可變阻尼高速列車垂向液電式減振發電器

張瀚文+顧夢沁+陳潯俊

摘 要：高速列車行駛過程中產生的振動，是通過列車轉向架系統上的一系、二系等垂向液壓減振器作用得到緩沖的。減振器在工作過程中通過液壓油往返流經閥體和間隙產生阻尼，吸收汽車在不平路面上行駛產生的振動能量，從而衰減車輛的振動。現有的減振器是將機械能轉化為阻尼器內液壓油的熱能并散發出去，起到減振作用。該作品通過設計一種創新形式的可變阻尼器，采用機一電一液混合系統，通過單向閥組成的液壓回路將由路面不平引起的車身與道路間的往復振動轉化為單向的油液流動，由液壓油驅動可變量液壓馬達進而帶動發電機發電，并通過整流電路輸出直流電，從而將振動機械能轉化為電能，通過充電電路將電能儲存在蓄電池中。本作品通過調節變量液壓馬達排量調節阻尼器阻尼大小，實現可控阻尼減振，在發電節能的同時可有針對性地根據不同路段軌面的不平順情況，調節阻尼，增加乘客乘坐舒適性。

關鍵詞：可變阻尼；減震發電；振動發電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.257

0 引言

中國是世界上高速鐵路發展最快、系統技術最全、集成能力最強、運營里程最長、運營速度最高、在建規模最大的國家。目前高鐵的運行速度最高設計時速可達350公里，已于2011年6月30日正式開通運營的京滬高速鐵路客運專線最高時速達到300公里；高速列車是綠色交通工具，非常適應節能減排的要求。

在經濟高速發展、能源日益匱乏的今天，可再生能源已逐漸成為社會關注的焦點。振動是高鐵行駛過程中中存在的一種極為普遍的可再生能源，然而，這種能源卻被減振設備吸收以無法利用的熱能形式浪費。一般減振器把機械振動運動的能量轉化為無法回收利用的熱能。若不把振動能量轉化為熱能，而是轉化為電能，則可達到再生能源之目的，大大提高能源的使用率。為了有效利用這種能源，我們從高速列車減振器振動能量回收方面出發，立意研究此可變阻尼高速列車垂向液壓減振發電器。研制與開發用于高速列車振動能量回收的裝置，對改善高速列車行業節能情況，提高環境質量具有現實意義。

本文聚焦于列車減振器的能量回收，在列車正常行駛時，由于路面不平度對車輪的激勵作用，使得車輛在行駛時其簧載質量與非簧載質量不斷地垂向振動，這種振動不僅有害于列車的穩定性，還會降低列車的乘坐舒適性。減振器的作用是衰減振動，而路面激勵輸入的實質是能量的輸入。所以傳統減振器的設計本質是將激勵能盡可能快速的轉變為熱能耗散到大氣中，因此傳統減振器也是一種主動將動能轉化為熱能的裝置。在節能環保為當今社會的主題的情況下，傳統減振器的設計本質顯然有悖于當今社會的發展。此可變阻尼減振發電器將代表減振器的發展方向，它不僅能實現減振，并以電能的形式回收部分原本被傳統減振器以熱能的方式耗散掉的能量，還能根據路面情況進行相應的阻尼調節，具有較高的節能減排價值同時提高了乘客的乘坐舒適性。

1 設計方案

本作品設計的可變阻尼減振發電器系統既可以將原本應被傳統阻尼器減振器所耗散掉的部分能量轉化為可利用的能量進行儲存或提供給負載，達到節能的效果，又起到衰減振動的目的。

基于該設計思想，我們設計的可變阻尼液電式高鐵減振發電器是一套機—電—液的耦合系統，由液壓缸、變量液壓馬達、單向閥、發電機、管路、油箱等組成。其工作原理是液壓缸內活塞在外部激勵下作往復運動時，液壓缸內部的油液流出，首先通過液壓整流橋和單向閥，單向閥的作用是使減振器無論處于壓縮行程還是伸張行程，均使油液由單一方向流到變量液壓馬達。

液壓整流橋是控制流入變量液壓馬達的流量，保證較穩定的發電量。油液流出液壓整流橋后經過液壓蓄能器進行穩壓，然后較穩定的油液始終沿單一方向驅動變量液壓馬達，馬達帶動發電機發電。從液壓馬達流出的油液再次經過蓄能器穩壓后流回液壓整流橋，最終回到液壓缸中，從而完成油液的循環。同吋，這樣一個過程同樣也是能量轉換的過程，活塞推動油液在整個油液系統中流動，能量又有機械能轉化為液體的動能，油液動馬達，馬達帶動發電機，最終能量轉化為了電能，電能又可以儲存在車載蓄電池內供車內電子設備使用。

可變阻尼減振器液壓發電裝置原理圖原理如圖1所示。

當車輪滾進凸起或滾出凹坑時，車輪移近車架，車輪相對車身移近，減振器因彈性元件的存在而壓縮，活塞向上推動時，雙作用液壓缸上腔油液在活塞的擠壓下排出，沿紅色箭頭所示方向流經單向閥進入可變量液壓馬達。由于油缸大小腔流量變化不等，因此在小腔進油口安裝有流量放大/縮小閥，回油油液經過流量放大/縮小閥作用回到液壓油缸小腔，保證系統流量總量穩定。

當車輪滾離凸起或滾進凹坑時，車輪遠離車架，車輪相對車身移開，減振器因彈性元件的存在而拉伸，活塞向下壓縮，雙作用液壓缸小腔油液在活塞的擠壓下排出，沿紅色箭頭所示方向流經放大閥、單向閥進入可變量液壓馬達，最終流回油缸大腔，保證系統流量總量穩定。

此外還安置有先導式溢流閥和調壓閥等液壓元件進行調控（未繪制出），保證流系統壓力正常、流量穩定。

本作品設計的液電式減振器發電系統，在傳統的液電饋能式減振器的基礎上采用了可變量液壓馬達。通過液壓馬達中的斜盤傾角大小的調節，改變減振器的阻尼也就是減振器的軟硬程度，在增強減振器對不同路面的適應程度的同時也提高了乘客乘坐的舒適性。

2 機械特點

（1）使用柱塞式單活塞缸，通過改變馬達中斜盤傾角，一方面會改變液壓系統中的液體流速，進而改變馬達對外輸出轉矩，這樣發動機的發電量就可以調節。另一方面，整個減振器在液壓馬達處的阻尼也會變化，也就改變了減振器的阻尼系數，從而影響乘客的舒適度。當遇到較顛簸的路面時，可以適當增大傾角，整個液壓系統流速加快，馬達轉速加快，振動將更加充分的轉化為電能，同時減振器阻尼系數變大，乘客的振感降低，乘客舒適性提高。如果只采用定量液壓馬達，那舒適性與發電量不能同時兼顧，柱塞式變量馬達則可以達到此種目的。

（2）列車一節車廂中有兩個轉向架，每個轉向架一般有4個一系垂向減振器，2個二系垂向減振器，本系統集合4個一系垂向減振器為一組，共用一個柱塞液壓馬達和發電機（二系垂向暫且先不考慮），一方面，由于液壓馬達和發電機價格昂貴，這樣設計可以大大降低成本。另一方面，單個系統振動產生的液壓能較小，由多個系統的液壓能疊加可以有效的解決這一問題。

（3）油路中通過4個單向閥組成了液壓整流橋，以保證油液始終沿單一方向驅動變量液壓馬達，這就保證液壓馬達的對外輸出一個方向不變的轉矩，避免發電機反轉。

（4）油路中加入節流閥，直動式溢流閥著兩種液壓元件，其目的是保證油液系統中一旦運行，能夠產生穩定的流量，并排除輸出端對油液流量的影響。

（5）由于雙作用單活塞缸中活塞的緣故，缸中活塞兩側的倆腔中有效面積不等，若設計成閉式油路，勢必導致油液內循環無法形成。因此在油缸小腔進油處安裝有流量放大/縮小閥，使系統總流量保持一定。

3 電氣部分

為了提高充電效率，我們采用恒壓充電的方法：對每只單體電池以某一恒定的電壓進行充電，充電的初期電流很大，隨著充電進行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過，所以在充電過程中不必調整電流，析氣量小，充電時間短，能耗低，充電效率可達80%，如電壓選擇得當，可在8小時內完成充電。

4 創新點及應用

隨著全國高速列車及高速鐵路的不斷建設，高鐵方面的設施都有待在節能措施實施改進。此種可變阻尼減振發電器操作簡單、安裝方便，并且其可變阻尼特性，使得列車在節能發電的同時提高了乘客的乘坐舒適性。并且此種可變阻尼減振發電器經一定改造后還可用于轎車、客車等交通設施，因此應用前景十分廣泛。

其主要創新特點和優點有：

（1）阻尼力由發電機提供，液體只作為驅動發電機的傳動介質使用，相對于傳統減振器會極大減少由于摩擦產生的熱損失，在減少能量損失的同時也增強了減振器適應嚴苛環境的能力。

（2）通過單向閥的使用，將來自于地面的振動能量整流為持續有序的液流推動液壓馬達，帶動發電機連續旋轉發電，避免了象齒輪齒條式或滾珠絲桿式方案中電機反轉、停滯等現象，從而達到延長發電機使用壽命，提高能量回收效率及降低發電機技術要求和成本的目的。

（3）采用了可變量軸向柱塞式液壓馬達，液壓馬達中的斜盤傾角大小可以調節。馬達轉速的變化，可調節發電量的大小，同時減振器中的阻尼也會發生相應變化，在提高列車適應不同路況能力的同時增強了乘客的乘坐舒適性。

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