（电力电子与电力传动专业论文）轨道车辆牵引电机负载模拟控制的研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：l o a ds i m u l a t i o no ft r a c t i o nm o t o ro fr a i l w a yv e h i c l ep l a y sa ni m p o r t a n t p a r ti nt h es t u d yo fr a l l w a yt r a c t i o n i no r d e r t or e a l i z el o a ds i m u l a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt o m o d e l i n gt h el o a dc o r r e c t l y 1 1 1 ea c t u a lo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fr a i l w a yv e h i c l ei s r e l a t i v ec o m p l e x t 【l i sp a p e ra n a l y z e st h el o a dp r o p e r t yo ft r a c t i o nm o t o rd e e p l y ， d e r i v e sa n dm o d e l st h el o a dt o r q u ea n de q u a li n e r t i ao ft r a c t i o nd r i v i n gs y s t e m ， p r o p o s e st h em e t h o do fb u i l d i n gu paa cm o t o r d cm o t o rd r i v i n gt e s tp l a t f o r m ， p r e s e n t st h ed e s i g ni d e aa n db l u ep r i n to f l o a ds i m u l a t i o nt e s tp l a t f o r m ，r e a l i z e st h el o a d s i m u l a t i o no ft r a c t i o nm o t o rb yal o wp o w e rt e s tp l a t f o r mr e d u c e di nc e r t a i np r o p o r t i o n t h i sp a p e ra l s oe s t a b l i s h e st h es i m u l a t i o np l a t f o r mf o rl o a ds i m u l a t i o nc o n t r o lb y m a t l a b s i m u l i n k ，w h i c hi sa b l et os i m u l a t et h el o a do fd i f f e r e n tt y p eo fv e h i c l ei n d i f f e r e n tr o u t ew i t hd i f f e r e n tt r a c t i o nm o d e ，c o m p l e t et h et h e o r e t i c a lv e r i f i c a t i o na n d s i m u l a t i o no fl o a ds i m u l a t i o ns y s t e mb a s i n go nt h ep a r a m e t e r so fh i g hs p e e dm u l t i p l e u n i t sc r h 2 ，l a y sag o o df o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo ft r a c t i o nm o t o ri nr a i l w a yv e h i c l e k e y w o r d s ：r a i l w a yv e h i c l e ；t r a c t i o nm o t o r ；l o a ds i m u l a t i o n c l a s s n o ：u 2 6 0 1 针6 ：t p 2 7 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：兹硝导师签名： 格伸年 签字日期：y 巧年月知日 签字日期：勿矽年莎月乡秒日 致谢 本论文的工作是在我的导师杨中平副教授的悉心指导下完成的，杨中平副教 授对于中国铁路事业的热衷和严于律己以身作则的精神深深鼓舞着我，他对祖国 科研事业兢兢业业的态度和科学有效的工作方法对我的科研工作有着很现实的指 导意义，他如再生父母般的教诲也对我今后做人做事产生着重大的影响。无论是 在科研工作上还是生活上，杨老师都给予了我们无微不至的关怀，为了保障科研 工作的顺利展开，他经常为我们操心受累工作至深夜，在此我要衷心感谢杨老师 两年来对我的栽培。 在此，我还要感谢林飞副教授在实验室科研过程中给予我的理论和实践上的 指导。他悉心指导我们完成了实验室的科研工作，对于我论文中的理论部分和实 验部分都提出了许多的宝贵意见。 感谢游小杰教授、孙湖老师在学习上和生活上给予我的关心和帮助，他们为 实验工作的展开提供了很多便利条件。 在实验室工作和论文撰写期间，赵坤博士以及实验室其他师兄师姐也给予了 我很多帮助和启发，陆峰等同学对我论文中的实验研究工作给予了热情的帮助， 在此向他们表达我的感激之情。 感谢电气工程学院全体老师在校期间对我们的培养和帮助，正是他们的努力 使得电气学院不断向前发展。 绪论 1 绪论 轨道车辆( 铁路车辆、轻轨、地铁、城铁等) 是世界范围内的一种重要交通 运输工具，它的广泛应用不仅影响到人民的生活方式，而且还影响整个国民经济 的发展。因此对于轨道车辆的研究有着重大的意义，而牵引电机负载模拟就属于 其基础性研究。 高速铁路具有运能大、能耗低、安全系数高、污染轻和受气候影响小等综合 优势，因而在国外得到了很快的发展。我国高速铁路事业目前正飞速发展，迅速 与国际先进技术水平接轨，处于不断革新阶段，因此衍生出了一系列高速铁路相 关研究课题。牵引传动系统作为高速铁路车辆以及其他轨道车辆的主要组成部分， 也就成为了高速铁路相关研究的重要课题。为了进一步改善牵引传动系统，解决 牵引网压波动、车辆线路条件改变以及轮轨关系变化引起的动力再分配等问题， 就需要对牵引传动系统进行研究，优化牵引电机控制方法，这就要求进行一系列 真车试验。然而真车试验有成本高、可行性低、外部条件改变困难以及试验周期 长等诸多缺点，因此十分有必要搭建轨道车辆牵引电机负载模拟系统，以弥补真 车试验的缺点，为牵引传动系统研究服务。 1 1 轨道车辆发展现状 铁路运输的发展经历了近2 0 0 年的历史。铁路以其运量大、速度快、运输安 全、节约能源、污染小等优点而迅速发展成运输的主体，到1 9 世纪末、2 0 世纪初 达到顶峰【m 】。全球铁路总长超过1 2 0 万公里，铁路运量占总运输量的7 0 ( 客运) 和6 0 ( 货运) 。上世纪以来，科学技术迅速发展，汽车和航空等其它交通工具取 得了长足的进步并在交通领域占有越来越重要的角色，铁路运输面临和经历着与 其它交通工具的激烈竞争并处于弱势，一度被称为“夕阳工业”。自1 9 6 4 年1 0 月 日本建成世界上第一条现代化高速铁路东海道新干线以来，高速列车由于其 快捷、舒适、高效、安全可靠等优势在世界各国得到了广泛的重视和蓬勃的发展， 并取得了举世瞩目的成就。目前，世界上许多国家如日本、法国、德国、意大利、 英国、西班牙、瑞典等都开行了时速超过2 0 0 k m h 的高速列车，而其中法国的t g v 高速列车更是于2 0 0 7 年创造了目前最高的试验速度记录5 7 4 8 k m h 。 另一方面，城市轨道交通的发展也有着相当长的历史，自1 8 6 3 年世界第l 条 地铁在英国伦敦建成通车开始，建设轨道交通在世界各大城市开始兴起。18 6 3 1 9 1 4 年共有1 4 个城市建设了地铁。1 9 1 5 1 9 4 9 年，因第2 次世界大战对世界经济的破 北京交通大学硕士学位论文 坏，仅有8 个城市建设了地铁。1 9 5 0 年以后，世界经济逐步恢复，由于小汽车的 过量使用，造成城市交通问题日益严重，因此轨道交通重新得到了推广和发展， 并在建设轨道爻通时研制了许多新技术、新工艺。2 0 世纪7 0 年代，世界上有2 9 个城市建设了快速轨道交通。2 0 世纪8 0 年代约有7 0 余个城市建设了轨道交通。 目前，建设快速轨道交通系统的城市已多达1 0 0 余个，并从过去单一的地铁发展 到轻轨、单轨等多种形式。 在我国，相较于世界先进行列，虽然中国轨道交通运输长期以来一直都处于 缓慢发展的阶段，但也随着时代前进而不断变革。我国电力机车发展自5 0 年代末 研制成功第l 台干线电力机车以来，已走过了5 0 余年的发展历程。期问中国电力 机车从无到有，从客货两用到货运重载、客运高速的分离，从直流传动到交流传 动，从电力机车到电动车组，实现了重大跨越。2 0 0 7 年，在“引进、消化、吸收、 再创新”的指导思想下，铁道部先后与加拿大庞巴迪、日本川崎重工、法国阿尔 斯通和德国西门子公司签订高速电动车组引进合同，这四家国外公司分别与国内 的青岛b s p 公司、四方股份、长客股份和唐山机车车辆厂四家制造商合作生产 c r h l 、c r h 2 、c r h 5 和c r h 3 电动车组。具有自主知识产权的国产系列时速2 5 0 k m 和谐号动车组批量下线，成功运用于铁路第六次大面积提速，标志着我国铁路已 迈入了高速化运行的时代。根据中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年将建成1 6 0 0 0 k m 时速2 5 0 k m 以上的高速铁路；在“十一五”期间，中国铁路将建成7 0 0 0 k m 世晃 上最大的高速铁路网；到2 0 1 2 年将建成1 2 5 0 0 k m 的高速铁路，在国内形成“四纵 四横”的高速铁路网基本构架。与此同时，随着经济发展，城市人口增加，国内 各大重点城市也加大了城轨交通建设的力度，纷纷建设地铁、轻轨新线。可以说， 我国铁路运输和城轨交通都遇到了空前的发展机遇，这就对轨道车辆的性能提出 了更高的要求。 2 绪论 1 2 国内外负载模拟技术概述 负载模拟技术是一种用于在实验室条件下模拟加载对象所要求的力或力矩负 载的半实物实验技术，它是专门为研究加载对象所服务的。随着社会和经济的发 展，现代工业、国防、能源、交通等领域不断涌现出新产品或技术需要测试和研 究，这就对负载模拟技术有了更高和更广泛的要求。通过负载模拟，可以克服必 须要将加载对象放入实际环境中才能进行研究的局限性，尤其是在不易进行在线 测试的研究如轨道交通、航空航天以及国防等领域负载模拟技术就更加 重要。 负载模拟作为研发、生产与测试中的重要环节，国内外学者已对其进行了一 系列研究，并取得了一定成果。目前正在使用的负载模拟技术主要分为液压负载 模拟( e l e c t r o - h y d r o s t a t i ca c t u a t o r s ，e h a ) 和电动负载模拟两种( e l e c t r i c a lp o w e r e d a c t u a t 0 瞒，e p a ) l 、液压负载模拟技术 电气液压伺服控制系统【6 】是在电子、液压传动、自动控制技术基础上发展起来 的一门较新的新兴科学技术，在自动化领域占有重要位置。其具有反应快、功率 重量比大、抗负载刚性大等优点，现已广泛应用于需要大功率、快速、精确反应 的控制领域中，如：飞机的操纵系统、导弹的自动控制系统、火炮操纵系统、雷 达跟踪系统、舰船操舵装置等国防领域以及机床、冶炼、轧钢、铸锻、工程机械、 矿山机械、建筑机械等民用领域。 然而在负载模拟技术的应用上，使用电气液压系统有一定难度，这是由于气 存在加工精度高、结构复杂、体积大、成本高、有污染和防火性差等问题，特别 是系统参数易受环境温度和工作温度变化的影响，而成为非线性的和时变因素很 强的系统，这使负载模拟控制设计的难度和复杂程度加大。 在国外，美国、日本、瑞士、德国等国家都对电气液压负载模拟进行了大量 的研究工作，其中美国的b o i n g 公司、a 设c o 公司和瑞士的c o n t r a v e s 公司 都已有了较成熟的产品应用于实际生产和科学研究中。在我国，目前对电气液压 负载模拟器的研究主要应用于航空航天以及火箭导弹等领域，但由于对研究起步 较晚，对负载模拟系统的工程问题，特别是对于抑制多余力矩( 主要是加载对象 对负载模拟系统的扰动) 的问题处理还不成熟，有待于进一步分析和研究。 2 、电动负载模拟 电动负载模拟系统r 7 】就是利用直流电机或者交流电机作为电能机械能的 转换元件，将电能转换成电机转子的机械能，以转矩形式为承载设备加载，通过 对加载转矩的控制实现对负载的模拟。负载模拟系统实质是一种转矩控制系统， 3 北京交通大学硕士学位论文 负载模拟系统的运动是被动的，但其力矩却是主动加载的，因此它是被动运动与 主动加载的统一。对于电动负载模拟系统来说，就是如何快速补偿承载对象速度 变化而带来的负载电机中的反电动势，使得该模拟系统具有与实际机械负载相同 的机械特性。 电动负载模拟系统以其结构简单、体积小、成本低、控制性能好的特点成为 负载模拟领域非常有前途的一个分支，特别适宜在实验室中使用。 近年来，随着电机制造技术和电力电子技术的发展，以及电机控制技术的日 趋成熟，电气伺服系统的综合性能得到了较大的提高。以直流电机为例，其作为 负载电机的控制技术已经发展成熟，可以实现对恒转矩负载、线性负载以及风扇 泵机类负载的模拟，且这种伺服电机具有转速低、启动转矩大、力矩波动小、机 械特性硬度大及线性度好等特点，调速方便，可长期在堵转状态下工作。因此， 直流电机作为一种理想的加载执行元件，可以充分发挥电机伺服系统在体积、成 本、可靠性和可维护性、调试和控制等性能方面的优势。 电机 电机 图1 - 1 电动负载模拟系统示例 f i g 1 - 1e l e c t r i c a lp o w e r e da c t u a t o r ss y s t e m 电动负载模拟技术对于各行业基础性研究的有着重要而迫切的作用，国内外 已经开始了对电动负载模拟技术的研究工作。国内对电动负载模拟技术的研究开 始于2 0 0 0 年，到目前为止，还处于理论研究和仿真分析阶段，在国内，文献 8 】 和【9 】最先提出了电动加载的概念。国外对于负载模拟的研究开展的更早，其中文 4 绪论 献报导的多是用于测试电动机或电力传动系统负载能力的电动负载模拟系统的研 究工作，它们的典型结构如图1 1 所示，图中驱动电机和负载电机均为三相感应电 机。目前国外许多学者在研究借助这种驱动电机负载电机机械负载模拟实验 平台，研究一种负载电机控制系统，此系统能够实现该实验平台对机械负载动态 特性的模拟，最终实现对各种先进控制算法的验证和测试；进一步还可以对试验 平台中电机、电力传动系统及驱动器进行性能测试。 综上所述，负载模拟技术在国内外都得到了不同程度的发展，且应用领域广 泛，但是直接应用于轨道车辆牵引电机负载模拟的相关研究并不多见。在轨道交 通领域，国内学者往往只关注于牵引传动系统的研究，而缺乏对其负载特性的专 门研究。 日本的三菱公司在8 0 年代中期，意大利的安萨尔多公司在9 0 年代初都针对 开发交流传动机车车辆的需要，投入相当大的资金建设可供整台机车用的带轨道 轮的交流传动系统试验台。我国对交流传动牵引技术的研究起步较晚，但随着世 界各国交流传动技术的日渐锋芒，直到2 0 世纪9 0 年代，我国为数不多的单位也 开展了大功率交流传动系统的研究，依托技术引进和自身技术积累，建立交流传 动试验平台，进行研究相关牵引传动试验。1 9 9 4 年，株洲电力机车研究所成功建 造了一个2 0 0 0 k w 的“能量反馈式 交流传动试验台，并为我国首台a c 4 0 0 0 交流 传动电力机车提供了重要的研制和试验手段。另外，我国铁道部科学研究院也建 立了1 m w 以上的“能量消耗式交流传动试验台。同时，西南交通大学也一直筹 建牵引动力国家重点实验室，于1 9 9 5 年完成了能模拟4 0 0 k m h 高速列车运行的机 车车辆整车滚动振动试验台并投入运营。 然而这些试验台都是基于牵引电机加轮对转向架系统或整车系统进行搭建 的，前两者侧重于牵引传动系统的设计而忽略了对轨道车辆牵引电机负载特性的 分析，可能会导致试验台与实际负载特性不一致，后者对车辆结构进行了较深入 的分析和探讨，但由于是基于整车进行试验，成本较高不易推广，难以研究不同 负载情况下的牵引传动系统。 5 北京交通大学硕士学位论文 1 3 论文的主要工作及安排 1 3 1 本文主要工作 本文阐述了轨道车辆牵引电机负载模拟的必要性和可行性，轨道车辆实际运 行特性较为复杂，本文提出了搭建交流电机直流电机负载模拟平台的方法， 分别从力的角度和功的角度分析了牵引电机的负载情况，并推导出了牵引电机轴 上的等效负载转矩及等效负载惯量，完成了负载模拟系统的建模，通过仿真与实 验验证了负载模拟的正确性，为后续牵引传动相关研究打下了一定基础。 1 3 2 本文主要内容和组织结构 第一章：绪论。阐明了论文背景和意义。 第二章：阐述了轨道车辆基本构成，论述了牵引传动系统原理，分析了轨道 车辆运行特性，讨论了车辆运行阻力。 第三章：对轨道车辆牵引传动机械系统进行物理建模，从力学的角度推导出 了牵引电机负载转矩和负载惯量，又从功的角度出发推导得出了与力学角度推导 一致的结论，并运用c r h 2 型车参数对理论推导进行了验证。基于上述公式推导， 得出了牵引系统负载等效转矩以及负载等效惯量，进一步建立了负载模拟模型， 并对多种负载模拟方案进行了论证。 第四章：用m a t l a b s i m u l i n k 搭建了负载模拟平台仿真模型，基于高速动车组 c r h 2 的实际参数对负载模拟系统进行了理论验证和仿真，证明了负载模拟的正确 性和准确性。并进一步用小实验平台参数对c r h 2 按比例缩小进行了仿真与实验。 实验证明，可以通过本文提出的负载模拟方法来模拟轨道车辆牵引电机负载转矩 和负载惯量。 第五章：结论。总结本文工作，指出尚待改进之处，对下一步的工作做出展 望。 6 轨道下辆牵引电机负载特性分析 2 轨道车辆牵引电机负载特性分析 负载模拟系统的本质就是一个建立关系的过程，对于轨道车辆牵引电机负载 模拟，就是要建立与电机实际负载特性相一致的模拟系统，使得牵引电机在负载 模拟实验平台上的响应与真车运行时的响应一致。 为了实现轨道车辆牵引电机负载模拟，就要对研究对象负载特性进行讨 论，分析负载系统中可测已知变量、未知变量和目标控制变量，从而才能实现负 载模拟系统建模。实际上，牵引电机负载是受多种因素影响的，且随着车辆运行 情况的变化负载特性也是有所变化的。为了准确建模负载模扭系统，就要对负 载特性进行分析。这就要进一步对车体本身的构造、牵引传动原理、车辆动力学 以及车辆运行阻力进行分析。 21 轨道车辆运行原理 幽2 - 1 牵引电机与轮对传动示意幽 f i 9 2 1t r a c t i o n m o t o r 蚰d w h e e l d r i v i n gs e h e n a t i e 首先要分析轨道车辆牵引传动系统物理模型，以交流传动机车为例，图2 - 1 为典型的牵引电机与轮对传动示意图，牵引传动的基本原理如下：电网电能经过 受电弓传递给变压器( 对于城轨、地铁车辆，电能则是由第三轨提供，经集电靴 传递给变压器) ，并通过变频器为电机供电。交流牵引电机的输出转矩作用在齿轮 传动装置上，从而带动车轮轮对转动：同时，轮对通过轴承承载着轨道车辆一起 运动，由于车辆对于轨道有正压力作用，且转动的轮对与轨道有发生相对运动的 趋势，因此产生了轨道对车轮的反作用力，驱使车辆牵引或制动。车辆运行时， 还受到自身重量、机械磨耗及空气阻力等因素阻碍。然而，所有这些影响因素都 可以最终转化到牵引电机轴侧，并以转矩和转动惯量的形式表现出来。轨道车辆 北京交通大学硕士学位论文 牵引电机负载模拟就是要搭建一套与车辆运行负载特性一致的电动负载模拟系 统，使得牵引电机作用在负载模拟系统与实际车辆上时有同样的外部响应特性。 下面对单个动轮进行分析，如图2 2 所示，机车静止在平道上时，动轮以所负 荷的重量尸垂直压在钢轨上，钢轨对动轮有一向上的反作用力p 来支承它。机车 起动时，除垂直方向的力外，动轮上还有一个转动力矩m ，使动轮顺时针转动。 这样轮轨之间就有了相对运动的趋势，引起彼此之间的静摩擦，即在接触点d 上， 动轮对钢轨有一水平作用力k 钢轨对动轮在d 点切线方向有一个反作用力辱， 当轮轨之间接触良好无滑动时，此力使动轮以d 点为转动中心向右滚动，从而使 架在动轮上的机车向右平行移动。 动轮对钢轨的 作用力 图2 2 动轮受力情况 f i g 2 - 2f o r c eo nm o t o rw h e e l 这个钢轨对动轮的反作用力e ，是使动轮前进的唯一外力，称为轮周牵引力， 也就是作用在车轮周边上的力。一台机车的总牵引力( 机车牵引力) ，就是其若干 个轮对上所有动轮的牵引力之总和。有了这个牵引力，机车就能通过车钩拉动后 面的车辆往前跑( 对于动车组即为动车带动拖车运动) 。 轮周牵引力的大小随动轮转动力矩m 的大小而变化，转动力矩可以由司机改 变主控制手柄来改变。也就是说，司机可以控制机车牵引力的大小。不过，此力 有自己的极限，它受物理规律所左右，这里要讲一个物理学的概念。 动轮和钢轨是两个金属物体，它们的表面都不是绝对平整的。当两个表面有 粗糙度的物体，在一定的压力之下，它们相互接触传递作用力时，一开始是处于 没有相对运动( 滑动) 的一种物理状态，彼此既有相互运动趋势又有相互阻碍的 趋势，称为“粘着”。当动轮开始传递力后，动轮边缘的踏面和钢轨这两个粗糙表 8 轨道车辆牵引电机负载特性分析 面就是进入了粘着状态，这时，钢轨对动轮的反作用力只能使动轮在钢轨上滚动， 而没有滑动。在此状态下所传递的力，称为粘着力，即静摩擦力。既然是静摩擦 力，它必然就有一个最大值，超过此最大值，相互摩擦的两个物体之间就会产生 滑动了，粘着状态就被破坏了。在轮轨粘着状态被破坏之前，最大可能的轮周牵 引力，称为机车粘着牵引力。粘着牵引力就是机车动轮不打滑时的最大可能牵引 力。 2 2 车体运动分析 为了研究轨道车辆牵引电机负载特性，就需要分析车辆受力情况，研究车辆 动力学模型。机车车辆系统是一个复杂的多自由度、非线性多刚体系统，其本身 包括许多非线性因素，如非线性轮轨相互作用关系、非线性弹簧阻尼悬挂特性等。 因此，为了准确地描述机车车辆系统，研究其动力特性，必须考虑非线性的数学 模型。 一般来说，在建立车辆或者整个列车动态特性分析所用的数学模型时，系统 中除了弹性元件外的各个部件如车体、构架和轮对等均考虑成刚体。一个刚体有6 个自由度，车体及其他部件对应的这6 个自由度的运动名称如下：通过物体中心o 建立3 个互相垂直的坐标轴，则沿x ，y 和z 轴的3 个平移运动分别称为伸缩、横 摆和浮沉；绕这3 个坐标轴的回转运动分别称为侧滚、点头和摇头。如图2 3 所示。 iz i l 图2 - 3 轨道车辆的运动形式 f i g 2 - 3m o t i o nt y p eo f r a i l w a yv e h i c l e 迄今为止，国内外的研究学者已经建立了下述常用的各类动力学模型【1 0 l ： 1 车辆动力学模型 ( 1 )垂向和横向动力学模型：用于研究机车车辆对各种轨道不平顺的响应； ( 2 )横向稳定性模型：用于预测车辆蛇行运动的特性及临界速度； 9 北京交通大学硕士学位论文 ( 3 )曲线通过模型：用于分析机车车辆通过曲线时轮对的横移、轮对冲角、 轮轨间相互作用力、轮重减载率以及轮对脱轨系数等。 2 列车动力学模型 ( 1 )纵向动力学模型：旨在预测车钩力、速度、距离和时间的关系，这些 模型用于研究列车编组、列车操纵、制动系统的设计和研究缓冲装置及其设计。 ( 2 )横向动力学模型：将作用在车辆上纵向车钩力的横向分量与车辆上诸 多横向作用力相结合，如轮轨相互作用力、车辆不同部件上所受的离心力和轨道 超高引起的作用力等。这些模型的目的是研究列车运行中在横向的列车稳定性， 可以提供诸如轨距变宽、钢轨外翻( 钢轨转动) 和车轮爬轨( 当车辆浮沉、点头 和侧滚振动使垂向轮载降低时，可能发生爬轨) 等情况的信息。 ( 3 )垂向动力学模型：研究列车运行中在垂直平面内的列车稳定性。这些 模型可以用来研究脱轨和车体与转向架分离等的条件。 当然也有研究学者在考虑列车纵向模型的基础上加上横向或垂向模型而建立 的纵横和纵垂耦合模型。 3 车辆轨道耦合动力学模型 运用系统工程的思想，将机车车辆系统和铁路轨道系统作为统一大系统【1 1 1 ， 由翟婉明教授率先提出，结合考虑了机车车辆动力学性能和轨道结构的动力特性 以及线路的几何状态。 对于高速轮轨系统动力学的研究，院士沈志云通过建立该系统模型，对轨道 车辆从轮对、转向架、车体到整车都进行了复杂而全面的分析【1 2 1 ，将各种影响因 素都转化为了相应的物理量，建立了接触网系统模型、受电弓系统模型、车辆系 统模型、列车系统模型、轮轨相互作用模型、轨道模型以及气流模型，并给出了 各个模型的方程，分析了各种耦合的关系，有很高的理论价值。其对于车辆设计、 线路桥梁隧道设计有着较强的参考作用，但由于其建模所选物理量数据庞大且难 以实时测量，不易获得，因此难以直接应该用到轨道车辆牵引电机负载模拟上。 对于本文研究的负载模拟，主要关心的是牵引传动系统与车辆运动的耦合， 也即车辆阻力转化到牵引电机轴上的关系。因此需要简化各部分关系，利用己知 参数对负载模拟重新进行建模。 1 0 轨道车辆牵引电机负载特性分析 2 3 轨道车辆运行阻力 轨道车辆在运行时，要受到阻碍其运动的力，这就是运行阻力。由于轨道车 辆一个相当复杂的系统，它在轨道上运行时，又与周边环境发生耦合关系，诸多 因素都会对它产生很大的影响，而且列车在起动、稳速运行、以及高速运行等各 个不同阶段的阻力都有较大的差别。使得轨道车辆运行阻力变化情况更加复杂。 按照阻力产生的原因，可将运行阻力分为基本阻力和附加阻力。 2 3 1基本阻力 2 3 1 1 基本阻力的构成 车辆在平直轨道正常情况下运行时所受的阻力就是基本阻力。影响阻力的因 素很多，按照基本阻力产生的原因来分，主要有以下几个方面： ( 1 ) 车轮与轨道之间的摩擦。车辆实际运行时，车轮与轨道并不是纯滚动状 态，而是伴随着微量打滑的。车轮的圆锥形踏面、轮对组装不正、同一轮对的车 轮直径不等以及车辆的蛇行运动都导致轮轨间的纵向滑动和横向滑动而形成滑动 摩擦阻力。另外，车轮擦伤、轨道接缝不平、接触表面杂质等都会对车辆造成冲 击阻力，增加了摩擦损耗。 ( 2 ) 车轴轴承的摩擦。由于车体的重量都压在了车轴轴承，而且往往轴重都 在l o t 以上，因此轴承承受的压力是很大的，轴承摩擦阻力也是基本阻力的主要组 成部分之一。 ( 3 ) 内部传动机构的摩擦。在力的传递过程中，牵引电机与车轮轮对之间需 要经过传动齿轮或万向轴，转向架与车体之间要经过弹性机构，编组的各个车辆 之间又要经过车钩等连接器。在这些传导过程力的过程中，都会造成不同程度的 损耗，产生摩擦阻力。 ( 4 ) 受电设备与线网的摩擦。对于铁路系统电力机车或动车组，受电弓与电 网的摩擦也是不可忽略的。对于城轨、地铁等车辆，对应的滑动摩擦阻力则是集 电靴与第三轨之间的摩擦力。 ( 5 ) 空气阻力影响。车体运动时还受到气流压力的影响，包括列车头部正压 和尾部负压所构成的压差阻力、表皮摩擦和涡流损失。尤其对于高速列车，其运 行速度越高，则空气阻力越大。它与列车最大截面积、空气密度、列车表面形状 有光，与相对速度的平方成正比。 上述引起基本阻力的各种因素所占比例随着列车速度的高低有所变化。起动 时，几乎没有空气阻力，以轴承的摩擦阻力和轮轨问的滚动摩擦阻力为主；低速 北京交通大学硕士学位论文 运行时，轴承的摩擦阻力占较大的比例；速度提高后，轮轨间的滑动摩擦阻力、 冲击振动和空气阻力的比重逐渐加大；高速运行时，基本阻力则以空气阻力为主， 因此高速列车的外形流线化就显得特别重要。 2 3 1 2 计算基本阻力的公式 影响基本阻力的因素复杂，难以用纯理论公式求算，即使通过数学方法对车 辆模型进行了精确的建模，但由于变量参数难以准确测量和估计，因此只能通过 大量试验综合得出的试验公式来计算。 参考国外文献和国内试验资料可知，轨道车辆的单位基本阻力可以用以下 的形式表现出来： 五= a + 西+ ( 2 一1 ) 其中厶单位基本阻力，n t ； y 车辆运行速度，k m h ； 么阻力常数项系数； 曰阻力一次项系数； c 阻力二次项系数。 例如，我国2 3 吨轴重的s s j 3 0 0 0 1 号交流传动货运电机机车的基本阻力f 1 3 】为： 五= g ( 1 1 6 + 0 0 0 4 5 v + 0 0 0 0 2 4 2 v 2 ) ( 2 2 ) 其中g 为重力加速度，通常取9 8 。 下面给出我国典型高速列车的基本运行阻力1 4 1 。 c r h l 型车的基本阻力： 五= 5 24 - 0 0 0 2 5 2 v + 0 0 0 0 6 7 7 v 2( 2 3 ) c i m 2 型车的基本阻力： 五= 8 6 3 + 0 0 7 2 9 5 v + 0 0 0 11 2 v 2 ( 2 - 4 ) c r h 3 型车的基本阻力： 五= 7 7 5 4 - 0 0 6 2 3 6 7 v + 0 0 0 11 3 v 2( 2 - 5 ) c r h 5 型车的基本阻力： 五= 6 7 9 6 4 - 0 0 6 2 v + 0 0 0 1 4 3 v 2 ( 2 6 ) 对于城轨车辆，典型的基本阻力公式如下： 五= g ( 2 2 7 + o 0 0 1 5 6 v 2 )( 2 7 ) 可见，由于不同车型的传动机构设计、车体机械参数以及外观造型各不相同， 基本阻力也有所不同。另外车辆的应用环境也对基本阻力试验公式有影响，地铁 车辆的空气压力就要比铁路车辆大。 轨道车辆基本阻力e 即为： 瓦= m a 1 2 ( 2 - 8 ) 轨道车辆牵引电机负载特性分析 其中e 基本阻力，n ； m 整车质量，t 。 2 3 2 附加阻力 轨道车辆运行时的阻力，除了和车型固有参数、运行速度有关，还和运行线 路条件有关。车辆在上坡下坡、过曲线弯道、过隧道或与逆风等情况时，线路条 件就发生了改变，此时引起的变化的阻力就是附加阻力。 2 3 2 1 坡道阻力 机车、车辆在坡道上运行时，除了基本阻力之外，还有坡道附加阻力，简称 坡道阻力【1 5 1 。坡道阻力是机车、车辆的重力沿轨道下坡方向的分力。由于轨道车 辆重量很大，因此即使是很小的坡道，也会造成较大的阻力。 图2 - 4 坡道不意图 f i g 2 4s c h e m a t i co far a m p 图2 4 是车辆在坡道上时的情况。线路在a b 上，长度为i ，b 点与a 点海拔 高度差为h ，a b 与水平线a c 的夹角为口，其坡度千分度f 为 f ：8 c 1 0 0 0 ：h 1 0 0 0 ：1 0 0 0 s i n 口 ( 2 9 ) a bl 。 坡度千分数f 上坡时为正值，下坡时为负值。 如果有一辆车在a b 坡道上运行，其重力为m g ( 1 洲) ，其值按比例用a b 线段 表示。此力克分解成与钢轨方向垂直的a e 和与钢轨方向平行的a d 两个分力。垂直 分力a e 被钢轨的法向反力所平衡。指向下坡方向的分力a d 就是总坡道阻力f 。 由此结合图2 - 4 可以推出： 旦：丝：丝：s i n i n 口 ( 2 1 0 ) 1 = 一= = s 口 i z l u ， m g a ba b 。 z = 1 0 0 0 9 s i n a = g f ( 2 一1 1 ) 1 3 北京交通大学硕士学位论文 z = ，磁( 2 1 2 ) 其中f 单位坡道阻力，n t 。 f 坡道阻力，n 。 坡道阻力有正负之分。上坡时，坡道阻力为正，阻碍车辆前进；下坡时，坡 道阻力为负，实际上起到了牵引力的作用。 2 3 2 2 曲线阻力 轨道车辆在曲线上运行时的阻力大于同样条件下直线上运动时的阻力，其增 大部分也叫曲线附加阻力，简称曲线阻力。引起曲线阻力的主要原因是，车辆在 曲线上运行时，由离心力的作用引起轮轨间的纵向和横向滑动、轮缘与钢轨内侧 面的摩擦增加，同时，由于转向架转向和侧向力的作用，上下心盘等部分摩擦加 剧。 曲线阻力的影响因素复杂，难以用理论推导出计算公式，通常用对比的方法， 并考虑主要的、易于计算的因素曲线半径足，经试验得出试验公式。 在圆曲线上运行的机车车辆，其单位曲线阻力，试验公式如下： z ：等 ( 2 - 1 3 ) ， n 、， 也 其中z 单位曲线阻力，n t ； 足曲线半径，m ； k 曲线阻力试验常数，我国列车牵引计算规程中规定k = 6 0 0 。 2 3 2 3 隧道阻力 列车在隧道内运行时，空气阻力比在空旷地带要大，空气阻力增加的部分称 为隧道附加阻力，简称隧道阻力。这是由于车辆过隧道时，会导致隧道内空气的 阻塞，车头空气受到压缩，车尾空气稀释，这就增加了列车的阻力。隧道阻力可 由试验确定，以日本新干线为例，其在非隧道与隧道的试验公式不同： 非隧道： 五= g ( 1 2 7 3 + o 0 0 5 0 1 v + 0 0 0 0 1 3 8 1 v 2 ) ( 2 - 1 4 ) 隧道： 厶= g ( 1 2 7 3 + 0 o o i v + 0 0 0 0 2 5 6 9 v 2 ) ( 2 15 ) 式中厶隧道内单位基本阻力，n t 。 可见，由于空气动力的变化，引起了阻力的变化，低速时隧道阻力影响较小， 高速时隧道阻力影响很大。 1 4 轨道车辆牵引电机负载特性分析 2 3 3 阻力计算 对轨道车辆进行运行阻力计算时，要综合考虑其基本阻力和附加阻力。通过 上述分析，可以看出列车运行总阻力是与诸多因素有关的。运行速度、轴重、列 车传动系统的机械构造、车体外形设计、轨道质量以及运行线路情况等，都对运 行总阻力产生着影响。因此运行阻力f ( v , s ) 是这一系列因素的函数，表现为： 即力= 鬟： 式中，化s ) 总运行阻力，n ； 非隧道运行阻力 ( 2 - 1 6 ) 隧道内运行阻力 1 5 北京交通大学硕士学位论文 3 负载模拟公式推导与系统建模 3 1 负载特性公式推导 下面通过构造牵引传动系统物理模型，分别从力的角度和功的角度对电机负 载特性进行推导，公式符号说明见表3 1 。 表3 - 1 公式符号说明 符号单位说明 五 n ，竹 牵引电机实际负载转矩 乏 n m牵引电机输出转矩 耳 n ，竹牵引传动转矩 互 n 所负载模拟等效转矩 ，n s ) n车辆编组运行总阻力 fn车辆编组基本阻力 弓 n轮周牵引力( 轮对受钢轨的反作用力) 吒甜 n钢轨受轮对的反作用力 f 两 n 每个动力轮对轴承承受的横向压力 c n平均轴重垂向力 fn 钢轨对轮对的支撑力 f s 嘲t n 轮对对钢轨的支撑力 f l ，f f c - f f ，f i b n 各传动机构或刚体间的作用力与反作用力 fn 坡道阻力 f f n每节列车平均阻力 互 n 主动齿轮受从动齿轮的反作用力 互 n 从动齿轮受主动齿轮的作用力 3m 堙m 2 牵引电机与主动齿轮的转动惯量之和 jw 堙m 2 轮对与从动齿轮的转动惯量之和 3 姆m 2 负载模拟实验台总转动惯量 3 1 姆m 2 实验台飞轮惯量 r a d s电机、主动齿轮角速度 r a d s 轮对、从动齿轮角速度 1 6 负载模拟公式推导与系统建模 表3 1 ( 续) 1 ， i o n h机车运行速度 疋 传动比 口 r a d行驶线路坡度 坡度千分数 l 占速度衰减率 r ，挖 曲线半径 n 动力轮对个数 m 每个转向架中轮对个数 2 每节车辆转向架个数 m 动力车编组个数 n ： 车辆编组总数 ，i m 主动齿轮半径 m 从动齿轮半径 ，靠 轮对车轮半径 k 曲线阻力试验常数 么基本阻力常数项系数 b基本阻力一次项系数 c基本阻力二次项系数 ，f 车辆编组总质量 ，l l m 4 t各机构质量 1 7 北京交通大学硕士学位论文 3 1 1 从力的角度推导 为了准确模拟负载情况，须得到每台牵引电机所受负载转矩，这就需要将机 车运行阻力转化到牵引电机轴侧。分析如下： 图3 - 1 牵引电机与轮对传动受力分析 f i g 3 1f o r c eo nt r a c t i o nm o t o ra n dw h e e ld r i v i n g 图3 1 为机车牵引电机与轮对传动示意图，图左侧为牵引电机及传动机构，右 侧为轮对及传动机构。虚线为传动齿轮，实线为电机轴及轮对，轮对中间点划线 为车轮轮轴。电机和车轮转动方向如纨和绒，所示。在以下推导中，因为采用了列 车阻力经验公式，认为其包含了齿轮箱及轮对轴承等机械摩擦损耗，故在推导中 忽略了这些因素的影响，防止重复计算。符号详细说明注释见后。 由图3 1 ，可得到以下公式： 对于牵引电机，有转矩公式： l 一五= 厶等d f ( 3 - 1 ) 其中乙为牵引电机输出转矩，乃即为负载转矩，l 为电机与主动机构的转动 惯量，吃为电机转动机械角速度。对于本文来说就是要用尽量容易获得的物理量 来表示负载转矩z ，使得负载电机对牵引电机负载转矩的模拟是切实可行的。 机车在运行时，不论是牵引、制动还是惰行，牵引电机的主动齿轮与轮对的 从动齿轮之间都存在着一对作用力与反作用力f 和e ： 鼻= e( 3 2 ) 1 8 负载模拟公式推导与系统建模 同时，互和e 也可表现为转矩的形式，互表现为牵引电机的负载转矩互，e 表现为传动转矩耳： 互= e ，i( 3 3 ) 弓= 五r 2( 3 - 4 ) 在铁路上，定义齿轮传动比为： 恐= 鲁= 睾 ( 3 5 )5 吒 、 由( 3 2 ) ( 3 5 ) 式可知： 五2 意写 ( 3 - 6 ) 其中传动转矩耳是促使轮对转动的动力，而耳与互是一对由作用力与反作用 力产生的相互依存的转矩，因此从某种意义上讲，负载转矩互的大小也反映了轮 对传动力的大小。 图3 - 2 轮对与钢轨受力分析 f i g 3 - 2f o r c eo nw h e e la n dr a i l w a y 1 9 北京交通大学硕士学位论文 图3 2 分析了轮对钢轨的受力情况，车辆以速度v 沿坡度为口角的线路行驶， 钢轨与轮对存在两对作用力与反作用力： f t = ( 3 7 ) f s = f ， ( 3 8 ) 其中，e 为轮周牵引力，是钢轨对轮对的纵向反作用力，它的作用点始终是 在车轮与钢轨的接触点，一方面它是阻碍轮对的转动的力，一方面它也是列车运 动的直接动力；只为钢轨对轮对的垂向支撑力。 在轮对上，存在如下公式： 乃一f t f = l 孥 ( 3 9 ) 辱一印i n 删o o o m 。掣 ( 3 - l o ) 其中c 为单个车轴承受车体的正压力，为轴承对车轮轴的反作用力，m 。为 轮对质量，九为车轮轮对转动惯量。 车轮以角速度纨转动，同时车辆以速度1 ，前进，理论上车轮线速度应等于车 辆速度，但由于轮对与钢轨存在蠕滑现象，并且列车行进时一般存在蛇形运动， 故在转换轮对角速度与列车运行速度时，需加入速度衰减系数g ： 去= o ) w r e ( 3 一1 1 ) 图3 - 3 单节列车的受力分析 f i g 3 3f o r c eo n as i n g l ec a r 图3 3 为单节列车模型，本文对车体转向架部分进行了简化处理，由于经验公 式中已包含了部件摩擦损耗，故认为列车传动机构各部件存在作用力与反作用力： 式： 负载模拟公式推导与系统建模 f 管= f h z = t f f = f | 、 f 昏= n f s 对于弹性支撑结构、转向架架体、车体支撑结构以及车体， 乃鸣划。拿 一f 一d ( 赤) m ：一t ，。1 0 0 0 笋 弦驴姗。鸭拿 中瑚。挈 联立( 3 1 0 ) 一( 3 1 9 ) 式，消除中间量可得： m n 2 耳一f f n , n 2 f s i n a = 帆州m 朋m 氓，孕 每个轮对承受列车正压力即平均轴重对应的力为： f ：1 0 0 0 m g p nvn ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 1 5 ) 分别存在如下公 ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 - 1 9 )