可变阻尼高速列车垂向液电式减振发电器

张瀚文+顾梦沁+陈浔俊

摘 要：高速列车行驶过程中产生的振动，是通过列车转向架系统上的一系、二系等垂向液压减振器作用得到缓冲的。减振器在工作过程中通过液压油往返流经阀体和间隙产生阻尼，吸收汽车在不平路面上行驶产生的振动能量，从而衰减车辆的振动。现有的减振器是将机械能转化为阻尼器内液压油的热能并散发出去，起到减振作用。该作品通过设计一种创新形式的可变阻尼器，采用机一电一液混合系统，通过单向阀组成的液压回路将由路面不平引起的车身与道路间的往复振动转化为单向的油液流动，由液压油驱动可变量液压马达进而带动发电机发电，并通过整流电路输出直流电，从而将振动机械能转化为电能，通过充电电路将电能储存在蓄电池中。本作品通过调节变量液压马达排量调节阻尼器阻尼大小，实现可控阻尼减振，在发电节能的同时可有针对性地根据不同路段轨面的不平顺情况，调节阻尼，增加乘客乘坐舒适性。

关键词：可变阻尼；减震发电；振动发电

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

0 引言

中国是世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。目前高铁的运行速度最高设计时速可达350公里，已于2011年6月30日正式开通运营的京沪高速铁路客运专线最高时速达到300公里；高速列车是绿色交通工具，非常适应节能减排的要求。

在经济高速发展、能源日益匮乏的今天，可再生能源已逐渐成为社会关注的焦点。振动是高铁行驶过程中中存在的一种极为普遍的可再生能源，然而，这种能源却被减振设备吸收以无法利用的热能形式浪费。一般减振器把机械振动运动的能量转化为无法回收利用的热能。若不把振动能量转化为热能，而是转化为电能，则可达到再生能源之目的，大大提高能源的使用率。为了有效利用这种能源，我们从高速列车减振器振动能量回收方面出发，立意研究此可变阻尼高速列车垂向液压减振发电器。研制与开发用于高速列车振动能量回收的装置，对改善高速列车行业节能情况，提高环境质量具有现实意义。

本文聚焦于列车减振器的能量回收，在列车正常行驶时，由于路面不平度对车轮的激励作用，使得车辆在行驶时其簧载质量与非簧载质量不断地垂向振动，这种振动不仅有害于列车的稳定性，还会降低列车的乘坐舒适性。减振器的作用是衰减振动，而路面激励输入的实质是能量的输入。所以传统减振器的设计本质是将激励能尽可能快速的转变为热能耗散到大气中，因此传统减振器也是一种主动将动能转化为热能的装置。在节能环保为当今社会的主题的情况下，传统减振器的设计本质显然有悖于当今社会的发展。此可变阻尼减振发电器将代表减振器的发展方向，它不仅能实现减振，并以电能的形式回收部分原本被传统减振器以热能的方式耗散掉的能量，还能根据路面情况进行相应的阻尼调节，具有较高的节能减排价值同时提高了乘客的乘坐舒适性。

1 设计方案

本作品设计的可变阻尼减振发电器系统既可以将原本应被传统阻尼器减振器所耗散掉的部分能量转化为可利用的能量进行储存或提供给负载，达到节能的效果，又起到衰减振动的目的。

基于该设计思想，我们设计的可变阻尼液电式高铁减振发电器是一套机—电—液的耦合系统，由液压缸、变量液压马达、单向阀、发电机、管路、油箱等组成。其工作原理是液压缸内活塞在外部激励下作往复运动时，液压缸内部的油液流出，首先通過液压整流桥和单向阀，单向阀的作用是使减振器无论处于压缩行程还是伸张行程，均使油液由单一方向流到变量液压马达。

液压整流桥是控制流入变量液压马达的流量，保证较稳定的发电量。油液流出液压整流桥后经过液压蓄能器进行稳压，然后较稳定的油液始终沿单一方向驱动变量液压马达，马达带动发电机发电。从液压马达流出的油液再次经过蓄能器稳压后流回液压整流桥，最终回到液压缸中，从而完成油液的循环。同吋，这样一个过程同样也是能量转换的过程，活塞推动油液在整个油液系统中流动，能量又有机械能转化为液体的动能，油液动马达，马达带动发电机，最终能量转化为了电能，电能又可以储存在车载蓄电池内供车内电子设备使用。

可变阻尼减振器液压发电装置原理图原理如图1所示。

当车轮滚进凸起或滚出凹坑时，车轮移近车架，车轮相对车身移近，减振器因弹性元件的存在而压缩，活塞向上推动时，双作用液压缸上腔油液在活塞的挤压下排出，沿红色箭头所示方向流经单向阀进入可变量液压马达。由于油缸大小腔流量变化不等，因此在小腔进油口安装有流量放大/缩小阀，回油油液经过流量放大/缩小阀作用回到液压油缸小腔，保证系统流量总量稳定。

当车轮滚离凸起或滚进凹坑时，车轮远离车架，车轮相对车身移开，减振器因弹性元件的存在而拉伸，活塞向下压缩，双作用液压缸小腔油液在活塞的挤压下排出，沿红色箭头所示方向流经放大阀、单向阀进入可变量液压马达，最终流回油缸大腔，保证系统流量总量稳定。

此外还安置有先导式溢流阀和调压阀等液压元件进行调控（未绘制出），保证流系统压力正常、流量稳定。

本作品设计的液电式减振器发电系统，在传统的液电馈能式减振器的基础上采用了可变量液压马达。通过液压马达中的斜盘倾角大小的调节，改变减振器的阻尼也就是减振器的软硬程度，在增强减振器对不同路面的适应程度的同时也提高了乘客乘坐的舒适性。

2 机械特点

（1）使用柱塞式单活塞缸，通过改变马达中斜盘倾角，一方面会改变液压系统中的液体流速，进而改变马达对外输出转矩，这样发动机的发电量就可以调节。另一方面，整个减振器在液压马达处的阻尼也会变化，也就改变了减振器的阻尼系数，从而影响乘客的舒适度。当遇到较颠簸的路面时，可以适当增大倾角，整个液压系统流速加快，马达转速加快，振动将更加充分的转化为电能，同时减振器阻尼系数变大，乘客的振感降低，乘客舒适性提高。如果只采用定量液压马达，那舒适性与发电量不能同时兼顾，柱塞式变量马达则可以达到此种目的。

（2）列车一节车厢中有两个转向架，每个转向架一般有4个一系垂向减振器，2个二系垂向减振器，本系统集合4个一系垂向减振器为一组，共用一个柱塞液压马达和发电机（二系垂向暂且先不考虑），一方面，由于液压马达和发电机价格昂贵，这样设计可以大大降低成本。另一方面，单个系统振动产生的液压能较小，由多个系统的液压能叠加可以有效的解决这一问题。

（3）油路中通过4个单向阀组成了液压整流桥，以保证油液始终沿单一方向驱动变量液压马达，这就保证液压马达的对外输出一个方向不变的转矩，避免发电机反转。

（4）油路中加入节流阀，直动式溢流阀着两种液压元件，其目的是保证油液系统中一旦运行，能够产生稳定的流量，并排除输出端对油液流量的影响。

（5）由于双作用单活塞缸中活塞的缘故，缸中活塞两侧的俩腔中有效面积不等，若设计成闭式油路，势必导致油液内循环无法形成。因此在油缸小腔进油处安装有流量放大/缩小阀，使系统总流量保持一定。

3 电气部分

为了提高充电效率，我们采用恒压充电的方法：对每只单体电池以某一恒定的电压进行充电，充电的初期电流很大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过，所以在充电过程中不必调整电流，析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如电压选择得当，可在8小时内完成充电。

4 创新点及应用

随着全国高速列车及高速铁路的不断建设，高铁方面的设施都有待在節能措施实施改进。此种可变阻尼减振发电器操作简单、安装方便，并且其可变阻尼特性，使得列车在节能发电的同时提高了乘客的乘坐舒适性。并且此种可变阻尼减振发电器经一定改造后还可用于轿车、客车等交通设施，因此应用前景十分广泛。

其主要创新特点和优点有：

（1）阻尼力由发电机提供，液体只作为驱动发电机的传动介质使用，相对于传统减振器会极大减少由于摩擦产生的热损失，在减少能量损失的同时也增强了减振器适应严苛环境的能力。

（2）通过单向阀的使用，将来自于地面的振动能量整流为持续有序的液流推动液压马达，带动发电机连续旋转发电，避免了象齿轮齿条式或滚珠丝杆式方案中电机反转、停滞等现象，从而达到延长发电机使用寿命，提高能量回收效率及降低发电机技术要求和成本的目的。

（3）采用了可变量轴向柱塞式液压马达，液压马达中的斜盘倾角大小可以调节。马达转速的变化，可调节发电量的大小，同时减振器中的阻尼也会发生相应变化，在提高列车适应不同路况能力的同时增强了乘客的乘坐舒适性。

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