智軌列車(chē)介紹智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)智軌列車(chē)，是全新一代的交通工具，設(shè)計(jì)最高時(shí)速為70公里，但因?yàn)椴灰蕾?lài)鋼軌行駛，一條運(yùn)行線的建設(shè)周期僅需一年，能快速投入使用。另外，智軌列車(chē)還具有輕軌、地鐵等軌道列車(chē)的零排放、無(wú)污染的特性，并支持多種供電方式。由于采用高鐵柔性編組的模式，智軌列車(chē)還能根據(jù)客流變化調(diào)節(jié)運(yùn)力，比如采用標(biāo)準(zhǔn)的3節(jié)編組時(shí)，列車(chē)可載客超過(guò)300人，5節(jié)編組時(shí)可載客超過(guò)500人，能有效解決普通公交車(chē)載客量小的缺陷，大大提高運(yùn)力。智軌列車(chē)看似無(wú)軌，實(shí)則有“軌”，原因是采用了中車(chē)株洲所的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了的“虛擬軌道跟隨控制”技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它通過(guò)車(chē)載各類(lèi)傳感器識(shí)別路面虛擬軌道線路，將運(yùn)行信息傳送至列車(chē)“大腦”（中央控制單元），根據(jù)“大腦”的指令，在保證列車(chē)實(shí)現(xiàn)牽引、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等正常動(dòng)作的同時(shí)，能夠精準(zhǔn)控制列車(chē)行駛在既定“虛擬軌跡”上，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)行。智軌列車(chē)長(zhǎng)達(dá)30多米，是馬路上的“巨無(wú)霸”，但它卻是一個(gè)靈活的“胖子”。奧秘在于列車(chē)采用了多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等設(shè)計(jì)方式，智能對(duì)虛擬軌跡進(jìn)行跟蹤控制。使整臺(tái)列車(chē)轉(zhuǎn)彎半徑與普通公交車(chē)相當(dāng)，且比普通公交車(chē)輛的通道寬度更小，這就解決了超長(zhǎng)車(chē)身帶來(lái)的轉(zhuǎn)彎難題。同時(shí)，智軌列車(chē)采用類(lèi)似高鐵的雙車(chē)頭設(shè)計(jì)，省卻了掉頭的麻煩。通過(guò)觀看下面的視頻，可以快速了解智軌列車(chē)的特點(diǎn)。當(dāng)前投入商業(yè)運(yùn)行的智軌電車(chē)擁有“ 兩動(dòng)一拖”三編組結(jié)構(gòu)，最大載客超過(guò)300 人，各節(jié)編組之間采用鉸接裝置實(shí)現(xiàn)編組車(chē)輛之間的連接。智軌電車(chē)具備公交系統(tǒng)駕駛靈活、低建設(shè)和運(yùn)維成本的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車(chē)輛架構(gòu)與雙鉸接車(chē)輛的相近，整車(chē)長(zhǎng)度遠(yuǎn)超過(guò)普通汽車(chē)的，因此行駛過(guò)程中整車(chē)的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)是影響車(chē)輛穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵因素之一，也是研究的重點(diǎn)。

中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司鐘漢文等工程師基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)理論，使用Simpack軟件對(duì)3編組智軌電車(chē)從2個(gè)方面開(kāi)展車(chē)輛動(dòng)力學(xué)建模仿真研究：通過(guò)搭建數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展控制系統(tǒng)的仿真研究，為中央虛擬軌跡線循跡控制器、自動(dòng)跟隨轉(zhuǎn)向控制器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持；通過(guò)搭建整車(chē)精細(xì)化模型，開(kāi)展控制系統(tǒng)仿真研究，為整車(chē)動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)與改進(jìn)提供指導(dǎo)。

虛擬樣機(jī)模型及驗(yàn)證車(chē)輛虛擬樣機(jī)模型是研究車(chē)輛特性的基礎(chǔ)，建立能準(zhǔn)確反映車(chē)輛動(dòng)力學(xué)特征的模型是智軌電車(chē)動(dòng)力學(xué)性能研究的重點(diǎn)。整車(chē)虛擬樣機(jī)模型其實(shí)質(zhì)是利用車(chē)輛的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述外界對(duì)車(chē)輛的輸入、車(chē)輛系統(tǒng)以及車(chē)輛系統(tǒng)對(duì)外界的輸出三者之間的關(guān)系。該模型既要保證對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)描述的準(zhǔn)確性，又要將對(duì)研究目標(biāo)影響不大的因素進(jìn)行簡(jiǎn)化，以提高運(yùn)算速度。為了保證模型的準(zhǔn)確性，考慮到車(chē)輛受相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的影響，采用Simpack 軟件搭建虛擬樣機(jī)模型。梳理整車(chē)各系統(tǒng)間的拓?fù)潢P(guān)系，具體如圖6 所示。根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，整理三維設(shè)計(jì)模型、裝配圖紙及彈性參數(shù)測(cè)試報(bào)告，獲取相應(yīng)的質(zhì)量慣量、布置位置及彈簧阻尼等參數(shù)，從而建立智軌電車(chē)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型（圖7）。該模型共涉及159 個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件及440 個(gè)自由度。

為了驗(yàn)證所建立的部件級(jí)動(dòng)力學(xué)模型在彎道工況下的精準(zhǔn)性，設(shè)計(jì)了一個(gè)直角轉(zhuǎn)彎工況進(jìn)行模型驗(yàn)證。選擇一個(gè)直角轉(zhuǎn)彎路線，采集車(chē)輛在直線行駛—轉(zhuǎn)彎行駛—直線行駛整個(gè)過(guò)程中的速度信號(hào)、第一軸轉(zhuǎn)向角信號(hào)及前后兩個(gè)鉸接盤(pán)轉(zhuǎn)向角信號(hào)。其中，速度和第一軸角度作為動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證的輸入，通過(guò)Matlab 和Simpack 的聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)工況運(yùn)行；2 個(gè)鉸接盤(pán)轉(zhuǎn)向角作為仿真測(cè)試的對(duì)標(biāo)指標(biāo)，來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)過(guò)程中，以Mc1 為駕駛端，相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)也按Mc1 為第一車(chē)排序。下圖為鉸接盤(pán)的仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖可見(jiàn)，在仿真和試驗(yàn)過(guò)程中，車(chē)輛的鉸接盤(pán)轉(zhuǎn)向角在變化趨勢(shì)和變化幅值方面都非常吻合。由此可知，所建立的智軌電車(chē)部件級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠較真實(shí)地反映車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。

工況仿真

智軌電車(chē)整車(chē)長(zhǎng)度約為32 m，其在彎道行駛的動(dòng)力學(xué)性能會(huì)直接影響整車(chē)的行駛穩(wěn)定性和安全性。因此，依據(jù)ISO14791－2000 標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)智軌電車(chē)進(jìn)行從穩(wěn)態(tài)直線到穩(wěn)態(tài)圓周的行駛工況設(shè)計(jì)，不僅考慮了穩(wěn)態(tài)工況下車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能，同時(shí)也考慮了由穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)變化過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)性能變化�？紤]到車(chē)輛的側(cè)向加速度小于0．4gn（gn＝9．806 65 m／s2），車(chē)輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)還處于線性階段，為了更好地展示智軌電車(chē)動(dòng)力學(xué)性能，設(shè)定其以8 m／s 的速度直線穩(wěn)定行駛50 m，通過(guò)第一軸轉(zhuǎn)向控制進(jìn)入半徑為30 m 的圓周，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定后保持穩(wěn)態(tài)圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)行軌跡設(shè)計(jì)如下圖所示。

在穩(wěn)態(tài)圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角變化非常小，設(shè)定車(chē)輛的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑與道路曲率保持一致，以便于對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究。對(duì)于第一軸轉(zhuǎn)向角控制，采用PID 控制方法。基于第一軸轉(zhuǎn)向角控制算法，結(jié)合自動(dòng)循跡轉(zhuǎn)向控制算法，通過(guò)Matlab 編程得到轉(zhuǎn)向控制程序。在程序中，輸入信號(hào)為轉(zhuǎn)彎半徑以及車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的速度、位移、角度等信號(hào)，輸出為車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型中的各軸轉(zhuǎn)向角，通過(guò)Matlab 和Simpack 的聯(lián)合仿真，研究各節(jié)車(chē)輛的橫擺角速度和側(cè)向加速度變化，評(píng)價(jià)在該工況下智軌電車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能。下圖為智軌電車(chē)在穩(wěn)態(tài)圓周工況下的各節(jié)車(chē)輛的橫擺角速度、側(cè)向加速度變化曲線。由圖可以看出，從直線穩(wěn)態(tài)到圓周穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，2 個(gè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)比較一致，均為Mc1 車(chē)數(shù)值變化最大、Tp 次之、Mc2 最小。

在鉸接車(chē)輛中，后部放大系數(shù)是一種側(cè)向加速度放大率的量化指標(biāo)，利用首末節(jié)車(chē)質(zhì)心處的側(cè)向加速度的比值來(lái)研究鉸接車(chē)輛的側(cè)向動(dòng)力學(xué)特征（該數(shù)值通常大于1），其表達(dá)式如下：

式中：ayk——車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，第k 節(jié)車(chē)側(cè)向加速度；A——后部放大系數(shù)。

通過(guò)仿真數(shù)據(jù)曲線，可以得到智軌電車(chē)在穩(wěn)態(tài)圓周工況下A＝0．94；仿真曲線沒(méi)有呈現(xiàn)側(cè)向加速度放大的趨勢(shì)，表明智軌電車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能要優(yōu)于傳統(tǒng)鉸接車(chē)輛的。

總結(jié)

針對(duì)膠輪承載、多編組、虛擬軌道運(yùn)行的智軌電車(chē)，本文開(kāi)展整車(chē)動(dòng)力學(xué)性能研究。首先搭建了智軌電車(chē)整車(chē)數(shù)學(xué)模型，仿真測(cè)試結(jié)果表明，所建立的數(shù)學(xué)模型在動(dòng)力學(xué)性能變化趨勢(shì)上仿真值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度較好；然后通過(guò)搭建細(xì)化的Simpack 整車(chē)模型，開(kāi)展了工況研究，利用后部放大系數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示智軌電車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能要優(yōu)于傳統(tǒng)鉸接車(chē)輛的。文中所提方法不僅為后續(xù)整車(chē)性能的優(yōu)化提供評(píng)判依據(jù)，也可為智軌電車(chē)后續(xù)的牽引、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向協(xié)同控制算法的研究提供準(zhǔn)確的仿真數(shù)據(jù)。