虛擬軌道自導型運輸系統的懸浮跨接走行車輛架構

李辰生 張蕊姣 陳經緯

(1.中車唐山機車車輛有限公司，063035，唐山；2.河北省軌道車輛轉向架技術創新中心，063035，唐山∥第一作者，工程師)

城市公共交通系統作為城市交通運輸的中堅力量，對于緩解城市交通擁堵，提高城市道路整體運輸能力發揮著重要作用。以BRT(快速公交)系統為主的較高運量道路公共交通系統，相比于傳統公交車更加高效便捷，而且部分車型已具備自導向能力，如荷蘭VDL集團開發的Phileas導向巴士[1]和法國魯昂市的TEOR系統[2]。近年來，有軌電車無軌化設計也成為一個熱門的研究方向。在保留基本的有軌電車車輛配置前提下，將鋼輪轉向架式走行部替換為橡膠車輪懸架式走行部。與此同時，取消傳統的鋼軌，改之為可被電子識別的虛擬軌道(如磁釘、導航帶等)。目前，典型的虛擬軌道列車系統為中國中車株洲電力機車研究所有限公司研制的智能軌道快運系統(ART)。ART的導向系統采用機器視覺技術對路面的白色虛擬軌道線進行圖像識別，通過虛擬軌道跟隨技術實現自主導向。列車最多可容納300多名乘客，可以達到中等運量水平[3-4]。

1 懸浮跨接走行車輛特點分析

本文介紹的懸浮跨接走行車輛是一種新型虛擬軌道自導型運輸系統車輛，適應性較高。其主要特點為：容易實現100%低地板客室，車輛編組靈活，運動解耦，鉸接受力合理和循跡控制方案靈活多樣，能夠適應多種的驅動方式和循跡方式，技術發展潛力大。

1)客室100%低地板：懸浮跨接走行架構方案借鑒了Translohr有軌電車的架構方案，可實現100%低地板客室[5]。Translohr有軌電車入門高度為220 mm，是目前國內入門高度最低的有軌電車；貫通道高度為400 mm，貫通道設置了10%的坡道，客室內沒有臺階。由于走行部設置在車體之間，Translohr有軌電車的客室平整，便于車內座椅布置，客室顯得完整、美觀[8]。另外，采用懸浮跨接走行架構方案的車體結構可以保持相對的獨立性，走行部的結構變動、驅動方式的改變及循跡控制方式的改變都不會對車體結構產生較大改動的需求，方便車體的設計和制造。

2)編組靈活：跨接走行架構方案采用了模塊化編組形式，車體結構有端車車體和中間車車體兩種形式，走行部結構有端部走行部和跨接走行部兩種。借鑒Tranlohr的車體結構，可將端車分為客室和司機室兩部分，其中端車的客室結構與中間車體的結構類似，這樣做簡化了車體結構設計和制造。端部走行部可借鑒技術成熟的重載汽車轉向驅動橋結構。中間跨接走行部可借鑒Translohr有軌電車中間走行部結構，并可根據循跡控制策略的需要進行結構改進。因此，車輛的整體技術比較成熟。懸浮跨接走行架構方案具有編組靈活的特點，可根據需要靈活地調整編組形式。當采用集中動力(動力集中于端部走行部)時，宜采用3模塊或4模塊編組；當采用分布動力時，可采用3～6模塊編組。另外，由于車輛結構對稱，適應于雙向運行，循跡控制的策略在上、下行兩個方向上保持一致，從而簡化了循跡控制策略。

3)運動解耦：懸浮跨接走行架構方案的最大特點是車體循跡運動的自由度數與走行部數目相同，實現了循跡運動的機械解耦。運動解耦的優點是：

(1)循跡運動可采用解耦控制，降低了循跡控制的實現難度。解耦控制的優點是，每個走行部的循跡運動不會影響其他走行部的運動，這樣每個走行部的循跡控制能夠只設置一個獨立的、局部的控制器即可，不需要設置一個車輛級的整車控制器；每個走行部的循跡控制器只需要本走行部的位置信息和前車的運動軌跡等局部信息，不需要關注整個車輛的所有相關信息；每個走行部只需要控制自身的運動姿態，不需要協調其他走行部，這樣大大簡化了循跡控制的實現難度。

(2)鉸接裝置受力合理。由于各個走行部的運動是解耦的，不會產生運動干涉問題，因此鉸接裝置不會因為控制競態產生附加的內力。

4)循跡控制方案靈活多樣：運動解耦的懸浮跨接走行架構方案的另一個優點是可實現靈活多樣的循跡控制方案。可參考的循跡控制方法有：

(1)轉向循跡控制：幾何學方法——如基于角傳動比的幾何循跡方法、純追蹤算法和Stanly方法等[7]；運動學方法——如模型預測控制(MPC)方法等[8]；運動學與動力學方法——如低速-PID控制方法，中高速-LQR控制方法等[9]。

(2)轉差循跡控制：如采用非時間參考的運動學循跡控制策略[10]、采用Lyapunov直接法的動力學循跡控制策略等[11]。

2 懸浮跨接走行車輛架構及關鍵部件

如圖1所示，列車采用模塊化編組形式，便于根據需要實現不同形式的編組聯掛。整車包括端部帶有司機室的車體模塊(DM)、客室車體模塊(TM)和車間連接模塊(CM)。CM是客室之間的貫通道，可有效降低車體地板面高度，提高曲線通過性能，便于模塊化編組。相鄰客室通過懸架走行部和車間連接模塊CM實現機械連接，因此被稱之為懸浮跨接走行模式。端部轉向系統為拖車轉向架，懸架走行部為動車轉向架，采用分布式獨立驅動技術。

圖1 懸浮跨接走行模式虛擬軌道列車編組型式

車體材料為低成本碳鋼，采用框架式蒙皮結構，根據GB 17578—2013《客車上部結構強度要求及試驗方法》進行強度校核分析，在強化結構的同時降低車體質量。車體框架設計如圖2所示。

圖2 車體框架設計

列車采用創新設計的門式懸架跨接走行機構，如圖3所示。該機構主要由門式轉向橋骨架、空氣彈簧、垂向減振器、中擺臂、下擺臂、垂向桿、抗側滾扭桿、制動裝置、輪轂架、輪轂電機和車輪構成。采用輪轂電機直接驅動和單側雙車輪設計，提高了列車的運載能力。采用膠輪走行制式，其門架式轉向橋骨架起到連接相鄰車體模塊的作用，并將車體載荷通過二系彈簧傳遞至走行部。

圖3 門式懸架跨接走行機構(動車轉向架)

列車采用創新設計的虛擬軌道轉向機構作為端部拖車轉向架，如圖4所示。該機構主要由軸橋、轉向臂、轉向拉桿、擺臂、上拉桿、下拉桿、空氣彈簧、垂向減振器、輪轂架和車輪等構成，同時設有轉向系，用于司機對車輛轉向進行操控。轉向系主要由方向盤、轉向軸、轉向管柱、轉向機和智能電液轉向系統等構成。轉向極限位置的轉向器搖臂最大擺角約為±47°。

圖4 端部拖車走行部

在編組過程中，TM與門架式轉向橋骨架通過上鉸(自由鉸和彈性鉸)和下鉸(固定鉸)連接。端部車體前端安裝有低地板車鉤，用于救援工況下的牽引和推送。鉸接裝置如圖5所示。除此之外，TM與門架式轉向橋骨架之間還設有車端轉角液壓控制裝置。這種帶轉角控制功能的油壓減振系統滿足轉彎時車廂之間的緩沖、轉向所需的作用力需求，滿足車輛位置偏差后位置調整的輔助功能要求。該轉角位置由車輛控制器確定。安裝長度為625 mm，行程約為±130 mm。

圖5 鉸接裝置

列車采用輪轂電機驅動，可減少能量消耗，簡化驅動結構，提高傳動效率。采用分布式動力方案可以提高列車的坡道牽引能力和電機故障工況下的容錯性，采用轉差循跡方案可以有效簡化轉向機構。輪轂電機驅動結構如圖6所示。

圖6 輪轂電機驅動結構

跨接走行虛擬軌道列車可實現雙向駕駛、雙側開門，車身采用鉸接式連接，具備現代有軌電車的典型特征。車輛總體技術參數如表1所示。

表1 車輛總體技術參數

3 循跡充分性

3.1 力學解釋

當列車車體運動自由度數等于循跡控制輸入時，列車將處于充分循跡狀態，此時各車體模塊處于靜定受力狀態，達到平衡狀態的控制力輸入有唯一解，因此可以實現各個自由度的完全循跡。

圖7分析了列車橫向運動自由度和控制輸入的匹配性，其中F1和F2為端部走行部的循跡控制輸入(等效側向力)，T1—T3為跨接走行部的循跡控制輸入(等效橫擺力矩)。由圖7可見，采用轉差循跡方案時，其等效的導向控制力個數(5個)等于車體循跡運動自由度數(5個)，此時各車體模塊處于靜定受力狀態，達到平衡狀態的控制力輸入有唯一解。因此，這種架構方案為充分循跡方案。通過設計合理的循跡控制算法可以實現列車各個自由度到達理想的最佳狀態，從而使列車實現最佳的位置和姿態。

圖7 懸浮跨接走行無軌電車導向控制力示意圖

3.2 運動學解釋

采用單鉸接懸架走行部的車輛單軌運動學示意圖如圖8所示。vi代表軸橋中心運動速度，xi和yi分別為軸橋中心的縱坐標和橫坐標，ψi代表軸橋中心的航向角，φi代表車體質心的橫擺角，δi代表車輪的等效轉角。

圖8 車輛單軌運動學示意圖

軸橋中心的速度可表示為：

vi=xicosψi+yisinψi

(1)

軸橋中心處的橫向速度約束為：

xisinψi-yicosψi=0

(2)

相鄰前后兩個軸橋之間的縱向速度約束為：

vi+1cos(ψi+1-φi)=vicos(ψi-φi)

(3)

聯立式(1)和式(2)可得：

(4)

假設車體回轉中心與前軸和后軸軸心的縱向距離分別為為Lf和Lr，則有：

(5)

式中：

L——車體回轉中心之間長度。

聯立式(3)和式(5)可得：

(6)

φi=ψi-δi=ψi+1-δi+1

(7)

基于聯立式(3)、式(4)和式(6)，可根據前軸車輪轉向角δi、vi以及后軸車輪轉向角δi+1求解出前軸軸橋中心航向角ψi、后軸軸橋中心速度vi+1以及后軸軸橋中心航向角ψi+1，據此可以獲得前后軸軸橋中心的坐標。依此類推，可以獲得整列車軸橋中心的軌跡坐標。

從式(4)和式(6)可以看出，列車各個軸橋中心的橫向位置yi和車體橫擺角φi同時由車輪轉向角δi和速度vi控制。當給定初始條件和車輛的目標位姿信息后，可以通過求解非線性微分方程組獲得各個車輪的最佳轉向角。以上分析說明，采用懸浮跨接走行模式的虛擬軌道列車，可以通過適當的車輪轉向角控制率實現列車車體各個自由度達到目標狀態，即充分循跡。

4 運動解耦性

以兩模塊列車為例，運用解耦控制理論對懸浮跨接走行虛擬軌道列車的循跡控制解耦性進行分析。由于車輛架構的對稱性，以下分析結論同樣適用于三模塊及以上模塊列車。

車體橫擺角速度約束為：

(8)

根據前文所述n模塊車輛運動學模型可以得到列車橫向運動方程為：

(9)

構造車輛橫向運動狀態空間表達式為：

(10)

式(10)中，

(11)

經雅可比線性化處理后的系統狀態方程矩陣為：

(12)

因此，待解耦系統傳遞函數矩陣為：

W0(s)=C(sI-A)-1B=

(13)

由此(13)可知：

(14)

根據式(14)可知，待解耦系統可以通過串聯前饋補償器的形式實現解耦[12]。

5 結語

本文提出了一種具有高適應性的懸浮跨接走行無軌電車架構型式，列車整體架構參考Translohr有軌電車。車輛采用模塊化設計，編組靈活，容易實現100%低地板客室。車輛可以實現運動解耦，因此鉸接受力合理，可以采用靈活多樣的循跡控制方案。

通過對列車進行導向力受力分析和運動學分析可知，列車全輪轉向控制策略與車輛橫向運動自由度具有較好的匹配關系，因此可以實現車輛對常規參考路徑的充分循跡。基于車輛運動學模型和解耦控制理論，通過對列車橫向運動狀態空間表達式的分析可知，列車各個走行部的橫向運動之間具有解耦性。因此，在車輛循跡控制過程中相鄰車體之間將不存在運動干涉，同時只需要針對每個走行部設計獨立的控制器而不需要車輛級的控制器即可實現整車的路徑跟隨控制。