一種高速軌道特種車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和虛擬實(shí)現(xiàn)

杜水平 王 冰 楊 明 王春香

(上海交通大學(xué)系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，上海 200240;上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所2，上海 200240)

0 引言

隨著高鐵和城市地鐵的發(fā)展，軌道交通對于人們生活的影響越來越大。通過對軌道車輛的研究發(fā)現(xiàn)，軌道車從靜止?fàn)顟B(tài)加速運(yùn)行到最大速度需要上千米的加速距離和數(shù)百秒的加速時間。然而對于特種行業(yè)中某些設(shè)備的極限加速度測試或者時間響應(yīng)要求較高的移動平臺，如果采用傳統(tǒng)軌道車技術(shù)，勢必會由于加速緩慢而導(dǎo)致試驗(yàn)軌道過長，從而使系統(tǒng)成本過高且難以實(shí)現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)的軌道車是一種具備高加速能力的移動平臺。為了驗(yàn)證該軌道車的運(yùn)動性能，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)(virtual prototyping technology，VPT)建立車體動力學(xué)模型，并進(jìn)行實(shí)車仿真分析和后續(xù)優(yōu)化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

低成本高速軌道車的設(shè)計(jì)主要考慮兩大因素：一是具備較強(qiáng)的加速能力;二是在不影響設(shè)計(jì)目標(biāo)效果的前提下，摒棄昂貴的設(shè)備，并結(jié)合項(xiàng)目要求，優(yōu)選實(shí)車組成部件，從而實(shí)現(xiàn)低成本的設(shè)計(jì)目的。

雖然現(xiàn)有的軌道車技術(shù)難以滿足加速度的要求，但由于軌道并鋼輪與鐵軌之間的純剛體接觸設(shè)計(jì)對車體行駛過程中的側(cè)向偏移會產(chǎn)生很大的抑制作用，因此，車體在高速行駛時的平順性可以得到保證。

電動汽車是汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，各國紛紛投入巨資進(jìn)行研究開發(fā)。電動汽車的特點(diǎn)是以車載電源為動力、以電機(jī)驅(qū)動車輪行駛。由于電動汽車取消了動力源與驅(qū)動輪之間的傳統(tǒng)機(jī)械連接而直接由電機(jī)驅(qū)動車輪，控制系統(tǒng)只需調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩即可直接控制車輪驅(qū)動力，所以電動機(jī)的響應(yīng)速度較機(jī)械傳動系統(tǒng)要快得多。由此，電動汽車大都具備良好的加減速能力[1]。這一特性同時也為開發(fā)高性能、低成本的動力學(xué)控制系統(tǒng)和電動汽車奠定了基礎(chǔ)。美國福特公司曾經(jīng)制造過時速335 km/h的電動汽車，即車體從靜止加速到100 km/h僅需2.5 s。

本文結(jié)合電動汽車具備的高加速能力、軌道車的導(dǎo)引作用以及偏移抑制能力，并基于路軌融合的全直線道路環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種具備高加速能力、較低成本的軌道特種車。

高速軌道車采用四輪走行、四輪導(dǎo)向的布局模式，車體結(jié)構(gòu)左右對稱、前后對稱。軌道車主要采用超級電容作為能量源，考慮到超級電容的供電能力，在此采用后輪驅(qū)動模式。選擇汽車橡膠輪作為走行輪，其位于鋪設(shè)導(dǎo)軌的硬地面上，用于承受車體的垂向載荷并傳遞牽引力和制動力給路面。選擇火車鋼作為導(dǎo)向輪，其位于軌道車的首尾兩側(cè)，作用于兩側(cè)鐵軌。

2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

高速軌道車系統(tǒng)主要由電機(jī)系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)、能量系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、道路環(huán)境和監(jiān)控系統(tǒng)六部分組成。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Block diagram of the whole system

2.1 車架和導(dǎo)向系統(tǒng)

車架用來支撐整個車輛的上裝結(jié)構(gòu)及車上所有負(fù)載，如車載雷達(dá)、動力系統(tǒng)、超級電容等。車架的尺寸越大，負(fù)載也就越大，在加速行駛時，發(fā)生較大變形的幾率也就越高。由于試驗(yàn)的路面環(huán)境平坦，車體運(yùn)動中產(chǎn)生的垂向振動較小，試驗(yàn)環(huán)境無彎道，軌道車不設(shè)置轉(zhuǎn)向和懸掛系統(tǒng)，所以采用導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以抑制軌道車在高速行駛過程中輪胎的側(cè)向偏移和不收斂振動。

導(dǎo)向系統(tǒng)由導(dǎo)向架、導(dǎo)向鋼輪、連接裝置等組成。為了減輕軌道車加減速時的車架變形，在導(dǎo)向架與車架之間采用移動副連接，連接體間裝有四組變剛度彈簧。這四組彈簧具有相同的剛度特性。

2.2 輪胎模型

輪胎是軌道車重要的組成部分。特種車采用兩種不同的輪胎，走行輪為橡膠輪，導(dǎo)向輪為火車鋼輪，它們分別直接與地面和鋼軌接觸，用來支撐整車的質(zhì)量，并保證車輪和道路具有良好的附著性。輪胎對于提高車輛的驅(qū)動性、制動性以及車輛運(yùn)動性能也有重要的影響。

從力學(xué)角度看，輪胎是一個由質(zhì)量、彈性元件和阻尼元件組成的子系統(tǒng)。輪胎與路面間的相互作用用輪胎沿空間坐標(biāo)系的六個作用力和力矩來模擬。輪胎受到分別沿x軸、y軸和z軸三個方向的力及繞這三個軸的力矩作用，輪胎的受力作用及其相關(guān)符號說明分別如圖 2[2]和表 1 所示。

圖2 輪胎受力作用Fig.2 Forces on tire

表1 輪胎六分力及其符號Tab.1 Six components of force and the symbols

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇各車輪的主要參數(shù)為：橡膠輪直徑450 mm、胎厚120 mm、輪間距520 mm;鐵軌輪直徑300 mm、胎厚200 mm、輪間距1 000 mm。

2.3 電機(jī)系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動力裝置，電動機(jī)車的整車性能與驅(qū)動系統(tǒng)密切相關(guān)。

由于高速軌道特種車的作業(yè)特殊性，其車用電動機(jī)要求能夠頻繁地啟動、停車、加速、減速，低速時要求高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時要求低轉(zhuǎn)矩，并且要求變化范圍大。因此，其驅(qū)動電動機(jī)要求具有功率密度高、效率圖好(即在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有較高的效率)和行駛里程長等特點(diǎn)。

電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)主要包括扭矩特性、效率、外形尺寸、質(zhì)量大小以及可靠性等。通常，電動機(jī)的外特性為：當(dāng)轉(zhuǎn)速＜額定轉(zhuǎn)速Nmr時，以恒扭矩模式工作;當(dāng)轉(zhuǎn)速＞額定轉(zhuǎn)速Nmr時，以恒功率模式工作。相應(yīng)地，電動機(jī)的參數(shù)選擇包括電動機(jī)額定功率Pmr、電動機(jī)最大功率Pmmax、電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速Nmr和電動機(jī)最大轉(zhuǎn)速 Nmmax[3]。

根據(jù)前期數(shù)學(xué)模型計(jì)算，選擇上海電驅(qū)動有限公司某型號驅(qū)動電機(jī)。該電機(jī)的主要參數(shù)有：額定功率為20 kW、額定電壓為144 V、額定轉(zhuǎn)速為3 800 r/min、額定轉(zhuǎn)矩為80 Nm、高效區(qū)≥55%、質(zhì)量為38.5 kg。

2.4 能量系統(tǒng)

軌道特種車由超級電容提供能量。電動汽車傳統(tǒng)動力源蓄電池在加速或爬坡時要進(jìn)行大電流放電，在減速時要快速充電實(shí)現(xiàn)制動能量回收，這就要求蓄電池具有優(yōu)良的倍率快速充放電特性和較長的使用壽命，且性能穩(wěn)定。但是，對蓄電池進(jìn)行大電流充放電將使其壽命大大縮短;同時，由于本文設(shè)計(jì)的軌道車底盤空間有限，動力源布置范圍緊湊，熱量易積聚，從而使得暴露在高溫環(huán)境中的蓄電池因高溫而失效。超級電容具備電容量大、充放電壽命長、充放電快速、工作溫度范圍寬等優(yōu)勢。基于此，選擇超級電容作為軌道車的動力源并開發(fā)相應(yīng)的電池管理系統(tǒng)。

考慮電源使用壽命，在工程應(yīng)用中應(yīng)盡量保證超級電容的工作電壓在Vmin～Vmax范圍內(nèi)。電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)反映了在允許的工作電壓范圍內(nèi)超級電容儲存電量的程度(充放電深度)，它是設(shè)計(jì)超級電容重要的控制參數(shù)，其公式定義如下：

式中：V為超級電容工作時的實(shí)際電壓;Vmax為超級電容電壓上限，即額定電壓，電容達(dá)到這個電壓點(diǎn)即停止充電;Vmin為超級電容電壓下限，電容達(dá)到這個電壓點(diǎn)即停止放電[4－5]。

選擇的某型超級電容產(chǎn)品參數(shù)如表2所示。

表2 超級電容參數(shù)Tab.2 Super capacitor parameters

經(jīng)過性能核算，選擇60節(jié)共50 000 F的超級電容，電壓約為72 V，質(zhì)量為120 kg，運(yùn)行一次所需電量為6 750 C，一次性充電后可連續(xù)運(yùn)行3次，電池理論使用壽命為15年。

2.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)反映了軌道車的控制策略，其輸入?yún)?shù)是能量系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)信息總線和外部命令總線，輸出參數(shù)是控制信息總線和動力系統(tǒng)的狀態(tài)信息總線。控制器模塊分為功率限制和控制策略兩個子系統(tǒng)，具體介紹如下。

①功率限制子系統(tǒng)

功率限制子系統(tǒng)主要用來計(jì)算動力源的功率范圍，從而將系統(tǒng)運(yùn)行的最大能力限制在其范圍內(nèi)。功率限制子系統(tǒng)主要計(jì)算兩部分參數(shù)：①超級電容的最大充電功率和放電功率;②電機(jī)的最大驅(qū)動扭矩和最小驅(qū)動扭矩。

②控制策略子系統(tǒng)

控制策略子系統(tǒng)將軌道車的行駛工況分為驅(qū)動工況和制動工況，并且將軌道車對傳動系統(tǒng)的動力需求動態(tài)分配給電機(jī)系統(tǒng)。

2.6 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高速軌道車系統(tǒng)基于PLC控制器和Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)組建遠(yuǎn)程通信網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，從而對軌道車進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)為管理級，利用WinCC組態(tài)軟件開發(fā)人機(jī)界面系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)的記錄和管理，包括直觀的電機(jī)電流、位置、速度等瞬時值顯示、歷史曲線顯示及報警記錄等。同時，在上位機(jī)WinCC人機(jī)界面上設(shè)計(jì)了監(jiān)視主界面、歷史曲線主界面、故障列表主界面、系統(tǒng)設(shè)定主界面、系統(tǒng)權(quán)限管理和操作日志管理界面，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)控車體各子系統(tǒng)[6]。

3 虛擬實(shí)現(xiàn)和仿真分析

軌道車系統(tǒng)的虛擬實(shí)現(xiàn)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)完成。系統(tǒng)建立的虛擬樣機(jī)是一種計(jì)算機(jī)模型，能夠反映實(shí)際特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性。借助這項(xiàng)技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)上建立系統(tǒng)模型，并能對所建模型進(jìn)行三維可視化處理，模擬其在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動特性[7－10]。

本文運(yùn)用MS.ADAMS軟件建立軌道特種車的系統(tǒng)模型，并進(jìn)行運(yùn)動性能的仿真分析。軌道特種車主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 軌道車主要設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)Tab.3 Major design and simulation data of the track vehicle

根據(jù)測試要求，高速軌道車的仿真環(huán)境為：道路環(huán)境為直線軌道，長600 m，無彎道。軌道車從靜止開始加速運(yùn)行到200 m，然后保持此速度勻速運(yùn)行到250 m，進(jìn)入減速過程。由汽車行駛動力學(xué)可知，車輛在行駛過程中，加速階段車體振蕩最強(qiáng)烈，期望速度不易獲得。所以，對軌道車運(yùn)行過程，特別是加速階段的運(yùn)動性能和穩(wěn)定性能進(jìn)行分析是十分必要的。為了驗(yàn)證軌道車的加速能力，主要分析了車體加速過程的運(yùn)動學(xué)性能。

經(jīng)仿真得到的軌道車縱向運(yùn)動學(xué)性能曲線如圖3所示。

圖3 軌道車運(yùn)動學(xué)性能Fig.3 Kinematics performances of the track vehicle

由圖3可知，軌道車具有良好的加速能力，最大加速度為 3.25 m/s2，平均加速度達(dá)到了 2.3 m/s2。從0～100 m的加速時間為10.50 s，從100～200 m的加速時間為 4.45 s。

為了研究軌道車在加速行駛過程中的速度及其側(cè)向偏移程度，對車體運(yùn)行過程中導(dǎo)向輪的側(cè)向運(yùn)動情況進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖4所示。

導(dǎo)向輪側(cè)向偏移主要出現(xiàn)在車體加速過程中，其數(shù)值量約為0.015 m。當(dāng)車體結(jié)束加速過程進(jìn)入穩(wěn)定行駛階段，側(cè)向位移將維持在一個穩(wěn)定值附近。此外，導(dǎo)向輪側(cè)向速度在車體加速過程中開始連續(xù)增加，當(dāng)車體穩(wěn)定行駛時，側(cè)速度回落到初始狀態(tài)并保持輕微振蕩。仿真結(jié)果與實(shí)車運(yùn)行狀態(tài)相吻合，這表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對側(cè)偏的抑制是有效的。

圖4 車體側(cè)向偏移和速度Fig.4 Lateral offset and velocity of the guide wheels

4 結(jié)束語

本文結(jié)合電動汽車系統(tǒng)和軌道交通系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)以及路軌融合環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種具備高加速能力的低成本軌道特種車系統(tǒng)，并對車體系統(tǒng)的各子系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)完成了系統(tǒng)的虛擬實(shí)現(xiàn)，并對其行駛過程，尤其是加速過程進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的軌道車加速能力良好，實(shí)現(xiàn)了短距離內(nèi)加速到目標(biāo)速度的設(shè)計(jì)要求;且加速過程平順性良好，側(cè)向不收斂振動得到了有效抑制，驗(yàn)證了模型設(shè)計(jì)的正確性。該設(shè)計(jì)也為軌道特種車系統(tǒng)的進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)。

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