Günümüz raylı sistem operasyonlarında yaygın trend araç hızını arttırmaktır. Ancak, yüksek hızın getirisi olan artan kuvvet ve ivme sürüş konforunu negatif yönde etkilemektedir. Araç gövdesindeki güçlü titreşimleri kompanze etme amacıyla, araca ait süspansiyon modifiye edilmelidir. Geleneksel pasif sönümleme aracılığıyla elde edilen iyileştirme olanakları ise sınıra ulaşmıştır. Aktif süspansiyon teknolojisi pasif çözümlere göre daha geçerli bir alternatif olarak düşünülmektedir. Çünkü aracın dinamik performansını iyileştirmek için daha fazla seçenek sunmaktadır.

Boji Süspansiyon Sistemi
 

Kuzey koşullarında çalışan yeni nesil trenler için bir konsept geliştirmeyi amaç aktif dikey ikincil süspansiyon (AVS) projesi bir İsveç araştırma ve geliştirme programı olan Gröna Tåget’in (Green Train) bir parçasıdır. Genel hedef, günümüzde varolan konvansiyonel raylar üzerindeki tren hızını 200 km/s‘ten 250 km/s’e kadar arttırmak ve yeni hızlı trenlere özel yapılmış raylar üzerindeki tren hızını 300 km/s’in üzerine çıkartmaktır. AVS sistemi ile araç hızı arttığında ya da hat koşulları elverişsiz hale geldiğinde sürüş konforunun iyileştirmesi (ya da en azından olan konforun sürdürülmesi) sağlanabilmektedir.

 

►İlginizi Çekebilir: Raylı Sistemlerde Sinyalizasyon
 

Oluşturulan simülasyon modelinde bahsetmeden önce, simülasyon için kullanılan platformdan bahsedelim. SIMPACK, herhangi bir mekanik veya mekatronik sistemin dinamik analizi için kullanılan genel amaçlı çok-gövdeli simülasyon (Multi-Body Simulation/MBS) yazılımıdır. Kuvvet ve gerilmeleri kavrayarak sistemin hareketini ön görmek ve görselleştirmek için, mühendislerin 3D modeller oluşturması ve bu modelleri çözmesi sağlamaktadır. Genellikle otomotiv, motor, güç iletimi, raylı sistemler ve rüzgar enerjisi sektörlerinde kullanılan SIMPACK makine mühendisliğinin herhangi bir alanında da uygulanabilmektedir. SIMPACK simülasyon yazılımı özellikle yüksek frekans geçici rejim analizi (akustik aralık içinde dahi) için uygundur. Başlıca geliştirilme amacı, doğrusal olmayan sistemlerle başa çıkmaktır.

 

Farklı Sistemlere Ait SIMPACK Simülasyon Modelleri

AVS sistemine ait simülasyon modeline tekrar dönmek gerekirse, araç modeli (aşağıdaki görselde incelenebilir) SIMPACK üzerinde Bombardier Transportation tarafından hazırlanmıştır ve tek araçlı (Regina) esnek modele iki motor bojisi ikincil süspansiyon ile bağlıdır.

Sistemin SIMPACK Simülasyon Modeli
 

Her boji içerisindeki iki konvansiyonel dikey damperler, iki dikey eyleyici ile değiştirilmiştir (aşağıdaki görselde incelenebilir).
 

Araç Modelindeki Dikey Eyleyiciler
 

Burada uygulanan prensip, dikey araç gövdesi ivmesini giriş sinyali olarak kullanarak araç gövdesi salınımlarını azaltmaktır. Eyleyici üzerinde uygun kuvvet talebini oluşturmak için sinyaller kontrolör içinde işlenmektedir. Ardından üretilen eyleyici kuvveti karşı koymakta ve araç gövdesi salınımlarını azaltmaktadır.
 

Kontrol stratejisi MATLAB-Simulink üzerinde modellenmiştir. Pasif sistemlere ek olarak, dinamik dikey kontrol araç gövdesinin salınımlarını azaltmak için uygulanmaktadır ki bu da sürüş konforunu iyileştirmektedir. Ayrıca, yarı-statik yalpalama kontrolü de araç gövdesi ve bojiler arasındaki göreceli yalpalama açısını azaltmak için uygulamaktadır. Böylece, virajlarda sürüş konforu kötü şekilde etkilenmeden daha yüksek hızlara erişim sağlanmaktadır.

 

►İlginizi Çekebilir: Raylı Sistemlerde Kaçak Akım ve Testi 

 

Bu çalışmada kullanılan eyleyici elektrohidrolik bir eyleyicidir ve gerçek karakteristikleri ile birlikte Simulink üzerinde modellenmiştir. 50 mm/s’lik göreceli hız için 30 kN’un üzerinde bir kuvvet cevabı üretebilmektedir.
 

Sistemin eş-zamanlı simülasyonunu gerçekleştirmek için SIMAT (eş-zamanlı simülasyonu gerçekleşmesini sağlayan arayüz), SIMPACK ve Simulink araçlarının iletişiminin ve veri alışverişi yapmalarının sağlanması gerekmektedir.
 

SIMPACK-SIMAT-MATLAB/Simulink İlişkisi
 

Simülasyon, SIMPACK’te MATLAB ile bağlı olan serverın çalıştırılmasıyla başlatılmaktadır. Simülasyon zamanı ve diğer entegrasyon parametreleri ana birim olarak görev yapan MATLAB tarafından verilmiştir. Simülasyon MATLAB’te başlatıldığı zaman, iki program bağımsız şekilde denklem sisteminin kendilerine ait olan kısımlarını bir örnekleme zamanı periyodu süresince çözmektedirler. Her periyodun sonunda, veriler iki program arasında değiştirilmekte ve bu süreç simülasyon zamanının sonuna kadar devam etmektedir. Simülasyon sonuçlarının ileri işlemesi için, ölçümler simülasyonun bitişinden sonra gerçekleştirilmelidir.
 

Dinamik kontrol özellikle düz ve geniş çaplı hatlarda yüksek hızla seyrederken araç gövdesinin salınımlarını azaltmaktadır. Sunulan çalışmada, bu raylı sistemlerde kolay ve yaygın olarak kullanılan bir aktif kontrol stratejisi olan Sky-Hook sönümleme tarafından gerçekleştirilmektedir. Eyleyici üzerinde uygun kuvvet talebini oluşturmak için, referans sinyali filterlenir, entegre edilir ve sönümleme katsayısı ile çarpılır.

Yarı-statik yalpalama kontrolü ise virajlarda araç gövdesinin dışarı doğru yalpalamasının azaltılmasını sağlamaktadır. Sistemin ayarlanmasına bağlı olarak, içeri doğru eğimi dahi başarmak mümkündür. Bu da yanal ivmelenmenin yolculardan tarafından hissedilmesini azaltmaktadır. Ayrıca, virajlarda yüksek hız hat eğimini arttırmaya ihtiyaç duymadan başarılabilmektedir.

 

Simülasyon 250 km/h araç hızında, geniş yarıçaplı viraja sahip düz bir hat üzerinde gerçekleştirilmiştir. 1.0 m/s2’lik hat düzlemi ivmesine karşılık, viraj yarıçapı R=3200 m ve hat eğimi D=0.080 m’dir. Ölçülen hat düzensizlikleri de simülasyon modeline uyarı olarak girilmiştir.

Aşağıdaki görselde düz bir hat parçası üzerinde ISO 2631’e göre hesaplanan bojilerin üstündeki ve araç gövdesinin ortasındaki dikey sürüş konforu aktif ve pasif sistemler için sırasıyla gösterilmiştir. Geleneksel pasif sisteme kıyasla, aktif süspansiyon sisteminin sürüş konforunu önemli ölçüde iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Ön boji üzerindeki araç gövdesi salınımlarının %20, araç gövdesinin ortasındakilerin %28 ve arka boji üzerindekinin %33 azaldığı tespit edilmiştir.

 

Pasif ve Aktif Sistemler İçin ISO 2631’e Göre Hesaplanan Sürüş Konforu

Aşağıdaki görselde ise yarı-statik yalpalama kontrolünün etkisi görülmektedir. Araç gövdesi ve ön bojiler arasındaki göreceli yalpalama sırasıyla aktif ve pasif sistemler için gösterilmiştir. Bu simülasyon eğimli bölümler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Pasif süspansiyon uygulanan araç gövdesi boji düzlemine göre (negatif yalpalama açısı) virajda dışa doğru eğilmiştir. Bu yolcular tarafında hissedilen yanal ivmelenmenin artışına sebep olmaktadır. Aktif sistemde, yarı-statik yalpalama kontrolü araç gövdesi ve bojiler arasındaki göreceli yalpalama açısını (bu açının ortalama değerinin sıfır olması başarılmıştır) azaltır ve böylece yanal ivmelenme azalır. Bu durumda, göreceli yalpalama açısının 1 derece (yaklaşık 0.017 rad) azaltılması sürüş konforunu koruyarak hızın yaklaşık %5 arttırılmasına olanak vermektedir.

 

Eğer araç gövedisinin ilk dikey eğilme moduna ait frekans azaltılırsa, sürüş konforunun negatif etkileri AVS sistemi tarafından kompanze edilmektedir. Genel olarak, ilk eğilme moduna ait daha yüksek frekans değeri sürüş konforu üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir. Ancak bunun anlamı araç gövdesinin kütlesinin artmasıdır ki bu da atran araç maliyetine işaret etmektedir.
 

Aşağıdaki grafikte azalan frekans değerine karşılık pasif süspansiyon kullanılan aracın sürüç konforunun negatif şekilde etkilendiği görülmektedir. Aktif süspansiyon kullanılan araçta ise, genellikle azalan frekansa karşılık sürüş konforunun değişmediği gözlemlenmiştir.
 

Böylece, araç gövdesinin daha düşük yapısal sağlamlığa sahip olmasına sürüş konforunda negatif bir etki görülmeksizin izin verilebilmektedir. Bunun anlamı da araç kütlesini arttıkmak için eklenen elemanların azaltılmasına izin verilebilmesi demektir. Yani, araç kütlesi azaltılabilir (maliyet azalır). Sağlamlıkla ilişkili olan kütlenin küçültülmesi daha azdır. Bu da azaltılmış eğilme modu frekansına işaret etmektedir.