斜角更大的角度。此外，在现有系统中，倾斜车厢所需的功率非常高，由于较高的功率需求和高能耗导致列车重量增加。

特别是在磁悬浮列车的真空管系统中，由于需实现非常高的速度，因此基于传统系统的倾斜机构的重量和功率需求会对列车的性能和舒适性产生不利影响。对倾斜系统的更高需求也会对可靠性和安全性产生不利影响。

发明内容

鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种铁路系统，该铁路系统包括具有倾斜车厢的列车，该列车具有高性能和乘坐舒适性，并且能耗低。

有利的是，提供一种具有倾斜车厢的列车，该倾斜车厢可以方便地以可靠且经济的方式适应低速和高速运行。

有利的是，提供一种铁路系统，该铁路系统包括具有倾斜车厢的列车，该列车即便是在发生动力故障的情况下也是安全的。

有利的是，在真空管磁悬浮铁路系统的应用中，能够以可靠、安全的性能和低功耗轻松适应极高的速度。

本发明的目的已通过提供权利要求1所述的系统实现。

本发明公开了一种铁路系统，其包括沿铁路引导系统可移动的列车，所述列车包括底架和通过枢转联接件可旋转地支撑在所述底架上的车厢。所述列车还包括用于致动和控制车厢相对于底架的旋转的枢转致动系统，所述枢转致动系统包括致动器以及连接到致动器和传感器的控制系统。所述车厢绕枢轴相对于所述底架被旋转地支撑，该枢轴相对于底架保持在静止位置，该车厢具有在枢轴下方形成重心的质量分布，由于离心力产生的扭矩作用在绕枢轴的重心上，该枢转致动系统用于辅助和抑制车厢相对于底架的被动旋转。

在一个有利的实施方式中，枢转致动系统的致动器包括在车厢或底架中的一个上的至少一组电磁体，所述至少一组电磁体与在车厢或底架中的另一个上的一组磁性电机元件中的至少一个磁性地联接，从而一起形成电磁电机，所述电磁电机配置为用于使车厢相对于底架旋转。

在一个有利的实施方式中，所述至少一组电磁体安装在车厢上。

在一个有利的实施方式中，所述至少一组电磁体安装在车厢的外周上。

在一个有利的实施方式中，电磁体围绕车厢的顶端定位。

在一个有利的实施方式中，电磁体围绕车厢的底端定位。

在一个有利的实施方式中，所述至少一组磁性电机元件安装在底架的外壳或框架上。

在一个有利的实施方式中，至少一组磁性电机元件安装在铁路引导系统的管的壁部分上。

在一个有利的实施方式中，列车包括通过车厢间联接件互连的多个车厢，该车厢间联接件包括柔性材料(compliant material)的管状部分，从而使得相邻的车厢之间有一定程度的弹性旋转位移。

在一个有利的实施方式中，铁路系统还包括枢转联接限制器机构，该枢转联接限制器机构包括安装在车厢或底架中的一个上的至少一个可移动销，该至少一个可移动销与至少一个凹部可移动地接合，该至少一个凹部形成于车厢或底架中的另一个上。可移动销被主动致动在解锁位置中并且可由弹簧被动地移动到所述凹部中的锁定位置中，该枢转联接限制器机构配置为限制车厢相对于底架的旋转位移的幅度和/或将车厢锁定在相对于底架的固定位置。

在一个有利的实施方式中，枢转联接限制器机构包括至少一对可移动销。

在一个有利的实施方式中，枢转联接限制器机构的凹部包括浅部分和深部分，所述浅部分在比深部分延伸的弓形角度更大的弓形角度上延伸。

在一个有利的实施方式中，枢轴联接件包括外围轴承，该外围轴承包括围绕车厢的底部周边以弓形角度(α)布置在底架和车厢之间的滚轴。

在另一个的实施方式中，枢转联接件包括与枢轴对准的中心轴承。

在一个有利的实施方式中，铁路引导系统包括磁悬浮铁路轨道和真空管。

根据权利要求书以及以下详细描述和附图，本发明的其他目的和有利方面是显而易见的。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明，这些附图举例说明了本发明的实施方式，其中：

图1是根据本发明一个实施方式的列车的示意图；

图2是根据本发明另一个实施方式的列车的示意图；

图3是根据本发明一个实施方式的列车的一部分的示意图，示出了列车车厢之间的联接；

图4是根据本发明的一个实施方式的控制列车车厢的倾斜角度的流程图；

图5是列车车厢的一部分的简化示意图，示出了车厢的枢轴和重心；

图6是根据本发明一个实施方式的列车的简化示意性剖视图；

图7是根据本发明的另一个实施方式的铁路引导系统中的列车的简化剖视图；

图8是根据本发明的另一个实施方式的列车的横截面的简化示意图，示出了列车车厢的外围轴承；

图9a是根据本发明的一个实施方式的列车车厢的横截面的简化示意图，示出了枢转联接限制器；

图9b是类似于图9a的视图，示出了处于锁定位置的枢转联接限制器；

图9c是处于分离位置的枢转联接限制器的纵向横截面中的简化示意图；

图9d是类似于图9c的视图，示出了处于锁定位置的枢转联接限制器；

图9e是类似于图9c的视图，示出了处于部分接合位置的枢转联接限制器。

具体实施方式

参考附图，根据本发明的一个实施方式的铁路系统包括由铁路引导系统导向的列车2，该铁路引导系统包括铁路轨道3，该铁路轨道3可以是轮式铁路轨道或磁悬浮式铁路轨道。在某些实施方式中，铁路引导系统可包括铁路管26，其可以特别地配置为用于在铁路管中施加局部真空。可以在本发明的范围内实现的前述铁路引导系统3本身是已知的并且不需要进一步详细描述。

因此，本发明的实施方式可以用各种类型的铁路系统来实现，所述各种类型的铁路系统包括在环境压力下或减压条件下运行的电磁悬挂轨道(EMS)或电动悬挂轨道(EDS)(即真空轨道系统，例如Vactrain或Hyperloop)，以及包括有轨电车和地铁的传统铁路，所述有轨电车和地铁使用具有滚动部件的车轮在轨道上移动，该滚动部件位于车辆底架中。

列车2包括至少一个底架4和至少一个通过枢转联接件6安装在底架4上的车厢5。所述车厢5相对于底架4可旋转地安装，以使车厢绕枢轴P相对于底架旋转。枢轴P相对于底架4处于固定位置或基本上固定的位置，因此车厢5可相对于底架旋转而没有任何平移位移。可以注意到，这与传统系统不同，在传统系统中，车厢的旋转中心的轴线也具有平移运动分量。本发明的实施方式的优点在于，如果需要，其可适应现有基础设施的铁路轨距，同时提供比传统车辆更大的车厢角位移，以实现更高的速度运行或在弯道上提供更高的舒适度。

底架4包括铁轨接合构件11，该铁轨接合构件11可包括用于在轮式铁路轨道上滚动接合的车轮，或者包括用于与磁悬浮铁路轨道非接触接合的磁悬浮系统，该磁悬浮铁路轨道可以具有本领域已知的各种构造。所述铁轨接合构件还可以是轮式和磁悬浮式系统的组合，其例如可用于各种铁路轨道上的低速运行或高速运行，例如可用于集成在现有基础设施中。底架4还包括驱动系统，该驱动系统可包括用于向列车2提供推进力的电机。

根据本发明的一个实施方式，列车还包括枢转致动系统7，其用于控制和致动车厢绕枢轴P相对于底架4的旋转。所述枢转致动系统包括优选地安装在底架4中的电驱致动器12，该电驱致动器12经由机械和/或电磁传输联接到车厢。然而，在其它实施方式中，如图6和8所示，枢转致动系统7可包括电致动器12，该电致动器12包括安装在车厢5中的电磁电机元件30a，该电磁电机元件30a电磁连接到底架4中的互补元件30b。在一种变型中，互补电机元件30b可以如图7中示意性示出的那样安装在铁路管26中。

枢转致动系统7还包括连接到传感器的控制系统14，该传感器包括用于测量车厢5相对于底架4的旋转位置的至少一个传感器和用于测量离心力的至少一个传感器14b，例如惯性传感器。可以使用在传感技术领域中众所周知的各种测量车厢相对于底架的位置和位移的位置传感器，例如光学传感器、磁性传感器、电容传感器或电感传感器，或者可以采用这种传感器的组合。此外，位置传感器可以是独立的和/或集成在驱动系统中。离心(惯性)传感器也是众所周知的，在此无需进一步描述。

枢转致动系统的控制系统14包括控制单元14a、14c，该控制单元14a、14c接收来自传感器的信号并且在控制回路中连接到致动器12，以在车厢相对于底架的完全枢转旋转的范围内将离心力减小0或接近0。所述控制单元可以例如包括连接到运行时间控制器14c的计算单元14a。

取决于所选择的设置，离心力可能无法通过倾斜量完全补偿，从而可以感觉到相对于车厢的底板的横向力，例如在±0.05g(即，大约-0.34至+0.34NMS^-2)横向力的范围内，或者视为施加在车厢内的货物或乘客上的可接受的横向力的任何值。角度范围还可以取决于在法规和标准中限定的允许载荷，例如符合铁路标准，乘客的横向和垂直载荷变化不得超过0.15g，这将最大角度范围限定为±29.6°。

在本发明的实施方式中，车厢5可配置为在相对于重力垂直平面高达±45°的角度范围内相对于底架4旋转。角度范围将取决于列车的最大速度和以该速度接合的铁路轨道弯道的半径。本发明的构造的优点在于，鉴于车厢围绕静态枢轴相对于底架旋转，旋转角度范围不受限制，并且可以根据需要提高。

控制单元的反馈控制回路S1-S4配置为辅助车厢5的枢转并且提供阻尼以消除或减少车厢相对于底架的振动。传感器测量信号被馈送至计算单元(S1)中，该计算单元对信号进行处理(S3)并将其传输至控制器，该控制器将信号(S4)转换为执行器(S5)接收到的执行命令，以致动车厢旋转。

在图1所示的第一实施方式中，车厢5通过枢转联接件6联接至底架，该枢转联接件6包括与枢轴P对齐的中心轴承。在该实施方式中，枢转致动系统包括致动器12，致动器12包括电机19，电机19通过变速器21联接到固定地安装到车厢的变速器元件上，例如，中心轴上的小齿轮与构成变速器21一部分的齿轮箱联接。各种机械和电磁致动器本身是已知的，并且可以在本发明的范围内实施。中心轴承可以特别为滚动轴承或润滑轴颈轴承的形式，这种轴承本身是已知，在此无需进一步描述。

在图2示意性示出的第二实施方式中，枢转联接件6包括接合车厢5的管状部分例如车厢5的管状壳体的外周轴承。在该变型中，多个车厢5可以由车厢间联接件9联接在一起，该车厢间联接件9可包括可移动联接件，特别是弹性可移动联接件，其允许相邻的车厢相对于彼此旋转一定量，以顾及车厢的倾斜位置根据作用在其上的离心力而变化的情况。车厢间联接件9可包括由弹性材料制成的增强管状连接元件，其中具有增强纤维，以限制联接件在预定范围内的弹性形变。联接件材料的示例是用芳族聚酰胺纤维或金属棒增强的橡胶基材料。由角度差引起的车厢之间的旋转可以通过这种材料的扭转来实施，或者例如在径向轴密封件上实施。

外围轴承17可有利地包括安装在底架4底部的滚轴17a，车厢5搁置在该底部上。车厢5具有圆柱形的部分(关于枢轴P轴对称的部分)，该部分沿着分段角α至少部分地在车厢的底部上延伸，该分段角α允许车厢在预定的最大倾斜角上旋转。车厢5上的轴承表面17b可以设置有硬化的材料表面，而滚轴可以具有相同或较低的硬度的互补的表面，以实现低磨损和高使用寿命。在一个变型中，滚轴可以固定地联接到车厢5上并且在固定地安装在底架上的互补轴承表面上滚动，然而，这通常不如第一变型有利。

在另一个实施方式中，外围轴承可包括不带滚轴的气动或磁悬浮系统，以基本无接触地将车厢5支撑在底架4上。可以控制气动轴承系统以在感测离心力期间增加压力，以允许车厢相对于底架的低摩擦旋转。滚动轴承和气动轴承的组合也可以在本发明的范围内实现。可以注意到，还可以在底架和车厢之间设置磁悬浮系统以减小摩擦力或在枢转旋转期间将车厢抬离底架。

根据本发明的一个方面，车厢5的重心CG位于车厢5的枢轴P的下方。在接合弯道时，施加在车厢上的离心力施加绕枢轴的旋转力矩，以使车厢相对于底架朝向趋于抵消横向力的位置倾斜，该横向力作用在车厢内部支撑的载荷上。在旋转运动中车厢和底架之间不存在摩擦的情况下，作用在重心上的离心力将提供对离心力的完全补偿，以消除作用在车厢隔室内的乘客或货物上的横向力。此外，由于与轨道的高度变化相关的摩擦力和惯性力或由于轨道的不规则性，枢转致动系统从位置传感器和惯性传感器接收信息，协助旋转克服摩擦力，并提供一个力来抑制车厢旋转运动中的振荡，并减少由于惯性力而引起的过大加速度。为了在旅途中为乘客提供舒适感，重要的是不仅要减少加速度，而且还要减少由于加速度变化而引起的颠簸。枢转致动系统的阻尼和辅助功能还用于在弯道出来时控制车厢旋转回到车厢的中性或垂直位置。因此，与完全主动的倾斜系统相比，由于主旋转力是由作用在车厢上的离心力提供，枢转致动系统7需要相对较低的动力来实现这种功能。与传统的铁路倾斜系统相比，倾斜功能所需的较低功率还导致重量减轻，重量减轻和功耗降低，这两者都是提高性能和降低能耗的特别有利的特性。

如图6最佳示出地，枢转致动系统的致动器12可包括在车厢5与底架4的车厢支撑部分13的外壳或框架15之间形成的电磁电机。在另一个实施方式中，如图7所示，枢转致动系统可以包括在车厢5与铁路引导系统3的一部分铁路管26例如管的顶壁部分26a之间形成的电磁电机。

致动器可包括电磁体30a，电磁体30a安装在车厢5上、例如围绕车厢5的外顶壁，如图6、7和8所示，该电磁体连接到控制系统14。电磁体30a磁性地联接到设置在壳体15或铁路系统管26上的磁性元件30b。磁性元件30b可由永磁体或电磁体制成。在一个变型中，磁性元件30b也可以软磁材料元件的形式与电磁体30a一起形成磁阻型电机。通过气隙联接到磁性元件30b的电磁体30a形成电机，该电机配置为产生围绕车厢的枢轴P的扭矩。

在优选实施方式中，安装在车厢上的电机元件设置为电磁体，其连接到安装在列车2中的枢转致动系统的控制单元，使得倾斜的主动控制由列车内的控制系统直接执行。在图6和图8的实施方式中，由于用于枢转联接的两个电机部件30a、30b都设置在列车中，因此电磁体可以设置在车厢5上或设置在底架4的外壳或框架15上，或者同时设置在车厢5和底架4的框架15上。

在一个变型中，枢转致动系统7的致动器12的电机元件也可以沿着车厢的底部设置，例如邻近或集成在外围轴承中，或者沿着底部的任意部分与轴承分离。

在图7所示的变型中，在互补的电机元件30b安装在铁路管26的情况下，这可以以电磁体的形式，仅沿火车行驶的部分被驱动，类似于磁悬浮系统中已知的在列车前进时沿着轨道逐渐切换的原理。

参考图9a至9e，列车还可包括枢转联接限制器机构8，该枢转联接限制器机构8限制车厢和底架之间的旋转幅度，特别是在枢转致动系统的动力故障的情况下。如果枢转致动系统出现动力故障，则需要将车厢相对于底架的位置固定，以避免其摆动。此外，在枢转致动系统发生故障的情况下，枢转联接限制器机构8可用于防止车厢相对于底架的过度旋转。如图9a至9e所示，枢转联接限制器机构8可包括容纳于凹部22中的可移动销16，相应的销和凹部分别安装在车厢和底架中。每个可移动销可以是可滑动地移动的，并且可以通过弹簧18朝向凹部偏置并进一步联接到电磁、气动或液压致动器，该电磁、气动或液压致动器将销16偏置远离对应的凹部。在正常操作期间，销致动器通电并将弹簧偏置的销保持在凹部之外，或者至少部分地保持在凹部的锁定部分之外。在倾斜致动器的电气系统失效时，销致动器关闭，并且弹簧将可移动销偏置到凹部22中。

有利地是，凹部可以包括浅部分22a和深部分22b，浅部分22a在具有角度β(例如在40°至120°的范围内)的弧形区段上延伸，深部分22b进一步形成在浅部分凹部22a内并且具有小于β的弓形区段角度

如图9a所示，车辆在动力故障的情况下移动通过拐角时，车厢将从中心位置旋转出去，为了允许高速移动，两个可移动销16被插入到凹部22中，一个销16b被直接插入到凹部的深部分22b中，而另一个销16a装配到凹部的浅部分22a中。这样可以防止车厢由于比预期更大的角度而不受控制地旋转，并且一旦车辆驶入弯道的笔直部分(从弯道出来)，车厢便会自行移动到垂直位置，此时如图9b所示，两个销均插入槽的深部分22b中。这将车厢的位置固定到处于竖直位置的底架4，并且防止车厢的进一步旋转。

如图9a所示，可以有一对销，然而，可以如图9b所示设置多对销。此外，在不脱离本发明的精神的情况下，可以设置其他弓形槽或凹部布置。例如，销可以彼此分离地接合在其自身的槽部分中。

如图9d最佳示出地，销的自由端包括弹性阻尼元件24，该弹性阻尼元件24由例如橡胶或另一种弹性体材料制成，使得当销接合在凹部的深部分或浅部分中时减小爆震。销可以由具有足够横截面和强度的钢或其他坚固材料制成，以克服在车厢相对于底架旋转期间接合到凹部中时的冲击。

枢转联接限制器可以在列车正常运行期间(例如在低速下、在预计不会出现弯道的直线上长段行驶时)致动，或者在列车静止时致动，使得当车辆不通电时，车厢被锁定在底架的锁定位置。

尽管未示出，但是相对于底架的车厢联接还可以设置有进一步减少车厢和底架之间的振荡的机械阻尼元件，以补充由枢转致动系统提供的电磁阻尼。

标记列表

铁路系统 1

列车 2

底架 4

驱动系统

电机

铁轨接合构件(车轮，磁悬浮) 11

车厢支承部分 13

外壳/框架 15

车厢(用于运输货物和/或乘客) 5枢转联接器 6

轴承

中心轴承 17

滚轴 17a

滚轴轴承表面 17b

枢转致动系统 7

致动器 12

电机 19

变速器 21

电机电磁体 30a

磁性电机元件 30b

控制系统 14

控制单元 14a，14c

传感器 14b

枢转联接限制器 8

可移动销 16

弹簧 18

销致动器 20

电磁致动器

凹部 22

浅部分 22a

深部分 22b

阻尼垫 24

车厢间联接件 9

铁路引导系统 3

铁路轨道

铁路管道 26

顶壁部分 26a

磁性电机元件 30b

Claims (15)

1.铁路系统(1)，其包括沿铁路引导系统(3)可移动的列车(2)，所述列车包括底架(4)和车厢(5)，车厢(5)通过枢转联接件(6)可旋转地支撑在所述底架(4)上，所述列车(2)还包括用于致动和控制车厢(5)相对于底架(4)的旋转的枢转致动系统(7)，所述枢转致动系统包括致动器(12)以及连接到所述致动器(12)和传感器的控制系统(14)，其特征在于，所述车厢(5)绕枢轴(P)相对于所述底架(4)被旋转地支撑，所述枢轴相对于所述底架(4)保持在静止位置，所述车厢具有在枢轴下方形成重心(CG)的质量分布，由于离心力产生的扭矩作用在绕枢轴(P)的重心上，所述枢转致动系统(7)用于辅助和抑制车厢相对于底架的被动旋转。

2.根据前述权利要求所述的铁路系统，其中，所述枢转致动系统(7)的致动器(12)包括在所述车厢或底架中的一个上的至少一组电磁体(30a)，所述至少一组电磁体与在车厢或底架中的另一个上的一组磁性电机元件(30b)中的至少一个磁性地联接，从而一起形成电磁电机，所述电磁电机配置为用于使车厢相对于底架旋转。

3.根据前述权利要求所述的铁路系统，其中，所述至少一组电磁体安装在车厢上。

4.根据前述权利要求所述的铁路系统，其中，所述至少一组电磁体安装在车厢的外周上。

5.根据前述权利要求所述的铁路系统，其中，所述电磁体围绕车厢的顶端定位。

6.根据权利要求4所述的铁路系统，其中，所述电磁体围绕车厢的底端定位。

7.根据前述权利要求中任一项所述的铁路系统，其中，所述至少一组磁性电机元件(30b)安装在底架(4)的外壳或框架(15)上。

8.根据前述权利要求1-6中任一项所述的铁路系统，其中，所述至少一组磁性电机元件(30b)安装在铁路引导系统的管(26)的壁部分上。

9.根据前述权利要求中任一项所述的铁路系统，其中，所述列车包括通过车厢间联接件(9)互连的多个车厢(5)，所述车厢间联接件包括柔性材料的管状部分，从而使得相邻的车厢之间有一定程度的弹性旋转位移。

10.根据前述权利要求中任一项所述的铁路系统，还包括枢转联接限制器机构(8)，所述枢转联接限制器机构包括安装在所述车厢或底架中的一个上的至少一个可移动销(16)，所述至少一个可移动销与至少一个凹部可移动地接合，所述至少一个凹部形成于所述车厢或底架中的另一个上，所述可移动销被主动致动在解锁位置中并且可由弹簧(18)被动地移动到所述凹部中的锁定位置中，所述枢转联接限制器机构配置为限制车厢相对于底架的旋转位移的幅度和/或将车厢锁定在相对于底架的固定位置。

11.根据前述权利要求所述的铁路系统，其中，所述枢转联接限制器机构包括至少一对可移动销。

12.根据前两个直接权利要求中的任一项所述的铁路系统，其中，所述枢转联接限制器机构的凹部(22)包括浅部分(22a)和深部分(22b)，所述浅部分在比深部分(22b)延伸的弓形角度更大的弓形角度上延伸。

13.根据前述权利要求中任一项所述的铁路系统，其中，所述枢转联接件(6)包括外围轴承(17)，所述外围轴承包括在围绕车厢的底部周边以弓形角度(α)布置在底架和车厢之间的滚轴(17a)。

14.根据前述权利要求1-12中任一项所述的铁路系统，其中，所述枢转联接件(6)包括与所述枢轴(P)对准的中心轴承。

15.根据前述权利要求中任一项所述的铁路系统，其中，所述铁路引导系统包括磁悬浮铁路轨道和真空管(26)。

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