一種高速軌道特種車的系統設計和虛擬實現

杜水平 王 冰 楊 明 王春香

(上海交通大學系統控制與信息處理教育部重點實驗室1，上海 200240;上海交通大學機器人研究所2，上海 200240)

0 引言

隨著高鐵和城市地鐵的發展，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現，軌道車從靜止狀態加速運行到最大速度需要上千米的加速距離和數百秒的加速時間。然而對于特種行業中某些設備的極限加速度測試或者時間響應要求較高的移動平臺，如果采用傳統軌道車技術，勢必會由于加速緩慢而導致試驗軌道過長，從而使系統成本過高且難以實現。

本文設計的軌道車是一種具備高加速能力的移動平臺。為了驗證該軌道車的運動性能，采用虛擬樣機技術(virtual prototyping technology，VPT)建立車體動力學模型，并進行實車仿真分析和后續優化。

1 系統設計理念

低成本高速軌道車的設計主要考慮兩大因素：一是具備較強的加速能力;二是在不影響設計目標效果的前提下，摒棄昂貴的設備，并結合項目要求，優選實車組成部件，從而實現低成本的設計目的。

雖然現有的軌道車技術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計對車體行駛過程中的側向偏移會產生很大的抑制作用，因此，車體在高速行駛時的平順性可以得到保證。

電動汽車是汽車產業的發展方向，各國紛紛投入巨資進行研究開發。電動汽車的特點是以車載電源為動力、以電機驅動車輪行駛。由于電動汽車取消了動力源與驅動輪之間的傳統機械連接而直接由電機驅動車輪，控制系統只需調節驅動電機的轉矩即可直接控制車輪驅動力，所以電動機的響應速度較機械傳動系統要快得多。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高性能、低成本的動力學控制系統和電動汽車奠定了基礎。美國福特公司曾經制造過時速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。

本文結合電動汽車具備的高加速能力、軌道車的導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境，設計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、四輪導向的布局模式，車體結構左右對稱、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，在此采用后輪驅動模式。選擇汽車橡膠輪作為走行輪，其位于鋪設導軌的硬地面上，用于承受車體的垂向載荷并傳遞牽引力和制動力給路面。選擇火車鋼作為導向輪，其位于軌道車的首尾兩側，作用于兩側鐵軌。

2 系統的整體結構

高速軌道車系統主要由電機系統、車載控制系統、能量系統、導向系統、道路環境和監控系統六部分組成。

系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體框圖Fig.1 Block diagram of the whole system

2.1 車架和導向系統

車架用來支撐整個車輛的上裝結構及車上所有負載，如車載雷達、動力系統、超級電容等。車架的尺寸越大，負載也就越大，在加速行駛時，發生較大變形的幾率也就越高。由于試驗的路面環境平坦，車體運動中產生的垂向振動較小，試驗環境無彎道，軌道車不設置轉向和懸掛系統，所以采用導向系統結構以抑制軌道車在高速行駛過程中輪胎的側向偏移和不收斂振動。

導向系統由導向架、導向鋼輪、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動性、制動性以及車輛運動性能也有重要的影響。

從力學角度看，輪胎是一個由質量、彈性元件和阻尼元件組成的子系統。輪胎與路面間的相互作用用輪胎沿空間坐標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

根據系統設計要求，選擇各車輪的主要參數為：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 電機系統

電機驅動系統是將電能轉換成機械能的動力裝置，電動機車的整車性能與驅動系統密切相關。

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

電動機驅動系統的參數主要包括扭矩特性、效率、外形尺寸、質量大小以及可靠性等。通常，電動機的外特性為：當轉速＜額定轉速Nmr時，以恒扭矩模式工作;當轉速＞額定轉速Nmr時，以恒功率模式工作。相應地，電動機的參數選擇包括電動機額定功率Pmr、電動機最大功率Pmmax、電動機額定轉速Nmr和電動機最大轉速 Nmmax[3]。

根據前期數學模型計算，選擇上海電驅動有限公司某型號驅動電機。該電機的主要參數有：額定功率為20 kW、額定電壓為144 V、額定轉速為3 800 r/min、額定轉矩為80 Nm、高效區≥55%、質量為38.5 kg。

2.4 能量系統

軌道特種車由超級電容提供能量。電動汽車傳統動力源蓄電池在加速或爬坡時要進行大電流放電，在減速時要快速充電實現制動能量回收，這就要求蓄電池具有優良的倍率快速充放電特性和較長的使用壽命，且性能穩定。但是，對蓄電池進行大電流充放電將使其壽命大大縮短;同時，由于本文設計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勢?；诖耍x擇超級電容作為軌道車的動力源并開發相應的電池管理系統。

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

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

選擇的某型超級電容產品參數如表2所示。

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

經過性能核算，選擇60節共50 000 F的超級電容，電壓約為72 V，質量為120 kg，運行一次所需電量為6 750 C，一次性充電后可連續運行3次，電池理論使用壽命為15年。

2.5 控制系統

控制系統反映了軌道車的控制策略，其輸入參數是能量系統和電機系統的狀態信息總線和外部命令總線，輸出參數是控制信息總線和動力系統的狀態信息總線?？刂破髂K分為功率限制和控制策略兩個子系統，具體介紹如下。

①功率限制子系統

功率限制子系統主要用來計算動力源的功率范圍，從而將系統運行的最大能力限制在其范圍內。功率限制子系統主要計算兩部分參數：①超級電容的最大充電功率和放電功率;②電機的最大驅動扭矩和最小驅動扭矩。

②控制策略子系統

控制策略子系統將軌道車的行駛工況分為驅動工況和制動工況，并且將軌道車對傳動系統的動力需求動態分配給電機系統。

2.6 監控系統的設計

高速軌道車系統基于PLC控制器和Profibus現場總線技術組建遠程通信網，可實現PLC與上位機之間的數據通信，從而對軌道車進行遠程控制。上位機為管理級，利用WinCC組態軟件開發人機界面系統，實現對系統各種數據的記錄和管理，包括直觀的電機電流、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WinCC人機界面上設計了監視主界面、歷史曲線主界面、故障列表主界面、系統設定主界面、系統權限管理和操作日志管理界面，從而實現了實時監控車體各子系統[6]。

3 虛擬實現和仿真分析

軌道車系統的虛擬實現采用虛擬樣機技術完成。系統建立的虛擬樣機是一種計算機模型，能夠反映實際特性，包括外觀、空間關系以及運動學和動力學特性。借助這項技術，可以在計算機上建立系統模型，并能對所建模型進行三維可視化處理，模擬其在真實環境下系統的運動特性[7－10]。

本文運用MS.ADAMS軟件建立軌道特種車的系統模型，并進行運動性能的仿真分析。軌道特種車主要設計參數如表3所示。

表3 軌道車主要設計仿真數據Tab.3 Major design and simulation data of the track vehicle

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

經仿真得到的軌道車縱向運動學性能曲線如圖3所示。

圖3 軌道車運動學性能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向偏移程度，對車體運行過程中導向輪的側向運動情況進行了分析，結果如圖4所示。

導向輪側向偏移主要出現在車體加速過程中，其數值量約為0.015 m。當車體結束加速過程進入穩定行駛階段，側向位移將維持在一個穩定值附近。此外，導向輪側向速度在車體加速過程中開始連續增加，當車體穩定行駛時，側速度回落到初始狀態并保持輕微振蕩。仿真結果與實車運行狀態相吻合，這表明系統設計中對側偏的抑制是有效的。

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

4 結束語

本文結合電動汽車系統和軌道交通系統的優點以及路軌融合環境，設計了一種具備高加速能力的低成本軌道特種車系統，并對車體系統的各子系統進行了分析和設計。采用虛擬樣機技術完成了系統的虛擬實現，并對其行駛過程，尤其是加速過程進行了仿真分析。仿真結果表明，所設計的軌道車加速能力良好，實現了短距離內加速到目標速度的設計要求;且加速過程平順性良好，側向不收斂振動得到了有效抑制，驗證了模型設計的正確性。該設計也為軌道特種車系統的進一步研究打下了基礎。

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