独立驱动单轮组转向架的动力学耦合机制与多目标控制方法研究

The railway running gear with Independent Rotating Wheels (IRW) has advantages in terms of tight curve negotiation ability and suitability to low-floor vehicle design. As the key technology of modern tramcar, it has great significance for the development of urban rail transit to ease traffic congestion, to save energy and to reduce emission. The single-IRW running gear has the possibility to realize ideal tight curve negotiation performance. However, a systematical architecture of single-IRW self-steer running gear has not yet been established; the transitional dynamic characteristic is unclear; the problem of driving torque distribution control for the single-IRW running gear is unsolved. Therefore, we propose to research the non-linear transitional dynamics of the single-IRW running gear, to establish the driving motor / IRW coupling dynamic model, to design a novel railway running gear which combine the IRW with inverse tread conicity and independently driving IRW, and to give a solution for the multi-objective control of driving torque distribution which can realize both the hunting stability and tight curve negotiation performance, using the differential rotation speed feed forward method. The research work will provide theoretical basis for the application of single-IRW running gear and the design of new generation urban railway vehicle.

独立旋转车轮(IRW)转向架在小半径曲线通过能力和适于车辆低地板化方面具有优势，是现代有轨电车的关键技术，对于发展城市轨道交通，缓解交通拥堵，节能减排意义重大。IRW单轮组转向架有望实现理想的小半径曲线通过性能，但是：1）IRW单轮组径向转架的系统结构尚未确立；2）IRW单轮组转向架的瞬态动力学机理尚不明确；3）IRW单轮组径向转架的驱动力分配控制问题尚未解决。因此拟开展IRW单轮组转向架的非线性瞬态动力学机理研究；探求独立驱动IRW的机、电耦合动力学机理与建模方法；构建反向踏面锥度IRW与独立驱动IRW相配合的新型轨道走行系统；进而采用转速差目标值前馈控制方法，解决兼顾IRW单轮组转向架直线驱动行驶稳定性和小半径曲线通过性能的多目标驱动力分配控制难题。研究工作将为IRW单轮组转向架的实际应用奠定理论基础，为新型城市轨道交通车辆的设计提供理论支撑。

独立旋转车轮(Independently Rotating Wheels, IRW)转向架在小半径曲线通过能力和适于车辆低地板化方面具有优势，是现代有轨电车的关键技术，对于发展城市轨道交通，缓解交通拥堵，节能减排意义重大。首先从IRW 踏面形状对轮轨接触关系、轮轨作用力以及横向动力学特性的影响机制出发，提出了以质心轨迹为目标的反向踏面锥度 IRW 踏面形状的设计方法。接着以电机输出转矩为桥梁，将驱动电机电气模型和 IRW 的机械模型结合起来，建立了电气特性与机械特性的耦合动力学模型，研究了车轮踏面形状、转向架结构参数和驱动电机特性共同影响下的横向动力学机理。基于电气横向耦合 IRW 单轮组转向架系统结构，研究了在转速差反馈控制参数与转向架结构参数共同影响下的横向动力学机理，提出了利用状态观测估计横向位移，再进行状态反馈控制的算法，确立了独立驱动 IRW 的直线行驶稳定性控制方法，搭建了比例转轨实验平台进行验证。最后提出了利用自导向反向踏面锥度 IRW 单轮组转向架的车轮转速差获得曲线的线形信息，作为独立驱动 IRW 的转速差跟随控制目标，研究目标转速差前馈、转速差反馈的独立驱动 IRW 控制算法，兼顾直线行驶稳定性和小半径曲线通过性能的多目标控制方法，并搭建了比例轨道实验平台。