輪對主動(dòng)徑向控制與仿真研究

周宇航，高常君，胡 波，郝保磊，馬 飛

(中車青島四方車輛研究所有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266031)

輪對主動(dòng)徑向系統(tǒng)根據(jù)主動(dòng)徑向原理[1]，通過對軌道車輛轉(zhuǎn)向架軸箱定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以解決軌道車輛轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能與直線運(yùn)行橫向穩(wěn)定性的矛盾問題，有效降低輪軌動(dòng)態(tài)作用力，減小輪軌磨耗，提高車輛在既有線路和高速線路跨線運(yùn)營能力，從而提高軌道車輛的利用率及軌道交通運(yùn)營效率[2-3]。

本文根據(jù)主動(dòng)輪對連接機(jī)構(gòu)的工作原理和控制策略，通過對線路狀態(tài)探測單元、計(jì)算控制單元和徑向動(dòng)作執(zhí)行單元進(jìn)行建模與仿真，得到了輪對徑向機(jī)構(gòu)在曲線通過時(shí)的動(dòng)作位移曲線。基于主動(dòng)徑向控制參數(shù)，通過車輛動(dòng)力學(xué)仿真，對車輛曲線通過時(shí)的輪軌橫向力、輪對沖角、磨耗指數(shù)和輪對前進(jìn)速度進(jìn)行分析。

1 輪對主動(dòng)徑向連接機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)簡介

輪對主動(dòng)徑向連接機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架是在原有轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)主動(dòng)徑向原理，在構(gòu)架和輪對軸箱之間設(shè)置徑向驅(qū)動(dòng)裝置[4]。車輛直線運(yùn)行時(shí)，各驅(qū)動(dòng)裝置鎖定在固定位置上，保證輪對軸線平行且具備足夠的定位剛度；車輛通過曲線時(shí)，通過徑向驅(qū)動(dòng)裝置使輪對軸線趨于軌道曲線的徑向位置，使輪對沖角趨近于零，從而減小輪軌橫向作用力，降低輪軌磨耗[5]。圖1為輪對主動(dòng)徑向位置示意圖。

轉(zhuǎn)向架的輪對主動(dòng)徑向控制系統(tǒng)由線路狀態(tài)探測單元、計(jì)算控制單元和徑向動(dòng)作執(zhí)行單元組成，具備軌道曲線狀態(tài)感知和徑向驅(qū)動(dòng)控制能力，如圖2所示。

安裝在車輛兩端頭車的線路狀態(tài)探測單元收集車輛姿態(tài)信息，計(jì)算控制單元根據(jù)車輛姿態(tài)信息進(jìn)行主動(dòng)徑向作動(dòng)器參數(shù)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果作為指令發(fā)送給液壓伺服控制器，徑向執(zhí)行單元中的液壓伺服控制器根據(jù)目標(biāo)指令實(shí)現(xiàn)各徑向作動(dòng)器的位移閉環(huán)控制。

2 主動(dòng)徑向控制及車輛動(dòng)力學(xué)仿真分析

利用SIMPACK軟件建立車輛以70 km/h通過R300 m曲線的仿真分析模型，得出此過程中車輛角速度、角加速度等參數(shù)來仿真線路狀態(tài)探測單元采集的數(shù)據(jù)；通過Simulink軟件仿真計(jì)算控制單元的控制算法，對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，求出線路曲率及徑向作動(dòng)器的動(dòng)作位移；利用AMESim軟件建立徑向執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型，將各徑向作動(dòng)器的理論動(dòng)作位移作為命令輸入，得到作動(dòng)器的實(shí)際動(dòng)作位移；將作動(dòng)器實(shí)際動(dòng)作位移導(dǎo)入車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真，分析車輛通過曲線時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性。

2.1 線路狀態(tài)探測單元仿真

本文建立了頭車的車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖3所示，車輛動(dòng)力學(xué)仿真參數(shù)如表1所示。仿真計(jì)算車輛經(jīng)過曲線時(shí)的車輛姿態(tài)及狀態(tài)數(shù)據(jù)主要包括車體的角速度和角加速度。線路狀態(tài)探測單元安裝在頭車上。為了模擬真實(shí)的車輛運(yùn)行狀況下傳感器采集的數(shù)據(jù)，本文對車輛施加了軌道激勵(lì)，軌道激勵(lì)采用美國五級譜。

表1 車輛動(dòng)力學(xué)仿真參數(shù)

圖4為仿真得到的車輛通過曲線時(shí)的角速度、角加速度曲線。從圖4中可以看出，車輛角速度曲線趨勢基本符合線路曲率變化規(guī)律，直線階段車輛角速度在零值附近波動(dòng)，圓曲線階段車輛角速度在常值附近波動(dòng)。在直線和圓曲線階段，車輛角加速度在零值附近波動(dòng)，在緩和曲線階段角加速度有較大的變化。由于存在軌道激勵(lì)導(dǎo)致的車輛振動(dòng)，車輛角速度曲線和角加速度曲線存在較多的高頻成分，需要進(jìn)行濾波處理。

2.2 計(jì)算控制單元仿真

圖5、圖6分別為計(jì)算控制單元仿真模型邏輯圖及原理圖。計(jì)算控制單元接收線路狀態(tài)探測單元中傳感器采集的角速度和角加速度信號，進(jìn)行低通濾波處理后根據(jù)車輛參數(shù)計(jì)算所在線路的曲率，通過閾值監(jiān)測模塊進(jìn)行線路狀態(tài)自主判斷，過濾軌道激勵(lì)導(dǎo)致車輛搖頭產(chǎn)生的角速度，留下車輛進(jìn)入曲線產(chǎn)生的角速度，根據(jù)角速度和角加速度的值進(jìn)行作動(dòng)器動(dòng)作位移計(jì)算。

線路曲率的計(jì)算方法如式(1)所示，作動(dòng)器動(dòng)作位移的計(jì)算方法如式(2)所示：

(1)

x=ab/4R

(2)

式中：k——線路曲率；

φ′——車體偏轉(zhuǎn)角速度；

φ″——車體偏轉(zhuǎn)角加速度；

d——車輛定距；

v——車速；

x——作動(dòng)器動(dòng)作位移；

a——作動(dòng)器橫向跨距；

b——轉(zhuǎn)向架軸距；

R——線路曲線半徑。

圖7為線路曲率計(jì)算值和作動(dòng)器位移計(jì)算值。從圖7中可以看出，線路曲率計(jì)算值基本符合線路曲率理論值。在直線進(jìn)入緩和曲線、圓曲線進(jìn)入緩和曲線的過程中，曲率計(jì)算值會(huì)產(chǎn)生少許滯后；在緩和曲線進(jìn)入圓曲線、緩和曲線進(jìn)入直線的過程中，曲率計(jì)算值會(huì)產(chǎn)生少許超調(diào)。由于閾值監(jiān)測模塊的存在，作動(dòng)器在進(jìn)出緩和曲線初期階段會(huì)過濾軌道激勵(lì)導(dǎo)致的車輛搖頭產(chǎn)生的影響，避免誤動(dòng)作影響運(yùn)營安全。

2.3 徑向動(dòng)作執(zhí)行單元仿真

徑向動(dòng)作執(zhí)行單元是由液壓控制器、液壓泵站單元和徑向作動(dòng)器構(gòu)成的伺服液壓控制系統(tǒng)。在多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真軟件AMESim上建立徑向執(zhí)行單元仿真模型，如圖8和圖9所示。徑向執(zhí)行單元接收由計(jì)算控制單元模型輸出的作動(dòng)器動(dòng)作位移計(jì)算值，通過PID控制器，三位四通電磁閥控制油路通斷，經(jīng)過單向閥和減壓閥等液壓回路，推動(dòng)液壓作動(dòng)器動(dòng)作。液壓作動(dòng)器內(nèi)部的位移傳感器將測得的作動(dòng)器實(shí)際位移響應(yīng)反饋給PID控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖10為徑向作動(dòng)器正向理論位移和實(shí)際位移的對比及作動(dòng)器負(fù)向理論位移和實(shí)際位移的對比，圖11為其局部放大圖。由圖11可以看出，只有在初始動(dòng)作指令和最終動(dòng)作指令的部分，液壓系統(tǒng)產(chǎn)生少許的滯后，其余過程跟隨性良好。

2.4 車輛動(dòng)力學(xué)仿真

將作動(dòng)器實(shí)際動(dòng)作位移導(dǎo)入車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真，分析輪對主動(dòng)徑向控制對車輛通過曲線時(shí)動(dòng)力學(xué)性能的影響。

仿真工況分為3種:工況1為未安裝徑向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架；工況2為導(dǎo)向輪對徑向作動(dòng)器動(dòng)作位移和非導(dǎo)向輪對徑向作動(dòng)器動(dòng)作位移均按照圖6的控制策略進(jìn)行動(dòng)作，即徑向狀態(tài)1；工況3為導(dǎo)向輪對徑向作動(dòng)器動(dòng)作位移按照圖6控制策略進(jìn)行動(dòng)作，非導(dǎo)向輪對徑向作動(dòng)器動(dòng)作位移按照圖6控制策略的1/2位移值進(jìn)行動(dòng)作，即徑向狀態(tài)2。仿真車輛以70 km/h通過R300 m曲線，計(jì)算車輛的輪軌橫向力、輪對沖角、磨耗指數(shù)及輪對前進(jìn)速度，仿真計(jì)算結(jié)果如圖12～圖17所示。

圖12、圖13為導(dǎo)向輪對輪軌橫向力和非導(dǎo)向輪對輪軌橫向力的仿真結(jié)果。從圖12中可以看出，對于導(dǎo)向輪對，徑向狀態(tài)輪軌橫向力比非徑向狀態(tài)輪軌橫向力有大幅減小，徑向狀態(tài)2比徑向狀態(tài)1的輪軌橫向力也有一定程度的減小。從圖13中可以看出，對于非導(dǎo)向輪對，徑向狀態(tài)和非徑向狀態(tài)的效果并不是十分明顯。

圖14為導(dǎo)向輪對沖角和非導(dǎo)向輪對沖角仿真結(jié)果。從圖14比較各種狀態(tài)導(dǎo)向輪對沖角可知，非徑向狀態(tài)<徑向狀態(tài)1<徑向狀態(tài)2，說明徑向狀態(tài)能夠明顯改善輪對沖角，徑向狀態(tài)2相對于徑向狀態(tài)1效果更加明顯。對于非導(dǎo)向輪對，輪對沖角在±0.01°之間，可以認(rèn)為非導(dǎo)向輪對基本處于徑向位置，非導(dǎo)向輪對對車輛通過曲線時(shí)的輪軌磨耗影響較小，導(dǎo)向輪對對車輛通過曲線時(shí)的輪軌磨耗起主要作用。

車輛通過曲線時(shí)，與輪軌磨耗有關(guān)的因素主要有輪對沖角、輪軌橫向力、蠕滑力等。在此基礎(chǔ)上，各國學(xué)者提出了幾種不同的輪軌磨耗評定方法，它們采用不同的出發(fā)點(diǎn)，能夠在一定程度上反映磨耗的影響因素和規(guī)律。本文采用愛因斯磨耗指數(shù)評定法。愛因斯磨耗指數(shù)[6]是一種典型的磨耗評定方法，可以表示為：

W=|Txνx|+|Tyνy|

(3)

式中：Tx——輪軌接觸點(diǎn)處縱向蠕滑力；

Ty——輪軌接觸點(diǎn)處橫向蠕滑力；

νx——輪軌接觸點(diǎn)處縱向蠕滑率；

νy——輪軌接觸點(diǎn)處橫向蠕滑率。

圖15、圖16為導(dǎo)向輪對磨耗指數(shù)、非導(dǎo)向輪對磨耗指數(shù)仿真結(jié)果，磨耗指數(shù)越小，輪軌間磨耗越小。從圖15、圖16中可以看出，導(dǎo)向輪對的磨耗指數(shù)明顯大于非導(dǎo)向輪對磨耗指數(shù)。圖17為導(dǎo)向輪對前進(jìn)速度和非導(dǎo)向輪對前進(jìn)速度仿真結(jié)果。輪對前進(jìn)速度曲線顯示了車輛通過曲線時(shí)的能量耗散情況，可以較好地觀察輪軌間磨耗，輪對前進(jìn)速度損失量越小，輪軌間磨耗越小。

對于導(dǎo)向輪對和非導(dǎo)向輪對，從磨耗指數(shù)和輪對前進(jìn)速度都可以看出非徑向狀態(tài)<徑向狀態(tài)1<徑向狀態(tài)2，說明徑向狀態(tài)能夠明顯降低輪軌磨耗，相對于徑向狀態(tài)1，徑向狀態(tài)2能夠進(jìn)一步降低輪軌磨耗。

3 總結(jié)

本文基于軌道車輛自適應(yīng)轉(zhuǎn)向架，構(gòu)建了輪對主動(dòng)徑向控制的系統(tǒng)組成和架構(gòu)，通過對線路狀態(tài)探測單元、計(jì)算控制單元和徑向動(dòng)作執(zhí)行單元的仿真，得到了輪對主動(dòng)徑向連接機(jī)構(gòu)的動(dòng)作位移曲線。利用車輛曲線通過的動(dòng)力學(xué)仿真，對輪軌橫向力、輪對沖角、磨耗指數(shù)和輪對前進(jìn)速度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，輪對主動(dòng)徑向控制策略可行，輪對主動(dòng)徑向可以明顯改善輪軌磨耗。同時(shí)，適當(dāng)調(diào)整非導(dǎo)向輪對徑向作動(dòng)器動(dòng)作位移可以進(jìn)一步改善車輛的輪軌磨耗。