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智軌電車動力學性能研究

CAE仿真 2020-04-08 15:46

1 智軌列車介紹智能軌道快運系統簡稱智軌列車,是全新一代的交通工具,設計最高時速為70公里,但因為不依賴鋼軌行駛,一條運行線的建設周期僅需一年,能快速投入使用。另外,智軌列車還具有輕軌、地鐵等軌道列車的零排放、無污染的特性,并支持多種供電方式。由于采用高鐵柔性編組的模式,智軌列車還能根據客流變化調節運力,比如采用標準的3節編組時,列車可載客超過300人,5節編組時可載客超過500人,能有效解決普通公交車載客量小的缺陷,大大提高運力。智軌列車看似無軌,實則有“軌”,原因是采用了中車株洲所的創新團隊自主研發了的“虛擬軌道跟隨控制”技術。簡單來說,它通過車載各類傳感器識別路面虛擬軌道線路,將運行信息傳送至列車“大腦”(中央控制單元),根據“大腦”的指令,在保證列車實現牽引、制動、轉向等正常動作的同時,能夠精準控制列車行駛在既定“虛擬軌跡”上,實現智能運行。智軌列車長達30多米,是馬路上的“巨無霸”,但它卻是一個靈活的“胖子”。奧秘在于列車采用了多軸轉向系統等設計方式,智能對虛擬軌跡進行跟蹤控制。使整臺列車轉彎半徑與普通公交車相當,且比普通公交車輛的通道寬度更小,這就解決了超長車身帶來的轉彎難題。同時,智軌列車采用類似高鐵的雙車頭設計,省卻了掉頭的麻煩。通過觀看下面的視頻,可以快速了解智軌列車的特點。當前投入商業運行的智軌電車擁有“ 兩動一拖”三編組結構,最大載客超過300 人,各節編組之間采用鉸接裝置實現編組車輛之間的連接。智軌電車具備公交系統駕駛靈活、低建設和運維成本的優點,其結構復雜,車輛架構與雙鉸接車輛的相近,整車長度遠超過普通汽車的,因此行駛過程中整車的動力學表現是影響車輛穩定性和安全性的關鍵因素之一,也是研究的重點。

中車株洲電力機車研究所有限公司鐘漢文等工程師基于車輛動力學理論,使用Simpack軟件對3編組智軌電車從2個方面開展車輛動力學建模仿真研究:通過搭建數學模型,開展控制系統的仿真研究,為中央虛擬軌跡線循跡控制器、自動跟隨轉向控制器的設計和優化提供數據支持;通過搭建整車精細化模型,開展控制系統仿真研究,為整車動力學性能評價與改進提供指導。

2 虛擬樣機模型及驗證車輛虛擬樣機模型是研究車輛特性的基礎,建立能準確反映車輛動力學特征的模型是智軌電車動力學性能研究的重點。整車虛擬樣機模型其實質是利用車輛的數學模型來描述外界對車輛的輸入、車輛系統以及車輛系統對外界的輸出三者之間的關系。該模型既要保證對運動系統描述的準確性,又要將對研究目標影響不大的因素進行簡化,以提高運算速度。為了保證模型的準確性,考慮到車輛受相對運動部件的影響,采用Simpack 軟件搭建虛擬樣機模型。梳理整車各系統間的拓撲關系,具體如圖6 所示。根據拓撲關系,整理三維設計模型、裝配圖紙及彈性參數測試報告,獲取相應的質量慣量、布置位置及彈簧阻尼等參數,從而建立智軌電車的車輛動力學模型(圖7)。該模型共涉及159 個相對運動部件及440 個自由度。為了驗證所建立的部件級動力學模型在彎道工況下的精準性,設計了一個直角轉彎工況進行模型驗證。選擇一個直角轉彎路線,采集車輛在直線行駛—轉彎行駛—直線行駛整個過程中的速度信號、第一軸轉向角信號及前后兩個鉸接盤轉向角信號。其中,速度和第一軸角度作為動力學模型驗證的輸入,通過Matlab 和Simpack 的聯合仿真,實現試驗工況運行;2 個鉸接盤轉向角作為仿真測試的對標指標,來驗證模型的準確性。試驗過程中,以Mc1 為駕駛端,相應的采集數據也按Mc1 為第一車排序。下圖為鉸接盤的仿真和測試數據對比。由圖可見,在仿真和試驗過程中,車輛的鉸接盤轉向角在變化趨勢和變化幅值方面都非常吻合。由此可知,所建立的智軌電車部件級動力學模型能夠較真實地反映車輛的運動學特征。

工況仿真


智軌電車整車長度約為32 m,其在彎道行駛的動力學性能會直接影響整車的行駛穩定性和安全性。因此,依據ISO14791-2000 標準要求,對智軌電車進行從穩態直線到穩態圓周的行駛工況設計,不僅考慮了穩態工況下車輛的動力學性能,同時也考慮了由穩態到瞬態變化過程中的動力學性能變化。考慮到車輛的側向加速度小于0.4gn(gn=9.806 65 m/s2),車輛動力學響應還處于線性階段,為了更好地展示智軌電車動力學性能,設定其以8 m/s 的速度直線穩定行駛50 m,通過第一軸轉向控制進入半徑為30 m 的圓周,轉向穩定后保持穩態圓周運動,其運行軌跡設計如下圖所示。

在穩態圓周運動過程中,車輛質心側偏角變化非常小,設定車輛的瞬時轉動半徑與道路曲率保持一致,以便于對車輛動態響應的研究。對于第一軸轉向角控制,采用PID 控制方法。基于第一軸轉向角控制算法,結合自動循跡轉向控制算法,通過Matlab 編程得到轉向控制程序。在程序中,輸入信號為轉彎半徑以及車輛動力學模型的速度、位移、角度等信號,輸出為車輛動力學模型中的各軸轉向角,通過Matlab 和Simpack 的聯合仿真,研究各節車輛的橫擺角速度和側向加速度變化,評價在該工況下智軌電車的動力學性能。下圖為智軌電車在穩態圓周工況下的各節車輛的橫擺角速度、側向加速度變化曲線。由圖可以看出,從直線穩態到圓周穩態過程中,2 個指標的變化趨勢比較一致,均為Mc1 車數值變化最大、Tp 次之、Mc2 最小。

在鉸接車輛中,后部放大系數是一種側向加速度放大率的量化指標,利用首末節車質心處的側向加速度的比值來研究鉸接車輛的側向動力學特征(該數值通常大于1),其表達式如下:

式中:ayk——車輛運行過程中,第k 節車側向加速度;A——后部放大系數。

通過仿真數據曲線,可以得到智軌電車在穩態圓周工況下A=0.94;仿真曲線沒有呈現側向加速度放大的趨勢,表明智軌電車的動力學性能要優于傳統鉸接車輛的。

4 總結

針對膠輪承載、多編組、虛擬軌道運行的智軌電車,本文開展整車動力學性能研究。首先搭建了智軌電車整車數學模型,仿真測試結果表明,所建立的數學模型在動力學性能變化趨勢上仿真值和實測數據吻合度較好;然后通過搭建細化的Simpack 整車模型,開展了工況研究,利用后部放大系數進行動力學性能評價,結果顯示智軌電車的動力學性能要優于傳統鉸接車輛的。文中所提方法不僅為后續整車性能的優化提供評判依據,也可為智軌電車后續的牽引、制動、轉向協同控制算法的研究提供準確的仿真數據。



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