獨(dú)立車輪導(dǎo)向優(yōu)化研究進(jìn)展

孫效杰，許聰，陸正剛，夏志成

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院，上海，201418；2.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海，201804；3.北京錦鴻希電信息技術(shù)股份有限公司，北京，100071)

獨(dú)立輪對(duì)，是將左右兩側(cè)車輪解耦，使之能夠以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行。但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)剛性輪對(duì)，獨(dú)立輪對(duì)不具備自導(dǎo)向能力[1]。另外，獨(dú)立輪對(duì)運(yùn)行過程中，輪緣會(huì)長(zhǎng)期貼靠鋼軌，造成嚴(yán)重的噪聲及輪軌磨耗，獨(dú)立輪對(duì)的研究與應(yīng)用一度陷入停滯[2]。

20世紀(jì)后期，隨著高速列車以及城市軌道交通的發(fā)展，人們對(duì)列車的速度以及乘坐的便利性提出了更高的要求。1984年，安裝獨(dú)立輪對(duì)的現(xiàn)代低地板有軌電車首次在日內(nèi)瓦投入使用，人們逐漸認(rèn)識(shí)到獨(dú)立輪對(duì)在軌道交通領(lǐng)域的優(yōu)越性。FREDERICH等[3-6]從力學(xué)角度研究獨(dú)立輪對(duì)的導(dǎo)向機(jī)理，比較了獨(dú)立輪對(duì)與傳統(tǒng)剛性輪對(duì)的性能差異。自此，獨(dú)立輪對(duì)的相關(guān)研究受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向優(yōu)化的研究成果不斷涌現(xiàn)。

我國(guó)關(guān)于獨(dú)立輪對(duì)研究起步較晚，進(jìn)入21世紀(jì)后，才逐漸開始重視獨(dú)立輪對(duì)及其相關(guān)研究。國(guó)家科技部立項(xiàng)成立“100%低地板輕軌車輛關(guān)鍵技術(shù)”等課題，中車長(zhǎng)客和唐客等自主研制的獨(dú)立車輪有軌電車先后下線，甚至出口土耳其等國(guó)[7]。DUKKIPATI 等[8]總結(jié)回顧國(guó)外獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向研究，但此后國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)展缺乏類似的總結(jié)。因此，本文作者在已有文獻(xiàn)和自己研究工作的基礎(chǔ)上，梳理和總結(jié)獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向優(yōu)化相關(guān)研究方法，概括獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向優(yōu)化的研究方向及成果，并就未來獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向優(yōu)化的發(fā)展趨勢(shì)，提出合理建議。

1 獨(dú)立輪對(duì)的導(dǎo)向需求

獨(dú)立輪對(duì)兩側(cè)車輪可以不同速運(yùn)行，橫移和搖頭運(yùn)動(dòng)也不再耦合，這使得其縱向蠕滑力近乎為零，縱向蠕滑力矩難以對(duì)輪對(duì)產(chǎn)生導(dǎo)向作用[9]。獨(dú)立輪對(duì)車輛在具有易實(shí)現(xiàn)低地板、高臨界速度和易變軌距等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，受導(dǎo)向能力不足的限制，即使較小的橫向力也會(huì)使其貼靠一側(cè)鋼軌運(yùn)行，并且過曲線時(shí)只能依靠輪緣接觸導(dǎo)向，不僅產(chǎn)生較大的輪緣/踏面磨耗和噪聲，還增加了脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何提高獨(dú)立輪對(duì)的導(dǎo)向能力是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

關(guān)于獨(dú)立輪對(duì)的導(dǎo)向研究，目前的研究思路可總結(jié)為三大方向：

1)提高車輪重力復(fù)原力：主要體現(xiàn)在車輪踏面外形的優(yōu)化。

2)改進(jìn)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)：主要分為2類，一是將左右車輪(或前后車輪)耦合起來，使其獲得類似傳統(tǒng)輪對(duì)的導(dǎo)向能力；二是通過某種機(jī)械結(jié)構(gòu)干涉車輪的運(yùn)動(dòng)，使車輪趨于徑向位置。

3)輪對(duì)主動(dòng)控制：依據(jù)輪對(duì)的狀態(tài)參數(shù)施加控制力或力矩，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)主動(dòng)導(dǎo)向/穩(wěn)定性控制。

2 踏面外形優(yōu)化

關(guān)于輪對(duì)踏面的設(shè)計(jì)，人們最初僅關(guān)注踏面的磨耗問題，致力于設(shè)計(jì)出磨耗穩(wěn)定的踏面。直到1978年，HELLER 等[10]系統(tǒng)性研究了踏面形狀與車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性、曲線通過性之間的矛盾關(guān)系。此后，相關(guān)學(xué)者在設(shè)計(jì)踏面形狀時(shí)開始關(guān)注其對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。EICKHOFF等[11]從理論上研究了踏面對(duì)獨(dú)立輪對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響，并開展了輪軌測(cè)試驗(yàn)證。

圖1所示為輪軌接觸受力圖。由圖1可見：軌道車輛的踏面與鋼軌在水平方向會(huì)形成一個(gè)夾角δ，輪重Q沿水平方向分力就是重力橫向復(fù)原力F，N為車輪支反力。左右車輪重力橫向復(fù)原力的合力對(duì)輪對(duì)的橫移具有一定的復(fù)原作用，且與接觸角差相關(guān)[12]，如下式所示。

圖1 輪軌接觸受力圖Fig.1 Wheel-rail contact force diagram

從式(1)可以看出：在平均輪重一定的情況下，接觸角差(δR-δL)越大，重力復(fù)原力Fgy越大。因此，一些學(xué)者以增大接觸角差為目標(biāo)，進(jìn)行踏面形狀的設(shè)計(jì)。

佐藤榮作等[13]給出了其2次進(jìn)行獨(dú)立車輪踏面設(shè)計(jì)的結(jié)果，并通過運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證了有效性；任毅等[14]基于給定的鋼軌輪廓，采用接觸點(diǎn)擬合的方法設(shè)計(jì)了新型踏面；孟昭明[15]基于佐藤榮作的研究并結(jié)合國(guó)內(nèi)情況設(shè)計(jì)一種新型獨(dú)立車輪踏面(MDL型踏面)，并就上述踏面對(duì)車輛性能的影響進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析比較；沈鋼等[16-17]提出通過接觸角曲線反推法設(shè)計(jì)車輪踏面，解決了以往獨(dú)立車輪踏面設(shè)計(jì)需要反復(fù)試湊的問題，該方法可以直接得到具有某一理想指標(biāo)的踏面外形，在未來的踏面設(shè)計(jì)中或被廣泛采用。

KOMATSU 等[18-19]提出了有別于傳統(tǒng)鐵路車輪的反錐度踏面外形，即將輪緣置于鋼軌外側(cè)，并開發(fā)了一種具有自導(dǎo)向能力的獨(dú)立輪對(duì)機(jī)構(gòu)，對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能和過曲線能力有一定的改善。WANG[20]在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展研究，提出基于單個(gè)輪靜態(tài)特性的設(shè)計(jì)方法，著重考慮了車輪重心軌跡與輪軌接觸約束，并通過SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

KOYANAGI[21-22]認(rèn)為踏面的錐度是導(dǎo)致車輪打滑的主要原因，據(jù)此提出了圓柱形的獨(dú)立車輪踏面結(jié)構(gòu)，但需要加裝其他的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(第三軌導(dǎo)向)來保證正常運(yùn)行。該種方法雖然可以保證車輛在高速運(yùn)行下的穩(wěn)定性，不過與現(xiàn)有鐵路配合度不高，且如何過道岔仍是一個(gè)難點(diǎn)。因此，僅限于實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)的小型試驗(yàn)。

獨(dú)立車輪踏面外形優(yōu)化設(shè)計(jì)是導(dǎo)向優(yōu)化的研究方向之一，通過對(duì)車輪踏面外形的合理設(shè)計(jì)，能夠有效地優(yōu)化車輪的導(dǎo)向性，提高車輛動(dòng)力學(xué)性能。但改進(jìn)踏面對(duì)輪對(duì)導(dǎo)向能力的提升還存在一定的限制：導(dǎo)向效果較弱，無法矯正沖角，車輛的導(dǎo)向能力會(huì)隨著車輛運(yùn)行、磨耗增加而再次減弱。因此，通過優(yōu)化車輪踏面提升導(dǎo)向性的方法一般作為輔助方案使用。

3 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

輪對(duì)在受到橫向激擾時(shí)，除了會(huì)產(chǎn)生橫向位移，還會(huì)出現(xiàn)一定的沖角。若沖角無法復(fù)位，車輪便會(huì)帶沖角運(yùn)行并產(chǎn)生橫向蠕滑力，進(jìn)而使輪對(duì)發(fā)生橫移，這種橫移僅靠重力復(fù)原力難以回正[23]。因此，除了對(duì)獨(dú)立車輪踏面外形優(yōu)化之外，學(xué)者們還探究了對(duì)獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架的優(yōu)化改進(jìn)。表1所示為一些典型的優(yōu)化改進(jìn)轉(zhuǎn)向架及其導(dǎo)向原理。

表1 典型優(yōu)化改進(jìn)轉(zhuǎn)向架及其機(jī)理Table 1 Typical improved bogies and mechanisms

3.1 耦合轉(zhuǎn)向架

3.1.1 橫向耦合

橫向耦合轉(zhuǎn)向架是指在輪對(duì)左右獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪之間，通過剛度和阻尼的變化使輪對(duì)重新耦合，在保持獨(dú)立輪對(duì)優(yōu)點(diǎn)的前提下，使其獲得類似于傳統(tǒng)輪對(duì)的導(dǎo)向能力。

阿爾斯通公司所研制的Arpège 型動(dòng)力轉(zhuǎn)向架便屬于耦合轉(zhuǎn)向架，如圖2所示[24]。通過耦合器將左右車輪進(jìn)行耦合，重新引入了剛度和阻尼，使輪對(duì)獲得一定的曲線通過能力與自動(dòng)對(duì)中能力，但是該型轉(zhuǎn)向架在小半徑曲線上的通過能力較差，且耦合器的使用也影響了車輛低地板化。

圖2 Arpège動(dòng)車轉(zhuǎn)向架Fig.2 Arpège bogie

LENG等[25]研究了一種橫向摩擦耦合輪對(duì)，通過摩擦式限滑差速器進(jìn)行左、右車輪的耦合，使用摩擦轉(zhuǎn)矩對(duì)獨(dú)立輪對(duì)進(jìn)行耦合，可以提高輪對(duì)的導(dǎo)向性能；寇杰等[26]將對(duì)稱式的機(jī)械差速器應(yīng)用于獨(dú)立車輪上，實(shí)現(xiàn)了車輪的被動(dòng)差速控制；孫效杰等[27]提出一種電耦合輪對(duì)，通過電磁力矩耦合左、右車輪，與機(jī)械耦合的效果相似，但更方便、經(jīng)濟(jì)。

3.1.2 縱向耦合

縱向耦合轉(zhuǎn)向架的典型代表是西門子Combino轉(zhuǎn)向架，其牽引電機(jī)被縱向布置在車輪兩側(cè)，使用聯(lián)軸節(jié)/齒輪箱將轉(zhuǎn)向架同一側(cè)的前、后車輪耦合起來，通過前后輪軌橫向力的差值力矩使轉(zhuǎn)向架獲得沖角復(fù)位對(duì)的能力，如圖3所示[28]。中車株洲電力機(jī)車有限公司2014年從西門子引進(jìn)了Combino Plus型轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)技術(shù)，通過分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝難點(diǎn)，進(jìn)一步掌握了其設(shè)計(jì)理論，為研制國(guó)產(chǎn)化獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架提供了經(jīng)驗(yàn)[29]。

圖3 Combino轉(zhuǎn)向架Fig.3 Combino bogie

池茂儒等[30]提出了獨(dú)立輪對(duì)耦合轉(zhuǎn)向架的概念，就是將位于前、后車2個(gè)獨(dú)立輪對(duì)單軸轉(zhuǎn)向架通過一個(gè)彈性元件連接起來，使之成為一種新型轉(zhuǎn)向架。通過理論與仿真分析發(fā)現(xiàn)：獨(dú)立輪對(duì)耦合轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向能力較好，能夠?qū)崿F(xiàn)直線上的自動(dòng)對(duì)中與良好的曲線通過性。

相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，耦合轉(zhuǎn)向架在保證了獨(dú)立輪對(duì)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，能夠使獨(dú)立輪對(duì)獲得類似于剛性輪對(duì)導(dǎo)向能力，而且可以通過改變左、右車輪間的耦合程度適應(yīng)不同線路情況，實(shí)際應(yīng)用時(shí)較經(jīng)濟(jì)、便捷。

3.2 徑向轉(zhuǎn)向架

3.2.1 自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架

FREDERICH[3]提出了最初的自導(dǎo)向概念：僅靠輪軌間的作用力就可實(shí)現(xiàn)車輪徑向調(diào)節(jié)，研制出EDF 型轉(zhuǎn)向架，采用凹型踏面車輪以及由三角形托架對(duì)向構(gòu)架相互鉸接的車輪輪座，并在慕尼黑進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。EDF 型轉(zhuǎn)向架能夠?qū)崿F(xiàn)輪座直線上的橫移以及復(fù)位，但在小半徑曲線上，無法使輪對(duì)沖角回正[23]。

而最典型的自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架是南非的Scheffel型轉(zhuǎn)向架，如圖4所示。該型轉(zhuǎn)向架通過與軸箱相連的副構(gòu)架交叉支撐，其前后副構(gòu)架使用十字型布置的2個(gè)連接桿進(jìn)行鉸接與支撐，提高了車輛的導(dǎo)向性，雖未使用獨(dú)立車輪，但由于其典型性，為獨(dú)立車輪自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)提供了參考。

圖4 Scheffel轉(zhuǎn)向架Fig.4 Scheffel bogie

日本基于地鐵車輛的使用要求研制了SC系列獨(dú)立輪對(duì)自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架，并推出了SC101和SC102等型號(hào)[31-32]，實(shí)車運(yùn)行結(jié)果表明，與普通轉(zhuǎn)向架相比，自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能更優(yōu)，運(yùn)行噪聲、振動(dòng)等情況均有所降低；須田義大等[33]對(duì)僅后輪采用獨(dú)立車輪的自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能進(jìn)行了理論分析及試驗(yàn)研究，推導(dǎo)了導(dǎo)向性能與車輪踏面錐度、剛度的關(guān)系。

鑒于一系縱向剛度與車輛曲線通過性之間的矛盾，自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架通過降低一系縱向剛度，利用前后輪間的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與輪軌縱向蠕滑力使車輛在過曲線時(shí)車輪趨于徑向位置[34]。但自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架的調(diào)節(jié)作用較弱，無法實(shí)現(xiàn)車輪完全徑向。

3.2.2 迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架

迫導(dǎo)向是指利用車輛通過曲線時(shí)車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)角或車體與車體之間的轉(zhuǎn)角迫使輪對(duì)趨于徑向位置，實(shí)現(xiàn)提高輪對(duì)導(dǎo)向能力。

西班牙的Talgo列車所用的鉸接式單軸轉(zhuǎn)向架是目前迫導(dǎo)向應(yīng)用最成功的案例。其輪對(duì)外側(cè)安裝有Z字形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，分別與前后車體相連，通過曲線時(shí)，由于前后車體相對(duì)于軌道的偏轉(zhuǎn)角方向相反，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)中間位置的桿將繞Y軸做反向運(yùn)動(dòng)，使得輪對(duì)始終處于徑向位置。Talgo 轉(zhuǎn)向架采用三角拖動(dòng)結(jié)構(gòu)，車體質(zhì)量一端由輪對(duì)進(jìn)行承載，另一端掛在前一節(jié)車端部(低重心高支承)，如圖5和圖6所示[35]。最前部使用傳統(tǒng)輪對(duì)，在傳統(tǒng)輪對(duì)的牽拉作用下，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將使輪對(duì)在運(yùn)行過程中趨于軌道中心位置。

圖5 Talgo列車示意圖Fig.5 Sketch map of Talgo train

圖6 三角拖動(dòng)式結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of triangle drag

隨著城市軌道交通發(fā)展，車輛小曲線半徑通過性被愈加重視，人們關(guān)注于轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之更好地適應(yīng)不同線路，但現(xiàn)有的徑向轉(zhuǎn)向架逐漸難以滿足人們的要求。而從發(fā)展趨勢(shì)上來看，包含主動(dòng)控制的徑向轉(zhuǎn)向架或成為重點(diǎn)研究方向。龐巴迪公司在第六屆國(guó)際機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架大會(huì)上提出MECHATRONICS 型轉(zhuǎn)向架的概念，其安裝有機(jī)電式主動(dòng)徑向裝置以及穩(wěn)定性控制模塊，較常規(guī)轉(zhuǎn)向架舒適性和穩(wěn)定性更好[36]。

4 輪對(duì)主動(dòng)控制

上述技術(shù)大多依靠車輪重力復(fù)原力或某種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車輪的橫向復(fù)位或徑向調(diào)整，可被歸類于被動(dòng)導(dǎo)向技術(shù)；主動(dòng)導(dǎo)向技術(shù)是指通過控制電機(jī)或作動(dòng)器調(diào)節(jié)輪對(duì)的轉(zhuǎn)速和沖角等，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向性能的優(yōu)化。

WICKENS[37]最早提出主動(dòng)控制，指出可以通過輪對(duì)橫移量的反饋控制優(yōu)化獨(dú)立輪對(duì)的導(dǎo)向性能，即通過拉桿連接左右車輪，作動(dòng)器根據(jù)橫移量的反饋控制拉桿位置，控制車輪沖角以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向性能的優(yōu)化。限于橫向位移測(cè)量的困難性，該技術(shù)未能普及，但為獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向的優(yōu)化提供了一個(gè)全新的方向。

GOODALL等[38-42]在WICKENS研究的基礎(chǔ)上，研究除輪對(duì)橫向位移外，如何通過輪對(duì)其余狀態(tài)量(如沖角、轉(zhuǎn)速差等)進(jìn)行主動(dòng)控制。其中GOODALL等[38]以獨(dú)立車輪兩軸車為例，提出通過左右車輪的轉(zhuǎn)速反饋，對(duì)車輪導(dǎo)向性能進(jìn)行優(yōu)化的方法，具體控制思路如圖7所示；MEI 等[39-40]將輪轂電機(jī)應(yīng)用于獨(dú)立車輪的導(dǎo)向優(yōu)化中，研究如何將導(dǎo)向性與穩(wěn)定性優(yōu)化策略結(jié)合起來進(jìn)行獨(dú)立車輪的集成控制；PEREZ等[41-42]提出將獨(dú)立車輪的導(dǎo)向優(yōu)化與牽引結(jié)合，通過牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩差控制輪對(duì)。

圖7 轉(zhuǎn)速反饋控制Fig.7 Speed feedback control

LIANG等[43]在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了1/5比例的獨(dú)立輪對(duì)模型，發(fā)現(xiàn)通過搖頭運(yùn)動(dòng)的控制能有效改善獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向性，并且具有較好的穩(wěn)定性；任利惠等[44]研究使用不同控制量和反饋量的主動(dòng)控制方案，總結(jié)了具有導(dǎo)向能力的方案，并研究了基于PI控制的速差反饋導(dǎo)向優(yōu)化研究(假設(shè)線路信息已知)；李紅[45]設(shè)計(jì)一種行星齒輪差速機(jī)構(gòu)對(duì)獨(dú)立輪對(duì)進(jìn)行差速控制；孫效杰等[46-47]提出通過永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)車輪差速運(yùn)行。

考慮到控制方案的經(jīng)濟(jì)性便捷性，簡(jiǎn)單易測(cè)的車輪轉(zhuǎn)速信息成為研究者們進(jìn)行獨(dú)立輪對(duì)主動(dòng)控制研究的首選。任利惠等[48]研究速差反饋對(duì)獨(dú)立車輪的導(dǎo)向優(yōu)化效果，同時(shí)引入PI 控制增益，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制的進(jìn)行仿真；李浩天等[49]研究速差控制系數(shù)對(duì)獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向性能影響的規(guī)律，并給出建議值；BARBERA等[50]介紹一種電子差速轉(zhuǎn)向架(電耦合)，通過測(cè)量后位輪對(duì)角速度差，決定電軸的耦合程度；孫效杰等[51-53]研究電氣耦合轉(zhuǎn)向架機(jī)理，定義了電軸的耦合剛度系數(shù)，并進(jìn)行數(shù)值仿真與試驗(yàn)測(cè)試。

關(guān)于主動(dòng)導(dǎo)向的控制方式，可總結(jié)為2種：一是通過作動(dòng)器對(duì)車輪施加力矩，使其趨于徑向(actuated independently rotating wheels,AIRW)；二是通過電機(jī)施加牽引力或力矩，改變車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)而引起縱向力、搖頭力矩等發(fā)生變化，提高輪對(duì)導(dǎo)向能力(driven independently rotating wheels,DIRW)。吳泳江[54]對(duì)2種方法進(jìn)行了討論研究，仿真結(jié)果表明，2種方案均能提高獨(dú)立車輪的導(dǎo)向性能，而在獲得車速和線路信息后，AIRW效果明顯優(yōu)于DIRW 效果；BRACCIALI[55]討論了具有獨(dú)立旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向輪車輛使用轉(zhuǎn)矩控制過曲線的優(yōu)越性，并與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)做了對(duì)比；OH 等[56-57]設(shè)計(jì)獨(dú)立輪對(duì)牽引電機(jī)，對(duì)繞組槽型做了改良，調(diào)制電機(jī)輸出波形，實(shí)現(xiàn)控制左右輪速以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩差進(jìn)而優(yōu)化輪對(duì)導(dǎo)向，并通過硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性。

隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)主動(dòng)控制也提出了更高要求，如控制系統(tǒng)的魯棒性以及智能化。楊哲等[58]基于魯棒性對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；MALIKOV[59]提出一種觀測(cè)器，可應(yīng)用于解決系統(tǒng)未知輸入及不確定干擾問題，或可為獨(dú)立輪對(duì)的主動(dòng)控制提供一些參考；張珍[60]研究主動(dòng)控制智能化，設(shè)計(jì)了基于Android 平臺(tái)的智能控制終端軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛線路信息的獲取、記錄以及對(duì)車輪速差的控制(見圖8)，為主動(dòng)控制應(yīng)用的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

圖8 主動(dòng)控制智能軟件Fig.8 Active control of intelligent software

基于對(duì)已有研究成果的分析總結(jié)，本文作者發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的獨(dú)立輪對(duì)主動(dòng)控制方法依賴于輪對(duì)的狀態(tài)信息和線路信息的獲取。但車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)，難以獲得一些信息，因此，部分學(xué)者致力于研究如何獲取控制信息。如LI等[61-63]使用卡爾曼濾波估計(jì)輪對(duì)及線路信息，但其使用的是全維觀測(cè)器，系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高。孫效杰等[64-65]提出了通過降維觀測(cè)器對(duì)輪對(duì)狀態(tài)及線路信息進(jìn)行估計(jì)的方法，選擇經(jīng)濟(jì)易測(cè)的輪對(duì)狀態(tài)信息，估計(jì)輪對(duì)其余狀態(tài)，完成輪對(duì)的主動(dòng)控制，控制策略如圖9所示。該方法能夠通過測(cè)量少數(shù)狀態(tài)獲取車輛控制所需全部的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的控制。而鑒于實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況的復(fù)雜性，未來的研究將考慮多種因素，以對(duì)控制系統(tǒng)的魯棒性進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠適應(yīng)更多工程情況，如傳感器失靈，觀測(cè)器匹配條件無法滿足時(shí)，如何保證估計(jì)系統(tǒng)的作用；傳感器錯(cuò)誤信息如何識(shí)別排除；執(zhí)行器發(fā)生故障時(shí)的對(duì)策等。未來獨(dú)立輪對(duì)主動(dòng)控制在保證獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向能力的同時(shí)，控制的經(jīng)濟(jì)性與便捷性也將成為相關(guān)領(lǐng)域研究者重點(diǎn)關(guān)注的問題。

圖9 基于觀測(cè)器的主動(dòng)控制策略Fig.9 Active control scheme of wheelset via observers

主動(dòng)控制技術(shù)作為輪對(duì)導(dǎo)向優(yōu)化的一大熱門方向，雖然存在成本高、難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，但相較于被動(dòng)導(dǎo)向技術(shù)，其對(duì)獨(dú)立車輪導(dǎo)向性能的優(yōu)化與可控性更好，能夠適應(yīng)復(fù)雜線路的需求。隨著研究的深入，主動(dòng)控制與機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)的結(jié)合，可能成為未來獨(dú)立車輪導(dǎo)向優(yōu)化的主流方向。

5 總結(jié)與展望

獨(dú)立車輪的導(dǎo)向問題是軌道交通發(fā)展中遇到的一個(gè)技術(shù)難題，人們從輪對(duì)自身、輔助導(dǎo)向和控制導(dǎo)向等多個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了研究。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在導(dǎo)向基礎(chǔ)理論、優(yōu)化機(jī)理等方面取得了豐碩成果，大量工程實(shí)踐也證明了相關(guān)研究的有效性，使獨(dú)立輪的導(dǎo)向性明顯提升。

獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向優(yōu)化研究在發(fā)展迅速的同時(shí)，也漸漸遇到了一些問題。如對(duì)輪對(duì)踏面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中，通過常規(guī)方法(增大接觸角差)已經(jīng)難以提高現(xiàn)有輪對(duì)導(dǎo)向性能；轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)改進(jìn)也面臨著類似問題；主動(dòng)控制技術(shù)面臨空間的限制以及成本問題。對(duì)于這些問題，一方面需要相關(guān)的理論研究，通過其本身的技術(shù)突破來改善現(xiàn)狀，另一方面也需要探索新的獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向優(yōu)化方法。

關(guān)于獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向在未來的研究與應(yīng)用，可以預(yù)見的是：

1)關(guān)于輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)，仍將被人們所關(guān)注，如輪對(duì)踏面的改進(jìn)，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等；

2)現(xiàn)有理論的深入研究以及新理論的發(fā)現(xiàn)，或使得獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向優(yōu)化取得突破性的進(jìn)展；

3)未來獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性和便利性是理論研究與工程應(yīng)用的重點(diǎn)關(guān)注方向；

4)多種獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向優(yōu)化方案的綜合是重點(diǎn)發(fā)展方向之一；

5)獨(dú)立輪對(duì)導(dǎo)向的優(yōu)化與軌道車輛其他功能設(shè)計(jì)的集成優(yōu)化，如結(jié)合牽引控制或穩(wěn)定性控制或?qū)⒊蔀楸绢I(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。