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智轨电车动力学性能研究

2020-04-08 17:04
CAE仿真
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智轨列车介绍人工智能技术轨道快运系统简称智轨列车,是全新一代的交通工具,设计最高时速为70公里,但因为不依赖钢轨行驶,一条运行线的建设周期仅需一年,能快速投入使用。另外,智轨列车还具有轻轨、地铁等轨道列车的零排放、无污染的特性,并支持多种供电方式。由于采用高铁柔性编组的模式,智轨列车还能根据客流变化调节运力,比如采用标准的3节编组时,列车可载客超过300人,5节编组时可载客超过500人,能有效解决普通公交车载客量小的缺陷,大大提高运力。智轨列车看似无轨,实则有“轨”,原因是采用了中车株洲所的创新团队自主研发了的“虚拟轨道跟随控制”技术。简单来说,它通过车载各类传感器识别路面虚拟轨道线路,将运行信息传送至列车“大脑”(中央控制单元),根据“大脑”的指令,在保证列车实现牵引、制动、转向等正常动作的同时,能够精准控制列车行驶在既定“虚拟轨迹”上,实现人工智能技术运行。智轨列车长达30多米,是马路上的“巨无霸”,但它却是一个灵活的“胖子”。奥秘在于列车采用了多轴转向系统等设计方式,人工智能技术对虚拟轨迹进行跟踪控制。使整台列车转弯半径与普通公交车相当,且比普通公交车辆的通道宽度更小,这就解决了超长车身带来的转弯难题。同时,智轨列车采用类似高铁的双车头设计,省却了掉头的麻烦。通过观看下面的视频,可以快速了解智轨列车的特点。当前投入商业运行的智轨电车拥有“ 两动一拖”三编组结构,最大载客超过300 人,各节编组之间采用铰接装置实现编组车辆之间的连接。智轨电车具备公交系统驾驶灵活、低建设和运维成本的优点,其结构复杂,车辆架构与双铰接车辆的相近,整车长度远超过普通汽车的,因此行驶过程中整车的动力学表现是影响车辆稳定性和安全性的关键因素之一,也是研究的重点。

中车株洲电力机车研究所有限公司钟汉文等工程师基于车辆动力学理论,使用Simpack软件对3编组智轨电车从2个方面开展车辆动力学建模仿真研究:通过搭建数学模型,开展控制系统的仿真研究,为中央虚拟轨迹线循迹控制器、自动跟随转向控制器的设计和优化提供数据支持;通过搭建整车精细化模型,开展控制系统仿真研究,为整车动力学性能评价与改进提供指导。

虚拟样机模型及验证车辆虚拟样机模型是研究车辆特性的基础,建立能准确反映车辆动力学特征的模型是智轨电车动力学性能研究的重点。整车虚拟样机模型其实质是利用车辆的数学模型来描述外界对车辆的输入、车辆系统以及车辆系统对外界的输出三者之间的关系。该模型既要保证对运动系统描述的准确性,又要将对研究目标影响不大的因素进行简化,以提高运算速度。为了保证模型的准确性,考虑到车辆受相对运动部件的影响,采用Simpack 软件搭建虚拟样机模型。梳理整车各系统间的拓扑关系,具体如图6 所示。根据拓扑关系,整理三维设计模型、装配图纸及弹性参数测试报告,获取相应的质量惯量、布置位置及弹簧阻尼等参数,从而建立智轨电车的车辆动力学模型(图7)。该模型共涉及159 个相对运动部件及440 个自由度。

为了验证所建立的部件级动力学模型在弯道工况下的精准性,设计了一个直角转弯工况进行模型验证。选择一个直角转弯路线,采集车辆在直线行驶—转弯行驶—直线行驶整个过程中的速度信号、第一轴转向角信号及前后两个铰接盘转向角信号。其中,速度和第一轴角度作为动力学模型验证的输入,通过Matlab 和Simpack 的联合仿真,实现试验工况运行;2 个铰接盘转向角作为仿真测试的对标指标,来验证模型的准确性。试验过程中,以Mc1 为驾驶端,相应的采集数据也按Mc1 为第一车排序。下图为铰接盘的仿真和测试数据对比。由图可见,在仿真和试验过程中,车辆的铰接盘转向角在变化趋势和变化幅值方面都非常吻合。由此可知,所建立的智轨电车部件级动力学模型能够较真实地反映车辆的运动学特征。

工况仿真

智轨电车整车长度约为32 m,其在弯道行驶的动力学性能会直接影响整车的行驶稳定性和安全性。因此,依据ISO14791-2000 标准要求,对智轨电车进行从稳态直线到稳态圆周的行驶工况设计,不仅考虑了稳态工况下车辆的动力学性能,同时也考虑了由稳态到瞬态变化过程中的动力学性能变化。考虑到车辆的侧向加速度小于0.4gn(gn=9.806 65 m/s2),车辆动力学响应还处于线性阶段,为了更好地展示智轨电车动力学性能,设定其以8 m/s 的速度直线稳定行驶50 m,通过第一轴转向控制进入半径为30 m 的圆周,转向稳定后保持稳态圆周运动,其运行轨迹设计如下图所示。

在稳态圆周运动过程中,车辆质心侧偏角变化非常小,设定车辆的瞬时转动半径与道路曲率保持一致,以便于对车辆动态响应的研究。对于第一轴转向角控制,采用PID 控制方法。基于第一轴转向角控制算法,结合自动循迹转向控制算法,通过Matlab 编程得到转向控制程序。在程序中,输入信号为转弯半径以及车辆动力学模型的速度、位移、角度等信号,输出为车辆动力学模型中的各轴转向角,通过Matlab 和Simpack 的联合仿真,研究各节车辆的横摆角速度和侧向加速度变化,评价在该工况下智轨电车的动力学性能。下图为智轨电车在稳态圆周工况下的各节车辆的横摆角速度、侧向加速度变化曲线。由图可以看出,从直线稳态到圆周稳态过程中,2 个指标的变化趋势比较一致,均为Mc1 车数值变化最大、Tp 次之、Mc2 最小。

在铰接车辆中,后部放大系数是一种侧向加速度放大率的量化指标,利用首末节车质心处的侧向加速度的比值来研究铰接车辆的侧向动力学特征(该数值通常大于1),其表达式如下:

式中:ayk——车辆运行过程中,第k 节车侧向加速度;A——后部放大系数。

通过仿真数据曲线,可以得到智轨电车在稳态圆周工况下A=0.94;仿真曲线没有呈现侧向加速度放大的趋势,表明智轨电车的动力学性能要优于传统铰接车辆的。

总结

针对胶轮承载、多编组、虚拟轨道运行的智轨电车,本文开展整车动力学性能研究。首先搭建了智轨电车整车数学模型,仿真测试结果表明,所建立的数学模型在动力学性能变化趋势上仿真值和实测数据吻合度较好;然后通过搭建细化的Simpack 整车模型,开展了工况研究,利用后部放大系数进行动力学性能评价,结果显示智轨电车的动力学性能要优于传统铰接车辆的。文中所提方法不仅为后续整车性能的优化提供评判依据,也可为智轨电车后续的牵引、制动、转向协同控制算法的研究提供准确的仿真数据。

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