چکیده
امروزه استفاده از وسایل ریلی به دلایل اقتصادی، زیست محیطی و ایمنی و راحتی سفر در حال افزایش میباشد، با این حـال هنـوز خـروج از خط قطارها یکی از مهمترین چالشهای سیستمهای حمل و نقل ریلی محسوب میشود. کنترل جابجـایی جـانبی محـور (دو چـرخ و محـور اتصال دهندهی آنها که به صورت صلب به هم متصل میشوند) با استفاده از یک گشتاور کنترلی، میتواند تا حدود زیادی به پایداری و هدایت بهتر قطارها کمک کند. این گشتاور توسط یک عملگر به محور اعمال و مانع جابجایی جانبی بیش از حد چرخها میشود. نیروهای وارد شده از طرف ریل و محیط به محورقطار عموماً از نوع اغتشاشی میباشند لذا سیستم کنترل باید به نحوی طراحی شود که تأثیر این اغتشاشات را تـا حد امکان کاهش دهد. مهمترین پارامتر برای کاهش اثرات ورودی اغتشاشی، حد فاز سیستم میباشد. حدفـاز بایـد از یـک مقـدار مشـخص بیشتر باشد تا ضمن پایداری، نوسانات سیستم را نیز تا حد امکان کاهش دهد. در این تحقیق با استفاده از یک مدل ۷ درجه آزادی، دو درجـه آزادی برای هر محور و بوژی ویک درجه آزادی برای واگن، ضمن بررسی تأثیرات کنترل کلاسیک، یک تکنیک ساده و موثر ارائه میشـود کـه در عین سادگی، به نحو مناسبی جواب میدهد. در انتها یک کنترل کنندهای طراحی میشود که بر خلاف بسیاری از طرح های دیگر از لحاظ عملی قابل پیادهسازی میباشد. نتایج شبیهسازی برای سیستم کنترل طراحی شده در این تحقیق نشان میدهد که این سیستم کنترل مـی-تواند حد فاز مطلوب را برای سیستم مورد نظر فراهم کند.

کلمات کلیدی: وسایل نقلیه ریلی، خروج از خط، کنترل خطی، میرایی، پایداری

-۱ مقدمه

در سالهای اخیر مهندسین برای رسیدن به ایمنی بیشتر، راحتی سفر و همچنین کیفیت بهتر حرکت قطـارهـا از کنتـرل فعـال در سیسـتم تعلیق اولیه آنها استفاده کردهاند. کنترل فعال تقریباً دو هدف اصلی یعنی هدایت و پایداری را دنبال می کند. یکی از متداولتـرین روشهـای ارائه شده برای پایداری و هدایت بهتر قطار در هنگام پیچپیمایی، اعمال یک گشتاور کنترلی به محور۱ میباشد. این گشتاور در جهـت یـاو بـه محور اعمال میشود و از جابجایی جانبی (در راستای محور) بیش از حد چرخها جلوگیری میکند. در بعضی از مدلهـا بـه جـای گشـتاور از نیروی کنترلی در راستای جانبی استفاده میشود ولی نتایج به دست آمده نشان میدهد که این روش، پایداری را افزایش میدهد ولی راحتی سفر را کاهش میدهد.]۱[

تقریباً تمام قطارهای امروزی از چرخ با محور صلب (محور) استفاده میکنند. در این مدل محور از دو چرخ مخروطی و محور اتصال دهنـده ی آنها تشکیل میشود که به صورت صلب به هم متصل شدهاند. چرخهای مخروطی امکان حرکت محور در راستای جـانبی را فـراهم مـیکننـد. افزایش درجه مخروط چرخ مشکل ناشی از اختلاف شعاع دوران چرخ درونی و بیرونی را به حداقل میرساند و موجب افزایش راحتی سفر می-گردد اما پایداری سیستم را کاهش میدهد.[۲] پایداری محور توسط سیستم تعلیق اولیه تأمین میشود. سیستم تعلیق اولیه از فنـر و دمپـر-هایی در راستای جانبی و طولی تشکیل میشود که مجموعهچرخ را به بوژی متصل میکند. تمام پارامترهای قطار با دقت بسیار زیاد طراحـی شدهاند تا ماکزیمم سرعت قطار کمتر از سرعت بحرانی آن گردد و ارتعاشات چرخ تا حد امکان به واگن منتقل نشود .[۳] با افـزایش سـرعت، احتمال خروج از خط، در هنگام پیچپیمایی افزایش مییابد. تأمین پایداری در سرعتهای بالا نیاز به فنر و دمپـرهـای بـزرگ وسـنگین دارد، بنابراین نیاز به استفاده از وسایل مکاترونیکی در قطارهای سرعت بالا بیشتر احساس میشود.

Wheelset 1

لی و گودال در [۲] نشان دادند به وسیله اعمال گشتاور کنترلی، متناسب با سرعت جابجایی جانبی محور، میتوان مدل محور را پایدارسازی کرد. در [۴]، با استفاده از روش H کنترل کنندهای طراحی میشود که تأثیر غیر خطی بودن مدل محور را نیز در نظر میگیرد. در [۵] اغتشاش ورودی سیستم تخمین

زده میشود و به عنوان ورودی کنترل کننده به سیستم اعمال میشود. برخی از روشهای پایدارسازی قطـار بـر اسـاس کنتـرل یـک متغیـر فیزیکی، به عنوان مثال کنترل زاویه کج شدن(زاویه بین واگن و بوژی)، شکل گرفتهاند۶]،.[۷

در این مقاله ابتدا معادلات حرکت مربوط به یک قطار سرعت بالا ارائه و سپس حرکت محور روی خط مستقیم مدلسازی میشـود . در ادامـه یک مدل از کنترل فعال ارائه میشود که به شکل کاربردی قابل اجرا نیست. این مدل از لحاظ تئوری بسیار تأثیرگذار میباشد و در مقایسه بـا دیگر مدلها عملکرد مطلوبتری دارد. در انتها و در مهمترین قسمت این مقاله یک مدل کنترلی جهت پایداری و عملکرد مطلوب قطـار ارائـه میشود که بر خلاف بسیاری از تحقیقات صورت گرفته از دید کاربردی نیز قابل اجرا میباشد.

-۲ مدلسازی دینامیکی واگن

-۱-۲ معادلات حرکت

هر قطار شامل چندین واگن میباشد و هر واگن توسط سیستم تعلیق ثانویه روی دو بوژی سوار میشود و هر بوژی از طریـق سیسـتم تعلیـق اولیه روی دو محور قرار دارد. مدل سازی کامل قطار و مدل تماس چرخ و ریل بسیار پیچیده و غیرخطی میباشد۸]،.[۹ مطابق شکل ۱ مـدل در نظر گرفته شده در این تحقیق یک مدل ساده شده، خطی و شامل هفت درجه آزادی میباشد که ایـن درجـات آزادی در جـدول ۱ نشـان داده شدهاند.[۲] به علت تقارن سیستم مورد نظر تنها معادلات مربوط به بوژی پیشرو ارائه میشود.[۱۰] مطابق [۲] معـادلات حرکـت بـوژی پیشرو به صورت زیر میباشد:

شکل:۱ مدل نیمی از یک واگن
جدول :۱ درجات آزادی مدل واگن
درجات آزادی تعریف
yw1 جابجایی جانبی محور پیشرو
w1 دوران یاو محور پیشرو
yw2 جابجایی جانبی محور عقب
w2 دوران یاو محور عقب
yg جابجایی جانبی بوژی پیشرو
g دوران یاو یوژی پیشرو

yv جابجایی جانبی واگن

(۱)× v2 yw1
R  gc1) w1)f22mw( ۲(
v mw yw1  cs (yw1  yg )  ks (yw1  yg )  cslvw1  kslvw1 
۱

۲

(۲)×