LUẬN VĂN KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TOA XE ĐỂ ĐẢM BẢO AN TOÀN CHẠY TÀU CHO TÀU HOẢ VIỆT NAM
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
MỤC LỤC
Trang
Chương 1: giới thiệu chung 1
1.1. Đặt vấn đề và tổng quan tình hình nghiên cứu 1
1.1.1. Đặt vấn đề 1
1.1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu 1
1.2. Mục đích đề tài 2
1.3. Nội dung nghiên cứu 2
1.4. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 2
1.5. Tính mới và giá trị thực tiễn của đề tài 3
Chương 2: cơ sở lý thuyết khảo sát, tính toán và mô phỏng toa xe 4
2.1. Tổng quan về toa xe 4
2.1.1. Bộ phận chạy 4
2.1.2. Thùng xe 4
2.1.3. Bộ phận nối 5
2.1.4. Thiết bị hãm 5
2.2. Cơ sở lí thuyết khảo sát, tính toán và mô phỏng toa xe 5
Chương 3: khảo sát, tính toán và mô phỏng toa xe 7
3.1. Khảo sát, tính toán và mô phỏng bộ trục xe 7
3.1.1. Phân tích kết cấu và liên kết bộ trục xe 7
3.1.2. Phân tích các lực và mô men tác dụng lên bộ trục xe 9
3.1.2.1. Mô hình tính toán bộ trục xe 9
3.1.2.2. Lực và mô men của hệ thống giảm xóc và hệ thống treo 10
3.1.2.3. Các hình thái tiếp xúc giữa đường ray và bánh xe 10
3.1.2..4. Các lực và mô men trong hình thái tiếp xúc một điểm 11
3.1.2.5. Phương trình động lực học trong hình thái tiếp xúc một điểm 14
3.1.2.6. Các lực và mô men trong hình thái tiếp xúc hai điểm 15
3.1.2.7. Phương trình động lực học trong hình thái tiếp xúc hai điểm 17
3.1.3. Mô phỏng số bài toán động lực học bộ trục xe 17
3.1.4. Phân tích, đánh giá kết quả 29
3.1.4.1. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo sơ cấp đối với tốc độ tới hạn 29
3.1.4.2. Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn sơ cấp đối với tốc độ tới hạn 31
3.2. Khảo sát, tính toán và mô phỏng chuyển hướng 36
3.2.1. Phân tích liên kết và sơ đồ tính toán giá chuyển hướng 36
3.2.2. Phân tích các lực và mô men tác dụng lên giá chuyển hướng 37
3.2.2.1. Lực và mômen tác dụng lên bộ trục xe 37
3.2.2.2. Lực và mô men tác dụng lên khung giá chuyển 37
và cối chuyển hướng
3.2.3. Mô phỏng số bài toán động lực học giá chuyển hướng 38
3.2.4. Phân tích, đánh giá kết quả 50
3.2.4.1. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo sơ cấp đối với tốc độ tới hạn 50
3.2.4.2. Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn sơ cấp đối với tốc độ tới hạn 52
3.2.4.3. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo thứ cấp đối với tốc độ tới hạn 54
3.3. Khảo sát, tính toán và mô phỏng toa xe 56
3.3.1. Phân tích liên kết và sơ đồ tính toán toa xe 56
3.3.2. Phân tích các lực và mô men tác dụng lên toa xe 57
3.3.2.1. Lực và mô men tác dụng lên khung và cối giá chuyển 57
3.3.2.2. Lực và mô men tác dụng lên thùng xe 59
3.3.2.3. Phương trình động lực học toa xe 60
3.3.3. Mô phỏng số bài toán động lực học toa xe 61
3.3.4. Phân tích, đánh giá kết quả 70
3.3.4.1. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo sơ cấp đối với tốc độ tới hạn 70
3.3.4.2. Ảnh hưởng của hệ số lò xo giảm chấn và độ cứng lò xo thứ cấp 72
đối với tốc độ tới hạn
Chương 4: Điều khiển toa xe 73
4.1. Tổng quan về điều khiển tự động 73
4.1.1. Khái niệm điều khiển 73
4.1.2. Phân loại điều khiển 73
4.1.3. Mô hình toán học 73
4.1.4. Hàm truyền 74
4.1.5. Sơ đồ khối 74
4.1.6. Phương trình trạng thái 75
4.1.7. Tiêu chuẩn ổn định của hệ thống 76
4.1.8. Các kỹ thuật điều khiển 77
4.1.9. Thiết kế bộ điều khiển 78
4.2. Điều khiển toa xe 79
Chương 5: Kết luận – hướng phát triển của đề tài 85
Tài liệu tham khảo 86
MỤC LỤC
Trang
Chương 1: giới thiệu chung 1
1.1. Đặt vấn đề và tổng quan tình hình nghiên cứu 1
1.1.1. Đặt vấn đề 1
1.1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu 1
1.2. Mục đích đề tài 2
1.3. Nội dung nghiên cứu 2
1.4. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 2
1.5. Tính mới và giá trị thực tiễn của đề tài 3
Chương 2: cơ sở lý thuyết khảo sát, tính toán và mô phỏng toa xe 4
2.1. Tổng quan về toa xe 4
2.1.1. Bộ phận chạy 4
2.1.2. Thùng xe 4
2.1.3. Bộ phận nối 5
2.1.4. Thiết bị hãm 5
2.2. Cơ sở lí thuyết khảo sát, tính toán và mô phỏng toa xe 5
Chương 3: khảo sát, tính toán và mô phỏng toa xe 7
3.1. Khảo sát, tính toán và mô phỏng bộ trục xe 7
3.1.1. Phân tích kết cấu và liên kết bộ trục xe 7
3.1.2. Phân tích các lực và mô men tác dụng lên bộ trục xe 9
3.1.2.1. Mô hình tính toán bộ trục xe 9
3.1.2.2. Lực và mô men của hệ thống giảm xóc và hệ thống treo 10
3.1.2.3. Các hình thái tiếp xúc giữa đường ray và bánh xe 10
3.1.2..4. Các lực và mô men trong hình thái tiếp xúc một điểm 11
3.1.2.5. Phương trình động lực học trong hình thái tiếp xúc một điểm 14
3.1.2.6. Các lực và mô men trong hình thái tiếp xúc hai điểm 15
3.1.2.7. Phương trình động lực học trong hình thái tiếp xúc hai điểm 17
3.1.3. Mô phỏng số bài toán động lực học bộ trục xe 17
3.1.4. Phân tích, đánh giá kết quả 29
3.1.4.1. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo sơ cấp đối với tốc độ tới hạn 29
3.1.4.2. Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn sơ cấp đối với tốc độ tới hạn 31
3.2. Khảo sát, tính toán và mô phỏng chuyển hướng 36
3.2.1. Phân tích liên kết và sơ đồ tính toán giá chuyển hướng 36
3.2.2. Phân tích các lực và mô men tác dụng lên giá chuyển hướng 37
3.2.2.1. Lực và mômen tác dụng lên bộ trục xe 37
3.2.2.2. Lực và mô men tác dụng lên khung giá chuyển 37
và cối chuyển hướng
3.2.3. Mô phỏng số bài toán động lực học giá chuyển hướng 38
3.2.4. Phân tích, đánh giá kết quả 50
3.2.4.1. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo sơ cấp đối với tốc độ tới hạn 50
3.2.4.2. Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn sơ cấp đối với tốc độ tới hạn 52
3.2.4.3. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo thứ cấp đối với tốc độ tới hạn 54
3.3. Khảo sát, tính toán và mô phỏng toa xe 56
3.3.1. Phân tích liên kết và sơ đồ tính toán toa xe 56
3.3.2. Phân tích các lực và mô men tác dụng lên toa xe 57
3.3.2.1. Lực và mô men tác dụng lên khung và cối giá chuyển 57
3.3.2.2. Lực và mô men tác dụng lên thùng xe 59
3.3.2.3. Phương trình động lực học toa xe 60
3.3.3. Mô phỏng số bài toán động lực học toa xe 61
3.3.4. Phân tích, đánh giá kết quả 70
3.3.4.1. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo sơ cấp đối với tốc độ tới hạn 70
3.3.4.2. Ảnh hưởng của hệ số lò xo giảm chấn và độ cứng lò xo thứ cấp 72
đối với tốc độ tới hạn
Chương 4: Điều khiển toa xe 73
4.1. Tổng quan về điều khiển tự động 73
4.1.1. Khái niệm điều khiển 73
4.1.2. Phân loại điều khiển 73
4.1.3. Mô hình toán học 73
4.1.4. Hàm truyền 74
4.1.5. Sơ đồ khối 74
4.1.6. Phương trình trạng thái 75
4.1.7. Tiêu chuẩn ổn định của hệ thống 76
4.1.8. Các kỹ thuật điều khiển 77
4.1.9. Thiết kế bộ điều khiển 78
4.2. Điều khiển toa xe 79
Chương 5: Kết luận – hướng phát triển của đề tài 85
Tài liệu tham khảo 86
Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Đặt vấn đề và tổng quan tình hình nghiên cứu
1.1.1. Đặt vấn đề
Đường sắt Việt Nam đang sử dụng khổ đường sắt 1000mm, trên thế giới hiện nay còn rất ít quốc gia sử dụng khổ đường này. Mặt khác kết cấu và chất lượng nền đường của Đường sắt nước ta chưa tốt, hầu hết các nước có đường sắt phát triển ở Châu Á (Nhật Bản, Trung Quốc, Hồng Kông, Hàn Quốc…) sử dụng ray hàn liền, trong khi đó chúng ta sử dụng loại ray dời nên không giảm được tiếng ồn và rung động khi chạy tàu. Với khổ đường và tình trạng đường ray như vậy, nếu chạy tàu với vận tốc cao rất dễ xảy ra trật bánh dẫn đến đổ tàu, như vụ tai nạn tàu E1 ngày 12- 03 - 2005 là một ví dụ điển hình. Vậy những yếu tố nào liên quan đến tốc độ chạy tàu, quan hệ giữa chúng với kết cấu đầu máy – Toa xe như thế nào? Đó là vấn đề cần phải nghiên cứu, khảo sát và tính toán chi tiết. Cộng
Cùng xu thế hội nhập của đất nước, Đường sắt Việt Nam cũng không ngừng phát triển để phục vụ Hành khách tốt hơn. Thủ tướng chính phủ đã có quy hoạch cụ thể để phát triển ngành đường sắt trong thời gian tới, trong đó có vấn đề an toàn chạy tàu và nâng cao độ êm dịu (tiếng ồn, độ rung, độ lắc xóc) của Đầu máy - Toa xe, đặc biệt là Toa xe chở khách. Hiện nay, độ êm dịu của các Toa xe chở khách của Đường sắt Việt Nam chưa theo kịp sự phát triển của khu vực và thế giới, làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ và khả năng chịu đựng của hành khách. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng trên như: cấu tạo đường, cấu tạo nền, kết cấu toa xe…, tuy nhiên có một nguyên nhân rất quan trọng, đó là kết cấu toa xe chở khách chưa thật hợp lý, các dao động trong quá trình vận hành của chúng chưa được điều khiển. Do đó khi chuyển động, tàu hỏa bị rung động mạnh, độ lắc xóc lớn, thời gian rung động và lắc xóc lớn, ảnh hưởng đến an toàn chạy tàu và độ êm dịu.
Những năm gần đây, một số Công ty Toa xe Việt Nam đã sản xuất được các Toa xe chở khách cao cấp, tuy nhiên một số chi tiết quan trọng vẫn phải nhập khẩu, một số khác có sản xuất nhưng theo bản vẽ nước ngoài cung cấp, quá trình chế tạo thiếu tính chủ động. Việc thay đổi thông số kết cấu và các trạng thái của toa xe vẫn chưa được tính toán đầy đủ và điều khiển chúng. Mặt khác, để đóng mới các đoàn tàu tự hành theo quy hoạch của chính phủ, chúng ta cần phải khảo sát, tính toán, mô phỏng và điều khiển để hoàn thiện kết cấu Toa xe.
Với những lý do trên mà tác giả đã đưa ra vấn đề của đề tài này là khảo sát, tính toán, mô phỏng và điều khiển toa xe để đảm bảo an toàn chạy tàu cho tàu hỏa Việt Nam.
1.1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
- Khi tàu hoả vận hành, vấn đề an toàn chạy tàu được đề cập đến như là điều kiện quan trọng nhất. Tiếp đến là chất lượng vận chuyển, mà cụ thể là độ êm dịu của tàu hoả trong quá trình vận hành.
- An toàn chạy tàu bao gồm 2 tiêu chí đó là các chỉ tiêu chống trật ray và các chỉ tiêu an toàn chống lật tàu khi đoàn tàu vận hành. An toàn chống trật ray phụ thuộc vào trạng thái tiết xúc giữa bánh xe và đường ray trong khi Đầu máy – Toa xe vận hành. Theo tổ chức đường sắt quốc tế UIC, khi vận hành nếu dao động theo phương ngang của bánh xe > 8 mm thì dễ xảy ra trật ray và làm mất an toàn khi đoàn tàu vận hành. Để đảm bảo an toàn chạy tàu, chúng ta phải thoả mãn tất cả các chỉ tiêu trên, khảo sát, tính toán động học và động lực học là những tiêu chí có tính quyết định đối với chất lượng và an toàn vận hành của Đầu máy – Toa xe.
- Độ êm dịu của các đầu máy – toa xe, đặc biệt là toa xe chở khách có liên quan trực tiếp tới sức chịu đựng của hành khách.
Có rất nhiều yếu tố liên quan tới sức chịu đựng của hành khách như: Độ ồn, các số đo vi khí hậu trong buồng khách và các dao động xảy ra trong quá trình vận hành… Trong đó, các quá trình dao động của đầu máy – toa xe là nguyên nhân chủ yếu quyết định đến sức chịu đựng của hành khách.
Mặt khác sự chịu đựng của con người dưới tác dụng của các dao động quyết định bởi các thông số đặc trưng của các quá trình dao động đó như: Biên độ hoặc gia tốc dao động; Tần số dao động; Phương tác động của dao động lên cơ thể người và thời gian tác động của các dao động.
Ngành đường sắt Việt nam đã có bảng cấp độ chỉ tiêu êm dịu và mức độ cảm giác của hành khách khi đầu máy toa xe trong quá trình vận hành.
- Tài liệu này khảo sát, tính toán, mô phỏng và điều khiển Toa xe để đảm bảo an toàn chạy tàu (chỉ giải quyết an toàn chống trật ray) và nâng cao độ êm dịu khi tàu hoả vận hành (giảm thời gian tác động của các dao động lên cơ thể).
- Để khảo sát, tính toán, mô phỏng và điều khiển Toa xe chúng ta cần thành lập mô hình toa xe khách gồm một thùng xe đặt trên 2 giá chuyển hướng. Ở đây, ta chọn toa xe khách tàu SE3.
- Các mô hình thành lập nói chung đều là mô hình phi tuyến do sự có mặt của giảm chấn ma sát cũng như các khe hở trong các mối liên kết. Vì vậy các phương trình động lực học cũng là phi tuyến. Để giải các phương trình này ta sử dụng phần mềm Matlatb và thuật toán Runghe-Kutta.
1.2. Mục đích đề tài
Mục đích của đề tài là khảo sát, tính toán, mô phỏng và điều khiển Toa xe để đảm bảo an toàn chạy tàu cho tàu hoả Việt Nam.
1.3. Nội dung nghiên cứu
- Đối tượng khảo sát, tính toán, mô phỏng và điều khiển là mô hình toa xe khách Tàu SE3.
- Tình bày cơ sở lý thuyết của quá trình khảo sát, tính toán, mô phỏng và điều khiển toa xe.
- Nội dung bài toán:
+ Khảo sát, tính toán, mô phỏng bộ trục xe; giá chuyển hướng và hệ thống toa xe: xây dựng mô hình, phân tích lực, mô men tác dụng lên bộ trục xe; giá chuyển hướng và hệ thống toa xe; thiết lập các phương trình động lực học dựa trên kết quả phân tích lực và các nguyên lý, định luật cơ học.
+ Giải bài toán động lực học bộ trục xe; giá chuyển hướng và hệ thống toa xe: sử dụng thuật toán Runge – Kutta và sử dụng phần mềm Matlab để giải bài toán động lực học và mô phỏng số các đáp ứng của bài toán.
+ Phân tích và tìm mối quan hệ giữa vận tốc tới hạn với các thông số của toa xe (Độ cứng lò xo giảm chấn; hệ số giảm chấn thuỷ lực… ).
- Điều khiển toa xe trong quá trình chuyển động.
1.4. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
- Khảo sát và tính toán, mô phỏng và điều khiển một toa xe đảm bảo an toàn chống trật ray và nâng cao chất lượng độ êm dịu.
- Chỉ khảo sát, tính toán một toa xe độc lập, không tính toán cho tất cả các toa xe của đoàn tàu.
- Khảo sát, tính toán toa xe trên đường ray thẳng, vì vậy kết quả tính toán không sử dụng cho toa xe khi chuyển động trên đoạn đường cong.
1.5. Tính mới và giá trị thực tiễn của đề tài
- Cách giải quyết bài toán chủ yếu dựa vào sự phân tích và tính toán đối với các mô hình vật lý đặc trưng cho các cơ hệ của Toa xe.
- Tính mới của đề tài là khảo sát các mô hình và giải bài toán phi tuyến, nó gần với thực tế hơn để vận dụng vào tính toán thiết kế Toa xe.
- Khảo sát và tính toán, mô phỏng đầy đủ bài toán động lực học Toa xe khách. Phân tích và tìm quan hệ giữa tốc độ tới hạn và các thông số kết cấu của toa xe, tương ứng với một kết cấu có tốc độ tới hạn khi Toa xe vận hành, nếu chạy quá tốc độ đó sẽ xảy ra nguy cơ trạtt ray và đổ tàu.
- Phương pháp này có những hạn chế nhất định ở chỗ nó mới chỉ là các phương pháp lý thuyết. Tuy nhiên đây là bước không thể bỏ qua được khi tiến hành tính toán thiết kế và chế tạo Toa xe.
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN
VÀ MÔ PHỎNG TOA XE
2.1. Tổng quan về toa xe
Toa xe là một thành phần của đoàn tàu, đảm nhiệm việc chuyên chở hành khách và hàng hoá.
Nói chung toa xe được cấu tạo bởi các phần chính gồm: Bộ phận chạy; thùng xe; bộ phận nối và thiết bị hãm.
2.1.1. Bộ phận chạy:
Gồm có bộ trục bánh xe, bầu dầu và lò xo. Trong các toa xe hiện đại, bộ phận chạy được làm thành một cụm độc lập, gọi là giá chuyển hướng. Ngoài ba thành phần cơ bản đã nêu, giá chuyển hướng còn có thêm khung giá (hoặc má giá), trên đó có đặt lò xo, hệ thống hãm, xà nhún và một số bộ phận, chi tiết khác ( Hình 2.1).
Giá chuyển hướng được coi là thành phần quan trọng bậc nhất của một toa xe. Nó cần đảm bảo tốt tính an toàn và tính êm dịu chạy tàu cũng như sức cản chuyển dộng nhỏ nhất.
2.1.2. Thùng xe
Là nơi dành cho hành khách nghỉ ngơi hoặc chứa đựng hàng hoá trong quá trình vận chuyển. Trên thùng xe có bệ xe, nó chịu toàn bộ tải trọng thẳng
đứng và nằm ngang đặt lên toa xe. Bệ xe được cấu tạo bởi các xà dọc và xà ngang nối kết chắc chắn với nhau. Trên bệ xe có lắp đặt bộ phận nối, một phần hệ thống hãm và một số thiết bị khác. Thông qua các cối chuyển hướng trên và dưới, thùng xe đặt lên xà nhún của giá chuyển hướng.
Ngoài bệ xe ra, thùng xe còn có thể có thêm thành xe và mui xe.
2.1.3. Bộ phận nối
Có hai chức năng chính:
- Dùng để nối liền các toa xe trong đoàn tàu với nhau cũng như nối toa xe với đầu máy.
- Tiếp nhận, đưa, truyền và giảm nhẹ lực kéo giữa đầu máy với tao xe cũng như giữa các toa xe với nhau.
2.1.4. Thiết bị hãm
Tạo sức cản cho đoàn tàu (hoặc cho từng toa xe) nhằm làn giảm vận tốc hoặc dựng hẳn. Thiết bị hãm trên đầu máy toa xe hiện nay là hãm tự động, ngoài ra tên toa xe còn có hãm tay.
2.2. Cơ sở lý thuyết khảo sát, tính toán và mô phỏng
- Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, tác giả đã phân tích và lựa chọn đối tượng khảo sát, tính toán, mô phỏng và điều khiển là toa xe khách tàu SE3 của Đường sắt Việt Nam. Lí do lựa chọn là hiện nay đường sắt Việt Nam sử dụng hầu hết kiểu toa xe này. Tác giả khảo sát, tính toán và mô phỏng kiểu toa xe này đối với khổ đường 1435mm (khổ đường sẽ sử dụng trong những năm tới theo qui hoạch phát triển của ngành đường sắt nước ta).
- Trên cơ sở toa xe đã chọn, xây dựng mô hình vật lý và mô hình tính toán toa xe. Tiến hành tách liên kết giữa bộ trục xe với giá chuyển hướng - hệ thống treo và thùng xe. Khảo sát, phân tích các hình thái tiếp xúc giữa bánh xe và đường ray; các lực và mô men tác dụng lên từng bộ phận của toa xe và hệ thống toa xe đầy đủ.
- Phân tích các dao động trong quá trình toa xe vận hành, phân tích các dao động ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn chạy tàu. Thiết lập các hệ tọa độ sử dụng trong quá trình khảo sát, tính toán.
- Dựa và các nguyên lý cơ học (Định luật 2 Newton, phương trình Lagrang…), xây dựng các phương trình động lực học.
- Dùng thuật toán Runge - Kutta và sử dụng phần mềm matlab để giải các hệ phương trình vi phân động lực học để tìm đáp ứng đầu ra của bài toán. Đó là chuyển vị theo phương ngang, chuyển vị góc quay của các bộ phận liên quan đến an toàn chạy tàu. Phân tích, thiết lập quan hệ giữa vận tốc tới chạy tàu với các tham số trong kết cấu toa xe.
- Sử dụng các tiêu chuẩn của Đường sắt Việt Nam để đánh giá ưu, nhược điểm về mô hình toa xe đã chọn.
- Chọn luật điều khiển toa xe. Viết chương trình điều khiển toa xe để giảm thời gian ổn định các dao động khi toa xe vận hành, đảm bảo an toàn chạy tàu và độ êm dịu.
Chương 3
KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG TOA XE
3.1. Khảo sát, tính toán và mô phỏng bộ trục xe
Như chúng ta đã biết, toa xe chuyển động được là nhờ kiên kết giữa nó với giá chuyển hướng và hệ thống treo, mặt khác giá chuyển hướng và hệ thống treo lại liên kết với bộ trục xe thông qua các kết cấu cơ khí và các bộ phận giảm xóc, giảm chấn. Vì vậy để khảo sát, tính toán đầy đủ về toa xe, trước hết chúng ta phải khỏa sát tính toán bộ trục xe.
3.1.1. Phân tích kết cấu và liên kết bộ trục xe
- Bộ trục bánh xe là một trong các bộ phận quan trọng nhất của toa xe. Nó dẫn toa xe chuyển động trên đường ray, tiếp nhận tất cả các tải trọng truyền từ toa xe xuống đường ray và ngược lại.
- Trên mỗi toa xe có 2 bộ trục xe, một bộ trục xe liên kết với hai bánh xe. Trong chương này sẽ khảo sát, tính toán và mô phỏng một bộ trục xe trong quá trình chuyển động.
- Mỗi bộ trục xe gồm có một trục và 2 bánh xe. Bánh xe tiếp nhận toàn bộ tải trọng khác nhau khi toa xe chuyển động trên đường ray. Bánh xe gồm phần vành bánh; mặt lăn và ổ trục xe.
- Bộ trục xe được liên kết với hai lò xo sơ cấp với độ cứng là KP, và hai giảm chấn thủy lực có hệ số giảm chấn là CP. Các giảm chấn mắc song song với các lò xo sơ cấp. Theo phương y (phương ngang), độ cứng của mỗi lò xo sơ cấp là KPY; hệ số giảm chấn là CPY. Theo phương x (phương dọc), độ cứng của mỗi lò xo sơ cấp là KPX; hệ số giảm chấn là CPX. Bộ trục xe có khối lượng mW, và mômen quán tính IWX, IWY, IWZ, lần lượt đối với các trục x, y, z. Do tính đối xứng của bộ trục xe đối với trục x và trục z mômen quán tính IWX, IWZ không thay đổi. Khi bộ trục xe quay quanh trục z, mômen quay được sinh ra bởi hai lò xo sơ cấp theo phương x, mỗi lò xo có độ cứng là KPX. Khoảng cách giữa hai lò xo là 2dP.
- Thực tế, chuyển động của bánh xe khi chạy trên đường ray không chỉ thuần túy là những chuyển động trượt hay chuyển động lăn mà còn có thể thực hiện đồng thời 6 hình thái chuyển động khác nhau như được biểu diễn trên hình vẽ 3.2. Trước đây khi tính toán lực ma sát người ta chỉ quan tâm tới hệ số ma sát tương ứng với một hình thái chuyển động được diễn tả một cách cô lập với các chuyển động khác. Tuy nhiên với các kết quả nghiên cứu của Carter, Hertz, Kalker… đã chỉ ra rằng trong trường hợp các chuyển động đồng thời xảy ra thì hệ số ma sát tương ứng với một chuyển động nào đó sẽ chịu sự can nhiễu của chuyển động xảy ra đồng thời với chuyển động đó.
......................................................................
Chöông 4
ÑIEÀU KHIEÅN TOA XE
4.1.TỔNG QUAN VỂ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
- Khái niệm điều khiển:
- Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước. Quá trình điều khiển không có sự tham gia trực tiếp của con người gọi là điều khiển tự động.
Cấu trúc cơ bản của của một hệ thống điều khiển gồm ba thàng phần chính: bộ điều khiển, đối tượng điều khiển và cảm biến (thiết bị đo).
- Các ký hiệu viết tắt:
+ r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệ chuẩn.
+ c(t) (controlled input): tín hiệu ra.
+ cht(t): tín hiệ hồi tiếp.
+ e(t): tín hiệu sai lệch, sai số.
+ u(t): tín hiệu điều khiển.
4.1.2. Phân loại điều khiển:
- Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thống:
+ Hệ liên tục: hệ được mô tả bởi phương trình vi phân.
+ Hệ rời rạc: hệ được mô tả bởi phương trình sai phân.
+ Hệ tuyến tính: hệ được mô tả bởi phườn trình vi phân – sai phân tuyến tính.
+ Hệ phi tuyến: hệ được mô tả bởi phườn trình vi phân – sai phân phi tuyến.
+ Hệ bất biến theo thời gian: hệ số của phương trình vi phân – sai phân mô tả hệ thống không đổi.
+ Hệ biến đổi theo thời gian: hệ số của phương trình vi phân – sai phân mô tả hệ thống thay đổi theo thời gian.
- Phân lọai theo số ngõ vào ngõ ra:
+ Hệ SISO (Single Input – Single Output): một ngõ vào – một ngõ ra.
+ Hệ MIMO (Multi Input – Multi Output): nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra.
- Phân loại theo mục tiêu điều khiển:
+ Điều khiển ổn định hóa: nếu tín hiệu chuẩn r(t) = const, ta gọi điều khiển ổn định hóa.
+ Điều khiển theo chương trình: tín hiệu vào r(t) là hàm thay đổi theo thời gian và đã biết trước.
+ Điều khiển theo dõi: tín hiệu r(t) là hàm không biết trước theo thời gian.
- Mô hình toán học:
- Hệ thống điều khiển rất đa dạng và có bản chất vật lý khác nhau è do đó cần có cơ sở chung để phân tích, thiết kế các hệ thống điều khiển và cơ sở đó chính là toán học.
- Quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ tuyến tính bất biến liên tục có thể mô tả bằng phương trình vi phân hệ số hằng.
.............................................................................................................................
KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Sau khi thực hiện đề tài, tác giả đã thu được các kết quản như sau:
- Khảo sát và phân tích mô hình Toa xe đã chọn.
- Phân tích các lực và mô men tác dụng lên bộ trục xe, giá chuyển hướng và toa xe. Phân tích các hình thái tiếp xúc giữa bánh xe và đường ray. Đưa ra các chỉ tiêu an toàn và độ êm dịu khi Toa xe vận hành, phân tích hình thái có thể gây ra trật bánh khi Toa xe vận hành.
- Thành lập các phương trình động lực học mô tả chuyển động của toa xe. Sử dụng phần mềm Matlab và thuật toán Runghe – Kutta để mô phỏng số bài toán động lực học toa xe.
- Phân tích ảnh hưởng và tìm được quan hệ giữa các thông số kết cấu của Toa xe và tốc độ tới hạn khi Toa xe vận hành. Với mỗi một bộ thông số kết cấu của Toa xe , ở đây là độ cứng lò xo, hệ số giảm chấn, Toa xe có một tốc độ tới hạn. Khi vận hành, nếu Toa xe chạy với tốc độ lớn hơn tốc độ tới hạn sẽ có nguy cơ xảy ra trật bánh và đổ tàu.
- Phân tích và chọn luật điều khiển Toa xe nhằm làm giảm thời gian tác động của các dao động khi Toa xe vận hành, vì vậy nâng cao được chất lượng độ êm dịu cho Hành khách.
- Các kết quả trên có cần được kiểm nghiệm bằng thực tế để vận dụng vào quá trình thiết kế và sản xuất Toa xe.
- Hạn chế của đề tài là chỉ Khảo sát, tính toán và mô phỏng Toa xe trên đoạn đường thẳng, vì vậy kết quả của bài toán không sử dụng được khi Toa xe vận hành trên đoạn đường cong.
Hương phát triển của đề tài:
- Đề tài có thể phát triển theo hướng khảo sát, tính toán, mô phỏng và điều khiển Toa xe trên đoạn đường cong. Khi đó các can nhiễu sẽ nhiều hơn, qui mô bài toán lớn hơn, khối lượng tiùnh toán và gian thực hiện sẽ tăng lên rất nhiều, bài toán được giải quyết một cách triệt để.
- Kiểm nghiệm thực tế kết quả khảo sát, tính toán, mô phỏng và điều khiển để áp dụng vào quá trình thiết kế, sản xuất Toa xe.
....................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lã Ngọc Khuê, “ Động lực học đầu máy - Toa xe và an toàn chạy tàu", Nxb. Giao Thông Vận Tải, Hà Nội, 2006
2. Lê Văn Học, Dương Hồng Thái, “Kết cấu tính toán toa xe”, Nxb. Giao Thông vận Tải, Hà Nội, 1997.
3. Ahmadian, M., Vahdati, N., "Investigation of the Response Time of Magnetorheological Fluid Dampers," Proceedings of SPIE 2004 Smart Structures and Materials/NDE, San Diego, CA, 2004.
4. Goncalves, F. D. and Ahmadian, M., "In Search of a Suitable Control Policy for Intelligent Vehicle Suspensions," Proceedings of 2002 ASME International Congress and Exposition, New Orleans, LA, 2002.
5. Horak, D., and Wormley, DN., “Nonlinear Stability and Tracking of Rail Passenger Truck”, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.104, 1982.
6. Kalker, J.J., “Survey of Wheel-Rail Rolling Contact Theory” Vehicle System Dynamics, Vol.5, 1997.
7. Nagurka, M.L, “Curving Perforrmance of Rail Passenger Vehicles” Ph.D. Thesis, Department of Mechanical Engineering, M.LT., 1983.
8. Trương Định Hiền, “Động lực học của hệ thống Đầu máy toa xe và Ray”, Nxb Đường sắt Trung Quốc, Bắc Kinh, 1987.
