智軌列車介紹智能軌道快運系統(tǒng)簡稱智軌列車，是全新一代的交通工具，設(shè)計最高時速為70公里，但因為不依賴鋼軌行駛，一條運行線的建設(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)運力，比如采用標準的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，大大提高運力。智軌列車看似無軌，實則有“軌”，原因是采用了中車株洲所的創(chuàng)新團隊自主研發(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，在保證列車實現(xiàn)牽引、制動、轉(zhuǎn)向等正常動作的同時，能夠精準控制列車行駛在既定“虛擬軌跡”上，實現(xiàn)智能運行。智軌列車長達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)計方式，智能對虛擬軌跡進行跟蹤控制。使整臺列車轉(zhuǎn)彎半徑與普通公交車相當，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，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。當前投入商業(yè)運行的智軌電車擁有“ 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)和運維成本的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車輛架構(gòu)與雙鉸接車輛的相近，整車長度遠超過普通汽車的，因此行駛過程中整車的動力學表現(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。

中車株洲電力機車研究所有限公司鐘漢文等工程師基于車輛動力學理論，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建模仿真研究：通過搭建數(shù)學模型，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)計和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持；通過搭建整車精細化模型，開展控制系統(tǒng)仿真研究，為整車動力學性能評價與改進提供指導(dǎo)。

虛擬樣機模型及驗證車輛虛擬樣機模型是研究車輛特性的基礎(chǔ)，建立能準確反映車輛動力學特征的模型是智軌電車動力學性能研究的重點。整車虛擬樣機模型其實質(zhì)是利用車輛的數(shù)學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動系統(tǒng)描述的準確性，又要將對研究目標影響不大的因素進行簡化，以提高運算速度。為了保證模型的準確性，考慮到車輛受相對運動部件的影響，采用Simpack 軟件搭建虛擬樣機模型。梳理整車各系統(tǒng)間的拓撲關(guān)系，具體如圖6 所示。根據(jù)拓撲關(guān)系，整理三維設(shè)計模型、裝配圖紙及彈性參數(shù)測試報告，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模型（圖7）。該模型共涉及159 個相對運動部件及440 個自由度。

為了驗證所建立的部件級動力學模型在彎道工況下的精準性，設(shè)計了一個直角轉(zhuǎn)彎工況進行模型驗證。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模型驗證的輸入，通過Matlab 和Simpack 的聯(lián)合仿真，實現(xiàn)試驗工況運行；2 個鉸接盤轉(zhuǎn)向角作為仿真測試的對標指標，來驗證模型的準確性。試驗過程中，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模型能夠較真實地反映車輛的運動學特征。

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 標準要求，對智軌電車進行從穩(wěn)態(tài)直線到穩(wěn)態(tài)圓周的行駛工況設(shè)計，不僅考慮了穩(wěn)態(tài)工況下車輛的動力學性能，同時也考慮了由穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)變化過程中的動力學性能變化�？紤]到車輛的側(cè)向加速度小于0．4gn（gn＝9．806 65 m／s2），車輛動力學響應(yīng)還處于線性階段，為了更好地展示智軌電車動力學性能，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)圓周運動，其運行軌跡設(shè)計如下圖所示。

在穩(wěn)態(tài)圓周運動過程中，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模型的速度、位移、角度等信號，輸出為車輛動力學模型中的各軸轉(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，評價在該工況下智軌電車的動力學性能。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，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)向動力學特征（該數(shù)值通常大于1），其表達式如下：

式中：ayk——車輛運行過程中，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、虛擬軌道運行的智軌電車，本文開展整車動力學性能研究。首先搭建了智軌電車整車數(shù)學模型，仿真測試結(jié)果表明，所建立的數(shù)學模型在動力學性能變化趨勢上仿真值和實測數(shù)據(jù)吻合度較好；然后通過搭建細化的Simpack 整車模型，開展了工況研究，利用后部放大系數(shù)進行動力學性能評價，結(jié)果顯示智軌電車的動力學性能要優(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確的仿真數(shù)據(jù)。