一种用于有轨电车预警避让的独立控制制动系统 |
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| 申请号 | CN201610364273.3 | 申请日 | 2016-05-27 | 公开(公告)号 | CN106043350A | 公开(公告)日 | 2016-10-26 |
| 申请人 | 同济大学; | 发明人 | 应之丁; 夏健博; 顾灵燕; 高伟航; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于有轨电车预警避让的独立控制 制动 系统 ，包括电车预警避让模 块 以及由电车预警避让模块控制的、用于电车减速制动的永磁 涡流 制动器，永磁涡流制动器包括 转子 组件、 定子 组件和驱动组件，定子组件包括两个极片定子盘和 永磁体 定子盘，极片定子盘上沿圆周均布有多个极片，永磁体定子盘上沿圆周均布有多个NS极沿轴向设置的永磁体对，每个永磁体对由两个NS极朝向相同的永磁 单体 组成，相邻的永磁体对的NS极朝向相反，驱动组件连接永磁体定子盘。与 现有技术 相比，本发明通过设置永磁涡流制动器，来辅助有轨电车的预警避让，可实现较为频繁的减速机制，控制简单且反应灵敏，极大地减少了电车摩擦损耗，大大提高了电车的运行效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于有轨电车预警避让的独立控制制动系统，包括电车预警避让模块，所述电车预警避让模块根据电车运行前方的环境信息和电车的行驶速度进行电车预警以及电车制动，其特征在于，还包括由电车预警避让模块控制的、用于电车减速制动的永磁涡流制动器，所述永磁涡流制动器包括转子组件、定子组件和驱动组件，所述转子组件包括套设在电车转向架的车轴上的盘毂，以及对称套设在盘毂上的两个转子盘，所述定子组件包括两个极片定子盘和永磁体定子盘，所述两个极片定子盘对称套设在盘毂上，并位于两个转子盘之间，两个极片定子盘通过轴承与转子盘转动连接，极片定子盘上沿圆周均布有多个极片，所述永磁体定子盘套设在盘毂上，并位于两个极片定子盘之间，永磁体定子盘上沿圆周均布有多个NS极沿轴向设置的永磁体对，永磁体对的个数与极片的个数相同，每个永磁体对由两个NS极朝向相同且间隔设置的永磁单体组成，相邻的永磁体对的NS极朝向相反，所述驱动组件连接永磁体定子盘的外缘； |
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| 说明书全文 | 一种用于有轨电车预警避让的独立控制制动系统技术领域[0001] 本发明涉及一种有轨电车运行控制领域，尤其是涉及一种用于有轨电车预警避让的独立控制制动系统。 背景技术[0002] 已有的车辆制动系统作为司机正常的调速或停车，以及紧急情况的刹车是能满足要求。但根据有轨电车运行要求，其与社会车辆及行人共用路权，根据已开通地区的有轨电车运行情况来看，在道口或拥挤地区与其他车辆碰擦已成为突出问题，是影响有轨电车运行品质的一个重要因素，这也是历史上处于困境的有轨电车的主要问题之一。 [0003] 在正常情况运行时，有轨电车一般采用人工驾驶的方式，此时列车运行安全主要依靠驾驶员人工观测和履职的责任心，这种运行条件存在一定的安全隐患，为了降低意外状况对车辆正常运行的影响，需要采取更加切实有效的手段予以杜绝。 [0004] 对于复杂的路况，如何实现自动减速避让还难以做到，如在大雾霾、雨雪天气、以及黑夜照明不好情况。单纯依靠司机观察周围情况，不能保证安全，需要借助传感测试系统对周围运动物件和行人进行监测、评估和预警，进一步直接控制减速装置或控制车辆制动系统，以完善有轨电车的安全性。 [0005] 现有的相关发明专利主要应用于城市地铁等具有独立路权的轨道交通领域，主要针对前后车辆的防撞目标，主要研究方向在于前后车的信号发送反馈及判断，同时对于检测结果也仅能实现司机控制室的警报，仍然依靠司机的作用来保证车辆行驶安全，未能深入到直接由判断信号控制辅助制动装置进行制动。 发明内容[0006] 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用于有轨电车预警避让的独立控制制动系统，来辅助有轨电车的预警避让，可实现较为频繁的减速机制，控制简单且反应灵敏，极大地减少了电车摩擦损耗，大大提高了电车的运行效率。 [0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0008] 一种用于有轨电车预警避让的独立控制制动系统，包括电车预警避让模块，所述电车预警避让模块根据电车运行前方的环境信息和电车的行驶速度进行电车预警以及电车制动，还包括由电车预警避让模块控制的、用于电车减速制动的永磁涡流制动器，所述永磁涡流制动器包括转子组件、定子组件和驱动组件，所述转子组件包括套设在电车转向架的车轴上的盘毂，以及对称套设在盘毂上的两个转子盘，所述定子组件包括两个极片定子盘和永磁体定子盘，所述两个极片定子盘对称套设在盘毂上，并位于两个转子盘之间，两个极片定子盘通过轴承与转子盘转动连接，极片定子盘上沿圆周均布有多个极片，所述永磁体定子盘套设在盘毂上，并位于两个极片定子盘之间，永磁体定子盘上沿圆周均布有多个NS极沿轴向设置的永磁体对，永磁体对的个数与极片的个数相同，每个永磁体对由两个NS极朝向相同且间隔设置的永磁单体组成，相邻的永磁体对的NS极朝向相反，所述驱动组件连接永磁体定子盘的外缘； [0009] 永磁涡流制动器处于非制动状态时，每个永磁体对的两个永磁单体分别与一个极片相对，永磁涡流制动器处于制动状态时，驱动组件推动永磁体定子盘转动，使得每个永磁体对的与一个极片相对。 [0010] 所述电车预警避让模块包括信息处理单元，以及连接信息处理单元的激光雷达、速度传感器、制动执行器和激光栅栏发射器，所述制动执行器连接永磁涡流制动器的驱动组件，激光雷达实时探测电车前方运动物体的位置速度信息，速度传感器实时采集电车的行驶速度，信息处理单元根据电车前方运动物体的位置速度信息和电车的行驶速度获取电车行驶路况，当电车行驶路况为存在危险隐患时，则信息处理单元向司机控制室发出预警信号，并向制动执行器发出制动控制指令，同时控制激光栅栏发射器向外发射警示信号，制动执行器根据制动控制指令优先控制永磁涡流制动器工作。 [0011] 所述信息信息处理单元根据电车前方运动物体的位置速度信息预测得到下一时刻电车的运动轨迹，并根据电车的行驶速度得到下一时刻电车的运动轨迹，当下一时刻电车的运动轨迹与电车前方运动物体的运动轨迹存在交叉时，电车行驶路况为存在危险隐患。 [0012] 所述激光雷达采用矩阵扫描式激光雷达，所述矩阵扫描式激光雷达探测得到满足多种工况下危险隐患判断的信息。 [0014] 所述驱动组件为两个，两个驱动组件中心对称设置在永磁体定子盘的外缘处。 [0016] 所述驱动机采用液压推动柱塞。 [0017] 所述永磁单体的形状为扇形。 [0018] 所述转子盘上设有散热筋条，所述散热筋条围绕盘毂呈螺旋状间隔排列。 [0019] 与现有技术相比，本发明具有以下优点： [0020] (1)本发明设置独立控制制动系统系统实现有轨电车自动减速避让控制，该系统相对于车辆制动控制系统独立，可不改变原有较为复杂的车辆制动系统及其关联机构，直接自动控制永磁涡流制动器，永磁涡流制动器辅助有轨电车预警避让的制动，可实现较为频繁的减速机制，控制简单且反应灵敏，极大地减少了电车摩擦损耗，大大提高了电车的运行效率。 [0021] (2)相比现有在运行有轨电车上安装路面信号采集和信息显示系统提醒司机的预警避让方式，本发明根据路况判断情况直接发出制动信号，并优先控制永磁涡流制动器执行制动，同时相比现有通过信号采集、判断危险情况给车辆制动系统发出制动信号的预警避让方式，本发明的信息处理单元利用执行器可直接切入控制相对独立的原有制动回路，并利用执行器独立控制永磁涡流制动器进行制动减速，更进一步控制相对独立的原有有轨电车制动回路实行紧急制动停车，控制灵敏和准确，不影响列车原有操控。 [0022] (3)现有直接控制原有的有轨电车牵引制动装置的系统，存在接口复杂且影响原有的控制系统控制策略及数据的缺陷，本发明为了克服上述缺陷，考虑在相对独立的有轨电车制动回路的基础上，增设简洁的永磁涡流制动器的控制回路，即可满足电车控制减速要求，控制简单并且反应灵敏，适用于避让减速次数较为频繁的情况，减少摩擦制动，避免摩擦件更换检修频繁，极大提高电车运行效率。 [0023] (4)独立控制式永磁涡流制动器相比现有永磁涡流制动器，通过改变驱动组件的形成即可以无极地改变进入转子盘的磁通量，进而实现独立控制式永磁涡流制动器的通断和调节制动力矩大小的目的，经过试验验证，独立控制式永磁涡流制动器可快速启动，并获得很高的制动力，满足电车较为频繁的减速避让需求。 [0024] (5)独立控制式永磁涡流制动器相比现有永磁涡流制动器，设计结构紧凑小巧，适用于低地板转向架的轴端安装，采用两个转子盘结构，更加有效地利用磁场，减少漏磁损耗，并在相同的体积限制条件下获得两倍的制动力，即达到同直径制动器两倍制动功率，同时转子盘的外侧设置散热筋条，起到散热和增加强度的作用。 [0025] (6)独立控制式永磁涡流制动器采用永磁体结构，相对同功率大幅度减小制动器的体积和重量，且永磁体是制动器中产生磁场的部件，为尽量最大化的利用空间，永磁体截面选用扇形来增大励磁面积。 [0026] (7)驱动组件使用液压推动柱塞，使得永磁体可以在一定范围内连续转动，实现制动力的无极调节制动力矩。 [0027] (8)矩阵扫描式激光雷达探测装置采用多组雷达，精确判断多目标的速度和方位，可有效实时本车与周围车辆和行人间的位置信息。 [0028] (9)信息处理单元采用实时采集多目标位移速度及判断模块，实时提出和执行有轨电车减速方案，以实现防撞功能。 [0030] 图1为本发明系统在有轨电车上的布设示意图； [0031] 图2为本发明系统的结构框图； [0032] 图3为本发明系统的工作流程图； [0033] 图4a为永磁涡流制动器的整体结构示意图； [0034] 图4b为永磁涡流制动器的安装示意图； [0035] 图4c为永磁涡流制动器轴向剖视示意图； [0036] 图5a为永磁涡流制动器在非制动状态下极片和永磁单体的位置示意图； [0037] 图5b为永磁涡流制动器在制动状态下极片和永磁单体的位置示意图； [0038] 图6a为永磁涡流制动器在非制动状态下磁极排列示意图； [0039] 图6b为永磁涡流制动器在制动状态下磁极排列示意图； [0040] 图7为永磁涡流制动器试验结构示意图； [0041] 图8为永磁涡流制动器试验的制动力矩-时间曲线图； [0042] 图9为永磁涡流制动器试验的制动功率-时间曲线图。 [0043] 图中：1、信息处理单元，2、激光雷达，3、速度传感器，4、制动执行器，5、激光栅栏发射器，6、永磁涡流制动器，601、盘毂，602、转子盘，603、极片定子盘，604、永磁体定子盘，605、极片，606、永磁单体，607、散热筋条，608、空心轴，609、驱动机，610、驱动固定板，611、推动板，7、车轴，8、转向架。 具体实施方式[0044] 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。 [0045] 如图1和图2所示，一种用于有轨电车预警避让的独立控制制动系统，包括电车预警避让模块和由电车预警避让模块控制的、用于电车减速制动的永磁涡流制动器6，电车预警避让模块根据电车运行前方的环境信息和电车的行驶速度进行电车预警以及电车制动，具体包括：信息处理单元1，以及连接信息处理单元1的激光雷达2、速度传感器3、制动执行器4和激光栅栏发射器5，制动执行器4连接永磁涡流制动器6的驱动组件和电车原有制动回路，激光雷达2实时探测电车前方运动物体的位置速度信息，速度传感器3实时采集电车的行驶速度，信息处理单元1根据电车前方运动物体的位置速度信息和电车的行驶速度获取电车行驶路况，当电车行驶路况为存在危险隐患时，则信息处理单元1向司机控制室发出预警信号，并向制动执行器4发出制动控制指令，同时控制激光栅栏发射器5向外发射警示信号，制动执行器4根据制动控制指令优先控制永磁涡流制动器6工作。 [0046] 激光雷达2采用矩阵扫描式激光雷达2，利用不同频率信号的多组雷达按矩阵扫描方案探测采集运行车辆周围信息，包括电车前方运动物体(车辆、行人等)与本车的相对位置以及电车前方运动物体的速度，数据可靠、适用，可有效保证信息处理单元1对所采集的信号进行计算，确定车辆预警措施。 [0047] 信息处理单元1是实时预警制动系统控制逻辑的载体。对于所获得的数据进行进行降噪、解码、分析，对运行路况进行判断，判断车辆碰撞可能条件，向司机控制室发出警告信息并确定减速方案以及控制有轨电车原有制动回路或直接控制永磁涡流制动器6、激光栅栏发射器5。 [0048] 执行器，接受信息处理单元1发来的减速方案并转化为控制指令，并具有通断、及部分屏蔽或全部屏蔽选择功能，可选择制动执行方案，通过执行器的控制电路或网络接口，向原有列车常用制动回路、安全制动回路、紧急制动回路发出指令信号，或向永磁涡流制动器6、以及激光栅栏发射器5发出控制信号，也可通过显示器显示车辆预警信息。 [0049] 激光栅栏发射器5接受执行器指令发射有色的激光，在有轨电车前方远处道口和转弯处形成栅栏形式的激光警示信号，以提醒地面上其他车辆和行人。 [0050] 本发明系统在不改变原有较为复杂的车辆制动系统及其关联机构，在增设独立控制永磁涡流制动器6的条件下，通过创新的一套独立的监测-判断-执行方式，来自动调控本车沿前行方向上的运行状态，与周围车辆或行人的距离保持在安全水平范畴。如图3所示，电车运行时，独立控制制动系统的应用方法包括以下步骤： [0051] S1：车载激光雷达2设置于电车车头，实时采集电车行进方向上的三维图像，并根据三维图像和GPS信息获取电车行进方向上不同时刻的不同物体的位置信息； [0052] 速度传感器3设置于电车底部，实时采集电车的速度信息； [0053] S2：信息处理单元1根据步骤S1中不同时刻的不同物体的位置信息中筛选出移动物体的位置信息，并根据移动物体的位置信息和步骤2)中电车的速度信息判断移动物体的预测运动范围是否与电车下一时刻的运行线路范围重叠，即判断下一时刻电车的运动轨迹与电车前方运动物体的运动轨迹是否存在交叉，若是，车行驶路况为存在危险隐患，执行步骤S3，若否，执行步骤S4； [0054] S3：根据步骤S2中移动物体的预测运动范围与电车下一时刻的运行线路范围的重叠面积执行不同的减速方案，同时向司机控制室发送报警信号，提醒司机注意，且利用激光栅栏发射装置发射有色的激光，在电车行进方向上形成栅栏形式的激光警示信号，减速方案执行后，车载激光雷达2和速度传感器3同时更新车辆新的运行情况，跳转步骤S2； [0055] S4：无警报信号无效且电车制动装置不起作用，有轨电车正常运行。 [0056] 本实施例中，在步骤S3，根据重叠面积大小的降序对应设置车辆可能碰撞的级别为“高”和“低”，对应减速方案为常用减速方案和紧急减速方案，在常用减速方案中，当车辆仅需减速即可的时候，执行器只控制独立控制式永磁涡流制动器6进行制动减速，在紧急减速方案中，当信息处理单元1判断车辆路况十分紧急的情况下，信息处理单元1将制动信号传送给执行器，执行器执行有轨电车的独立控制式永磁涡流制动器6的涡流制动及传递信号给有轨电车紧急制动回路实行紧急制动。 [0057] 考虑有轨电车转向架8安装空间及其狭小，同时要保证基本的制动功率，永磁涡流制动器6采用双盘式永磁体圆盘涡流制动结构，通过轴端安装方式，以适应有轨电车转向架8受限制的安装空间，每个转向架8的车轴7上分别设置一个永磁涡流制动器6。 [0058] 如图4a、图4b和图4c所示，永磁涡流制动器6具体包括转子组件、定子组件、驱动组件和附属部件，转子组件包括套设在电车转向架8的车轴7上的盘毂601，以及对称套设在盘毂601上的两个转子盘602，定子组件包括两个极片定子盘603和永磁体定子盘604，两个极片定子盘603对称套设在盘毂601上，并位于两个转子盘602之间，两个极片定子盘603通过滚动轴承与转子盘602转动连接，极片定子盘603包括极片安装盘和极片安装盘上沿圆周均布有多个极片605，永磁体定子盘604套设在盘毂601上，并位于两个极片定子盘603之间，永磁体定子盘604包括磁体安装盘和磁体安装盘上沿圆周均布有多个NS极沿轴向设置的永磁体对，永磁体对的个数与极片605的个数相同，每个永磁体对由两个NS极朝向相同且间隔设置的永磁单体606组成，永磁单体606的形状为扇形，来增大励磁面积，励磁方向与扇形截面垂直并与车轴7方向平行，即采用轴向励磁的方式，相邻的永磁体对的NS极朝向相反，驱动组件连接永磁体定子盘604的外缘，驱动组件直接控制永磁体定子盘604旋转固定角度，实现制动的执行、维持与缓解。附属部件包括配合转子组件安装的转子盘602挡环、螺钉，支座，空心轴608等，空心轴608用于固定和支撑的极片安装盘和永磁体安装盘。 [0059] 当永磁涡流制动器6处于非制动状态时，每个永磁体对的两个永磁单体606分别与一个极片605相对，即永磁体对的位置与极片605的位置交错，当永磁涡流制动器6处于制动状态时，驱动组件推动永磁体定子盘604转动，使得每个永磁体对的与一个极片605相对，形成与转子盘602垂直方向(即沿车轴7方向)的磁力线，可在旋转的转子盘602上产生涡流制动。电车预警避让模块通过调整驱动组件推动永磁体定子盘604转动的角度，来调节永磁涡流制动器6的制动力矩的大小。 [0060] 驱动组件为两个，两个驱动组件中心对称设置在永磁体定子盘604的外缘处。每个驱动组件均包括驱动机609、驱动固定板610和推动板611，驱动机609沿永磁体定子盘604的切线方向设置，驱动机609的机身通过驱动固定板610在极片定子盘603的外缘上，永磁体安装盘向外边缘上设有向外突起的凸耳，驱动机609的自由端通过推动板611连接永磁体安装盘的凸耳，驱动机609采用液压推动柱塞，利用液压推动推动方式可以连续调整永磁体定子盘604绕旋转中心转动的角度，控制永磁单体606磁极离合，来实现永磁涡流制动器6的触发与缓解。液压推动柱塞由液压缸和摇臂构成，通过电磁阀的电气回路控制液压缸工作。 [0061] 转子盘602的外端面上设有散热筋条607，散热筋条607围绕盘毂601呈螺旋状间隔排列，起增加强度和散热的作用。 [0062] 对本发明永磁涡流制动器6的工作原理分析如下： [0063] 对于圆盘式涡流制动装置，常用的方式是通过调节转子盘602与永磁体之间的气隙宽度。当气隙足够宽时，永磁体产生的磁场无法进入转子盘602也就没有涡流产生。但由于受到有轨电车转向架8最大横向位移的限制，沿车轴7方向没有足够的空间，因此这种控制方式很难应用在设计对象有轨电车的转向架8上。 [0064] 本发明针对有轨电车制动快速制动需求，通过改变永磁单体606的磁极与极片605间的相对位置来控制制动力的产生。将永磁单体606的N、S极分离后进行磁场分析，如图6a所示，在这种磁极排列方式下，同一极片605上的两块永磁单体606因极性相反，彼此间直接与极片605形成回路，因极片605的短路作用，磁力线没有穿过转子盘602，这时在制动盘上将不会有制动力产生，如图6b所示，在这种磁极排列方式下，同一极片605上的两块永磁单体606因极性相同不会形成回路，而是穿过气隙和转子盘602与相邻极片605上的永磁单体606沿横向构成了回路，这时由于有大量磁通穿过转子盘602，转子盘602上将产生涡流进而产生制动力。 [0065] 因此，本发明永磁涡流制动器6沿转子盘602圆周方向设置一圈永磁单体606，磁体按照N、N、S、S、N、N、S、S…循环交替分布，可绕车轴7旋转一块永磁单体606的角度，有轨电车在正常行驶时制动器所处状态如图5a所示，一对极性相反的永磁单体606(N和S极)处于同一块极片605下，由于磁感线会优先选择通过磁阻小的路径，因此这对永磁单体606产生的磁感线会穿过对应的极片605在彼此间直接形成回路，此时极片605对磁感线起到短路作用，转子盘602上不会有涡流产生。当有轨电车需要制动时，驱动组件的摇臂推动永磁单体606转过一个永磁单体606间的角度至图5b的状态，这时，两块相同极性的永磁单体606处于同一块极片605下，永磁单体606形成的磁力线只能穿过极片605和空气气隙进入转子盘602与相邻极片605上的异性磁极形成回路。由于有磁感线进入转子盘602，转子盘602上将有涡流产生，进而产生所需的制动力矩。改变驱动组件的行程可以无极的改变进入转子盘602的磁通量，因此上述原理可以实现有轨电车独立控制式涡流制动装置通断和调节制动力矩大小的目的。 [0066] 通过对相同制动原理的鼓式永磁涡流制动器进行试验，来验证本发明涡流制动装置的制动性能。如图7所示，鼓式永磁涡流制动器从外圈至内圈的A、B、C、D分别为转子鼓、极片、永磁体、定子，E为气隙，转子鼓、极片、永磁体之间存在气隙，图8和图9为当转子转速稳定在960r/min左右时，获得的制动力矩与时间和制动功率与时间的关系图，可以看出在短时间内，永磁涡流制动器6可以获得较高的制动力矩与制动功率，且可以长时间保持稳定的制动力矩和制动功率，因此，相比现有的制动方式，将本发明永磁涡流制动器6应用于有轨电车预警避让中，使得制动动作反应灵敏，极大地减少了电车摩擦损耗，大大提高了电车的运行效率。 [0067] 有轨电车属于地面交通工具，为适应复杂的道路工况，需要频繁地调整电车速度，本发明针对现有电车制动系统控制较为复杂，控制电机的再生制动功率难以确定(与不同的供电方式有关)，而机械制动摩擦损耗较大的缺陷，设置了一种适应频繁调速、控制简单、无磨耗的永磁涡流制动器6。 [0068] 此外，永磁涡流制动器6为适应普遍采用低地板结构的现代有轨电车底部狭小的安装空间，设计永磁涡流制动方案，最大程度减少了涡流制动器结构尺寸，使得安装在有轨电车走行部成为可能。 [0069] 同时，永磁涡流制动器6为了满足有轨电车在最高速度下遇警避让制动功率要求，设计了双转子结构；为了适应调速要求，在结构内设计了永磁体调整驱动组件，通过推动永磁体定子盘转动的角度达到不同的制动力矩。 |
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