بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازي سیستم قطار متعادل کننده ( Simulation of Tilting Train System )
چکیده :
این مقاله به معرفی سیستم متعادل کننده1 و شبیه سازي آن می پردازد. اساس سیستم متعادل کننده ، مزایا و معایب ، انواع سیستم هاي متعادل کننده از نظر سازوکار تشریح شده است ؛ سپس نرم افزار شبیه ساز سیستم متعادل کننده ارائه شده است و با استفاده از آن به مقایسه دو سیستم فعال و غیرفعال پرداخته و در ادامه با استفاده از همین نرم افزار شبیه ساز یک شبیه سازي کلی و جامع تر سیر و حرکت براي یک قطار متعادل کننده توصیف شده است. در نهایت با توجه به نتایج این شبیه سازي کلی ، یک فرمول براي محاسبه زاویه تیلت در شرایط بهره برداري مختلف ارائه شده و به بررسی هر چه بیشتر و نتیجه گیري در مورد قطارهاي متعادل کننده پرداخته شده است.
کلید واژه ها : تیلتینگ ، سیستم فعال و غیر فعال ، بوژي ، رگرسیون ، آنالیز واریانس
-1 مقدمه :
امروزه با توجه به افزایش روز افزون سرعت و نیز افزایش حمل و نقل در جهان ، براي رقابت در این میدان ، افزایش سرعت و کیفیت حمل و نقل ریلی اجتناب ناپذیر است. یکی از موانعی که همواره بر سر راه افزایش سرعت بوده ، وجود قوس در مسیر ها می باشد. از جمله فن آوري هاي موجود براي حل این مشکل که در بسیاري از کشورهاي پیشرفته و در حال توسعه مورد توجه قرار گرفته است ، استفاده از سیستم متعادل کننده در قطارها می باشد که با کج نمودن واگن به سمت داخل قوس ، شتاب ها و نیروهاي جانبی را کاهش داده و تعدیل می کند و باعث افزایش سرعت در قوس ها و راحتی مسافر می شود.
-2 معرفی سیستم متعادل کننده
سیستم متعادل کننده عبارت است از سیستمی که در قوس ها در مقابل ورودي پیوسته قوس ، همراه با نیروي گریز از مرکز در جهت کاهش نیروي جانبی ، واکنش نشان می دهد و واگن مسافري را به سوي درون قوس کج می کند. بدین ترتیب مؤلفه جانبی شتاب وارد بر مسافر را کاهش داده و حداکثر سرعت مجاز واگن در قوس را افزایش می دهد. قطارهاي مجهز به این سیستم می توانند روي خطوط قدیمی و در نواحی کوهستانی و نیمه کوهستانی با سرعت هاي بالاتري حرکت کنند. این سیستم در دو نوع موجود است :
الف ) سیستم غیـر فعـال: 1 این سیستم به گونه اي است که تحت نیروي گریز از مرکز ، عمل کج شدن واگن خود به خود رخ می دهد.
ب ) سیستم فعـال: 2 در این سیستم عمل کج شدن توسط جک هیدرولیکی و یا سایر عمل کننده ها کنترل می شود.
-3 مزایا و معایب
سیستم متعادل کننده قطار ، همانند سایر سیستم ها داراي مزایا و معایب متعدد و متنوعی است. مزایاي این سیستم عبارتند از : [ 1 ]
( 1 کاهش نیروي جانبی بین چرخ و ریل ( 2 افزایش سرعت ( 3 کوتاهی زمان مسافرت ( 4 راحتی مسافر 5 ) کاهش انرژي مصرفی ( 6 کاهش هزینه هاي تعمیر و نگهداري ( 7 افزایش رغبت مسافرت با قطار 8 ) افزایش ظرفیت خطوط وکاهش ترافیک ( 9 صدمه کمتر به محیط زیست ( 10 بازگشت سریع سرمایه گذاري معایب این سیستم نیز عبارتند از :
( 1 کاهش قابلیت اطمینان در کل سیستم ( 2 کاهش بار محوري در صورت لزوم ( 3 افزایش کیفیت
تعمیر و نگهداري
در ابتداي استفاده از سیستم تیلتینگ دو مشکل احساس شروع قوس و احساس تهوع براي مسافران پیش می آمد که امروزه با استفاده از تکنولوژي هاي پیشرفته تا حد زیادي این مشکلات حل شده است.
راحتی مسافر3 مهم ترین پارامتر براي سنجش کیفیت سیستم تیلتینگ می باشد. شتاب هاي وارده به مسافر به سه گروه شتاب جاذبه زمین، شتاب جانب مرکز و شتاب ناشی از کج کردن تقسیم می شود.
محدوده شتاب جانبی براي راحتی مسافر به سمت خارج قوس و به سمت داخل قوس می باشد. مقدار شتاب جانبی از رابطه محاسبه می شودکه در این رابطه a شتاب جانبی ( m/s2) ، θ زاویه متعادل کننده ( Degree) ، ϕ زاویه دٍوٍر(( Degree ، V سرعت ( ( m/s ، R شعاع قوس ( ( m وg شتاب جاذبه ( ( m/s 2 می باشد.
-4 انواع سیستم متعادل کننده از لحاظ سازوکار
همانطور که اشاره شد قطارهاي مجهز به سیستم متعادل کننده را از لحاظ سازوکار می توان به دو دسته غیر فعال و فعال تقسیم بندي کرد. در زیر به تشریح اساس و مکانیزم این سیستم ها پرداخته شده است.
-1-3 سیستم غیر فعال
مکانیزم این سیستم بدین ترتیب است که واگن به گونه اي ساخته می شود که مرکز آنی دوران تا حد ممکن بالاتر از مرکز ثقل آن قرار گیرد. بنابراین در عبور از قوس ها در اثر شتاب جانبی واگن به شکل سینماتیکی هدایت شده و به طرف داخل قوس کج می شود. این سیستم به دلیل شباهت مکانیزم این سیستم به حرکت پاندولی به تیلتینگ آونگی نیز معروف است. حداکثر زاویه کج شدن براي این سیستم حدود 3 درجه است. مهمترین مزیت این سیستم زمان پاسخگویی کم این سیستم است. معروف ترین مدل هاي این سیستم Talgo و SIG هستند.
-2-3 سیستم فعال
دراین سیستم ، قوس توسط حسگرهایی مانند سرعت سنج، شتاب سنج، ژیروسکوپ، ترانسدیوسر و . . . احساس شده و کج کردن واگن توسط عملگرهاي پنوماتیکی ، الکتریکی و هیدرولیکی انجام می گیرد. در این میان یک سیستم الکترونیکی که شامل قسمت هاي متعدد از جمله پردازشگر مرکزي1 و موضعی 2 و تفکیک کننده3 است ، موقعیت واگن را کنترل می نماید. هر پردازشگر ، کنترل میکروسوئیچی را که به سوپاپ هاي جک هاي هیدرولیکی متصل است به عهده دارد. کلیه پردازشگرها با یکدیگرارتباط داشته و هرگونه مغایرت توسط چندین خط بررسی و نهایتاً سیگنال صحیح ارسال می شود. بیشینه زاویه کج شدن در این سیستم 8 تا 9 درجه است. معروف ترین مدل هاي این سیستم , ABB , Adtranz , Alstom , CAF Fiat و Siemens می باشند.
-5 شبیه سازي
-1-5 مدل شش درجه آزادي
مدلی شامل شش درجه آزادي براي تحلیل سیستم متعادل کننده در نظر گرفته شده و سپس با تغییرات جزئی در داده ها ، براي شبیه سازي دو مدل غیرفعال و فعال استفاده شده است.سیستم متعادل کننده مطابق شکل 1 از سه قسمت صلب واگن ، شاسی بوژي و محور تشکیل شده است.پارامترهاي لازم نیز در این شکل نشان داده شده اند. جهت تحلیل ، دمپرهاي مایل به دو دمپر افقی و عمودي تجزیه شده است. این عمل در هنگامی که دامنه ارتعاشات نسبت به طول دمپرها کوچک باشد مجاز می باشد. همچنین براي هر فنر ، فنر معادلی درجهت جانبی در نظر گرفته شده است. درجات آزادي x و y و θ به ترتیب جابجایی جانبی ، قائم و دورانی حول مرکز ثقل واگن می باشند و به همین ترتیب x2 و y2 و θ2 جابجایی جانبی ، قائم و دورانی حول مرکز ثقل شاسی بوژي می باشند.
-2-5 معادله دیفرانسیل حاکم
براي بدست آوردن معادله دیفرانسیل حاکم ، مدل از شکل ظاهري خارج شده و بر اساس قطعات ارتعاشی ، تحلیل شده است. براي محاسبه معادله دیفرانسیل حاکم از معادله لاگرانژ استفاده شده است.
با جایگزین کردن پارامترها در رابطه لاگرانژ و انجام دادن محاسبات ، می توان جملات را به صورت معادله پایین مرتب کرده و جملات مرتبط با ورودي ها و مشتقات آنها را نیز به سمت راست برد یعنی درون ماتریس F قرار داد :
X در اینجا نشان دهنده ماتریس مختصات عمومی می باشد. [ 4 ]
