跨座式單軌牽引車自動(dòng)牽引停車系統(tǒng)研究與分析

趙尋 任光勝

摘要：跨座式單軌列車采用橡膠輪胎，其轉(zhuǎn)向架的換輪維護(hù)須在專用的轉(zhuǎn)向架分離設(shè)備（換輪裝置）上進(jìn)行。本文研究了一種單軌列車轉(zhuǎn)向架在換輪作業(yè)時(shí)的自動(dòng)牽引定位方法，并用ADAMS與MATLAB進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：跨坐式單軌;停車方法;ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真

0? 引言

跨座式單軌采用橡膠輪胎進(jìn)行支撐運(yùn)行，其行走輪胎的壽命為18～25萬公里[1]，因此必須定期對(duì)行走輪胎進(jìn)行換輪、維護(hù)作業(yè)，以保證列車正常運(yùn)行。列車進(jìn)入換輪庫可以依靠軌道梁供電系統(tǒng)，也可以采取牽引車牽引方式。前者在換輪作業(yè)時(shí)需要頻繁斷電、接地、通電等作業(yè)，效率低下。采用牽引車牽引列車方式，可以一次性斷電、接地，作業(yè)時(shí)可以保證操作人員安全。此外，由于現(xiàn)有車輛結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向架的連接方式，在拆卸轉(zhuǎn)向架時(shí)，需要對(duì)車體進(jìn)行支撐，要求車體與轉(zhuǎn)向架分離設(shè)備車體支撐裝置具有一定的相對(duì)位置，為此需要對(duì)列車停車位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

現(xiàn)有牽引車的牽引駕駛方式為人工手動(dòng)駕駛，在牽引過程中，牽引車上的駕駛操作人員無法準(zhǔn)確觀察到列車轉(zhuǎn)向架和換輪裝置沉降梁的相對(duì)位置情況，需要其他人員站在沉降梁旁邊觀察轉(zhuǎn)向架的到位情況，用對(duì)講機(jī)與牽引車上的操作人員協(xié)同完成轉(zhuǎn)向架的精確定位。該停車方式操作繁瑣，耗費(fèi)人力，效率低下，尋求一種高效自動(dòng)的列車牽引停車方法，對(duì)提高換輪流程效率、減少人員操作有重要意義。

1? 牽引車停車流程分析

牽引車所牽引的單軌列車質(zhì)量超過100t，在制動(dòng)時(shí)需要克服很大的慣性力，因此本系統(tǒng)采用兩級(jí)減速的方式完成牽引車的停車，在牽引車牽引列車接近停車點(diǎn)前一定距離進(jìn)行預(yù)減速，然后牽引車以較低的速度行駛到停車點(diǎn)，然后進(jìn)行停車動(dòng)作。

在停車過程中，系統(tǒng)需要對(duì)牽引車進(jìn)行定位。減速傳感器安裝在換輪庫外PC梁上，檢測(cè)牽引車車頭位置，該傳感器量程需超過單軌列車車身長(zhǎng)度，過大的量程導(dǎo)致其精度和響應(yīng)速度無法滿足停車精度要求，只能用于發(fā)出牽引車減速信號(hào);停車傳感器安裝沉降梁上，檢測(cè)待修轉(zhuǎn)向架到停車點(diǎn)距離，用于發(fā)出停車信號(hào)。由此設(shè)計(jì)停車流程，如圖1所示。

停車流程中，首先系統(tǒng)對(duì)需要的信息參數(shù)進(jìn)行采集和計(jì)算，給出牽引車減速信號(hào)和停車信號(hào)的相關(guān)數(shù)據(jù)。牽引車開始啟動(dòng)牽引，在牽引車與列車完成對(duì)鉤后，牽引列車入庫[2]。待修轉(zhuǎn)向架接近沉降梁時(shí)，牽引車在系統(tǒng)給出的減速信號(hào)控制下開始減速。為防止停車傳感器影響到牽引車的正常行駛，需要待修轉(zhuǎn)向架的蓋板通過彈出機(jī)構(gòu)的安裝位置后才可彈出停車傳感器，檢測(cè)停車距離。與此同時(shí)，牽引車持續(xù)減速到規(guī)定的低速，勻速行駛，當(dāng)停車傳感器檢測(cè)到待修轉(zhuǎn)向架到達(dá)停車點(diǎn)時(shí)，停車傳感器收回，發(fā)出停車信號(hào)，牽引車進(jìn)行停車操作。

2? 基于Adams與MATLAB的牽引車停車運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 車體建模

為提高仿真效率，在SolidWorks中創(chuàng)建牽引車車體、列車車體、牽引車車架、列車轉(zhuǎn)向架和PC梁的簡(jiǎn)化模型[3]，如圖3所示。

將該模型導(dǎo)入Adams/View中，牽引車和列車零件間采用固定約束連接，對(duì)PC梁與地面施加固定約束，在穩(wěn)定輪與PC梁間施加接觸，并對(duì)整個(gè)模型施加Y軸負(fù)方向的重力。

2.2 輪胎與道路建模

由于輪胎物理模型的特殊性與復(fù)雜性，一般都將輪胎用一組數(shù)學(xué)模型來表現(xiàn)，Adams中支持的輪胎模型有Fiala、UA、MF、FTire等多種模型[4]，本文行走輪采用的是經(jīng)典的Fiala模型，其具體參數(shù)如表1所示[5]。

道路模型采用3D“roughness”路面模型，模擬PC梁的混凝土路面，其位置位于PC梁的上表面。

2.3 制動(dòng)載荷計(jì)算

牽引車制動(dòng)時(shí)，其液壓系統(tǒng)中變量泵斜盤撥至中位，泵排量為零，液壓系統(tǒng)鎖死，且牽引速度較低，可忽略空氣阻力，因此其所受的阻力主要是牽引車輪胎與地面間的摩擦力F1和列車的輪胎向前滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力F2。

牽引車自身慣性力和列車對(duì)牽引車的作用力的合力在等效平移到牽引車重心時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力偶，該力偶會(huì)引起PC梁對(duì)牽引車前輪和后輪的支撐力變化，設(shè)支撐力改變部分為？駐P。 牽引車車體結(jié)構(gòu)的前后對(duì)稱度很高，重心和中心基本重合，前輪和后輪到重心的距離相同，即前輪和后輪支撐力變化量？駐P相同。

設(shè)f1、f2 分別為牽引車前輪和后輪所受的摩擦力，P1、P2分別為PC梁對(duì)牽引車前輪和后輪的支撐力，列車重m1，牽引車重m2，由牽引車受力平衡可列以下方程：

假設(shè)制動(dòng)時(shí)牽引車輪胎不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，則牽引車輪胎與地面間的摩擦力：

式中f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，該系數(shù)與路面類型、行駛速度、輪胎氣壓、構(gòu)造、材料等相關(guān);

∑G為列車對(duì)PC梁所有垂直壓力之和，包括車輛行走輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪對(duì)梁的壓力。設(shè)單軌列車的車廂節(jié)數(shù)為s，每節(jié)車廂兩個(gè)轉(zhuǎn)向架，每個(gè)轉(zhuǎn)向架有的導(dǎo)向輪和穩(wěn)定總數(shù)設(shè)為y，每個(gè)導(dǎo)向輪和輪對(duì)PC梁的預(yù)壓力設(shè)為P3，則∑G的計(jì)算公式為：

本次仿真建模的列車采用四節(jié)車廂編組，其參數(shù)值如表2所示。

將參數(shù)帶入上式計(jì)算可得：F1=68600N，F(xiàn)2=9933N。在Adams仿真中以轉(zhuǎn)矩的形式將這兩個(gè)力分別施加在牽引車和列車的行走輪上。

2.4 ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真

在ADAMS中設(shè)計(jì)牽引車車輪轉(zhuǎn)矩為輸入變量，列車實(shí)時(shí)速度、位移為輸出變量，用Plant Export命令生成MATLAB仿真文件[8]。

由停車流程可在Simulink中設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，如圖4所示，統(tǒng)采用3個(gè)Switch模塊來判斷牽引車速度是否減速到規(guī)定的勻速速度、位移是否達(dá)到停車位置及牽引車是否完全停車，根據(jù)判斷結(jié)果來控制牽引車的輸入轉(zhuǎn)矩。

由制動(dòng)力可估算牽引車減速加速度：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：a=0.64m/s2;d1=3.78m;t=3.47s;v2max=0.16m/s。

由上估算結(jié)果可將將停車點(diǎn)位置設(shè)置在牽引車前4.5m處，牽引車停車勻速速度v2=0.1m/s，仿真時(shí)間設(shè)為6s。

2.5 仿真結(jié)果

對(duì)牽引車施加一個(gè)短暫的沖擊載荷，使其達(dá)到最大牽引速度8km/h，設(shè)置仿真時(shí)間為6s，仿真完成后得出牽引車速度和位移曲線如圖5、圖6所示。

由仿真結(jié)果可知，其速度曲線與預(yù)想中的相符，在位移曲線測(cè)得牽引車最終停車位置在4.508m處，其誤差在停車精度范圍以內(nèi)，滿足停車精度要求，即該系統(tǒng)可完成牽引車的精確停車。

3? 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)停車系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)牽引車自動(dòng)停車，相比于原有的手動(dòng)駕駛的停車方式節(jié)省人力成本。本文對(duì)自動(dòng)停車系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，并使用ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真驗(yàn)證系統(tǒng)可行性，為該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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