馬飛，高常君，胡波，周宇航

中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031

為了減少軌道車輛曲線通過時輪軌間的作用力和磨耗，改善車輛的曲線通過性能，在軌道車輛轉(zhuǎn)向架上配置主動徑向系統(tǒng)是一種有效的方法。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r探測線路狀態(tài)，當(dāng)判斷車輛進(jìn)入中小半徑曲線時，徑向作動器推動輪對趨于徑向位置；當(dāng)車輛駛出曲線后，徑向作動器驅(qū)動輪對恢復(fù)至正常位置。

國外對相關(guān)技術(shù)研究較早，加拿大龐巴迪公司、日本鐵道綜合技術(shù)研究所等都進(jìn)行過相關(guān)技術(shù)研究并進(jìn)行了產(chǎn)品樣機測試[1-4]。國內(nèi)在該技術(shù)領(lǐng)域的研究起源于擺式列車技術(shù)引進(jìn)，西南交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高等院校對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入研究并獲得一定成果[5-7]。國內(nèi)外對轉(zhuǎn)向架主動徑向系統(tǒng)的研究重點多是集中在結(jié)構(gòu)組成、動力學(xué)分析以及產(chǎn)品樣機直接裝車測試，但缺少有效的方法模擬車輛線路運行工況、對產(chǎn)品樣機的實際性能進(jìn)行測試，以減小裝車試驗的風(fēng)險。本文采用實時仿真與產(chǎn)品實物相結(jié)合的模式構(gòu)建完整的主動徑向系統(tǒng)試驗平臺，通過模擬線路真實情況對轉(zhuǎn)向架主動徑向系統(tǒng)進(jìn)行測試，掌握系統(tǒng)性能參數(shù)，確?？刂七壿嫷恼_性。

1 轉(zhuǎn)向架主動徑向系統(tǒng)組成及原理

轉(zhuǎn)向架主動徑向系統(tǒng)由線路狀態(tài)探測單元、計算控制單元和執(zhí)行單元組成，如圖1 所示。線路狀態(tài)探測單元實時檢測列車頭車的運行參數(shù)信息，并將這些信息發(fā)送給計算控制單元；計算控制單元負(fù)責(zé)判斷當(dāng)前車輛是否進(jìn)入曲線并計算所進(jìn)入曲線的半徑值，當(dāng)車輛所處的曲線半徑符合條件時，計算控制單元計算各個徑向作動器的目標(biāo)位移并發(fā)送至執(zhí)行單元；執(zhí)行單元通過位置閉環(huán)控制驅(qū)動徑向作動器動作，使輪對達(dá)到徑向位置。執(zhí)行單元還負(fù)責(zé)監(jiān)控執(zhí)行機構(gòu)的工作狀態(tài)，當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時執(zhí)行故障控制策略，保證車輛能夠繼續(xù)安全運行。

圖1 轉(zhuǎn)向架主動徑向系統(tǒng)組成

圖2 是配裝主動徑向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架工作原理示意圖。圖中θ為轉(zhuǎn)向架兩條輪對軸線夾角的1/2，a為徑向作動器橫向安裝跨距，b為轉(zhuǎn)向架軸距，R為軌道曲線半徑。

圖2 系統(tǒng)工作原理示意

每條輪對兩側(cè)軸箱分別安裝徑向作動器并實施單獨控制，當(dāng)轉(zhuǎn)向架輪對處于完全徑向位置時，同一轉(zhuǎn)向架4 個徑向作動器的位移x可由式（1）近似計算得到。

式中P為轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及控制策略所決定的系數(shù)，本文取1.3。

線路曲率k的計算方法為

式中：?′為車體偏轉(zhuǎn)角速度，?′′為車體偏轉(zhuǎn)角加速度，d為車輛定距，v為車速。

2 仿真試驗平臺搭建

為了確保車輛運行安全，轉(zhuǎn)向架主動徑向系統(tǒng)產(chǎn)品裝車前必須進(jìn)行基本性能測試并確認(rèn)系統(tǒng)控制邏輯正確。普通的地面臺架試驗不能實時模擬車輛通過不同曲線時的狀態(tài)，無法獲得速度、搖頭角速度等信息；另外，一般的試驗只能獲取徑向作動器的位移值，不能獲知車輛行駛過程中輪軌關(guān)系的真實狀態(tài)變化，無法為評判系統(tǒng)實際作用效果和系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。為解決這些問題，本文采用車輛實時動力學(xué)仿真模型與主動徑向系統(tǒng)產(chǎn)品實物相結(jié)合的硬件在環(huán)模式[8-10]搭建主動徑向系統(tǒng)半實物試驗平臺，通過動力學(xué)實時仿真獲取車輛和線路動態(tài)參數(shù)，以此驅(qū)動試驗臺來實現(xiàn)對主動徑向系統(tǒng)控制邏輯的驗證和工作性能的測試。轉(zhuǎn)向架主動徑向系統(tǒng)的半實物試驗平臺包括車輛動力學(xué)模型搭建和試驗臺架搭建。

2.1 仿真試驗平臺

轉(zhuǎn)向架主動徑向系統(tǒng)的半實物試驗平臺主要由仿真器和試驗臺架搭建而成。仿真器借助其多核計算能力進(jìn)行車輛動力學(xué)模型的仿真計算，以保證試驗系統(tǒng)中模型仿真的實時性。使用Simpack 軟件依據(jù)車輛參數(shù)和主動徑向系統(tǒng)的安裝方式建立車輛動力學(xué)模型[11]。模型中徑向作動器安裝于軸箱和構(gòu)架之間，采用驅(qū)動鉸約束模擬徑向作動器活塞位移，它接收試驗臺上徑向作動器的實際位移數(shù)據(jù)，控制模型中徑向作動器活塞桿的位移量。表1 給出了車輛的主要動力學(xué)參數(shù)，所建立的車輛動力學(xué)仿真模型如圖3 所示。在仿真試驗時，線路模型可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，一般為包含直線—緩和曲線—圓曲線—緩和曲線—直線段的完整曲線，以美國5 級線路譜作為線路激擾。仿真模型的數(shù)據(jù)交互變量通過動力學(xué)模型中輸入和輸出模塊進(jìn)行設(shè)置。

圖3 車輛動力學(xué)仿真模型

表1 車輛動力學(xué)參數(shù)

試驗臺架主要包括測控系統(tǒng)和機械臺架2 個部分：機械臺架用于安裝徑向作動器，通過彈簧盒模擬作動器的工作負(fù)載，以實現(xiàn)主動徑向系統(tǒng)與車輛上的功能和布局一致；測控系統(tǒng)負(fù)責(zé)各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換，仿真器、試驗臺架控制系統(tǒng)和被試件之間的數(shù)據(jù)傳輸借助系統(tǒng)的控制器域網(wǎng)（controller area network，CAN）進(jìn)行。

試驗運行時，仿真器進(jìn)行車輛動力學(xué)模型仿真運算，得到車輛的速度、車體搖頭角速度等參數(shù)。試驗臺架測控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實時接收這些參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為與傳感器相同的模擬量信號，再將這些模擬量信號發(fā)送給主動徑向系統(tǒng)的徑向控制器。徑向控制器接收到這些信號后進(jìn)行判斷和運算，計算出各徑向作動器的位移數(shù)據(jù)，并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)，從而驅(qū)動徑向作動器動作。徑向作動器的實際位移由試驗臺位移傳感器測量得到，仿真器中的車輛動力學(xué)模型接收到各作動器的位移數(shù)據(jù)后，驅(qū)動模型中的作動器活塞桿移動，帶動輪對趨于線路曲線的徑向位置，從而實現(xiàn)主動徑向系統(tǒng)的硬件在環(huán)試驗測試。試驗平臺系統(tǒng)的原理和實物如圖4 和圖5 所示。

圖4 主動徑向系統(tǒng)試驗平臺原理

圖5 主動徑向系統(tǒng)試驗平臺

2.2 數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性分析

作為主動徑向系統(tǒng)的工作輸入?yún)?shù)，車輛速度、車體搖頭角速度等參數(shù)與作為系統(tǒng)輸出的系統(tǒng)徑向作動器位移值緊密相關(guān)。在半實物試驗平臺上，這些車輛參數(shù)是由仿真器內(nèi)運行的車輛動力學(xué)模型輸出，通過試驗臺架測控系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)字量-模擬量轉(zhuǎn)換后，以模擬量形式發(fā)送給主動徑向系統(tǒng)的徑向控制器。為確保與動力學(xué)模型數(shù)據(jù)一致，需要對試驗臺架測控系統(tǒng)輸出的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。

以車體的搖頭角速度為例進(jìn)行驗證分析。仿真器內(nèi)車輛模型以70 km/h 的速度通過半徑為300 m 的曲線，使用數(shù)采設(shè)備記錄試驗平臺測控系統(tǒng)發(fā)送的模擬量信號并將其轉(zhuǎn)換為車體搖頭角速度數(shù)據(jù)，曲線對比如圖6 所示。采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法分析上述2 條曲線的相關(guān)性，結(jié)果表明2 組數(shù)據(jù)的相關(guān)性大于0.99，因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸及試驗平臺測控系統(tǒng)數(shù)字量-模擬量轉(zhuǎn)換所造成的數(shù)據(jù)失真可以忽略。

圖6 車體搖頭角速度曲線對比

3 試驗與分析

利用搭建的半實物試驗平臺進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向架曲線通過測試，對主動徑向系統(tǒng)性能進(jìn)行試驗研究，對系統(tǒng)控制邏輯進(jìn)行驗證。由于軌道曲線半徑越小，車輛轉(zhuǎn)向架的徑向效果越明顯，因此選擇車輛以70 km/h 速度通過半徑為300 m 的完整右向曲線作為典型試驗工況進(jìn)行測試，在此工況中主動徑向系統(tǒng)完成一個完整的工作循環(huán)。

3.1 主動徑向系統(tǒng)性能測試

主動徑向系統(tǒng)性能試驗主要是對系統(tǒng)工作過程和系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行測試，并分析系統(tǒng)對車輛通過曲線時輪對沖角、輪軌橫向力和磨耗的影響。為了評判主動徑向系統(tǒng)工作效果，將主動徑向系統(tǒng)工作時轉(zhuǎn)向架曲線通過工況與轉(zhuǎn)向架被動式曲線通過工況進(jìn)行對比分析。圖7 為試驗中仿真器接收到的轉(zhuǎn)向架4 個徑向作動器實際位移數(shù)據(jù)，正值代表著徑向作動器活塞桿向外伸出，負(fù)值代表著徑向作動器活塞桿向內(nèi)縮回。徑向作動器的實際位移約為2.7 mm，與理論計算值一致，且導(dǎo)向輪對和非導(dǎo)向輪對軸線呈外八字，趨于徑向位置通過曲線。圖8 為車輛動力學(xué)模型中徑向系統(tǒng)工作后轉(zhuǎn)向架的輪對沖角曲線，并與被動式曲線通過時轉(zhuǎn)向架的輪對沖角曲線進(jìn)行了對比。本文圖中輪對1 指轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪對，輪對2 指轉(zhuǎn)向架的非導(dǎo)向輪對，后綴l 代表左輪，r 代表右輪，p 為被動式曲線通過，n 為主動徑向方式曲線通過，b1 為前轉(zhuǎn)向架，b2 為后轉(zhuǎn)向架（以下所有圖中符號含義均相同）。通過對比可以看出，仿真模型中車輛通過曲線時，主動徑向系統(tǒng)使導(dǎo)向輪對沖角顯著減小，2 條輪對的沖角均接近于0，達(dá)到了曲線通過時主動徑向系統(tǒng)驅(qū)動輪對至徑向位置的目的。

圖7 徑向作動器位移曲線

圖8 輪對沖角對比

主動徑向系統(tǒng)的響應(yīng)時間是影響系統(tǒng)運行效率的關(guān)鍵因素之一。圖9 是匯總的線路曲率及徑向作動器位移曲線，其中線路曲率是通過仿真器發(fā)送的車體搖頭角速度和車輛速度等參數(shù)計算得到?？紤]到實際線路存在緩和曲線，根據(jù)車輛動力學(xué)分析結(jié)果，在試驗中設(shè)定線路半徑800 m 為主動徑向系統(tǒng)工作的起始點來考核系統(tǒng)的響應(yīng)時間，即當(dāng)車輛到達(dá)線路半徑800 m 處，主動徑向系統(tǒng)開始動作且徑向作動器應(yīng)達(dá)到指定位移。

圖9 試驗臺架測控系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)曲線

從圖9 可以看出，試驗中車輛進(jìn)入曲線至半徑800 m 位置時，徑向作動器已提前約40 ms 達(dá)到指定位移；車輛駛出曲線至半徑800 m 位置時，徑向作動器已經(jīng)動作，但距離目標(biāo)值誤差約為25%，徑向作動器達(dá)到指定位移的延遲時間約為260 ms。

在進(jìn)出曲線區(qū)段過程中，線路半徑800 m 處系統(tǒng)響應(yīng)時間差異較大的主要原因是主動徑向系統(tǒng)采用了分段算法與補償算法相結(jié)合的控制邏輯。這種控制邏輯使得車輛進(jìn)入曲線過程中，系統(tǒng)在曲線半徑800 m 之前開始預(yù)動作，從而縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時間，但也相應(yīng)延遲了出曲線時的系統(tǒng)響應(yīng)時間。從圖9 中也可以了解到主動徑向系統(tǒng)的工作響應(yīng)特性，即以系統(tǒng)理論起始動作的線路曲線半徑位置為基準(zhǔn)，至徑向作動器開始動作的系統(tǒng)遲滯時間為180～190 ms；以系統(tǒng)理論起始動作的線路曲線半徑位置為基準(zhǔn)，至徑向作動器到達(dá)指定位移的系統(tǒng)響應(yīng)時間大約為300 ms。

圖10 為車輛通過曲線時前轉(zhuǎn)向架各車輪的輪軌橫向力曲線。與被動式曲線通過的輪軌橫向力相比，導(dǎo)向輪對左右車輪的輪軌橫向力均明顯減小，最大值減小約32.48%；非導(dǎo)向輪對左右車輪的輪軌橫向力最大值減小約17.89%，即主動徑向系統(tǒng)推動輪對趨于徑向位置使2 條輪對的輪軌橫向力均有不同程度的減小，且導(dǎo)向輪對輪軌橫向力減小幅值大于非導(dǎo)向輪對。

圖10 前轉(zhuǎn)向架各輪對輪軌橫向力

圖11 為車輛通過曲線時前轉(zhuǎn)向架輪對的霍伊曼磨耗指數(shù)[12]曲線。與被動式曲線通過相比，霍伊曼磨耗指數(shù)最大值減小約78.04%。導(dǎo)向輪對磨耗在輪軌磨耗中占據(jù)主導(dǎo)地位，主動徑向系統(tǒng)能夠明顯減少導(dǎo)向輪對的沖角和輪軌橫向力，即導(dǎo)向輪對磨耗，因此車輛輪軌間的磨耗能夠明顯減小。

圖11 輪軌霍伊曼磨耗指數(shù)曲線

3.2 后轉(zhuǎn)向架主動徑向系統(tǒng)工作過程測試

車輛頭車前轉(zhuǎn)向架主動徑向系統(tǒng)作動器的控制參數(shù)是由安裝在頭車上的傳感器直接測試計算得到，對于頭車后轉(zhuǎn)向架以及之后車輛各轉(zhuǎn)向架主動徑向作動器控制參數(shù)，則需要根據(jù)頭車前轉(zhuǎn)向架徑向作動器的起始動作時間、車輛速度以及車輛定距等參數(shù)并結(jié)合控制算法確定。圖12 是頭車兩轉(zhuǎn)向架各徑向作動器位移響應(yīng)曲線，與前轉(zhuǎn)向架徑向作動器位移曲線對比可以看出，后轉(zhuǎn)向架各徑向作動器的起始響應(yīng)時間延遲了約0.794 s。根據(jù)分段控制策略，后轉(zhuǎn)向架各徑向作動器相比于前轉(zhuǎn)向架各徑向作動器起始響應(yīng)時間的理論延遲為0.658～1.173 s，試驗值在理論計算范圍內(nèi)。以上實驗驗證了主動徑向系統(tǒng)對頭車后轉(zhuǎn)向架的控制策略是正確的，由此可以遞推到中間車及尾車的各轉(zhuǎn)向架。

圖12 徑向作動器響應(yīng)位移曲線

3.3 典型故障工況控制邏輯測試

主動徑向系統(tǒng)根據(jù)故障導(dǎo)向安全的原則制定了故障導(dǎo)向策略，即出現(xiàn)故障時轉(zhuǎn)向架兩車軸運動至無偏角的平行位置。如果在實車線路試驗過程中進(jìn)行故障工況控制邏輯測試會存在較大風(fēng)險，而利用系統(tǒng)半實物試驗平臺進(jìn)行測試則具備很大的優(yōu)勢。

在車輛通過半徑300 m 曲線過程中，以模擬徑向作動器控制信號丟失和車輛速度信號丟失2 種典型故障為例進(jìn)行試驗測試。2 種故障工況下，車輛動力學(xué)模型中的4 個徑向作動器的位移曲線如圖13 和圖14 所示。

圖13 控制信號丟失時徑向作動器位移曲線

圖14 車輛速度信號丟失時徑向作動器位移曲線

從圖13 和圖14 中可以看出，徑向作動器控制信號丟失故障發(fā)生后，4 個作動器同時推出至最大位置；車輛速度信號丟失故障發(fā)生后，4 個徑向作動器同時回至零位。2 種典型故障工況下，2 條輪對仍保持平行，以實現(xiàn)被動式曲線通過。系統(tǒng)故障工況下控制邏輯符合故障導(dǎo)向安全的原則。圖15 和圖16 為2 種典型故障工況下的輪軌橫向力曲線。

圖15 徑向作動器控制信號丟失故障輪軌橫向力曲線

圖16 車輛速度信號丟失故障輪軌橫向力曲線

由圖13～圖16 可見，系統(tǒng)故障工況下車輛能夠?qū)崿F(xiàn)被動式曲線通過，控制邏輯符合故障導(dǎo)向安全的原則。

4 結(jié)論

本文利用實時動力學(xué)模型仿真與主動徑向系統(tǒng)產(chǎn)品相結(jié)合的硬件在環(huán)方式搭建了主動徑向系統(tǒng)半實物試驗平臺，為主動徑向系統(tǒng)試驗提供了便利條件。通過試驗平臺真實模擬了車輛通過線路曲線時系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對主動徑向系統(tǒng)工作過程及性能進(jìn)行研究，并得出以下結(jié)論：

1）主動徑向系統(tǒng)通過傳感器探測獲取線路參數(shù)，當(dāng)車輛進(jìn)入規(guī)定半徑曲線時徑向作動器開始工作，推動轉(zhuǎn)向架輪對趨于徑向位置通過曲線，徑向作動器的實際位移與理論的目標(biāo)位移基本一致。主動徑向系統(tǒng)采用了分段算法與補償算法相結(jié)合的控制邏輯，既適合車輛運行的實際情況，又起到了進(jìn)出曲線時對作動器響應(yīng)時間補償?shù)男Ч?/p>

2）安裝有主動徑向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的車輛在通過曲線時，導(dǎo)向輪對的沖角、輪軌橫向力均明顯小于傳統(tǒng)車輛被動式曲線通過狀態(tài)下的數(shù)值，雖然非導(dǎo)向輪對的沖角、輪軌橫向力的變化小于導(dǎo)向輪對，但轉(zhuǎn)向架霍伊曼磨耗指數(shù)明顯減小，車輛的曲線通過性能得到明顯改善。

3）在列車通過曲線時，后轉(zhuǎn)向架各徑向作動器的動作延遲時間與理論計算值相符。通過試驗平臺測試，可以實現(xiàn)對整列車系統(tǒng)控制邏輯的驗證。

4）通過試驗平臺進(jìn)行徑向作動器控制信號丟失和系統(tǒng)雷達(dá)信號丟失2 種典型故障工況模擬，對系統(tǒng)的故障導(dǎo)向控制策略進(jìn)行驗證。試驗結(jié)果表明，無論哪種故障工況，徑向作動器均能使前后輪對趨向平行狀態(tài)，保證車輛仍能夠以被動方式通過曲線，滿足故障導(dǎo)向安全的設(shè)計要求。

實時動力學(xué)模型仿真與產(chǎn)品實物相結(jié)合的半實物試驗平臺為主動徑向系統(tǒng)的研究提供了便利條件，通過這一手段，還可以進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)對比、控制策略優(yōu)化、故障現(xiàn)象分析等工作，有助于在系統(tǒng)響應(yīng)、控制算法等方面進(jìn)一步優(yōu)化主動徑向系統(tǒng)產(chǎn)品性能。