Hafif raylı sistemlerin titreşimleri ve kontrolü

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.