Förbättring av styregenskaper hos två-axligt järnvägsfordon via uppslagstabellsuppskattningar

A conceptual design of an innovative two-axle lightweight railway vehicle for commuter services is carried out at KTH Railway Group. An active wheelset steering is introduced to improve the curving performance of the vehicle, which is one of the critical performance requirements. This thesis aims to improve the steering performance of the active wheelset steering. Look-up tables for estimating time-varying wheel-rail contact parameters are introduced to supervise a simple PID controller of the active steering system in order to improve steering performance. The look-up table (LUT) estimation is focused on time-varying wheel-rail contact parameters, including creep coefficients and contact patch variables due to their direct influence on curving performance and lateral stability of the wheelset. As a result, the estimated longitudinal unit creep forces (UCF) have the potential to supervise the gains determination of PID controller because it can appropriately distinguish running conditions. The estimation of longitudinal UCF is achieved by the combination of the results from the LUT of creep coefficients and the LUT of contact patch variables. The result from longitudinal unit creep force estimation is shifted to the first quadrant to use as critical gain in the Ziegler-Nichols tuning method for the PID controller. The critical oscillation period for PID tuning can be expressed as a function of vehicle speed. Consequently, the PID controller for the active steering system uses time-varying gains with real-time tuning. The proposed control system for active wheelset steering is validated with nine running conditions using SIMPACK and MATLAB/Simulink co-simulation. The proposed control system provides a stable wheelset lateral displacement control regardless of the running condition. The active steering system significantly reduces wheel-rail wear, which demonstrates the effectiveness of the proposed active steering system.KTH:s Järnvägsgruppen utvecklar en konceptuell design av ett innovativt, två-axligt, lättvikts järnvägsfordon för tunnelbana eller pendeltåg. En aktiv hjuparsstyrning introduceras för att förbättra kurvtagningsförmågan hos fordonet, vilket är ett av de kritiska prestandakraven hos dessa fordon. Det här examensarbetet har som målsättning att förbättra styrningsprestandan av den aktiva hjulsatsstyrningen. För att uppskatta tidsvarierande hjul-rälskontaktparametrar introduceras pre-definierade tabeller (LUT) som en övervakning av en enkel PID-kontroll för det aktiva styrningssystemet, för att förbättra styrprestandan. Uppskattningen som baseras på tabellen fokuserar på tidsberoende hjul-rälsparametrar, inklusive krypkoefficienter och kontaktytans storlek och form. Dessa variabler är i fokus på grund av deras direkta effekt på kurvtagningsförmågan och den laterala stabiliteten hos hjulparet. Den uppskattade longitudinala enhets krypkraften (UCF) har potential att bestämma förstärkningen hos PID-kontrollen på grund av att den, på ett lämpligt sätt, kan skilja mellan olika körtillstånd. Uppskattningen av longitudinell UCF uppnås genom en kombination av resultat för krypkoefficienter och kontaktytavariabler i LUT. Resultaten från den longitudinella UCF-uppskattningen skiftas till den första kvadranten för att användas som kritisk förstärkning i Ziegler-Nichols justeringsmetod för PID-kontroller. Den kritiska oscillationsperioden för PID-justering kan utryckas som en funktion av fordonets hastighet. Utgående från detta använder PID-kontrollen tidsvarierande förstärkning med realtidsjustering för den aktiva styrningen. Det föreslagna kontrollsystemet valideras mot nio körtillstånd med hjälp av SIMPACK och MATLAB/Simulink-simuleringar. Det föreslagna kontrollsystemet tillhandahåller en stabil lateral förflyttning av hjulparet oberoende av körtillstånd. Det aktiva styrsystemet reducerar hjul-räls slitaget signifikant, vilket demonstrerar effektiviteten hos det framtagna aktiva styrsystemet

Förbättring av styregenskaper hos två-axligt järnvägsfordon via uppslagstabellsuppskattningar

A conceptual design of an innovative two-axle lightweight railway vehicle for commuter services is carried out at KTH Railway Group. An active wheelset steering is introduced to improve the curving performance of the vehicle, which is one of the critical performance requirements. This thesis aims to improve the steering performance of the active wheelset steering. Look-up tables for estimating time-varying wheel-rail contact parameters are introduced to supervise a simple PID controller of the active steering system in order to improve steering performance. The look-up table (LUT) estimation is focused on time-varying wheel-rail contact parameters, including creep coefficients and contact patch variables due to their direct influence on curving performance and lateral stability of the wheelset. As a result, the estimated longitudinal unit creep forces (UCF) have the potential to supervise the gains determination of PID controller because it can appropriately distinguish running conditions. The estimation of longitudinal UCF is achieved by the combination of the results from the LUT of creep coefficients and the LUT of contact patch variables. The result from longitudinal unit creep force estimation is shifted to the first quadrant to use as critical gain in the Ziegler-Nichols tuning method for the PID controller. The critical oscillation period for PID tuning can be expressed as a function of vehicle speed. Consequently, the PID controller for the active steering system uses time-varying gains with real-time tuning. The proposed control system for active wheelset steering is validated with nine running conditions using SIMPACK and MATLAB/Simulink co-simulation. The proposed control system provides a stable wheelset lateral displacement control regardless of the running condition. The active steering system significantly reduces wheel-rail wear, which demonstrates the effectiveness of the proposed active steering system.KTH:s Järnvägsgruppen utvecklar en konceptuell design av ett innovativt, två-axligt, lättvikts järnvägsfordon för tunnelbana eller pendeltåg. En aktiv hjuparsstyrning introduceras för att förbättra kurvtagningsförmågan hos fordonet, vilket är ett av de kritiska prestandakraven hos dessa fordon. Det här examensarbetet har som målsättning att förbättra styrningsprestandan av den aktiva hjulsatsstyrningen. För att uppskatta tidsvarierande hjul-rälskontaktparametrar introduceras pre-definierade tabeller (LUT) som en övervakning av en enkel PID-kontroll för det aktiva styrningssystemet, för att förbättra styrprestandan. Uppskattningen som baseras på tabellen fokuserar på tidsberoende hjul-rälsparametrar, inklusive krypkoefficienter och kontaktytans storlek och form. Dessa variabler är i fokus på grund av deras direkta effekt på kurvtagningsförmågan och den laterala stabiliteten hos hjulparet. Den uppskattade longitudinala enhets krypkraften (UCF) har potential att bestämma förstärkningen hos PID-kontrollen på grund av att den, på ett lämpligt sätt, kan skilja mellan olika körtillstånd. Uppskattningen av longitudinell UCF uppnås genom en kombination av resultat för krypkoefficienter och kontaktytavariabler i LUT. Resultaten från den longitudinella UCF-uppskattningen skiftas till den första kvadranten för att användas som kritisk förstärkning i Ziegler-Nichols justeringsmetod för PID-kontroller. Den kritiska oscillationsperioden för PID-justering kan utryckas som en funktion av fordonets hastighet. Utgående från detta använder PID-kontrollen tidsvarierande förstärkning med realtidsjustering för den aktiva styrningen. Det föreslagna kontrollsystemet valideras mot nio körtillstånd med hjälp av SIMPACK och MATLAB/Simulink-simuleringar. Det föreslagna kontrollsystemet tillhandahåller en stabil lateral förflyttning av hjulparet oberoende av körtillstånd. Det aktiva styrsystemet reducerar hjul-räls slitaget signifikant, vilket demonstrerar effektiviteten hos det framtagna aktiva styrsystemet

iVRIDA: intelligent Vehicle Running Instability Detection Algorithm for high-speed rail vehicles using Temporal Convolution Network : – A pilot study

Intelligent fault identification of rail vehicles from onboard measurements is of utmost importance to reduce the operating and maintenance cost of high-speed vehicles. Early identification of vehicle faults responsible for an unsafe situation, such as the instable running of highspeed vehicles, is very important to ensure the safety of operating rail vehicles. However, this task is challenging because of the nonlinear dynamics associated with multiple subsystems of the rail vehicle. The task becomes more challenging with only accelerations recorded in the carbody where, nevertheless, sensor maintenance is significantly lower compared to axlebox accelerometers. This paper proposes a Temporal Convolution Network (TCN)-based intelligent fault detection algorithm to detect rail vehicle faults. In this investigation, the classifiers are trained and tested with the results of numerical simulations of a high-speed vehicle (200 km/h). The TCN based fault classification algorithm identifies the rail vehicle faults with 98.7% accuracy. The proposed method contributes towards digitalization of rail vehicle maintenance through condition-based and predictive maintenance.QC 20220726part of proceedings ISBN 9781936263363</p