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城市轨道车辆牵引仿真分析研究

文档作者: 王振滨 陆正刚 余鹿延        文档来源: 1.上海电气集团股份有限公司中央研究院2.同济大学铁道与城市轨道交通研电气传动室
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更新时间: 2021年04月27日
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第12卷第1期 2009年3月 上海电机学院学报 JOURNAL OF SHANGHAI DIANJI UNIVERSITY VoI.12 No.1 M ar.2009 文章编号1671—2730(2009)01—0078—06 城市轨道车辆牵引仿真分析研究 王振滨 , 陆正刚。, 余鹿延 (1.上海电气集团股份有限公司中央研究院 2.同济大学铁道与城市轨道交通研 电气传动室,上海200070; 究院,上海200092) 摘要:介绍了城市轨道车辆虚拟设计和数字化仿真平台,在此平台上开发了适合我国城市轨道 车辆的牵引仿真分析模块。该模块可实现在不同粘着(蠕滑)条件下的轮轨相互作用、转向架及主要零 部件的动态载荷、车辆纵向动力学、电机特性、牵引和运行等功能的仿真分析。使用该模块对陕西南路 一黄陂南路的一段实际线路上进行牵引仿真分析,结果与实际情况相符,验证了该模块的正确性。 关键词:轨道车辆;牵引仿真;虚拟设计与仿真 中图分类号:U 260.13:TP 391.9 文献标识码:A The Traction Simulation Study for Urban Metro Vehicles WANG Zhenbin . LU Zhenggang 。yU Luyan (1.Department of Electrical EMve,Shanghai Electric Group Co.,Ltd.Central Academy,Shanghai 200070, China;2.Institute of Railway and Urban Rail Transit,Tongji University,Shanghai 200092,China) Abstract:An urban railway vehicle virtual design and digitization simulation platform is intro— duced in this paper,and a traction simulation module adapted to urban railway vehicles in our country is developed on this platform.This module has the following simulation& analysis functions:interac— tive activities between wheels and rails in different stickiness(wheel slippage) conditions;dynamic load of bogies and main parts;car vertical kinetics;motor characteristics;traction and running,etc. A traction and simulation ob was done in a real metro 1ine from South Shanxi Road to South Huangpi Road using the module.The results of using the module coincide with the actual situations,and verify the correctness of the proposed module. Key words:metro vehicle;traction simulation;virtual design and simulation 城市轨道车辆是机、电、控制一体化和信息技术 相结合的高新技术产品 概念、设计、零部件试验 ,集成度高、复杂程度大,从 、整车装配和性能测试(包括 动力学性能、结构强度、牵引控制系统、制动安全性 能、零部件可靠性和疲劳寿命等)到最终产品的确 认,全过程开发周期长、试验成本巨大,而运行过程 收稿日期:2008—12—08 基金项目:上海市科委资助项目(05dzllc03) 作者简介:王振滨(1973一),男,高级工程师,博士,专业方向为电机设计,E-mail.wangzhenbin@secca.cn 2009年第1期 王振滨,等:城市轨道车辆牵引仿真分析研究 中性能优劣与零部件的疲劳、可靠性预测和防治更 需要长时间的数据积累。因此,从降低新产品开发 风险和成本、缩短研发周期等方面来看,对于城市轨 道车辆这样复杂的机电控制一体化的系统更适合采 用虚拟产品设计(VPD)技术进行新产品的全过程 集成开发和信息共享。 根据城市轨道车辆的特点,同济大学初步建立 了城市轨道车辆虚拟设计和数字化仿真平台[1 ], 完成平台总体框架设计和关键的车辆性能计算机辅 助工程(Computer-aided Engineering,CAE)分析集 成,实现轨道交通车辆分析开发的工作流引用集成 (包括参数化定义、分析)和仿真数据管理系统 (SDM)。平台具有:① 基于分布式构架和商业规格 (CS)的先进性;② 开放性;③ 直观性;④ 友好的人 一机界面;⑤ 标准化;⑥ 实用性。其设计思想、功 能、使用习惯源于设计人员的真正需求。该平台采 用中央控制服务器为中心的分布式Web局部网络。 它采用MSC公司的CAE软件包作为研发软件平 台,开发出包括车辆动力学分析模块、零部件强度和 模态分析模块、关键零部件疲劳分析等模块,具备多 体动力学仿真、结构有限元分析和模态分析、疲劳和 可靠性分析等功能。由于采用MSC公司的基本商 用软件作为统一开发平台,因而能够保证整个软件 平台的一致性,且具备开放接口程序,方便添加其他 商用和自主研发软件。 本文在同济大学开发的城市轨道车辆虚拟设计 和数字化仿真平台[3“]的基础上,开发了一个城市 轨道车辆牵引仿真模块。它主要实现城轨车辆(列 车)在牵引(制动)过程中,走行部机械系统和控制系 统的动力学性能的一体化联合仿真;研究车辆机械 系统和电机控制系统在该工况下的综合动力学性 能、相互作用和影响,为列车运行控制提供基本的仿 真模型。不同于文献[5—7]中介绍的以整车作为一 个质点的建模方式,该模块可实现在不同粘着(蠕 滑)条件下的轮轨相互作用、转向架及主要零部件的 动态载荷、车辆(列车)纵向动力学、电机特性、牵引 和运行等功能的仿真分析。该模块是城市轨道交通 车辆虚拟设计和数字化仿真分析平台核心模块之 一 ,提供良好的人机界面和可视化操作,实现与牵引 (制动)运行相关的各种参数输入和选择,通过曲线、 图表、动画等多种形式输出仿真结果。 1 牵引和运行仿真模块动力学模型 1.1 地铁列车机械系统仿真模型 采用地铁l号线北延长线的6节编组的列车为 研究对象。上海地铁1号线有拖车(A型)、带受电 弓的动车(B型)和不带电弓的动车(C型)共3种类 型,采用6节编组,其排列为A—B—C—C—B—A。 由于车辆采用的是对称排列,同时为了仿真计算时 节省机时,按照编组型式,采用拖车+动车+动车 (即T+M+M)的3节编组为牵引仿真的基本模 型。车辆之间用钩缓装置编组挂接,假定车钩只传 递纵向力。模型中采用弹性连接元件和阻尼器来模 拟,如图1所示。 图1 车辆连接模型 Fig.1 Vehicle connection model 车辆牵引装置中牵引电动机采用架悬的方式, 牵引电机通过4个螺拴悬挂在构架上。电机输出端 通过弹性联轴器与齿轮箱连接。齿轮箱一端通过吊 杆弹性连接到构架,一端抱死在轴上,将牵引力矩传 递到轮对上。在模型中采用刚体模型来模拟电机、 联轴器以及齿轮箱的质量、质心位置以及转动惯量 等,电机按照实际位置通过弹性定位节点连接到构 架,联轴器通过铰接联接电机和齿轮箱,齿轮箱一端 根据实际位置通过定位节点联接构架,一端铰接到 车轴上通过齿轮副来模拟齿轮箱传递力矩。图2为 动力转向架模型。 图2 动力转向架模型 Fig.2 A power bo~iemodel 80 上海电机学 院学报 2009年第1期 轮轨间相互作用力的模拟采用多体动力学模 型,与传统牵引计算质点模型有很大不同。由于 Kalker线性理论只适用于小蠕滑率和小自旋的情 形,对于在牵引和制动过程中,轮轨接触可能出现的 大蠕滑、大自旋甚至完全滑动的情况,轮轨蠕滑力将 呈饱和状态,蠕滑力与蠕滑率成非线性关系。为此, 采用Johnson-Vermeulen理论作如下修正,使蠕滑力 的计算可广泛适用于任意蠕滑率和大自旋的情形。 将按照Kalker线性理论计算的纵向蠕滑力 和横向蠕滑力F 合成为 FR===~/F:+F (1) f,N[ 一 1两FR)。+_1[\F R)。], FR一1 FR≤3fN (2) l , FR> 3fN 式中,FR为合成蠕滑力;f为轮轨间摩擦系数;N为 压力。 定义缩减因子为 一娶 (3) R F'y= s Fy ㈤ 圜 榔 据 蠕滑率 图3 干燥和潮湿轨面下的粘着特性曲线 Fig.3 Stickiness characteristic curves under dry and wet rail surface conditions 运行控制。在每个阶段,如牵引加速阶段,采用恒扭 矩控制、恒加速度控制等不同方式。 1.2.2 粘着的控制和利用 对没有预先给定的运 行控制策略,或在较不利的粘着条件下,通过检测列 车纵向速度、车轮瞬时转动速度、车轮滚动圆半径及 轮轨接触关系,可以实时计算纵向蠕滑率大小,即该 参数是可观测的,在实际控制中可以作为控制变量。 因此,模型中采用控制纵向蠕滑率的方法来实现对 轮轨粘着的控制,在需要大牵引力矩时,如果此时 的轮轨间蠕滑率没有达到粘着利用最大对应的数 值,则可以继续增加电机的输出力矩。如果蠕滑率 超过粘着利用的最大值点,则减小电机牵引力矩的 输出,防止出现空转或者打滑。 1.2.3 基于MATLAB/Simulink环境下的运行控 制系统 图4为基于MATLAB/Simulink环境下 的列车牵引运行的机械一电机联合仿真系统。使用 运行速度控制模块(牵引控制)、电机力矩控制模块、 运行距离控制模块(制动控制)、制动系统仿真模块 以及蠕滑力修正模块,通过控制变量的输人输出,连 接机械系统和控制系统。 2 列车牵引和运行仿真分析实例 地铁1号线6节编组的列车,由于车辆采用对 称排列,同时为节省仿真分析机时,采用拖车+动车 +动车(即T+M+M)的3节编组为牵引仿真的基 本模型。在平台上提供了单个动车和3节编组的车 组从陕西南路一黄陂南路的牵引过程仿真结果。通 过平台,可方便地改变线路区间,对不同线路进行仿 真,研究在牵引过程中电机扭矩、车辆运行加速度、 车辆运行位置变化、轮轨作用力等不同方面的指标。 2009年第1期 王振滨,等:城市轨道车辆牵引仿真分析研究 81 图4 列车牵引运行的机械一电机控制联合仿真模型 Fig.4 The combined mechanism and motor control simulation model for the vehicle traction running 2.1 牵引仿真分析主要参数 仿真分析主要参数如下:轮对簧下质量(每轴) 为l 312 kg;转向架构架质量为2 312 kg;二系簧上 质量(空车)为24 893 kg;二系簧上质量(重车)为 43 803 kg;每轴箱一侧的一系刚度纵向为10 MN/m,横向为6.5 MN/m,垂向为1.19 MN/m;一 系垂向阻尼系数为10.63 kN·s/m;每转向架一侧 的二系刚度纵向为247 kN/m,横向为247 kN/m, 垂向为494 kN/m;二系横向阻尼系数为4O MN · s/m;二系垂向阻尼系数为20.59 kN·s/m;抗测滚 扭杆刚度为2.5 MN·m/rad;车轮半径为0.42 m; 滚动圆横向间距为1.5 1TI;车辆定距为15.7 m;转向 架固定轴距为2.5 m。 l ∞ 鲁 届 匠 t/S (a)仿真计算结果 2.2 控制模型仿真结果与试验对比 由于建立电机控制模型时,对电机的控制进行 了简化,能够更加有利于动力学仿真计算,因此可能 会对仿真结果产生一定的影响。为此,在相同车辆 纵向加速度和电机输出的牵引力矩的条件下,对2 动1拖3车系统在空载工况下仿真与实际运行车辆 的测试数据进行对比,考查仿真模型的精确性。 从车体纵向加速度的数据(见图5)可以看出, 仿真计算的结果和实测数据结果比较相近,较好地 模拟了加速起动过程。 2.3 牵引工况仿真结果 在空载和重载2种工况下,3车车组以恒加速 控制方式在陕西南路~黄陂南路沿实际线路进行牵 引工况仿真分析,仿真分析的结果如图6、7所示。 I ∞ ● 暑 导 .匿 t|S (b)实测数据结果 图5 仿真计算结果和实测数据结果 Fig.5 Simulation and computation results and actual testing data results 82 上海电机学院学报 2009年第l期 g \ 馋 厦 I ∞ 量 曩 匠 g \ 尽 (a)纵向加速度 (c)纵向位移 (b)已运行速度 (d)电机输出扭矩 图6 3车空载牵引工况仿真分析结果 Fig.6 Simulation and analysis results under no-load traction conditions of three vehicles (a)纵向加速度 (c)纵向位移 (b)运行速度 (d)电机输出扭矩 图7 3车重载牵引工况仿真分析结果 Fig. 7 Sim ulation an d analysis results under heavy load traction conditions of three vehicles 一。∞.Ⅲ一\ 嘲 言. \ 辑丑辞暴 一N.s.m)\ 曩匠 一..∞.珊一\ 瑙 2009年第l期 王振滨,等:城市轨道车辆牵引仿真分析研究 83 2.4 区间运行仿真结果 在空载和重载2种工况下,3车车组以恒定加 速控制方式启动,沿陕西南路一黄陂南路实际线路 I ∞ 吕 最 暹 暴 (a)纵向加速度 运行,达到80 km/h速度后惰行,然后制动,并在车 站停车,进行区间运行的牵引一惰行一制动全工况 仿真分析,结果如图8所示。 25.O 20.0 邑15.0 瑙10.0 Ih 5.0 0 1O.O 3O.O 5O.0 70.0 90.0 t/s 1.O 芒 Z 0.5 罨 。 丑 堡~0.5 车 (b)运行速度 O lO.O 30.O 5O.0 70.0 90.0 t|S (c)纵向位移 (d)电机输出扭矩 图8 3车空载牵引一情行一制动全工况仿真分析结果 Fig 8 Simulation and analys~resul~ under no-load traction,coasting motion an d braking conditions of three vehicles 3 结论 借助于轨道车辆虚拟设计和仿真平台,根据城 市轨道列车的运行特点,开发了牵引和运行仿真模 块,该模块主要功能如下: (1)牵引和运行仿真模块主要实现城轨车辆在 牵引、惰行和制动过程中的走行部机械系统和电机 控制系统的动力学性能的一体化联合仿真,进而研 究车辆机械系统和电机控制系统的综合动力学性 能、相互作用和影响。 (2)该模块可实现在不同粘着(蠕滑)条件下的 轮轨相互作用、转向架动态载荷、车辆(列车)纵向动 力学、电机特性、牵引和运行等功能的仿真分析。 (3)在城市轨道交通车辆虚拟设计和数字化仿 真分析平台上实现良好的人机界面和可视化。 (4)以上海地铁l号线为例,提供了相关车辆 和线路模型,并进行牵引仿真分析,仿真结果与实际 情况相符。 参考文献: [1] 陆正刚,王振滨,金奕.城市车辆虚拟设计和仿真平 台开发研究[c]//2oo7年Msc Software中国用户论 文集,2007. [2] 张学永,亚海洲.VPD安全技术的原理及应用[J].电 脑知识与技术:学术交流,2005(4):80—83. [3] 徐安.城市轨道交通电力牵引[M].北京:中国铁道 出版社,2000. [4] 饶忠.列车牵引计算[M].北京:中国铁道出版社, 2003. [5] 江彩玉.城市轨道交通电力牵引系统分析与相关技术 研究[D].上海:同济大学,2001. [6] 程曙,林伟琴.地铁牵引仿真分析[J].城市轨道交通 研究,2002(5):53-56. [7] 石红国,彭其渊,郭寒英.城市轨道交通牵引计算算法 [J].交通运输工程学报,2004,4(3):30—33.
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