地鐵車輛徑向轉(zhuǎn)向架主動(dòng)控制策略研究

穆曉軍，肖權(quán)益，李振乾，劉東坡

地鐵車輛徑向轉(zhuǎn)向架主動(dòng)控制策略研究

穆曉軍1，肖權(quán)益2，李振乾2，劉東坡1

（1.北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100028；2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

為使地鐵車輛在保證直線穩(wěn)定性的同時(shí)，又能改善曲線通過(guò)性能，本文闡述了主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向機(jī)理，并基于多體動(dòng)力學(xué)建立了主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架聯(lián)合仿真模型，從理論角度研究了基于沖角的徑向線控制策略和基于縱向蠕滑力的純滾線控制策略，從工程實(shí)用角度研究了基于二系回轉(zhuǎn)角和線路信標(biāo)的相對(duì)搖頭角控制策略，對(duì)比論證了工程控制策略的可行性。研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比，主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架能夠在車輛通過(guò)曲線時(shí)，控制輪對(duì)趨于徑向線位置，大幅提高曲線通過(guò)性能；采用不同控制策略均可以顯著減小輪對(duì)沖角，改善輪軌磨耗。

地鐵車輛；主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架；控制策略

為了進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)向架在復(fù)雜線路條件下的適應(yīng)性，主動(dòng)控制系統(tǒng)越來(lái)越受到關(guān)注。主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架不僅可以解決傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)性能與直線穩(wěn)定性的矛盾，還可以改善輪軌之間的磨耗，延長(zhǎng)車輛和軌道系統(tǒng)的維護(hù)周期并降低車輛運(yùn)營(yíng)成本[1-3]。不同于常規(guī)徑向轉(zhuǎn)向架，主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架的核心在于制定控制策略。合理的控制策略不僅應(yīng)該能在兼顧轉(zhuǎn)向架直線穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的徑向效果，減小輪軌磨耗并降低滾動(dòng)接觸疲勞，還應(yīng)具有較高的工程化實(shí)用價(jià)值。因此，深入研究主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架控制策略具有重要意義。

相關(guān)學(xué)者針對(duì)主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架控制策略開(kāi)展了一系列研究并取得了一些成果。MEI等[4]對(duì)采用不同結(jié)構(gòu)和控制策略的主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架作了全面綜述，并對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。Perez等[5]研究了輪對(duì)搖頭力矩控制、輪對(duì)相對(duì)搖頭角控制和純滾線輪對(duì)橫移控制三種不同的策略對(duì)車輛曲線通過(guò)性能的影響。Braghin等[6]以抗蛇行減振器作為主動(dòng)控制器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)于直線運(yùn)行和曲線通過(guò)兩種工況提出了不同的控制策略。沈鋼等[7]提出一種將軸箱拉桿作為主動(dòng)控制器的控制方法，通過(guò)對(duì)輪對(duì)施加搖頭力矩閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制。

本文以某A型地鐵車輛為研究對(duì)象，基于多體動(dòng)力學(xué)建立主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架的聯(lián)合仿真模型。從理論研究和工程應(yīng)用的角度分別提出兩種控制策略，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真以評(píng)價(jià)各控制策略的優(yōu)劣及可行性，以期為主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架的應(yīng)用提供參考。

1 主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向機(jī)理

主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架是一種基于控制技術(shù)的轉(zhuǎn)向架，它通過(guò)安裝在轉(zhuǎn)向架上的作動(dòng)器，推動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輪對(duì)或直接作用于輪對(duì)，使前后輪同時(shí)處于徑向位置。為使作動(dòng)器在合適的時(shí)間動(dòng)作、達(dá)到較為理想的導(dǎo)向效果，其控制策略必須與線路曲線相匹配。

主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架根據(jù)主動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)形式的不同可分為杠桿式和作動(dòng)器直接作用式兩類。

杠桿式主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架如圖1所示，其徑向原理是，當(dāng)車輛通過(guò)曲線時(shí)，控制器控制作動(dòng)器動(dòng)作，作動(dòng)器輸出位移并借助杠桿機(jī)構(gòu)將此位移傳遞給輪對(duì)，從而使輪對(duì)處于徑向位置。優(yōu)點(diǎn)是可以利用杠桿機(jī)構(gòu)減小作動(dòng)器輸出力，便于作動(dòng)器的小型化設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是杠桿機(jī)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，并增加轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量，同時(shí)，杠桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)服役過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨耗和間隙進(jìn)而影響后續(xù)的徑向效果。

圖1 杠桿式主動(dòng)徑向示意圖

直接作用式主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架的徑向原理是，將控制器控制的作動(dòng)器位移直接傳給輪對(duì)而使輪對(duì)處于徑向位置，無(wú)需通過(guò)復(fù)雜的傳遞機(jī)構(gòu)。直接作用式主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架有多種實(shí)現(xiàn)方案：①可以將控制器安裝在輪對(duì)橫向以控制輪對(duì)橫移，但這樣施加的作用力會(huì)作用到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和車體上，從而引起運(yùn)行平穩(wěn)性的惡化；②通過(guò)作動(dòng)器施加搖頭力矩的方式來(lái)迫使輪對(duì)趨于徑向，如圖2所示，在輪對(duì)兩側(cè)布置兩個(gè)作動(dòng)器，輪對(duì)繞輪對(duì)中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其單個(gè)作動(dòng)器輸出位移可以減小一半，同時(shí)，當(dāng)某側(cè)作動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)，另一側(cè)的作動(dòng)器還可以動(dòng)作使輪對(duì)回歸無(wú)轉(zhuǎn)角的正常位。

圖2 作動(dòng)器直接作用式主動(dòng)徑向示意圖

綜合考慮各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，本文采取兩側(cè)縱向布置作動(dòng)器以施加搖頭力矩的主動(dòng)徑向方案。其主要結(jié)構(gòu)是在輪對(duì)左右兩側(cè)各縱向設(shè)置一個(gè)作動(dòng)器，作動(dòng)器連接構(gòu)架與軸箱。在車輛進(jìn)入曲線時(shí)，曲線外側(cè)作動(dòng)器活塞桿伸出，曲線內(nèi)側(cè)作動(dòng)器活塞桿縮回，通過(guò)施加一個(gè)搖頭力矩迫使輪對(duì)趨于徑向位置。而當(dāng)車輛在直線上運(yùn)行時(shí)，作動(dòng)器則處于鎖死狀態(tài)。

此外，為了減小主動(dòng)徑向機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的改變，將作動(dòng)器與轉(zhuǎn)臂軸箱并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)一體化的設(shè)計(jì)。為減小作動(dòng)器的輸出力，大幅降低轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)一系縱向定位剛度，改由作動(dòng)器兩端節(jié)點(diǎn)徑向串聯(lián)剛度提供一系縱向剛度（作動(dòng)器節(jié)點(diǎn)徑向串聯(lián)剛度取10 MN/m）。因此，在直線運(yùn)行時(shí)，主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架作動(dòng)器鎖死成為二力桿，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的一系縱向定位剛度相當(dāng)，有著良好的直線穩(wěn)定性；而在曲線運(yùn)行時(shí)，作動(dòng)器的輸出力需要平衡轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)縱向復(fù)原力、一系彈簧縱向復(fù)原力以及縱向蠕滑力。由于轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)縱向剛度大幅降低，使得作動(dòng)器所需輸出力大幅減小，從而有利于作動(dòng)器的小型化與輕量化。

2 動(dòng)力學(xué)模型建立

基于動(dòng)力學(xué)仿真軟件Simpack，建立主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架地鐵車輛的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架地鐵車輛模型主要由1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、4個(gè)軸箱輪對(duì)裝置以及主動(dòng)徑向機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。地鐵車輛的車輪采用LM踏面，鋼軌采用CN60軌，其余主要參數(shù)如表1所示，在建模過(guò)程中充分考慮懸掛系統(tǒng)和輪軌接觸的非線性特征。車輛動(dòng)力學(xué)微分方程為[8]：

式中：、、分別為質(zhì)量、阻尼以及剛度矩陣；為廣義坐標(biāo)列向量；為輪軌力向量。

表1 轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架的徑向機(jī)構(gòu)由前后輪對(duì)左右兩側(cè)共四個(gè)作動(dòng)器組成。作動(dòng)器通過(guò)兩端的節(jié)點(diǎn)分別與軸箱、構(gòu)架相連接。控制器的實(shí)時(shí)輸入位移通過(guò)移動(dòng)作動(dòng)器兩端的力元來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂破鞯膶?shí)時(shí)輸入位移大小由控制策略決定。采用Simpack與Simulink聯(lián)合仿真的方式，將控制策略和動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建成一個(gè)完整的閉環(huán)，如圖3所示。

圖3 Simpack-Simulink聯(lián)合仿真示意圖

當(dāng)車輛進(jìn)入曲線時(shí)，通過(guò)曲線識(shí)別技術(shù)或測(cè)量需要的輪軌參數(shù)實(shí)時(shí)獲取作動(dòng)器作動(dòng)信號(hào)，經(jīng)濾波后傳給控制器模塊，并根據(jù)控制策略計(jì)算出作動(dòng)器所需作動(dòng)位移，控制器進(jìn)而控制作動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)位移，迫使輪對(duì)在曲線上趨于徑向位置。即Simulink從Simpack中實(shí)時(shí)獲取車輛運(yùn)行速度和曲線信息或輪軌參數(shù)，識(shí)別車輛在曲線上的位置，并計(jì)算出作動(dòng)器需要輸出的位移，然后Simulink將處理后的輸出位移傳遞至Simpack中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。

3 主動(dòng)徑向控制策略

3.1 基于理論研究的控制策略

3.1.1 基于沖角的徑向線控制

基于沖角的徑向線控制策略如圖4所示，控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)前后輪對(duì)沖角都為零，即1＝2＝0。該控制策略以沖角為反饋量實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，通過(guò)給輪對(duì)施加搖頭力矩使得輪對(duì)沖角為零，迫使輪對(duì)在曲線上處于徑向位置，從而降低橫向蠕滑力和磨耗。

圖4 基于沖角的徑向線控制示意圖

輪對(duì)沖角是反映該控制策略徑向效果的關(guān)鍵指標(biāo)，但沖角不容易直接測(cè)出，目前都是采用間接測(cè)量或狀態(tài)估計(jì)的方法才能實(shí)時(shí)獲取。Mei等[9]利用3個(gè)加速度計(jì)和5個(gè)陀螺儀結(jié)合卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)車輛的沖角等狀態(tài)變量進(jìn)行了估計(jì)；孫效杰等[10]提出基于狀態(tài)觀測(cè)器的信息估計(jì)技術(shù)，通過(guò)測(cè)量輪對(duì)橫向加速度和搖頭速度實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖角的估計(jì)。馬增強(qiáng)[11]等提出一種通過(guò)車載相機(jī)獲取輪對(duì)沖角的圖像檢測(cè)方法。

雖然目前對(duì)于沖角的精確測(cè)量存在著一定的困難，但實(shí)時(shí)獲取沖角切實(shí)可行，因此從理論研究的角度出發(fā)，通過(guò)仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取沖角并進(jìn)行主動(dòng)控制。

在車輛進(jìn)入曲線時(shí)，以沖角作為反饋量計(jì)算出作動(dòng)器所需實(shí)時(shí)輸出的位移，由控制器控制作動(dòng)器動(dòng)作，給輪對(duì)施加搖頭力矩迫使輪對(duì)呈外八字展開(kāi)趨于徑向位置。導(dǎo)向輪與跟從輪單獨(dú)控制的雙輪對(duì)控制策略由于作動(dòng)器輸出位移不匹配就會(huì)給構(gòu)架額外施加一個(gè)搖頭力矩，從而帶動(dòng)輪對(duì)偏離純滾線，因此，采用單輪對(duì)控制策略、以導(dǎo)向輪沖角為零作為控制目標(biāo)，非導(dǎo)向輪側(cè)輸出的位移與導(dǎo)向輪一致，即一個(gè)轉(zhuǎn)向架的四個(gè)作動(dòng)器輸出位移相同，故不會(huì)給構(gòu)架額外施加搖頭力矩。

仿真線路設(shè)置半徑500 m、超高120 mm的曲線，車輛在無(wú)軌道不平順激勵(lì)下以速度 70 km/h通過(guò)該曲線，如圖5所示?？芍c傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比，在單輪對(duì)控制策略下，導(dǎo)向輪與跟從輪的沖角在圓曲線上明顯減小且接近于0，導(dǎo)向輪已經(jīng)基本處于完全徑向位，跟從輪沖角比導(dǎo)向輪略大，但最大值不超過(guò)0.65 mrad；導(dǎo)向輪、跟從輪橫移量分別減小至-3.77 mm、-3.70 mm，均處于純滾線附近；導(dǎo)向輪磨耗指數(shù)從傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的最大值256 N減小至3.39 N，輪軌磨耗得到了極大緩解。

3.1.2 基于縱向蠕滑力的純滾線控制

理想的曲線通過(guò)方式是輪對(duì)在曲線上純滾動(dòng)，純滾動(dòng)可以消除縱向蠕滑力，從而減小磨耗。根據(jù)文獻(xiàn)[12]得：

純滾線控制需要實(shí)時(shí)獲取的曲線半徑、輪對(duì)橫移量和等效錐度，測(cè)量難度很大。相對(duì)而言，縱向蠕滑力的估計(jì)更容易實(shí)現(xiàn)。Ward等[13]提出在轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)上布置一組慣性傳感器并使用卡爾曼－布西濾波器可估計(jì)蠕滑力。因此，采用基于縱向蠕滑力的純滾線控制策略的核心是通過(guò)作動(dòng)器輸出位移給輪對(duì)施加搖頭力矩，使輪對(duì)縱向蠕滑力為零。

如圖6所示，與單輪對(duì)沖角控制策略相比，在縱向蠕滑力控制策略下，前后輪對(duì)沖角在圓曲線上時(shí)雖然有輕微增大，但其橫移都縮小至-3.67 mm左右，即橫移基本完全位于純滾線附近；兩種控制策略下的輪對(duì)磨耗指數(shù)相當(dāng)，在圓曲線上基本沒(méi)有磨耗，在緩和曲線段產(chǎn)生很小的磨耗。

圖5 基于單輪對(duì)沖角控制策略的主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的R500曲線通過(guò)性能

圖6 基于縱向蠕滑力控制策略和單輪對(duì)沖角控制策略下的R500曲線通過(guò)性能

3.2 基于工程化應(yīng)用的控制策略

在理論研究中提出的控制策略，為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架的徑向效果，往往需要大量的傳感器去測(cè)量或估計(jì)輪對(duì)沖角、縱向蠕滑力等狀態(tài)參數(shù)，從而使其難以在工程實(shí)際中得到應(yīng)用。因此有必要從提高工程化價(jià)值的角度出發(fā)，提出既易于實(shí)現(xiàn)又與理論控制相當(dāng)?shù)闹鲃?dòng)徑向控制策略。

通過(guò)實(shí)時(shí)獲取線路的曲線參數(shù)，以曲線半徑、車輛運(yùn)行速度及車輛運(yùn)行位置作為輸入信號(hào)控制作動(dòng)器的動(dòng)作，從而迫使輪對(duì)趨于徑向位置。相比于沖角或縱向蠕滑力的測(cè)量，曲線感知技術(shù)在工程應(yīng)用上更加成熟。目前，曲線檢測(cè)技術(shù)種類繁多，總體可以分為車載實(shí)時(shí)檢測(cè)和外部定位兩種。

針對(duì)這兩種曲線檢測(cè)技術(shù)，提出兩種相應(yīng)的控制策略。

3.2.1 基于二系回轉(zhuǎn)角的相對(duì)搖頭角控制

目前，車載實(shí)時(shí)檢測(cè)曲線半徑主要還是基于車輛姿態(tài)與軌道線路之間的關(guān)系得到。可以通過(guò)車體與轉(zhuǎn)向架之間的相對(duì)回轉(zhuǎn)角感知曲線，有：

但以上方法一定程度上忽視了車輛長(zhǎng)度引起的幾何慣性效應(yīng)，導(dǎo)致測(cè)出的實(shí)際曲率往往滯后于線路真實(shí)曲率?；诖?，針對(duì)二系回轉(zhuǎn)角測(cè)曲率方法進(jìn)一步采用修正后的公式[14]為：

在動(dòng)力學(xué)模型中添加二系回轉(zhuǎn)角及二系回轉(zhuǎn)角速度的傳感器，以車輛按70 km/h速度通過(guò)半徑500 m的無(wú)軌道不平順激勵(lì)的曲線為例進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。所測(cè)得的曲率如圖7所示。二系回轉(zhuǎn)角修正前的公式測(cè)出的曲率雖然跟隨性較好，但存在約為半個(gè)定距的滯后；修正后的公式很大程度上解決了滯后問(wèn)題，其最大誤差僅出現(xiàn)在緩直點(diǎn)上，且誤差很小、在接受范圍內(nèi)。

圖7 二系回轉(zhuǎn)角測(cè)量曲線曲率結(jié)果

基于二系回轉(zhuǎn)角的相對(duì)搖頭角的控制策略，其基本思想是轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)沖角相等，即1＝2。相等的沖角使輪對(duì)產(chǎn)生相等的橫向蠕滑力以平衡曲線離心力。作動(dòng)器輸出位移使導(dǎo)向輪與跟從輪反向搖頭，進(jìn)而使相對(duì)搖頭角為零。每個(gè)輪對(duì)單獨(dú)控制，左右側(cè)作動(dòng)器輸出位移反向，有：

當(dāng)車輛運(yùn)行在緩和曲線上時(shí)，由于緩和曲線長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于軸距，則認(rèn)為其對(duì)應(yīng)的曲線半徑為轉(zhuǎn)向架中心處的曲線半徑。只需在頭車前后轉(zhuǎn)向架安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)角度傳感器，就可實(shí)時(shí)計(jì)算曲線曲率，進(jìn)而計(jì)算出作動(dòng)器需輸出的位移。

仿真線路仍設(shè)置半徑500 m、超高120 mm的曲線，車輛在無(wú)軌道不平順激勵(lì)下以速度 70 km/h通過(guò)該曲線，如圖8所示?？芍?，采用基于二系回轉(zhuǎn)角的相對(duì)搖頭角控制策略，相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，圓曲線上的輪對(duì)沖角大幅度降低，導(dǎo)向輪沖角由-3.783 mrad減小至-0.084 mrad，跟從輪沖角由0.315 mrad變?yōu)?0.058 mrad；導(dǎo)向輪輪對(duì)橫移減小，處于純滾線附近；導(dǎo)向輪磨耗指數(shù)最大值由256 N減小至41 N，跟從輪磨耗指數(shù)最大值由77 N減小至24 N，極大改善了輪軌磨耗問(wèn)題。

3.2.2 基于線路信標(biāo)的相對(duì)搖頭角控制

基于線路信標(biāo)的相對(duì)搖頭角控制策略的基本思想依然是轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)沖角相等，以使橫向蠕滑力相等。

不同的是，曲線信息的獲取不需要測(cè)量二系回轉(zhuǎn)角與二系回轉(zhuǎn)角速度，而是通過(guò)車輛定位技術(shù)，并在線路上安設(shè)信標(biāo)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)車輛運(yùn)行至信標(biāo)位置時(shí)，控制器能實(shí)時(shí)接收曲線半徑、曲線長(zhǎng)度及車輛運(yùn)行速度等信息，從而更加精準(zhǔn)地對(duì)各個(gè)輪對(duì)進(jìn)行徑向控制。

設(shè)置半徑500 m、超高120 mm的曲線，車輛在無(wú)軌道不平順激勵(lì)下以速度70 km/h通過(guò)該曲線，如圖9所示?？芍?，相比于基于二系回轉(zhuǎn)角的相對(duì)搖頭角控制策略，基于線路信標(biāo)的相對(duì)搖頭角控制策略由于輸入的控制信號(hào)更為準(zhǔn)確，其導(dǎo)向輪沖角略微減小，跟從輪沖角略微增大，真正意義上實(shí)現(xiàn)相對(duì)搖頭角為零的控制目標(biāo)。導(dǎo)向輪磨耗指數(shù)最大值由41.78 N減小至7.77 N，跟從輪磨耗指數(shù)的最大值由23.82 N減小至20.75 N。

為進(jìn)一步論證工程化應(yīng)用的控制策略的可行性，將其與理論研究的控制策略進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10所示?？芍?，基于理論研究的控制策略總體上優(yōu)于工程化的控制策略。線路信標(biāo)控制策略基本與理論研究的徑向線策略相當(dāng)，基于二系回轉(zhuǎn)角的控制策略雖然曲線通過(guò)性能略差，但工程應(yīng)用價(jià)值更高。

圖8 二系回轉(zhuǎn)角主動(dòng)徑向控制與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)性能

圖9 基于二系回轉(zhuǎn)角的相對(duì)搖頭角控制策略與基于線路信標(biāo)的相對(duì)搖頭角控制策略曲線通過(guò)性能

圖10 工程控制策略與理論控制策略曲線通過(guò)性能

4 結(jié)論

基于多體動(dòng)力學(xué)建立了主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架地鐵車輛的Simpack與Simulink聯(lián)合仿真模型，從理論研究的角度對(duì)比分析了基于沖角的徑向線控制策略和基于縱向蠕滑力的純滾線控制策略，并從工程應(yīng)用的角度對(duì)比分析了基于二系回轉(zhuǎn)角的相對(duì)搖頭角控制策略和基于線路信標(biāo)的相對(duì)搖頭角控制策略。

從仿真結(jié)果可見(jiàn)：

（1）相比于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，采用不同策略的主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架均能夠顯著減小輪對(duì)沖角、改善輪軌磨耗，使輪對(duì)以徑向位置通過(guò)曲線。不同策略所需要的輸入量和基本思想雖然不同，但控制效果差別較小。

（2）采用導(dǎo)向輪沖角為零、前后作動(dòng)器輸出一致的單輪對(duì)沖角控制策略能夠使輪對(duì)趨于徑向位置，進(jìn)而改善輪軌磨耗。基于縱向蠕滑力的純滾線控制策略可以使前后輪對(duì)縱向蠕滑力矩為零，并在曲線上產(chǎn)生相同的橫向位移以實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)，其在改善磨耗方面可以取得和沖角控制類似的效果。

（3）采用相對(duì)搖頭角控制策略可以使得前后輪對(duì)產(chǎn)生相等的橫向蠕滑力，從而保證良好的曲線通過(guò)姿態(tài)，相較于二系回轉(zhuǎn)角獲取控制信號(hào)的方式，采用線路信標(biāo)的方式可以進(jìn)一步提升緩和曲線上的動(dòng)力學(xué)性能。

（4）基于二系回轉(zhuǎn)角的相對(duì)搖頭角的工程控制策略切實(shí)可行，不僅能提升主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值，還能取得和理論控制策略相當(dāng)?shù)膶?dǎo)向效果。

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Control Strategy of Metro Vehicle Active RadialBogie

MU Xiaojun1，XIAO Quanyi2，LI Zhenqian2，LIU Dongpo1

( 1.Beijing Rail Transit Technology Equipment Group Co.,Ltd., Beijing 100028, China; 2.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

This paper explores the control strategy of metro vehicle active radial bogie in order to ensure the linear stability and improve the curve passing performance of metro vehicles. The guiding mechanism of active radial bogie was described and the co-simulation model of active radial bogie was established based on multi- body dynamics. The radial line control strategy based on wheelset attack angle and the pure roll line control strategy based on longitudinal creep force were discussed. The control strategies of relative yaw angle based on the yaw angle of secondary suspension and line beacon were studied from the perspective of engineering application. Engineering control strategies were compared and the feasibility was demonstrated. The results show that compared with the traditional bogie, the active radial bogie can control the wheel set to the radial line position when the vehicle passes through the curve, and greatly improve the curve passing performance. Different control strategies can significantly reduce both the wheel offset angle and the wheel rail wear.

metro vehicle；active radial bogie；control strategy

U260.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.05.008

1006-0316 (2022) 05-0047-08

2021-08-20

穆曉軍（1982－），男，山西平定人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要從事軌道車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)工作，E-mail：muxiaojun@rtte.cn；肖權(quán)益（1996－），男，四川達(dá)州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐壍儡囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；李振乾（1999－），男，甘肅隴西人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐壍儡囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；劉東坡（1987－），男，河北遵化人，工程師，主要從事軌道交通轉(zhuǎn)向架相關(guān)設(shè)計(jì)工作。