城市軌道車(chē)輛牽引仿真分析模塊的開(kāi)發(fā)

城市軌道車(chē)輛牽引仿真分析模塊的開(kāi)發(fā)

城市公路車(chē)輛是集大、電、控制、信息技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品。它集成度高，復(fù)雜性強(qiáng)。它是從概念、設(shè)計(jì)、零件測(cè)試、車(chē)輛安裝和性能測(cè)試（包括動(dòng)態(tài)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控性能、拆卸安全性能、零件可靠性和勞動(dòng)性）到最終產(chǎn)品的確認(rèn)。整個(gè)過(guò)程是漫長(zhǎng)的，試驗(yàn)成本非常高。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，預(yù)測(cè)和管理性能的缺點(diǎn)，以及對(duì)零件的勞動(dòng)性、可靠性預(yù)測(cè)和預(yù)防。因此,從降低新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本、縮短研發(fā)周期等方面來(lái)看,對(duì)于城市軌道車(chē)輛這樣復(fù)雜的機(jī)電控制一體化的系統(tǒng)更適合采用虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)(VPD)技術(shù)進(jìn)行新產(chǎn)品的全過(guò)程集成開(kāi)發(fā)和信息共享。根據(jù)城市軌道車(chē)輛的特點(diǎn),同濟(jì)大學(xué)初步建立了城市軌道車(chē)輛虛擬設(shè)計(jì)和數(shù)字化仿真平臺(tái),完成平臺(tái)總體框架設(shè)計(jì)和關(guān)鍵的車(chē)輛性能計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer-aidedEngineering,CAE)分析集成,實(shí)現(xiàn)軌道交通車(chē)輛分析開(kāi)發(fā)的工作流引用集成(包括參數(shù)化定義、分析)和仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(SDM)。平臺(tái)具有:①基于分布式構(gòu)架和商業(yè)規(guī)格(CS)的先進(jìn)性;②開(kāi)放性;③直觀性;④友好的人-機(jī)界面;⑤標(biāo)準(zhǔn)化;⑥實(shí)用性。其設(shè)計(jì)思想、功能、使用習(xí)慣源于設(shè)計(jì)人員的真正需求。該平臺(tái)采用中央控制服務(wù)器為中心的分布式Web局部網(wǎng)絡(luò)。它采用MSC公司的CAE軟件包作為研發(fā)軟件平臺(tái),開(kāi)發(fā)出包括車(chē)輛動(dòng)力學(xué)分析模塊、零部件強(qiáng)度和模態(tài)分析模塊、關(guān)鍵零部件疲勞分析等模塊,具備多體動(dòng)力學(xué)仿真、結(jié)構(gòu)有限元分析和模態(tài)分析、疲勞和可靠性分析等功能。由于采用MSC公司的基本商用軟件作為統(tǒng)一開(kāi)發(fā)平臺(tái),因而能夠保證整個(gè)軟件平臺(tái)的一致性,且具備開(kāi)放接口程序,方便添加其他商用和自主研發(fā)軟件。本文在同濟(jì)大學(xué)開(kāi)發(fā)的城市軌道車(chē)輛虛擬設(shè)計(jì)和數(shù)字化仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了一個(gè)城市軌道車(chē)輛牽引仿真模塊。它主要實(shí)現(xiàn)城軌車(chē)輛(列車(chē))在牽引(制動(dòng))過(guò)程中,走行部機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能的一體化聯(lián)合仿真;研究車(chē)輛機(jī)械系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)在該工況下的綜合動(dòng)力學(xué)性能、相互作用和影響,為列車(chē)運(yùn)行控制提供基本的仿真模型。不同于文獻(xiàn)中介紹的以整車(chē)作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的建模方式,該模塊可實(shí)現(xiàn)在不同粘著(蠕滑)條件下的輪軌相互作用、轉(zhuǎn)向架及主要零部件的動(dòng)態(tài)載荷、車(chē)輛(列車(chē))縱向動(dòng)力學(xué)、電機(jī)特性、牽引和運(yùn)行等功能的仿真分析。該模塊是城市軌道交通車(chē)輛虛擬設(shè)計(jì)和數(shù)字化仿真分析平臺(tái)核心模塊之一,提供良好的人機(jī)界面和可視化操作,實(shí)現(xiàn)與牽引(制動(dòng))運(yùn)行相關(guān)的各種參數(shù)輸入和選擇,通過(guò)曲線(xiàn)、圖表、動(dòng)畫(huà)等多種形式輸出仿真結(jié)果。1模擬模塊動(dòng)力學(xué)模型的引入和實(shí)現(xiàn)1.1輪軌間的監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)動(dòng)態(tài)模型模擬采用地鐵1號(hào)線(xiàn)北延長(zhǎng)線(xiàn)的6節(jié)編組的列車(chē)為研究對(duì)象。上海地鐵1號(hào)線(xiàn)有拖車(chē)(A型)、帶受電弓的動(dòng)車(chē)(B型)和不帶電弓的動(dòng)車(chē)(C型)共3種類(lèi)型,采用6節(jié)編組,其排列為A-B-C-C-B-A。由于車(chē)輛采用的是對(duì)稱(chēng)排列,同時(shí)為了仿真計(jì)算時(shí)節(jié)省機(jī)時(shí),按照編組型式,采用拖車(chē)+動(dòng)車(chē)+動(dòng)車(chē)(即T+M+M)的3節(jié)編組為牽引仿真的基本模型。車(chē)輛之間用鉤緩裝置編組掛接,假定車(chē)鉤只傳遞縱向力。模型中采用彈性連接元件和阻尼器來(lái)模擬,如圖1所示。車(chē)輛牽引裝置中牽引電動(dòng)機(jī)采用架懸的方式,牽引電機(jī)通過(guò)4個(gè)螺拴懸掛在構(gòu)架上。電機(jī)輸出端通過(guò)彈性聯(lián)軸器與齒輪箱連接。齒輪箱一端通過(guò)吊桿彈性連接到構(gòu)架,一端抱死在軸上,將牽引力矩傳遞到輪對(duì)上。在模型中采用剛體模型來(lái)模擬電機(jī)、聯(lián)軸器以及齒輪箱的質(zhì)量、質(zhì)心位置以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等,電機(jī)按照實(shí)際位置通過(guò)彈性定位節(jié)點(diǎn)連接到構(gòu)架,聯(lián)軸器通過(guò)鉸接聯(lián)接電機(jī)和齒輪箱,齒輪箱一端根據(jù)實(shí)際位置通過(guò)定位節(jié)點(diǎn)聯(lián)接構(gòu)架,一端鉸接到車(chē)軸上通過(guò)齒輪副來(lái)模擬齒輪箱傳遞力矩。圖2為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架模型。輪軌間相互作用力的模擬采用多體動(dòng)力學(xué)模型,與傳統(tǒng)牽引計(jì)算質(zhì)點(diǎn)模型有很大不同。由于Kalker線(xiàn)性理論只適用于小蠕滑率和小自旋的情形,對(duì)于在牽引和制動(dòng)過(guò)程中,輪軌接觸可能出現(xiàn)的大蠕滑、大自旋甚至完全滑動(dòng)的情況,輪軌蠕滑力將呈飽和狀態(tài),蠕滑力與蠕滑率成非線(xiàn)性關(guān)系。為此,采用Johnson-Vermeulen理論作如下修正,使蠕滑力的計(jì)算可廣泛適用于任意蠕滑率和大自旋的情形。將按照Kalker線(xiàn)性理論計(jì)算的縱向蠕滑力Fx和橫向蠕滑力Fy合成為FR=F2x+F2y???????√(1)FR=???????fN[FRfN?13(FRfN)2+127(FRfN)3]?FR≤3fNfN?FR>3fN(2)FR=Fx2+Fy2(1)FR={fΝ[FRfΝ-13(FRfΝ)2+127(FRfΝ)3]?FR≤3fΝfΝ?FR>3fΝ(2)式中,FR為合成蠕滑力;f為輪軌間摩擦系數(shù);N為壓力。定義縮減因子為ε=F′RFR(3)ε=F′RFR(3)式中,F′R為非線(xiàn)性蠕滑力。則非線(xiàn)性蠕滑力/力矩可表示為?????F′x=εFxF′y=εFyM′z=εMz(4){F′x=εFxF′y=εFyΜ′z=εΜz(4)式中,Mz為蠕滑力力矩。根據(jù)研究,輪軌間的粘著因數(shù)與輪軌踏面的表面狀態(tài)、輪軌間的蠕滑速度等有關(guān),圖3為不同路況時(shí)的粘著特性曲線(xiàn)。由圖3可知,雖然不同路況下的粘著特性曲線(xiàn)互不相同,但在各種路況下都存在相應(yīng)的粘著因數(shù)最大值μmax。設(shè)粘著因數(shù)最大值μmax處的蠕滑速度為vspot,并稱(chēng)μmax,vspot為粘著峰值點(diǎn),如圖3中的A,B點(diǎn)。顯然,路況不同,相應(yīng)的粘著峰值點(diǎn)也不同,且只有當(dāng)粘著因數(shù)取最大值μmax時(shí),能夠傳遞的牽引力才達(dá)最大值。粘著控制的目標(biāo)就是在城軌車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中,在需要時(shí),使實(shí)際的粘著因數(shù)盡量逼近于當(dāng)時(shí)路況的粘著因數(shù)最大值μmax,從而獲得最大的牽引力。1.2園區(qū)鐵路運(yùn)營(yíng)控制系統(tǒng)的模擬模型1.2.1牽引加速-2-制動(dòng)模式根據(jù)實(shí)際運(yùn)行要求和預(yù)先的設(shè)定,按照牽引加速-惰行-制動(dòng)的方式進(jìn)行運(yùn)行控制。在每個(gè)階段,如牽引加速階段,采用恒扭矩控制、恒加速度控制等不同方式。1.2.2縱向模糊控制對(duì)沒(méi)有預(yù)先給定的運(yùn)行控制策略,或在較不利的粘著條件下,通過(guò)檢測(cè)列車(chē)縱向速度、車(chē)輪瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度、車(chē)輪滾動(dòng)圓半徑及輪軌接觸關(guān)系,可以實(shí)時(shí)計(jì)算縱向蠕滑率大小,即該參數(shù)是可觀測(cè)的,在實(shí)際控制中可以作為控制變量。因此,模型中采用控制縱向蠕滑率的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輪軌粘著的控制,在需要大牽引力矩時(shí),如果此時(shí)的輪軌間蠕滑率沒(méi)有達(dá)到粘著利用最大對(duì)應(yīng)的數(shù)值,則可以繼續(xù)增加電機(jī)的輸出力矩。如果蠕滑率超過(guò)粘著利用的最大值點(diǎn),則減小電機(jī)牽引力矩的輸出,防止出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或者打滑。1.2.3-電機(jī)聯(lián)合仿真系統(tǒng)圖4為基于MATLAB/Simulink環(huán)境下的列車(chē)牽引運(yùn)行的機(jī)械-電機(jī)聯(lián)合仿真系統(tǒng)。使用運(yùn)行速度控制模塊(牽引控制)、電機(jī)力矩控制模塊、運(yùn)行距離控制模塊(制動(dòng)控制)、制動(dòng)系統(tǒng)仿真模塊以及蠕滑力修正模塊,通過(guò)控制變量的輸入輸出,連接機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。2牽引過(guò)程仿真地鐵1號(hào)線(xiàn)6節(jié)編組的列車(chē),由于車(chē)輛采用對(duì)稱(chēng)排列,同時(shí)為節(jié)省仿真分析機(jī)時(shí),采用拖車(chē)+動(dòng)車(chē)+動(dòng)車(chē)(即T+M+M)的3節(jié)編組為牽引仿真的基本模型。在平臺(tái)上提供了單個(gè)動(dòng)車(chē)和3節(jié)編組的車(chē)組從陜西南路-黃陂南路的牽引過(guò)程仿真結(jié)果。通過(guò)平臺(tái),可方便地改變線(xiàn)路區(qū)間,對(duì)不同線(xiàn)路進(jìn)行仿真,研究在牽引過(guò)程中電機(jī)扭矩、車(chē)輛運(yùn)行加速度、車(chē)輛運(yùn)行位置變化、輪軌作用力等不同方面的指標(biāo)。2.1系橫向模型仿真分析主要參數(shù)如下:輪對(duì)簧下質(zhì)量(每軸)為1312kg;轉(zhuǎn)向架構(gòu)架質(zhì)量為2312kg;二系簧上質(zhì)量(空車(chē))為24893kg;二系簧上質(zhì)量(重車(chē))為43803kg;每軸箱一側(cè)的一系剛度縱向?yàn)?0MN/m,橫向?yàn)?.5MN/m,垂向?yàn)?.19MN/m;一系垂向阻尼系數(shù)為10.63kN·s/m;每轉(zhuǎn)向架一側(cè)的二系剛度縱向?yàn)?47kN/m,橫向?yàn)?47kN/m,垂向?yàn)?94kN/m;二系橫向阻尼系數(shù)為40MN·s/m;二系垂向阻尼系數(shù)為20.59kN·s/m;抗測(cè)滾扭桿剛度為2.5MN·m/rad;車(chē)輪半徑為0.42m;滾動(dòng)圓橫向間距為1.5m;車(chē)輛定距為15.7m;轉(zhuǎn)向架固定軸距為2.5m。2.2仿真模型的驗(yàn)證由于建立電機(jī)控制模型時(shí),對(duì)電機(jī)的控制進(jìn)行了簡(jiǎn)化,能夠更加有利于動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算,因此可能會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。為此,在相同車(chē)輛縱向加速度和電機(jī)輸出的牽引力矩的條件下,對(duì)2動(dòng)1拖3車(chē)系統(tǒng)在空載工況下仿真與實(shí)際運(yùn)行車(chē)輛的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,考查仿真模型的精確性。從車(chē)體縱向加速度的數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖5)可以看出,仿真計(jì)算的結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果比較相近,較好地模擬了加速起動(dòng)過(guò)程。2.3恒加速控制方式在實(shí)際線(xiàn)路的仿真分析在空載和重載2種工況下,3車(chē)車(chē)組以恒加速控制方式在陜西南路-黃陂南路沿實(shí)際線(xiàn)路進(jìn)行牽引工況仿真分析,仿真分析的結(jié)果如圖6、7所示。2.4牽引-直動(dòng)-制動(dòng)全工況仿真分析在空載和重載2種工況下,3車(chē)車(chē)組以恒定加速控制方式啟動(dòng),沿陜西南路-黃陂南路實(shí)際線(xiàn)路運(yùn)行,達(dá)到80km/h速度后惰行,然后制動(dòng),并在車(chē)站停車(chē),進(jìn)行區(qū)間運(yùn)行的牽引-惰行-制動(dòng)全工況仿真分析,結(jié)果如圖8所示。3車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能一體化仿真借助于軌道車(chē)輛虛擬設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái),根據(jù)城市軌道列車(chē)的運(yùn)行特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了牽引和運(yùn)行仿真模塊,該模塊主要功能如下:(1)牽引和運(yùn)行仿真模塊主要實(shí)現(xiàn)城軌車(chē)輛在牽引、惰行和制動(dòng)過(guò)程中的走行部機(jī)械系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能的一體