Hafif raylı sistemlerin titreşimleri ve kontrolü

Abstract

Bu doktora tezinde temel olarak, temas dinamiğinin doğal bir sonucu olarak tekerlek-ray geometrisi nedeniyle bozucu etkiden bağımsız bir şekilde düz yolda ortaya çıkan yanal ve yalpa hareketlerinin birlikte görüldüğü ?hunting? salınımları üzerinde durulmuştur. Hunting hareketi, tekerlek ve rayda aşınma problemini azaltmasına karşın yüksek hızlara çıkıldığında genlikleri artarak flanş tırmanmalarına ve sonra aracın raydan çıkmasına neden olmaktadır. Bu durum, raylı sistemlere ait yolda ya da raylarda herhangi bir bozukluk olmasa bile sistemi kararsızlığa götürerek düz ve düzgün bir yolda raylı taşıt hızını sınırlandırmaktadır. Hunting hareketi sonucu sistemin kararsızlığa gitmesi tüm raylı sistemlerde olduğu gibi hafif metro araçlarında da önemli bir problemdir. İstanbul gibi büyük şehirlerde istasyonlar arası mesafelerin artması ve yolcu taşıma kapasitesinin arttırılmak istenmesi nedeniyle hafif metro sistemlerinde işletme hızlarının yükseltilmesi temel bir ihtiyaçtır. Bu kapsamda, İstanbul ulaşımında kullanılan yerli imalat bir hafif metro aracı ele alınarak, temelde hunting salınımlarını inceleyen çeşitli analizler yapılmıştır. Doktora tezinde öncelikle tekerlek ? ray etkileşimi, oluşturulan tek tekerlek seti modelinde ortaya konularak doğrusallaştırılmıştır. Daha sonra, yanal salınımların ele alındığı hafif metro aracı modelleri oluşturulmuştur. Bu modeller Matlab yazılımında yalnızca yanal salınımları ele alan 27 serbestlik dereceli olarak, Simpack yazılımında ise tüm hareketlerin ele alındığı 54 serbestlik dereceli olarak kurulmuştur. İki ayrı yazılımda oluşturulan modeller üzerinde gerçekleştirilen modal analizler ile elde edilen doğal frekanslar karşılaştırılarak sunulmuştur. Aynı şekilde, zaman alanında yanal bir bozucu giriş altında yer değiştirme ve ivme cevapları elde edilmiştir. Bununla birlikte, iki ayrı yazılımla elde edilen frekans cevapları da karşılaştırılarak kontrol edilmiştir. Böylece, kurulan modellerin doğruluğundan emin olunmuştur. Bu aşamadan sonra, Matlab modelleri kullanılarak hafif metro aracına ait kararlılık analizleri yardımıyla kritik hızlar tespit edilmiştir. Hafif metro aracı kritik hızını etkileyecek parametreler olan eşdeğer koniklik (lamda), tekerlek yarıçapı (r0), birincil ve ikincil süspansiyon katılıklarının değişimine göre kritik hızın nasıl etkilendiği incelenmiştir. Daha sonra, buradan yola çıkarak birincil ve ikincil süspansiyon katılıklarının Matlab Genetik Algoritma aracı kullanılarak optimizasyonuna gidilmiştir. Yapılan optimizasyon ile elde edilen iyileştirme, zaman ve frekans alanında yapılan analiz sonuçları ile ortaya konulmuştur. Ayrıca, daha önce literatürde rastlanmamış bir yöntem olarak, raylı taşıt hızının sistem frekans cevapları ile ilişkisine bakılarak kritik hız tespit edilmiştir.Daha sonra, kritik hızın arttırılması için tekerlek setleri ile bojiler arasına yerleştirilen eyleyiciler vasıtasıyla tekerlek setlerine ait yanal ve yalpa hareketleri kontrol edilmiştir. Kontrol algoritması olarak, durum geri beslemeli optimal kontrol algoritması olan LQR (Doğrusal Karesel Uyarlayıcı) kullanılmıştır. Mevcut ve optimum katılıklara sahip süspansiyonların kullanıldığı kontrolörsüz ve LQR kontrolörlü sistem cevapları ayrı ayrı incelenerek sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Yapılan kontrol uygulaması ile hunting salınımları çok yüksek hızları garanti edecek şekilde bastırılarak kontrol edilmiştir. Tezde tüm analizler, hafif metro aracının yüksüz ve tam yüklü durumları için ayrı ayrı yapılmıştır. Böylece, hafif metro aracına ait kütle ve atalet değerlerinin değişimine rağmen yapılan iyileştirmelerin korunduğu gösterilmiştir.Ayrıca tezde, 6 serbestlik dereceli olarak modellenen hafif metro aracına ait düşey titreşimlerinin aktif kontrolü için, klasik PID tipli Bulanık kontrolör ile parametre uyarlamalı PID tipli Bulanık kontrolör tasarlanarak performansları karşılaştırılmıştır. Titreşimlerin aktif kontrolü için, Bulanık PI ve Bulanık PD kontrolörlerin birleştirilmesiyle elde edilen Bulanık PID kontrolör, dayanıklı yapısı ve üstün performansı nedeniyle tercih edilmiştir. Daha sonra, parametre uyarlamalı PID tipli Bulanık bir kontrolör tasarlanarak ölçekleme çarpanlarının çevrimiçi ayarlanmasıyla kontrolörün performansı arttırılmıştır.Sonuç olarak bu tezde, İstanbul ulaşımında kullanılan yerli imalat bir hafif metro aracının titreşim analizleri gerçekleştirilmiş, hunting salınımları bakımından kararlılığı incelenerek kritik hızı tespit edilmiştir. Daha sonra, yapılan optimizasyon ve kontrol uygulaması ile emniyetli bir seyehat için aracın yanal kararlılığı arttırılarak kritik hızı yükseltilmiştir. Ayrıca, düşey titreşimler de kontrol edilerek yolcu konforu artırılmıştır.

This doctoral thesis mainly focuses on ?the hunting oscillations? in which the lateral and yaw movements are seen together which is the natural consequence of the dynamics of wheel-rail contact, that arises on a straight road independently from the disturbances due to the wheel-track geometry. Although hunting oscillations decrease the wear problem in the wheel and rail, they lead to flange climb and then derail by increased amplitudes of the oscillations at high speeds. This condition causes system instability and a limitation in the vehicle speed on straight and smooth rail, even if there is no any disorder on the line or on the rails of the systems.Instability of the system caused by hunting oscillations is a significant problem in light rail system as in all rail systems. Increasing operating speeds of light rail systems is a basic need because of increasing distances between stations and the need for raising the passenger transportation capacity in major cities such as Istanbul. Within this context, a domestic manufacturing light rail vehicle which is used in Istanbul transportation is discussed and various analyses are performed to examine the hunting oscillations mainly. In this thesis, firstly wheel ? rail interaction is linearized by using a single wheelset model. Following that, light rail vehicle models are developed to deal with lateral oscillations mainly. These models are established as 27 degrees of freedom in Matlab that deals with only lateral amplitudes and 54 degrees of freedom in Simpack that deals with all movements. Natural frequencies of these models are obtained by modal analysis, and then the results are presented and compared with each other. Similarly, displacement and acceleration responses are obtained in time domain under the effect of lateral disturbances. Also, frequency responses of these models which are obtained by two different software are compared. Thus, these models are verified. After this stage, critical speeds of the light rail vehicle are identified with the help of stability analysis by using the Matlab models. It is investigated that, how the critical speed of a light rail vehicle is affected by changing equivalent conicity (lambda), wheel radius (r0) and stiffness of primary and secondary suspensions which are parameters that influence the critical velocity of rail vehicle. Afterwards, primary and secondary stiffness are optimized by Matlab Genetic Algorithm toolbox. The results of improvement by the optimization are presented with the results of analysis that are performed in time and frequency domain. Furthermore, critical speed is determined by looking at the relationship of the rail vehicle speed with the frequency response of the system. This method has never been used in the literature and it is used for the first time in this thesis. Then, in order to increase the critical speed, lateral and yaw movements of the wheelsets are controlled by using actuators which are placed between wheelsets and bogies in lateral direction. LQR (Linear Quadratic Regulator) algorithm is used as an optimal state feedback control algorithm to control the movements of wheelsets. The system responses are analyzed in different cases such as using existing suspensions, optimized suspensions and controlled wheelsets. Then, the results are presented with comparison. Hunting oscillations are suppressed to guarantee very high speeds with the control application. All analysis in this thesis is performed for the no-load and full- load cases of light rail vehicle. Thus, the stability improvements applied by the change of the mass and inertia values of light rail vehicle are presented. Moreover, in this thesis, a conventional PID type fuzzy controller and parameter adaptive fuzzy controller are designed to control vibrations actively of a light rail transport vehicle which modeled as 6 degree-of-freedom system and compared performances of these two controllers. To control vibrations actively, a PID type fuzzy controller which is obtained by combining fuzzy PI and fuzzy PD controllers is preferred because of its robust character and superior performance. The PID type fuzzy controller using parameter adaptive method is designed by tuning the parameters online. In order to obtain higher performance from this controller is studied.As a result of this thesis, the vibration analyses of a domestic production light rail vehicle used in Istanbul transportation are carried out and the stability of this light rail vehicle is examined in terms of hunting oscillations. Then, the lateral stability and critical velocity of the light rail vehicle are increased by the use of optimization and control applications to achieve running safety. Also, passenger comfort is increased by controlling vertical vibrations of this vehicle.