一种列车制动能量存储与利用的方法及其装置

摘要

本发明公开了一种列车制动能量存储与利用的方法及其装置。通过三级齿轮传动进行减速，再经齿轮齿条传动，将齿轮转动改变为齿条的平动，最后通过齿条和弹簧的连接，实现弹簧的压缩储能及伸长放能，提供了一种制动时利用弹簧压缩吸储能量，行走时再利用弹簧伸长输出动力的列车节能制动装置，具有结构简单、生产成本低廉、节能高效的特点；利用该装置，可方便、灵活、可靠地实现列车的制动及能量存储与利用，具有推广应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种列车制动的方法及其装置，特别涉及一种列车制动能量的存储与利用技术。

背景技术

在科学和经济的飞速发展，人们生活水平不断提高，轨道交通已成为重要的交通工具。列车质量大，运行速度快，当它们制动时需要很大的制动能量。 

再生制动是目前能够实现制动能量回收的制动方式。把电动机械无用的或不需要的或有害的惯性转动产生的动能转化为电能，并回馈电网，同时产生制动力矩，使电动机械快速停止无用的惯性转动。电动机械是一个电能转化为机械能的带有运动部件的装置，常见为旋转运动，例如电动机。而这个转化过程常见的是通过电磁场的能量变化来传递能量和转化能量的，从更直观的力学角度来讲，是磁场大小的变化。电动机接通电源，产生电流，构建了磁场。交变的电流产生了交变的磁场，当绕组们在物理空间上呈一定角度布置时，将产生圆形旋转磁场。运动是相对的，等于该磁场被其空间作用范围内的导体进行了切割，于是导体两端建立了感应电动势，通过导体本身和连接部件，构成了回路，产生了电流，形成了一个载流导体，该载流导体在旋转磁场中将受到力的作用，这个力最终成为电动机输出的扭矩中的力。当切除电源时，电动机惯性转动，此时通过电路切换，往转子中提供相比而言功率较小的励磁电源，产生磁场，该磁场通过转子的物理旋转，切割定子的绕组，定子于是感应出电动势，此电动势通过电力装置接入电网，即为能量回馈。同时转子受力减速，此为制动。电再生制动是把电动机转变成发电机使用，把车辆的动能转变成电能。转化得到的电能会储存起来或透过电网送走，再生循环使用。这种制动方式已经达到了回收制动能量的目的，实现了节能环保的社会理念，已被用到各类电动列车上。

然而，这种制动方式存在着转化效率低的不足，一般的再生制动只会把约百分之三十的动能再生使用，其余的动能还是成为热；技术含量要求高；需要建造体积庞大的储能装置；且这种制动方式只能局限于电力驱动的交通工具。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单、成本低廉、运行灵活可靠、节能高效的列车制动能量存储与利用的方法及其装置。

本发明的技术方案是提供一种列车制动能量存储与利用的方法，包括如下步骤的操作：

1、机车运行时，两个高速直齿圆柱齿轮与两个一级减速直齿圆柱齿轮分别齿合在一起；所述的两个高速直齿圆柱齿轮固定在机车轮轴上，两个一级减速直齿圆柱齿轮和两个二级高速直齿圆柱齿轮分别固定在一级减速轴上，一级减速轴固定于车身上，两个二级高速直齿圆柱齿轮与两个滑动直齿圆柱齿轮分别处于分离状态；所述的两个滑动直齿圆柱齿轮分别固定在两根滑动轴上；两根滑动轴对称固定于车身的两侧，在两根滑动轴的中间通过直线轴承与滑动轴支撑座将它们连接，每个滑动轴上分别固定一个滑动锥齿轮和一个滑动直齿圆柱齿轮；

2、机车刹车时，拨动扳手带动滑动轴轴向滑动，在引齿作用下，滑动直齿圆柱齿轮与二级高速直齿圆柱齿轮啮合，实现二级减速；滑动锥齿轮和固定锥齿轮齿合，实现三级减速； 所述的固定锥齿轮与一个直齿圆柱齿轮同轴固定于齿轮齿条轴上，齿轮齿条轴与车身固定；

3、固定于齿轮齿条轴上的直齿圆柱齿轮与齿条齿合，固定锥齿轮带动齿条向弹簧的压缩方向移动，压缩后的弹簧实现能量储存； 

4、机车启动时，拨动扳手至原位，带动滑动轴轴向滑动，被压缩的弹簧释放弹性势能，推动齿条反向运动，齿条带动与之啮合的直齿圆柱齿轮反转，固定锥齿轮带动滑动轴上的滑动锥齿和滑动直齿圆柱齿轮旋转，传递至机车轮轴，机车获得初始启动动能。

实现上述列车制动能量存储与利用方法的一种装置，包括第一级减速系统、第二级减速系统、第三级减速系统和能量储存系统；

所述的第一级减速系统的结构为：两个高速直齿圆柱齿轮固定在机车轮轴上，两个一级减速直齿圆柱齿轮固定在一级减速轴上，一级减速轴固定于车身上；

所述的第二级减速系统的结构为：两根滑动轴对称固定于车身的两侧，在两根滑动轴的中间通过直线轴承与滑动轴支撑座将它们连接；二级高速直齿圆柱齿轮固定在一级减速轴上；滑动轴上分别固定滑动锥齿轮、滑动直齿圆柱齿轮，扳手控制滑动轴实现轴向平动；

所述的第三级减速系统的结构为：滑动锥齿轮固定在滑动轴上，固定锥齿轮、直齿圆柱齿轮固定于齿轮齿条轴上；齿轮齿条轴与车身固定，滑动锥齿轮与固定锥齿轮的锥齿倾角之和为90度； 

所述的能量储存系统的结构为：固定于齿轮齿条轴上的直齿圆柱齿轮与齿条啮合，齿条的一端固定在弹簧挡板上，弹簧挡板与弹簧固定。

本发明采用弹簧节能制动系统，利用弹簧能够储存能量并在一定承受力范围内能够很好释放能量的特性，通过弹簧与机械机构的合理结合，使列车具有以下功能：1、在列车正常行驶过程中，制动装置不会影响列车的正常运行。2、在列车制动时，在不影响列车正常制动效果的情况下，通过齿轮传动装置将列车的制动能量转化成弹簧的弹性势能，实现制动能量的存储。3、在列车停止的时候，通过齿轮自锁装置，保证弹簧的弹性势能不会在列车停止的时候释放掉。4、在列车重新启动的时候，再利用齿轮传动装置将弹簧的弹性势能转化成列车启动时的初始能量，从而将列车制动能量回收并及时利用，实现列车的节能制动。本发明提供的列车制动装置，在列车经过无数次地制动和启动的大循环中可实现减少列车制动的能耗。   

与现有技术相比，本发明的有益效果在于:

1、机械结构设计的简单合理巧妙，减少制造成本。该制动系统主要原理是一套机械结构,该结构设计简单、可靠，降低生产难度和成本，有利于这种新型节能制动系统的实用化。

2、能够与现有的列车系统相匹配相融合，在保证列车正常制动的情况下，可把列车的制动能量存储起来再利用，实现节能环保的目的。

3、通过一系列的齿轮传动和弹簧结构，将列车制动能量转化成弹簧的弹性势能，列车制动能量与弹簧的弹性势能都属于机械能，属于同种能量之间的转化，转化效率高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于列车制动能量存储与利用的节能制动装置的结构示意图；

其中：1、车身；2、后轮；3、后轮支座；4、后轴；5、弹簧挡板 ；6 、弹簧；7、拨叉支座；8、扳手； 9、拨叉轴；10、拨叉；11、滑动轴弹簧；12、前轮；13、前轴；14、深沟球轴承；15、前轴支座；16、高速直齿圆柱齿轮；17、一级减速轴；18、深沟球轴承；19、直线轴承；20、一级减速直齿圆柱齿轮；21、减速轴支座；22、二级高速直齿圆柱齿轮； 23、滑动轴支撑座； 24、滑动锥齿轮；25、滑动直齿圆柱齿轮；26、滑动轴支座；27、直线轴承；28、固定锥齿轮；29、固定轴支座；30、深沟球轴承；31、齿条支座；32、深沟球轴承；33、齿条；34、直齿圆柱齿轮；35、深沟球轴承；36、齿轮齿条轴；37滑动轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1

参见附图1，它是本实施例提供的一种列车制动装置的结构示意图；该制动装置固定在车身1的底部，前轮系统和后轮系统之间；前轮系统由前轮12、前轴13、深沟球轴承14及前轴支座15构成，后轮系统由后轮2、后轮支座3、后轴4及深沟球轴承32构成。

第一级减速系统包括两根前轴13，一级减速轴17，及两个高速直齿圆柱齿轮16和两个一级减速直齿圆柱齿轮20；一级减速轴17通过深沟球轴承18和减速轴支座21与车身1固定，两个高速直齿圆柱齿轮16固定在前轴上，两个一级减速直齿圆柱齿轮20固定在一级减速轴17上。列车在运行过程中，两个高速直齿圆柱齿轮同两个一级减速直齿圆柱齿轮齿合在一起，随机车的运动或停止一直处于旋转或静止状态。为了实现最大限度的减速，其齿数比尽量接近最大的减速比（本实施例为1:3），从而实现第一级减速。在机车正常行驶时，只有该级减速齿轮组转动，其低速级齿轮的转速较低，此时制动系统不会启动。根据实际需要，减速齿轮的级数可以加大到十几到二十几级，使减速齿数比达到几十比一的情况，将实际列车的高速运行转化为末级齿轮的低速运行。

第二级减速系统包括固定在一级减速轴17上的另外两个直齿圆柱齿轮22，两套分别固定在两根滑动轴37上的滑动锥齿轮24、滑动直齿圆柱齿轮25；其结构为：两根滑动轴37分别通过滑动轴支座26、直线轴承27与车身固定，中间通过直线轴承19和滑动轴支撑座23连接；二级高速直齿圆柱齿轮22与一级减速直齿圆柱齿轮20一起旋转，两套固定有滑动锥齿轮24、滑动直齿圆柱齿轮25的滑动轴通过扳手8、拨叉轴9、拨叉10、拨叉支座7、滑动轴弹簧11实现轴向的左右平动，这两套滑动轴系统呈对称分布。当机车正常运行的情况下，两个二级高速直齿圆柱齿轮22与两个滑动直齿圆柱齿轮25处于分离状态，此时节能制动系统不会启动。当机车在刹车过程中需要储能时，拨动与滑动轴37连接的拨叉9，使滑动轴37轴向滑动，同时带动轴上直齿圆柱齿轮25和滑动锥齿轮24滑动，在引齿作用下，轴上的直齿圆柱齿轮25与二级高速直齿圆柱齿轮22啮合（本实施例中齿数比为1:1.33）。从而实现第二次减速。

第三级减速系统包括固定在滑动轴37上的滑动锥齿轮24和固定锥齿轮28,两个锥齿轮的锥齿倾角之和为90°，可实现90°转向。固定锥齿轮28、直齿圆柱齿轮34和齿轮齿条轴36再通过固定轴支座29、深沟球轴承30、深沟球轴承35与车身1固定。当机车正常运行的情况下，滑动锥齿轮24和固定锥齿轮28处于分离状态，此时节能制动系统不会启动。当机车在刹车过程中需要储能时，拨动与滑动轴连接的拨叉9，使机构的滑动轴37滑动，在滑动直齿圆柱齿轮25与二级高速直齿圆柱齿轮22啮合的同时，滑动锥齿轮24和固定锥齿轮28实现齿合（本实施例的齿数比为1:2），从而实现第三次减速。

本实施例的装置中，与固定锥齿轮28同轴固定有另一个直齿圆柱齿轮34，直齿圆柱齿轮34与齿条33啮合在一起，齿条33通过齿条支座31与车身1固定，可使车轮轴上的力和能量均通过齿轮传递到齿条上，同时实现齿轮转动向齿条平动的转变。齿条的直线运动再推动与之相连的另一端固定着弹簧挡板5上的弹簧6压缩，实现能量的储存。

从减速到静止时，储能过程结束，为了实现自锁，只需拨动与放能滑动轴连接的拨叉，机构中滑动轴37滑动，将滑动轴37上固定的滑动锥齿轮24与固定锥齿轮28啮合，此时两组锥齿轮同时啮合，达到自锁效果，弹簧始终处于压缩状态。与此同时，滑动轴上圆柱齿轮也在引齿作用下与二级高速直齿圆柱齿轮组啮合上。

当机车启动时，只需拨回机构中与滑动轴37连接的拨叉，由于轴上套有滑动轴弹簧11，可以推动轴回到初始位置，使滑动轴滑回原始状态，这样自锁打开，压缩的弹簧释放弹性势能，推动齿条33反向运动，齿条则带动与之啮合的直齿圆柱齿轮34反转，同轴的固定锥齿轮28则带动放能滑动轴上的滑动锥齿轮24以及滑动轴上的圆柱齿旋转，再带动二级齿轮组和一级齿轮组，最终带动机车轮轴转动，能量释放，机车启动，从而获得初始动能。

本发明先通过三级齿轮传动进行减速，再经齿轮齿条传动，将齿轮转动改变为齿条的平动，最后通过齿条和弹簧的连接，实现弹簧的压缩储能以及伸长放能，提供了一种制动时利用弹簧压缩吸储能量，行走时再利用弹簧伸长输出动力的节能制动装置。

本发明提供的制动装置应用纯机械机构，通过齿轮传动、弹簧压缩，达到机构储存能量和释放能量的目的，实现机构的制动和启动功效。其中储能、放能过程首先通过三级齿轮传动进行减速，然后再通过齿轮齿条传动，将齿轮转动改变为齿条的平动，最后通过齿条和弹簧的连接，实现弹簧的压缩储能以及伸长放能。运动过程共分四个步骤：

第一步：正常行驶

本发明的列车在正常行驶过程中，两个高速直齿圆柱齿轮同两个一级减速直齿圆柱齿轮始终齿合在一起，随机车的运动或停止一直处于旋转或静止状态。为了实现最大限度的减速，其齿数比尽量接近最大的减速比（如1:3），从而实现第一级减速。此时，只有第一级级减速齿轮组转动（减速齿轮的级数可以加大到十几到二十几级，使减速齿数比达到几十比一的情况，来把实际列车的高速运行转化为末级齿轮的低速运行），其低速级齿轮的转速较低，而两个直齿圆柱齿轮与两个滑动直齿圆柱齿轮都处于分离状态，此时节能制动系统不会启动。

第二步：储能

当机车在刹车过程中需要储能时，拨动右边拨叉使得机构右半部滑动轴滑动，同时带动轴上两齿轮（圆柱齿轮和锥齿轮）滑动，在引齿作用下，轴上的直齿圆柱齿轮与低速级直齿圆柱齿轮啮合（齿数比为1:1.33）。从而实现第二次减速。在直齿圆柱齿轮与低速级直齿圆柱齿轮啮合的同时，两个锥齿轮实现齿合（齿数比为1:2）。从而实现第三次减速。

本装置中，与固定锥齿轮同轴固定有另一个直齿圆柱齿轮，直齿圆柱齿轮又与齿条啮合在一起，这样便使得装置车轮轴上的力和能量均通过齿轮传递到齿条上，同时实现齿轮转动向齿条平动的转变。齿条的直线运动再推动与之相连的弹簧压缩，实现能量的储存。

第三步：自锁

本发明从减速到静止时，储能过程结束，为了实现自锁，只需拨动左半边拨叉使得机构左半部的滑动轴滑动（两边的机构是对称的），使得滑动轴上的滑动锥齿轮与固定锥齿轮啮合，此时两组锥齿轮同时啮合，达到自锁效果，弹簧始终处于压缩状态。与此同时，轴上圆柱齿轮也在引齿作用下已与二级减速齿轮组啮合上。

第四步：放能

当机车需要启动时，只需拨回机构右半边拨叉，使滑动轴滑回（轴上套有弹簧，可以推动轴回到初始位置）原始状态，这样自锁打开，原本压缩的弹簧释放弹性势能，推动齿条33反向运动，齿条则带动与之啮合的直齿圆柱齿轮34反转，同轴的大锥齿轮28则带动左半边滑动轴上的滑动锥齿以及滑动轴上的圆柱齿旋转，再带动二级齿轮组和一级齿轮组，最终带动机车轮轴转动，能量释放，机车启动，从而获得初始动能。