智軌列車介紹智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)簡稱智軌列車，是全新一代的交通工具，設(shè)計(jì)最高時速為70公里，但因?yàn)椴灰蕾囦撥壭旭�，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，智軌列車還具有輕軌、地鐵等軌道列車的零排放、無污染的特性，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，列車可載客超過300人，5節(jié)編組時可載客超過500人，能有效解決普通公交車載客量小的缺陷，大大提高運(yùn)力。智軌列車看似無軌，實(shí)則有“軌”，原因是采用了中車株洲所的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了的“虛擬軌道跟隨控制”技術(shù)。簡單來說，它通過車載各類傳感器識別路面虛擬軌道線路，將運(yùn)行信息傳送至列車“大腦”（中央控制單元），根據(jù)“大腦”的指令，在保證列車實(shí)現(xiàn)牽引、制動、轉(zhuǎn)向等正常動作的同時，能夠精準(zhǔn)控制列車行駛在既定“虛擬軌跡”上，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)行。智軌列車長達(dá)30多米，是馬路上的“巨無霸”，但它卻是一個靈活的“胖子”。奧秘在于列車采用了多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等設(shè)計(jì)方式，智能對虛擬軌跡進(jìn)行跟蹤控制。使整臺列車轉(zhuǎn)彎半徑與普通公交車相當(dāng)，且比普通公交車輛的通道寬度更小，這就解決了超長車身帶來的轉(zhuǎn)彎難題。同時，智軌列車采用類似高鐵的雙車頭設(shè)計(jì)，省卻了掉頭的麻煩。通過觀看下面的視頻，可以快速了解智軌列車的特點(diǎn)。當(dāng)前投入商業(yè)運(yùn)行的智軌電車擁有“ 兩動一拖”三編組結(jié)構(gòu)，最大載客超過300 人，各節(jié)編組之間采用鉸接裝置實(shí)現(xiàn)編組車輛之間的連接。智軌電車具備公交系統(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，車輛架構(gòu)與雙鉸接車輛的相近，整車長度遠(yuǎn)超過普通汽車的，因此行駛過程中整車的動力學(xué)表現(xiàn)是影響車輛穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵因素之一，也是研究的重點(diǎn)。

中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司鐘漢文等工程師基于車輛動力學(xué)理論，使用Simpack軟件對3編組智軌電車從2個方面開展車輛動力學(xué)建模仿真研究：通過搭建數(shù)學(xué)模型，開展控制系統(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；通過搭建整車精細(xì)化模型，開展控制系統(tǒng)仿真研究，為整車動力學(xué)性能評價(jià)與改進(jìn)提供指導(dǎo)。

虛擬樣機(jī)模型及驗(yàn)證車輛虛擬樣機(jī)模型是研究車輛特性的基礎(chǔ)，建立能準(zhǔn)確反映車輛動力學(xué)特征的模型是智軌電車動力學(xué)性能研究的重點(diǎn)。整車虛擬樣機(jī)模型其實(shí)質(zhì)是利用車輛的數(shù)學(xué)模型來描述外界對車輛的輸入、車輛系統(tǒng)以及車輛系統(tǒng)對外界的輸出三者之間的關(guān)系。該模型既要保證對運(yùn)動系統(tǒng)描述的準(zhǔn)確性，又要將對研究目標(biāo)影響不大的因素進(jìn)行簡化，以提高運(yùn)算速度。為了保證模型的準(zhǔn)確性，考慮到車輛受相對運(yùn)動部件的影響，采用Simpack 軟件搭建虛擬樣機(jī)模型。梳理整車各系統(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)，從而建立智軌電車的車輛動力學(xué)模型（圖7）。該模型共涉及159 個相對運(yùn)動部件及440 個自由度。

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

工況仿真

智軌電車整車長度約為32 m，其在彎道行駛的動力學(xué)性能會直接影響整車的行駛穩(wěn)定性和安全性。因此，依據(jù)ISO14791－2000 標(biāo)準(zhǔn)要求，對智軌電車進(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)工況下車輛的動力學(xué)性能，同時也考慮了由穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)變化過程中的動力學(xué)性能變化。考慮到車輛的側(cè)向加速度小于0．4gn（gn＝9．806 65 m／s2），車輛動力學(xué)響應(yīng)還處于線性階段，為了更好地展示智軌電車動力學(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，其運(yùn)行軌跡設(shè)計(jì)如下圖所示。

在穩(wěn)態(tài)圓周運(yùn)動過程中，車輛質(zhì)心側(cè)偏角變化非常小，設(shè)定車輛的瞬時轉(zhuǎn)動半徑與道路曲率保持一致，以便于對車輛動態(tài)響應(yīng)的研究。對于第一軸轉(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)合自動循跡轉(zhuǎn)向控制算法，通過Matlab 編程得到轉(zhuǎn)向控制程序。在程序中，輸入信號為轉(zhuǎn)彎半徑以及車輛動力學(xué)模型的速度、位移、角度等信號，輸出為車輛動力學(xué)模型中的各軸轉(zhuǎn)向角，通過Matlab 和Simpack 的聯(lián)合仿真，研究各節(jié)車輛的橫擺角速度和側(cè)向加速度變化，評價(jià)在該工況下智軌電車的動力學(xué)性能。下圖為智軌電車在穩(wěn)態(tài)圓周工況下的各節(jié)車輛的橫擺角速度、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)過程中，2 個指標(biāo)的變化趨勢比較一致，均為Mc1 車數(shù)值變化最大、Tp 次之、Mc2 最小。

在鉸接車輛中，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)車質(zhì)心處的側(cè)向加速度的比值來研究鉸接車輛的側(cè)向動力學(xué)特征（該數(shù)值通常大于1），其表達(dá)式如下：

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

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

總結(jié)

針對膠輪承載、多編組、虛擬軌道運(yùn)行的智軌電車，本文開展整車動力學(xué)性能研究。首先搭建了智軌電車整車數(shù)學(xué)模型，仿真測試結(jié)果表明，所建立的數(shù)學(xué)模型在動力學(xué)性能變化趨勢上仿真值和實(shí)測數(shù)據(jù)吻合度較好；然后通過搭建細(xì)化的Simpack 整車模型，開展了工況研究，利用后部放大系數(shù)進(jìn)行動力學(xué)性能評價(jià)，結(jié)果顯示智軌電車的動力學(xué)性能要優(yōu)于傳統(tǒng)鉸接車輛的。文中所提方法不僅為后續(xù)整車性能的優(yōu)化提供評判依據(jù)，也可為智軌電車后續(xù)的牽引、制動、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)。