分数阶PID扭矩控制在边驱耦合轻轨车辆的应用研究

边驱耦合独立轮对(Independently rotating wheelset,IRW)技术是100%低地板轻轨车(Low floor tram,LFT)的关键技术之一,边驱电机的扭矩控制策略直接影响轻轨车的动力学性能.本文基于5自由度独立轮对的轨行机理,搭建了考虑边驱传动系统的单节轻轨车动力学模型.应用了一种分数阶PID(Fractional order PID,FOPID)扭矩控制策略,优化了车辆的曲线通过性能.采用Riemann-Liouville(RL)分数阶微积分理论及Oustaloup滤波器数值逼近法构成FOPID控制器,通过寻优运算对FOPID参数进行整定,在Simulink平台下建立了整车的集成控制系统.通过扭矩控制器与整车动力学模型s函数联合仿真的方式,开展了100%低地板轻轨车辆的直线与曲线运行特性研究,并将计算结果与无控制的独立轮对模型、传统轮对模型进行了对比分析.研究结果表明,在直线运行下,FOPID控制下的轻轨车能够提高车辆的稳定性,受控轮对的抗轨道不平顺激扰能力较强.在大半径曲线下,无控制的独立轮对曲线通过性较差,而受分数阶PID控制的独立轮对能够表现出与传统轮对一样优异的曲线通过性能;在小半径曲线下,分数阶PID扭矩控制策略能够使轻轨车获得足够的导向力,曲线通过性能明显优于其他模型.     

长春轻轨3号线钢轨轨底坡对列车车轮磨耗的影响

摘要： 为探究小半径曲线钢轨轨底坡对车轮磨耗的影响规律,建立长春市轻轨3号线70%低地板轻轨列车车轮磨耗预测分析模型,包括独立旋转轮对的车辆 轨道耦合动力学计算模型、轮轨接触模型和Archard材料磨耗模型,并采用这些模型分析轻轨列车通过小半径曲线轨道时轨底坡对车轮磨耗的影响。分析结果表明：轻轨列车通过小半径曲线轨道时,动车轮对的磨耗程度比拖车轮对更严重,动车轮对总磨耗量为拖车轮对总磨耗量的159%;从轮对自身来看,内侧车轮的磨耗均比外侧车轮的磨耗严重,内侧车轮总磨耗量为外侧车轮总磨耗量的165%;钢轨轨底坡对车轮磨耗的影响显著,车轮踏面最大磨耗量出现位置随轨底坡变化的规律较为复杂,车轮轮缘磨耗量在轨底坡为1/20时最小。     

基于Simpack的磁浮列车用空气弹簧动力学建模与仿真分析

空气弹簧对中低速磁浮列车悬浮系统性能和车辆运行平稳性有着重要的影响,若用弹簧阻尼系统代替空气弹簧建立磁浮车辆的动力学模型,则存在模型误差大、仿真精度差等问题。该文以磁浮列车用空气弹簧为研究对象,基于Simpack动力学分析软件,建立了带附加气室空气弹簧的动力学模型,并对其进行了试验验证,在此基础上研究了节流孔直径、附加气室容积对空气弹簧动力学的影响。建模思路为磁浮列车车辆动力学建模提供了新的方法,仿真结果为空气弹簧的优化设计提供了参考。     

基于Marc的空气弹簧横向特性分析

为实现空气弹簧的横向特性和强度分析,基于有限元非线性接触技术,用Marc对空气弹簧的非线性横向刚度特性进行数值模拟,分析最大横向力作用下空气弹簧各部分的应力分布,横向刚度计算结果与试验结果基本一致,表明空气弹簧的建模与仿真方法的合理性,为空气弹簧优化设计和特性分析提供参考.     

一系定位刚度对转向架群配置高速货运动车组车辆动力学性能影响研究

为了提高我国铁路对大型、重型、贵重货物的快捷高效运输能力,中车唐山机车车辆有限公司研发了转向架群配置的高速货运动车组.基于多体系统动力学理论,建立了转向架群配置的高速货运动车组车辆系统动力学模型,确定了转向架群配置高速货运动车组车辆的非线性临界速度,研究了一系定位刚度对车辆运行非线性临界速度的影响;同时,利用建立的模型研究了一系定位刚度对车辆运行安全性指标以及平稳性指标的影响.研究结果表明,非线性临界速度随着一系纵向定位刚度的增加先增大后减小,而随着一系横向定位刚度的增加整体呈现减小趋势;车辆横向运行平稳性指标随着一系纵向定位刚度的增加有所增加,而垂向平稳性指标基本保持不变;一系横向定位刚度对车辆运行平稳性指标影响不明显.     

轴箱内置与外置直线电机地铁车辆曲线通过性能对比

为比较轴箱内置与外置直线电机地铁车辆的曲线通过性能,建立直线电机地铁车辆-无砟轨道耦合动力学模型.模型将直线电机定子和转子考虑为Euler梁,将定子与转子之间的垂向电磁力作为气隙的函数,将轨道系统简化为梁-三维实体有限元模型.详细比较轴箱内置与外置直线电机车辆曲线通过时的轮对冲角、轮轨横向力、脱轨因数、运行平稳性和车轮磨耗指数.结果表明:在不同的曲线半径和行车速度以及车轮踏面周向存在非均匀磨耗的状态下,轴箱内置直线电机车辆的曲线通过性能均优于轴箱外置车辆;随着曲线半径增加,轴箱外置直线电机车辆动力学性能迅速减小,而轴箱内置式车辆缓慢减小.     

基于刚-柔混合模型的300T铁水车动力学仿真

为保证300t铁水车的安全运输,采用刚-柔混合动力学模型研究了该车的动力学性能.以I-DEAS软件为柔性体仿真平台,ADAMS/Rail软件为多刚体系统仿真平台,给出了创建刚-柔混合动力学模型的技术路线,采用在系统外将所关心的对象柔性化的建模方法建立了某公司研制的特种车辆-300t铁水运输车的刚-柔混合动力学模型.基于刚-柔混合模型的动力学仿真结果表明:弹性轨道对该车运行平稳性和曲线通过性能的影响大于柔性转向架对运行平稳性和曲线通过性能的影响.因此,对这类特种车辆进行动力学仿真应采用弹性轨道.当计算规模很大无法考虑转向架的柔性效应时,仅使用弹性轨道所获得的结果也能达到相当的精度.     

轻轨线路曲线半径对车轮磨耗的影响

为分析线路曲线半径对轻轨列车车轮磨耗的影响,以长春市轻轨3号线70％低地板轻轨列车车轮为研究对象,建立独立旋转轮对的轻轨车辆-轨道耦合动力学计算模型、轮轨接触模型和Archard材料磨耗模型,对轻轨列车车轮磨耗进行仿真分析.计算结果表明:轻轨列车通过半径为50 m的曲线时,圆曲线上的车轮磨耗比缓和曲线更严重,整体轮对比独立轮对磨耗更严重;曲线半径大于150 m时,内、外侧车轮磨耗随着曲线半径增大而减小,并且在曲线半径相同的条件下,独立轮对各车轮磨耗量均比整体轮对各车轮磨耗量约大2 ～3 mm;随着列车行驶里程的增加,车轮磨耗率有先增大后减小的变化趋势,即可以将车轮磨耗分为快速磨耗和稳定磨耗2个阶段.轻轨车辆外侧车轮的磨耗率大于内侧车轮,说明车轮磨耗主要发生在外侧车轮.     

运动车辆梁模型的横向振动频率及模态

将运动车辆的车身模型化为Eder-Bernoulli梁,车轮模型化为梁两端边界处的弹性不等的弹簧,形成半车模型.通过复模态分析法研究平滑路面上移动车体的横向振动特性,给出车体横向振动的频率方程以及模态的表达式,通过数值方法求解系统固有频率以及模态函数.并通过数值算例研究车辆运行速度、车体刚度、轮胎弹性系数对车体横向振动...     

70%低地板轻轨车车内噪声分析和降噪优化

针对城市轨道交通振动噪声问题突显、制造平稳低噪的城市轨道列车的需求较大的问题,研究70%低地板轻轨车车内噪声.建立无内装70%低地板轻轨车体有限元模型及其声学计算模型;以车体板件频率响应的位移振动结果作为声学激励,在车内布置ISO标准场点,获得车内噪声分析结果.将声压峰值处的频率作为目标频率,分析该频率处各低场点的板件贡献量,并确定目标板件;针对目标板件的振动,制定简便易行的降噪优化方案;对比降噪前后的车内声压值,归纳出一套可行的无内装70%低地板轻轨车体降噪方法.     

考虑高速公路横向坡道转向行驶操纵稳定性的汽车轴距和轮距分析

为分析汽车轴距和轮距设计对操纵稳定性的影响,建立高速公路横向坡道转向行驶的汽车转向动力学模型,并在MATLAB/Simulink软件中建立相应的仿真模型.采用某型汽车设计轴距和轮距进行仿真,得到以不同速度在不同横向坡度道路上转向行驶时的横摆角速度、侧向加速度和质心侧偏角.根据该型汽车的转向特性和侧翻阈值评价其在高速公路...     

高速铁道车辆悬挂系统参数化建模、优化与仿真分析

为了协调高速铁道车辆的运动稳定性与曲线通过性能之间的矛盾,本文采用多目标优化方法对一种高速铁道车辆的关键悬挂参数进行了优化处理.采用多体动力学技术建立了某型高速铁道车辆62个自由度的动力学模型,模型考虑了轮轨接触几何非线性、轮轨蠕滑非线性和阻尼非线性等.采用ADAMS-Matlab联合仿真对车辆悬挂系统进行参数化改造,使弹簧刚度和阻尼系数均可调.采用基于遗传算法的多目标优化方法对悬挂参数进行优化,使车辆模型能同时满足3种动力学指标.对比优化前后模型的动力学性能可以发现:模型的运动稳定性和曲线通过性能得到显著提高,虽然运行平稳性有小幅降低,但仍能保持在优良的工作状态.     

柔性轮对结构振动对车辆动力学性能的影响

为研究轮对柔性对车辆动力学的影响,建立高速列车轮对的有限元模型,对轮对进行自由模态分析.通过模态综合法获取柔性轮对模态信息,应用多体系统动力学理论建立柔性轮对-刚性轨道接触力学模型;建立包含高速旋转柔性轮对的车辆-轨道耦合动力学模型,研究高速列车在直线和曲线通过时轮对结构振动对车辆动力学性能的影响.结果表明:轮对的结构振动对轮轨接触点位置、蠕滑率、蠕滑力和脱轨因数等均产生较明显的影响,但是对轮重减载率影响较小,因此应采用更加精确的柔性轮轨耦合模型研究轮轨相互作用、轮轨滚动接触疲劳和轮轨噪声等.     

基于流入角实时变化的气动性对操纵稳定性的影响

为研究汽车受侧风影响时风压中心线位置对整车操纵稳定性的影响,在CCM+软件中计算不同风速和不同流入角下的气动力,获得气动力与风速和车速的合速度以及流入角的初始关系曲线.利用MATLAB和Adams/Car联合仿真,搭建空气动力学和车辆动力学的双向耦合模型,以风压中心线与质心的距离为变量进行仿真分析.结果 显示,随着风压中心线由质心前方移动到质心后方:在开环仿真工况中,车辆的侧向位移会减小,但是如果风压中心线位于车辆后方超过一定的距离,车辆会在气动力产生的横摆力矩作用下向另外一侧偏移;闭环仿真工况中,当风压中心线穿过车辆质心时,由于侧向力的存在,方向盘依然需要一个很小的转角以维持直线行驶,风压中心线需要继续后移以保证方向盘稳态时的回正.     

高速转向工况下的无人驾驶车辆路径跟踪

为提高无人驾驶车辆在高速转向工况下的路径跟踪精度与行驶稳定性,基于三自由度单轨车辆模型与模型预测控制理论,分析前轮转角约束对车辆跟踪精度与行驶稳定性的影响,提出一种自适应于侧向附着力的路径跟踪控制方法.以Pacejka'89魔术公式轮胎模型为基础,分析轮胎纵向受力,以此推算轮胎的侧向附着力,从而建立前轮转角约束随车辆状...     

Effect of tangent track buckle on vehicle derailment

In order to investigate the effect of a tangent track buckle on the dynamic derailment of a railway vehicle, a coupled vehicle/track dynamics model is developed, in which the vehicle is modeled as a 35 D.O.F. multibody system and the track is modeled as a 3-layer discrete elastic support model. Rails are assumed to be Timoshenko beams supported by discrete sleepers, and the effects of vertical and lateral motions and rolling of the rail on the wheel/rail creepages are taken into account. The sleepers are treated as Euler beams on elastic foundation for the vertical vibration, while as lumped masses in the lateral direction. A moving sleeper support model is developed to simulate the effect of the periodical discrete sleepers on the vehicle/track interaction. The vehicle and the track are coupled by wheel/rail contacts whereas the normal forces and the creep forces are calculated using the Hertzian contact theory and the nonlinear creep theory by Shen et al., respectively. The equations of motion of the coupled vehicle/track system are solved by means of an explicit integration method. A tangent track buckle is simulated with a cosine function, which describes the misalignment of the track with different lengths due to its buckling. In the analysis the effects of the buckle wavelength and amplitude and of the vehicle speed on the dynamic behavior of the coupled vehicle/track system are considered. The present paper analyzes in detail the conventional derailment coefficients which include the ratio of the wheel/rail lateral force to the vertical force, the wheel load reduction, and the new criteria indicating the wheel/rail contact point traces and the wheel rise with respect to the rail. These criteria are simultaneously used to evaluate the risk of derailment of the whole vehicle. The numerical results obtained indicate that the track misalignment caused by the buckle and the vehicle speed have a great influence on the whole vehicle running safety when the vehicle passes through the buckled tangent track.     

变轨距货车转向架的动力学分析

建立了考虑轮轴间隙的三大件式变轨距货车转向架动力学模型,研究车辆在准轨和宽轨线路上的动力学性能和LM踏面在不同轨距线路上的轮轨接触关系.考虑轨距为1435mm和1520mm、轨底坡为1/40和1/20、标准和打磨后的多种钢轨廓形与LM踏面匹配,发现LM踏面对两种轨底坡的兼容性较好,而踏面磨耗后对轨底坡变化较敏感;LM踏面在准轨线路上对轮轴横向间隙比较敏感,而在宽轨线路上则不存在这个问题.轮轴之间的横向和旋转间隙会导致车辆临界速度降低,建议控制间隙在0.6mm和0.5mrad以内;轮轴间隙不影响车辆运行安全性和平稳性,且在准轨和宽轨线路上的动力学指标基本无差异.变轨距车辆运行过程中,轮轨横向力和纵向蠕滑力会导致轮轴横向间隙和旋转间隙动态变化,变化量为间隙值;给出轮轴间隙与轮轨载荷的正态分布统计,发现轮轴间隙载荷与轮轨载荷相当.