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一种基于独立轮对车辆主动导向控制方案的可行性研究

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铁道车辆 2024年第3期62卷 102-107页

作者：孔振文穆云飞张坤高昆仑中车青岛四方机车车辆股份有限公司转向架分厂山东青岛266111

世界各国轨道交通行业竟相开发对环境、线路和乘客“友好”的高速列车,兼备左右车轮独立旋转和可取消公共车轴特点的独立轮对为这种设计理念提供了新的解决方案。独立轮对车辆理论上可完美通过曲线,同时可兼顾乘坐便利性和经济友好性等... 详细信息

世界各国轨道交通行业竟相开发对环境、线路和乘客“友好”的高速列车,兼备左右车轮独立旋转和可取消公共车轴特点的独立轮对为这种设计理念提供了新的解决方案。独立轮对车辆理论上可完美通过曲线,同时可兼顾乘坐便利性和经济友好性等特点。但独立轮对自身结构特点导致其缺乏导向能力。因此,文章研究了独立轮对导向控制的发展现状,分析了独立轮对导向控制的局限性和可行性,并在独立轮对两轴转向架车辆的基础上,提出了一种基于左右车轮转速差的导向控制方案。该方案采用经典PID控制方法,根据不同的车速、缓和曲线长度和曲线半径优选控制增益。此外,由于车辆结构限制,独立轮对两轴转向架车辆的理论控制目标与实际结果存在偏差。文章在优选控制增益的基础上,对控制目标进行了优化。结果表明,采用优选的控制增益和控制目标可为独立轮对两轴转向架车辆提供良好的导向控制效果。

关键词：独立轮对主动导向左右车轮转速差 PID控制优选控制增益

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采用轮毂电机的独立车轮轮对的主动导向控制

中国铁道科学 2010年第5期31卷 77-83页

作者：任利惠周劲松沈钢同济大学铁道与城市轨道交通研究院上海201804

研究采用左、右车轮的转速差作为反馈量对轮毂电机独立车轮轮对进行主动导向控制的效果。结果表明:如果仅使用转速差作为反馈量,只能使轮对获得类似刚性轮对的导向能力;而在补偿轨道曲率和车辆速度信息以后,可以使轮对的横移接近线路的... 详细信息

研究采用左、右车轮的转速差作为反馈量对轮毂电机独立车轮轮对进行主动导向控制的效果。结果表明:如果仅使用转速差作为反馈量,只能使轮对获得类似刚性轮对的导向能力;而在补偿轨道曲率和车辆速度信息以后,可以使轮对的横移接近线路的中心位置。引入反馈控制后,随着控制增益的增加,系统的临界速度逐渐下降,补偿轨道曲率和车辆速度信息并不改变轮毂电机独立车轮主动导向控制的稳定性。在PI控制器作用下,基于左、右轮转速差为反馈量的轮毂电机独立车轮轮对的行为类似于弹性—阻尼耦合轮对,其稳定性与弹性—阻尼耦合轮对相同,在补偿轨道曲率和车辆速度信息后其导向能力能够优于弹性—阻尼耦合轮对。

关键词：独立车轮轮毂电机主动导向控制铁道车辆

用于转臂式轴箱定位转向架的轮对主动导向装置研究

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机车电传动 2022年第4期 83-88页

作者：刘慧斌倪文波马少明西南交通大学机械工程学院四川成都610031 青岛申晟轨道装备有限公司山东青岛266111

转向架轮对主动导向技术可以很好地解决传统转向架设计过程中运行稳定性和曲线通过性相互矛盾的问题。针对目前几种主动导向装置的特点,在此基础上提出一种用于转臂式轴箱定位转向架的主动导向装置。该主动导向装置将2个柱塞缸集成于橡... 详细信息

转向架轮对主动导向技术可以很好地解决传统转向架设计过程中运行稳定性和曲线通过性相互矛盾的问题。针对目前几种主动导向装置的特点,在此基础上提出一种用于转臂式轴箱定位转向架的主动导向装置。该主动导向装置将2个柱塞缸集成于橡胶节点内。当车辆通过曲线时,通过控制其中一侧的柱塞,使其推动轴箱相对于构架沿纵向方向运动,实现对轮对的主动导向,并对该装置的性能进行了分析,该主动导向装置性能优良。研究结果可为轮对主动导向技术的工程化应用提供技术思路。

关键词：铁道车辆转臂式定位主动导向可控橡胶节点故障导向安全

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独立车轮主动导向技术研究

独立车轮主动导向技术研究

作者：吴泳江西南交通大学

学位级别：硕士

随着我国城市化进程的加速,城市轨道交通飞速发展。100%低地板车由于其外形美观、乘坐方便、绿色环保等诸多优势,成为城市轨道交通的一个重要组成部分,在我国拥有广阔的运用前景。独立车轮对于实现整车低地板起到关键的作用,应用也越来... 详细信息

随着我国城市化进程的加速,城市轨道交通飞速发展。100%低地板车由于其外形美观、乘坐方便、绿色环保等诸多优势,成为城市轨道交通的一个重要组成部分,在我国拥有广阔的运用前景。独立车轮对于实现整车低地板起到关键的作用,应用也越来越广泛。独立车轮的导向问题一直是独立车轮研究的热点和难点,综合独立车轮导向技术的国内外研究现状,主动导向是当前独立车轮导向的一个重要研究方向。本文从轮轨关系出发,推导了与轮对导向相关的重力复原力和轮轨蠕滑力的公式。并分别就刚性轮对和独立车轮的直线和曲线通过运动分析得出：刚性轮对具有直线对中和曲线导向能力主要是由于其重力复原力和轮轨蠕滑力的联合作用,而独立车轮纵向蠕滑力矩不足,所以其对中能力和导向能力都不如刚性轮对,需要使用其他方法,让其获得导向能力。在仿真软件SIMPACK中分别建立了刚性轮对转向架车辆和独立车轮转向架车辆的动力学模型,仿真结果验证了刚性轮对具有良好的导向能力,而独立车轮缺乏导向能力。从运动方程出发,研究了独立车轮的两种主动导向方法AIRW和DIRW。在MATLAB/Simulink软件中分别建立了AIRW和DIRW的控制模型,同时结合SIMPACK中的车辆模型进行SIMAT联合仿真。仿真结果表明：两种方法都能使独立车轮获得主动导向能力,补偿线路曲率和车辆运行速度后的AIRW能使独立车轮在圆曲线轨道上回到轨道中心,而DIRW在补偿线路曲率和车辆运行速度后依然不能回到轨道中心,但是轮对横移量小于不补偿的情况。针对AIRW导向方法中作动器的选择与控制,在MATLAB/Simulink中建立基于BLDCM的机电作动器的双闭环控制模型,通过仿真表明：该作动器具有良好的稳定性,响应速度快,作为导向控制系统的伺服环对主环控制器计算所得的主动导向作动力跟踪效果好、误差小,能够满足主动导向作动的需求。最后对考虑作动器伺服环的控制系统的滞后和失效问题进行了简单研究,结果表明：主动导向控制系统控制滞后8ms以内时对系统影响不大,仅在缓和曲线上有些许误差,但滞后超过8ms时系统出现失稳。主动导向过程中控制失效后,独立车轮将不再具备导向的能力,可能引发严重的安全问题,所以应该采用适当的方法来提高系统失效后的安全性和可靠性。

关键词：独立车轮主动导向 SIMAT联合仿真 BLDCM作动器主环/伺服坏

独立旋转车轮单轴转向架主动导向滚动试验台研究

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独立旋转车轮单轴转向架主动导向滚动试验台研究

作者：刘勇西南交通大学

学位级别：硕士

城市轻轨车辆具有造价低、运力适中、污染小等优点,适于解决中等规模城市日益增长的交通运输问题。城市轻轨车辆有不少类别的走行部,单轴转向架是其中一种,单轴转向架车辆具有编组灵活、簧下质量小、噪声小、易于通过小半径曲线轨道等优... 详细信息

城市轻轨车辆具有造价低、运力适中、污染小等优点,适于解决中等规模城市日益增长的交通运输问题。城市轻轨车辆有不少类别的走行部,单轴转向架是其中一种,单轴转向架车辆具有编组灵活、簧下质量小、噪声小、易于通过小半径曲线轨道等优点,有益于城轨轻轨车辆的推广。根据转向架轮组结构的不同,又可分为独立轮单轴转向架、车轮与车轴一体式单轴转向架。独立轮单轴转向架拥有单轴转向架的一切优点,且独立轮的特性使得车辆可以实现低地板,极大的方便了人们出行。但独立轮缺乏纵向蠕滑力,使得车辆没有直线轨道自动对中能力与曲线轨道自动导向能力,所以研究独立轮单轴转向架的导向问题是研究城市轻轨车辆的重要方向。本文分析了独立轮单轴转向架滚动试验台的曲线通过模拟原理,对曲线通过的超高特征、离心力特征、内外轨道长度差特征、冲角特征进行了详细的分析计算。利用动力学软件建立了滚动试验台的模型和独立轮单轴转向架车辆模型,根据曲线通过模拟原理进行仿真,结果显示滚动试验台可以很好的模拟独立轮单轴转向架车辆的曲线通过工况。分析独立轮单轴转向架车辆主要部件构成,设计主动导向控制结构方案,并以轮组横向位移为输入设计了PDF主动控制策略,在滚动试验台模型上进行联合仿真,结果显示该控制策略改善了滚动试验台上车辆的曲线通过性能,说明主动导向可以在试验台上实现。进一步地,建立车辆在横向动力学上的数学模型,根据得到的数学模型设计了LQR主动导向控制策略,利用动力学软件对车辆进行建模,结合Simulink与SIMPACK进行曲线线路主动导向联合仿真,结果显示该策略使得车辆在曲线轨道上的曲线通过性能得到改善,这说明滚动试验台上的主动导向控制方案亦可以在线路车辆上实现。根据相似理论设计比例独立轮单轴转向架滚动试验台方案,包括各个装置结构的设计、电机等执行元件的选型、传感器的选型、控制器以及数据采集卡的选型。研究电动机等执行元件的控制方法,设计传感器的测试程序。构建了主动导向测控系统,进行比例滚动试验台的试验验证。

关键词：独立旋转车轮单轴转向架滚动试验台主动导向 LQR控制 PDF控制曲线模拟原理

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独立轮对主动导向控制方案的研究

独立轮对主动导向控制方案的研究

作者：孔振文西南交通大学

学位级别：硕士

运动稳定性和曲线通过性能的协调矛盾一直是传统刚性轮对车辆难以解决的问题。独立轮对的左右轮可独立旋转,其车辆在理论上可兼顾两种性能,还有轮轨噪声和磨耗小的优点。然而,独立轮对先天缺失自导向能力,为此,针对独立轮对两轴转向架... 详细信息

运动稳定性和曲线通过性能的协调矛盾一直是传统刚性轮对车辆难以解决的问题。独立轮对的左右轮可独立旋转,其车辆在理论上可兼顾两种性能,还有轮轨噪声和磨耗小的优点。然而,独立轮对先天缺失自导向能力,为此,针对独立轮对两轴转向架车辆的主动导向控制问题,开展了如下研究工作:基于蠕滑理论,推导自由独立轮对的动力学公式。对比分析自由独立轮对和刚性轮对的运动特性表明:两者存在相似的运动模态,但前者振荡行为更弱。从力学角度分析,可知独立轮对能通过控制摇头角或左右车轮转角速度,实现主动导向。从作用力的角度划分车轮力导向单元和体耦合导向单元,论述其导向原理。刚性轮对和独立轮对相互组合的两轴转向架动力学分析表明:独立轮对有助于提高运动稳定性。刚性轮对在前,独立轮对在后的车辆曲线通过性能更好,进一步证明了独立轮对两轴转向架车辆在理论上可以兼顾运动稳定性和曲线通过性能。以左右车轮转角速度差之半为反馈量,给出两种主动导向控制方案:主动摇头和主动差转导向控制。基于不同的控制目标,细分为四种控制方案。根据钢轨、车轮和转向架间的作用关系,设计了两种防车轮打滑的输出调节限幅器。采用随机法比选每种控制方案的控制增益。仿真对比了刚性轮对车辆和受优选导向控制的独立轮对两轴转向架车辆的性能参数,结果表明:四种控制方案都可改善IRW车辆的导向性能,但后两者会受一系纵向刚度和轮轨接触关系限制。以左右车轮理想转角速度差之半为控制目标,可提供更好的导向性能。仿真研究缓和曲线长度、曲率半径和轮轨接触关系对受控车辆性能参数的影响,分析改善方法。针对主动差转导向控制方案,给出了根据不同线路环境和车速状态优选控制增益的经验公式,优化控制目标的方向。通过研究控制延迟的影响,得出控制延迟低于0.4 s的主动差转导向控制系统可以满足应用需要。分析不同参数对受控车辆系统稳定性的影响。分析常用的测速方法误差,得出T法测速在低速、不考虑冲击振动等因素影响的条件下对于独立轮对车辆速度反馈控制是可行的。

关键词：独立轮对主动导向控制稳定性曲线通过性能

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独立旋转车轮主动导向控制策略仿真研究

独立旋转车轮主动导向控制策略仿真研究

作者：黄晓青西南交通大学

学位级别：硕士

独立旋转车轮是实现100%低地板车的关键技术。不同于刚性轮对,左右车轮解耦之后,独立旋转车轮不再具有直线对中和曲线导向的能力,这一缺陷阻碍了独立旋转车轮的应用。因此,提高独立旋转车轮的导向能力一直是研究的重点,各国研究人员提... 详细信息

独立旋转车轮是实现100%低地板车的关键技术。不同于刚性轮对,左右车轮解耦之后,独立旋转车轮不再具有直线对中和曲线导向的能力,这一缺陷阻碍了独立旋转车轮的应用。因此,提高独立旋转车轮的导向能力一直是研究的重点,各国研究人员提出了不少解决方案,其中,主动导向技术是解决其导向难题的有效方法之一。本文以实际研究对象为例,构建了独立旋转车轮的SIMPACK动力学模型,并在SIMPACK中对独立旋转车轮的直线对中性能和曲线导向性能进行仿真。仿真结果表明:独立旋转车轮转向架不具备直线对中和曲线导向的能力。设计了PI控制、LQG控制和μ综合三种控制策略,建立了独立旋转车轮整车SIMPACK动力学模型。然后建立联合仿真模型,仿真结果表明:三种控制策略都能使独立旋转车轮的直线对中和曲线导向性能得到明显改善。从控制效果上看,PI控制器和LQG控制器的控制效果相当。不同之处在于,PI控制器的控制过程更顺畅,横移量曲线更加平滑。而LQG控制器作用下,独立旋转车轮在离开轨道曲线后,能迅速回到轨道中心。μ综合控制器能使独立旋转车轮回到轨道中心,但需要较长的时间。基于相似理论,初步设计了基于dSPACE平台的独立旋转车轮主动导向控制系统,并搭建出了相应的半实物仿真平台,以验证上述控制策略。

关键词：独立旋转车轮主动导向 PI控制 LQG控制 μ综合联合仿真 dSPACE

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独立轮对主动导向技术与结构研究

机械 2016年第8期43卷 36-42页

作者：李红周文祥王晨晨西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031

为解决独立轮对的主动导向问题,展开对独立轮对主动导向结构的研究。介绍了刚性轮对及独立轮对的导向机理,对比二者的本质差别分析影响轮对导向的根本原因。研究适合于独立轮对耦合使用的行星齿轮机械差速器结构,通过对转速差控制的导... 详细信息

为解决独立轮对的主动导向问题,展开对独立轮对主动导向结构的研究。介绍了刚性轮对及独立轮对的导向机理,对比二者的本质差别分析影响轮对导向的根本原因。研究适合于独立轮对耦合使用的行星齿轮机械差速器结构,通过对转速差控制的导向的理论研究及行星齿轮结构的转速传递关系,得出在一定条件下导向结构的控制目标式,研究独立轮对主动导向转速控制系统的控制策略与方法,验证了导向结构方案的可行性,因此这个设计具有很强的理论价值和现实意义。

关键词：独立轮对机械耦合行星齿轮主动导向

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基于主动差速器的独立轮对导向技术研究

基于主动差速器的独立轮对导向技术研究

作者：李红西南交通大学

学位级别：硕士

独立轮对在实现低地板的同时,也使其在直线上的自动对中性能与在曲线上的导向性能随之消失,二者统称为独立轮对的导向功能。分析国内外的研究情况及发展现状,借鉴坦克装甲车等履带车辆的导向原理,本文针对独立轮对导向问题。展开了如下... 详细信息

独立轮对在实现低地板的同时,也使其在直线上的自动对中性能与在曲线上的导向性能随之消失,二者统称为独立轮对的导向功能。分析国内外的研究情况及发展现状,借鉴坦克装甲车等履带车辆的导向原理,本文针对独立轮对导向问题。展开了如下研究：对刚性轮对在直线及曲线上的导向机理及影响因素进行了深入的研究,总结得出可以通过控制左右车轮的转速进一步控制独立轮对的导向性能。根据转速导向控制理论研究设计了一种独立轮对机械耦合使用的行星齿轮机械差速器,通过对其结构及传动原理的研究分析实现了输出轴差速的设计目的。分析了控制该差速独立轮对运动过程的方法,建立基于主动差速器的独立轮对SIMPACK模型,建立参数模块的SIMULINK控制方式,进而建立SIMAT联合仿真模型,实现模型的数据连接、参数获取及实时控制。仿真其在直线及曲线上的运动状态,对比刚性轮对与独立轮对模型的仿真结果,并得到如下结论：(1)刚性轮对在直线运动时能够实现自动对中及复位;在曲线上主要依靠重力复原力及轮轨蠕滑来实现导向功能;独立轮对在直线上不能实现自动对中功能;在曲线上缺少主动导向功能,易发生脱轨事故。(2)差速独立轮对转向架模型在直线运动过程中,其轮对横向偏移量会随着时间的推移而逐渐减小,直至为零,因此在直线上差速独立轮对具有刚性轮对特有的直线自动对中功能;在曲线轨道上,其一位轮对横向偏移量绝对值小于独立轮对,且安装有主动差速装置的二位轮对轮对横向偏移量数值较小,绝对值维持在2.7mm左右,在轮轨接触范围内,且该值远小于独立轮对模型,因此差速独立轮对在曲线上具有很好的主动导向功能,相对于刚性与独立轮对来说,其主动导向功能更优,同时其在小半径曲线上的导向通过性能优势明显,轮轨磨耗更小,安全性更高,满足设计要求。(3)通过对差速独立轮对模型的结构设计及控制策略的研究,完成了对基于主动差速器的独立轮对模型的实物制作、安装及试验,根据试验结果得出主要结论包括：本文所研究设计的差速独立轮对模型能够通过控制内齿圈转动角速度达到控制独立轮对左右轮对转速差的目的,车轮运动距离或转动弧长与输入量控制端蜗杆的转动角度之间成正比例关系,可以实现在曲线轨道上的主动导向功能,具有很好的可靠性和应用价值。综上所述,差速独立轮对模型具有刚性轮对特有的直线对中性能及更优于独立轮对的曲线主动导向性能,有效的结合了二者的优势,实现了独立轮对小半径曲线的主动导向性和直线轨道自动对中能力的综合需求,推动了独立轮对应用于低地板城轨车辆的理论研究向实际应用的转化。

关键词：独立轮对主动导向机械耦合行星齿轮主动差速器 SIMAT联合仿真