跨座式單軌牽引車自動牽引停車系統研究與分析

趙尋 任光勝

摘要：跨座式單軌列車采用橡膠輪胎，其轉向架的換輪維護須在專用的轉向架分離設備（換輪裝置）上進行。本文研究了一種單軌列車轉向架在換輪作業時的自動牽引定位方法，并用ADAMS與MATLAB進行聯合仿真，對系統進行驗證。

關鍵詞：跨坐式單軌;停車方法;ADAMS/MATLAB聯合仿真

0? 引言

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

現有牽引車的牽引駕駛方式為人工手動駕駛，在牽引過程中，牽引車上的駕駛操作人員無法準確觀察到列車轉向架和換輪裝置沉降梁的相對位置情況，需要其他人員站在沉降梁旁邊觀察轉向架的到位情況，用對講機與牽引車上的操作人員協同完成轉向架的精確定位。該停車方式操作繁瑣，耗費人力，效率低下，尋求一種高效自動的列車牽引停車方法，對提高換輪流程效率、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量超過100t，在制動時需要克服很大的慣性力，因此本系統采用兩級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前一定距離進行預減速，然后牽引車以較低的速度行駛到停車點，然后進行停車動作。

在停車過程中，系統需要對牽引車進行定位。減速傳感器安裝在換輪庫外PC梁上，檢測牽引車車頭位置，該傳感器量程需超過單軌列車車身長度，過大的量程導致其精度和響應速度無法滿足停車精度要求，只能用于發出牽引車減速信號;停車傳感器安裝沉降梁上，檢測待修轉向架到停車點距離，用于發出停車信號。由此設計停車流程，如圖1所示。

停車流程中，首先系統對需要的信息參數進行采集和計算，給出牽引車減速信號和停車信號的相關數據。牽引車開始啟動牽引，在牽引車與列車完成對鉤后，牽引列車入庫[2]。待修轉向架接近沉降梁時，牽引車在系統給出的減速信號控制下開始減速。為防止停車傳感器影響到牽引車的正常行駛，需要待修轉向架的蓋板通過彈出機構的安裝位置后才可彈出停車傳感器，檢測停車距離。與此同時，牽引車持續減速到規定的低速，勻速行駛，當停車傳感器檢測到待修轉向架到達停車點時，停車傳感器收回，發出停車信號，牽引車進行停車操作。

2? 基于Adams與MATLAB的牽引車停車運動仿真

2.1 車體建模

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

將該模型導入Adams/View中，牽引車和列車零件間采用固定約束連接，對PC梁與地面施加固定約束，在穩定輪與PC梁間施加接觸，并對整個模型施加Y軸負方向的重力。

2.2 輪胎與道路建模

由于輪胎物理模型的特殊性與復雜性，一般都將輪胎用一組數學模型來表現，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典的Fiala模型，其具體參數如表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 制動載荷計算

牽引車制動時，其液壓系統中變量泵斜盤撥至中位，泵排量為零，液壓系統鎖死，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時產生的滾動阻力F2。

牽引車自身慣性力和列車對牽引車的作用力的合力在等效平移到牽引車重心時會產生一個力偶，該力偶會引起PC梁對牽引車前輪和后輪的支撐力變化，設支撐力改變部分為？駐P。 牽引車車體結構的前后對稱度很高，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：

假設制動時牽引車輪胎不發生轉動，則牽引車輪胎與地面間的摩擦力：

式中f為滾動阻力系數，該系數與路面類型、行駛速度、輪胎氣壓、構造、材料等相關;

∑G為列車對PC梁所有垂直壓力之和，包括車輛行走輪、導向輪和穩定輪對梁的壓力。設單軌列車的車廂節數為s，每節車廂兩個轉向架，每個轉向架有的導向輪和穩定總數設為y，每個導向輪和輪對PC梁的預壓力設為P3，則∑G的計算公式為：

本次仿真建模的列車采用四節車廂編組，其參數值如表2所示。

將參數帶入上式計算可得：F1=68600N，F2=9933N。在Adams仿真中以轉矩的形式將這兩個力分別施加在牽引車和列車的行走輪上。

2.4 ADAMS與MATLAB聯合仿真

在ADAMS中設計牽引車車輪轉矩為輸入變量，列車實時速度、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中設計控制系統，如圖4所示，統采用3個Switch模塊來判斷牽引車速度是否減速到規定的勻速速度、位移是否達到停車位置及牽引車是否完全停車，根據判斷結果來控制牽引車的輸入轉矩。

由制動力可估算牽引車減速加速度：

代入數據計算可得：a=0.64m/s2;d1=3.78m;t=3.47s;v2max=0.16m/s。

由上估算結果可將將停車點位置設置在牽引車前4.5m處，牽引車停車勻速速度v2=0.1m/s，仿真時間設為6s。

2.5 仿真結果

對牽引車施加一個短暫的沖擊載荷，使其達到最大牽引速度8km/h，設置仿真時間為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。

由仿真結果可知，其速度曲線與預想中的相符，在位移曲線測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，滿足停車精度要求，即該系統可完成牽引車的精確停車。

3? 結論

本文設計的自動停車系統可實現牽引車自動停車，相比于原有的手動駕駛的停車方式節省人力成本。本文對自動停車系統進行了總體設計，并使用ADAMS/MATLAB聯合仿真驗證系統可行性，為該系統的實現與應用提供理論指導，具有重要的現實意義。

參考文獻：

[1]漆偉.重慶跨座式單軌列車維護與創新淺談[J].高速鐵路與軌道交通，2016：87-94.

[2]譚洪.單軌轉向架換輪關鍵技術研究及流程再造[D].重慶大學，2018.

[3]左長永.基于MD ADAMS的跨座式單軌車輛動力學性能研究[D].重慶交通大學，2013.

[4]陳軍.MSC.ADAMS技術與工程實例分析[M].中國水利水電出版社，2008.

[5]胡用生.現代軌道車輛動力學[M].北京：中國鐵道出版社， 2009.

[6]徐步算.基于AMEsim/Simulin跨坐式單軌牽引車驅動系統的研究與設計[D].重慶大學，2012.

[7]杜子學，張俊峰.跨座式單軌車輛運行阻力研究[J].大連交通大學學報，2009，30（03）：1-7.

[8]韋正超.基于Adams和Matlab的發射設備隨動系統虛擬樣機建模與聯合仿真[J].現代機械，2019：66-69.