輪對主動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 技術中心，山東 青島 266031)

輪對主動徑向系統根據主動徑向原理[1]，通過對軌道車輛轉向架軸箱定位結構進行重新設計，以解決軌道車輛轉向架的曲線通過性能與直線運行橫向穩定性的矛盾問題，有效降低輪軌動態作用力，減小輪軌磨耗，提高車輛在既有線路和高速線路跨線運營能力，從而提高軌道車輛的利用率及軌道交通運營效率[2-3]。

本文根據主動輪對連接機構的工作原理和控制策略，通過對線路狀態探測單元、計算控制單元和徑向動作執行單元進行建模與仿真，得到了輪對徑向機構在曲線通過時的動作位移曲線。基于主動徑向控制參數，通過車輛動力學仿真，對車輛曲線通過時的輪軌橫向力、輪對沖角、磨耗指數和輪對前進速度進行分析。

1 輪對主動徑向連接機構及控制系統簡介

輪對主動徑向連接機構的轉向架是在原有轉向架結構基礎上，根據主動徑向原理，在構架和輪對軸箱之間設置徑向驅動裝置[4]。車輛直線運行時，各驅動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，通過徑向驅動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為輪對主動徑向位置示意圖。

轉向架的輪對主動徑向控制系統由線路狀態探測單元、計算控制單元和徑向動作執行單元組成，具備軌道曲線狀態感知和徑向驅動控制能力，如圖2所示。

安裝在車輛兩端頭車的線路狀態探測單元收集車輛姿態信息，計算控制單元根據車輛姿態信息進行主動徑向作動器參數計算，并將計算結果作為指令發送給液壓伺服控制器，徑向執行單元中的液壓伺服控制器根據目標指令實現各徑向作動器的位移閉環控制。

2 主動徑向控制及車輛動力學仿真分析

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、角加速度等參數來仿真線路狀態探測單元采集的數據；通過Simulink軟件仿真計算控制單元的控制算法，對獲得的數據進行解算，求出線路曲率及徑向作動器的動作位移；利用AMESim軟件建立徑向執行機構仿真模型，將各徑向作動器的理論動作位移作為命令輸入，得到作動器的實際動作位移；將作動器實際動作位移導入車輛系統動力學模型進行仿真，分析車輛通過曲線時的動力學特性。

2.1 線路狀態探測單元仿真

本文建立了頭車的車輛動力學仿真模型，如圖3所示，車輛動力學仿真參數如表1所示。仿真計算車輛經過曲線時的車輛姿態及狀態數據主要包括車體的角速度和角加速度。線路狀態探測單元安裝在頭車上。為了模擬真實的車輛運行狀況下傳感器采集的數據，本文對車輛施加了軌道激勵，軌道激勵采用美國五級譜。

表1 車輛動力學仿真參數

圖4為仿真得到的車輛通過曲線時的角速度、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律，直線階段車輛角速度在零值附近波動，圓曲線階段車輛角速度在常值附近波動。在直線和圓曲線階段，車輛角加速度在零值附近波動，在緩和曲線階段角加速度有較大的變化。由于存在軌道激勵導致的車輛振動，車輛角速度曲線和角加速度曲線存在較多的高頻成分，需要進行濾波處理。

2.2 計算控制單元仿真

圖5、圖6分別為計算控制單元仿真模型邏輯圖及原理圖。計算控制單元接收線路狀態探測單元中傳感器采集的角速度和角加速度信號，進行低通濾波處理后根據車輛參數計算所在線路的曲率，通過閾值監測模塊進行線路狀態自主判斷，過濾軌道激勵導致車輛搖頭產生的角速度，留下車輛進入曲線產生的角速度，根據角速度和角加速度的值進行作動器動作位移計算。

線路曲率的計算方法如式(1)所示，作動器動作位移的計算方法如式(2)所示：

(1)

x=ab/4R

(2)

式中：k——線路曲率；

φ′——車體偏轉角速度；

φ″——車體偏轉角加速度；

d——車輛定距；

v——車速；

x——作動器動作位移；

a——作動器橫向跨距；

b——轉向架軸距；

R——線路曲線半徑。

圖7為線路曲率計算值和作動器位移計算值。從圖7中可以看出，線路曲率計算值基本符合線路曲率理論值。在直線進入緩和曲線、圓曲線進入緩和曲線的過程中，曲率計算值會產生少許滯后；在緩和曲線進入圓曲線、緩和曲線進入直線的過程中，曲率計算值會產生少許超調。由于閾值監測模塊的存在，作動器在進出緩和曲線初期階段會過濾軌道激勵導致的車輛搖頭產生的影響，避免誤動作影響運營安全。

2.3 徑向動作執行單元仿真

徑向動作執行單元是由液壓控制器、液壓泵站單元和徑向作動器構成的伺服液壓控制系統。在多領域系統仿真軟件AMESim上建立徑向執行單元仿真模型，如圖8和圖9所示。徑向執行單元接收由計算控制單元模型輸出的作動器動作位移計算值，通過PID控制器，三位四通電磁閥控制油路通斷，經過單向閥和減壓閥等液壓回路，推動液壓作動器動作。液壓作動器內部的位移傳感器將測得的作動器實際位移響應反饋給PID控制器，實現閉環控制。

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

2.4 車輛動力學仿真

將作動器實際動作位移導入車輛系統動力學模型進行仿真，分析輪對主動徑向控制對車輛通過曲線時動力學性能的影響。

仿真工況分為3種:工況1為未安裝徑向系統的轉向架；工況2為導向輪對徑向作動器動作位移和非導向輪對徑向作動器動作位移均按照圖6的控制策略進行動作，即徑向狀態1；工況3為導向輪對徑向作動器動作位移按照圖6控制策略進行動作，非導向輪對徑向作動器動作位移按照圖6控制策略的1/2位移值進行動作，即徑向狀態2。仿真車輛以70 km/h通過R300 m曲線，計算車輛的輪軌橫向力、輪對沖角、磨耗指數及輪對前進速度，仿真計算結果如圖12～圖17所示。

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

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

車輛通過曲線時，與輪軌磨耗有關的因素主要有輪對沖角、輪軌橫向力、蠕滑力等。在此基礎上，各國學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點，能夠在一定程度上反映磨耗的影響因素和規律。本文采用愛因斯磨耗指數評定法。愛因斯磨耗指數[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——輪軌接觸點處縱向蠕滑力；

Ty——輪軌接觸點處橫向蠕滑力；

νx——輪軌接觸點處縱向蠕滑率；

νy——輪軌接觸點處橫向蠕滑率。

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

對于導向輪對和非導向輪對，從磨耗指數和輪對前進速度都可以看出非徑向狀態<徑向狀態1<徑向狀態2，說明徑向狀態能夠明顯降低輪軌磨耗，相對于徑向狀態1，徑向狀態2能夠進一步降低輪軌磨耗。

3 總結

本文基于軌道車輛自適應轉向架，構建了輪對主動徑向控制的系統組成和架構，通過對線路狀態探測單元、計算控制單元和徑向動作執行單元的仿真，得到了輪對主動徑向連接機構的動作位移曲線。利用車輛曲線通過的動力學仿真，對輪軌橫向力、輪對沖角、磨耗指數和輪對前進速度進行了分析。結果表明，輪對主動徑向控制策略可行，輪對主動徑向可以明顯改善輪軌磨耗。同時，適當調整非導向輪對徑向作動器動作位移可以進一步改善車輛的輪軌磨耗。