（机械设计及理论专业论文）电机车制动系统中防滑器的智能控制研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 电机车制动系统中防滑器的智能控制研究 机械设计及理论 尚爱琴( 签名) 程安宁( 签名) 摘要 近年来，在高速、重载的发展要求下，我国客货列车的制动性能不断得到发展。处 在这一大环境中的矿山运输机械之一的电机车，其各项性能也受到人们的关注，希望在 提高速度的前提下可以有效制动。而要满足这些要求，则必须对电机车原有制动系统的 性能做出新的改进或添加辅助系统。 微机控制防滑器是列车制动系统中一个结构较为复杂的辅助子系统，它涉及轮轨问 粘着理论、信号采集、微机控制和智能控制理论等多方面的知识，充分体现了各学科领 域知识的相互交叉和渗透。本文主要研究防滑器的核心部分，即研究防滑器控制系统。 本文沿着制动过程粘着分析、控制模型的建立及验证、防滑器工作状态演示的步骤进行 了较为系统的研究。 智能控制在防滑器上的应用研究在我国是近几年才起步的，理论上证明其有广远的 发展前景。在本文中，首先研究制动过程中轮轨间的粘着分析，指出轮轴速度曲线的拐 点即是粘着最佳位置。拐点是制动曲线的三阶导数，它的物理意义和冲动不谋而合，这 也是本文在防滑器控制模型中引入冲动物理量的原因之一。研究表明影响粘着最直接的 参数是滑移率，因此本文摒弃了常用的速度差参数，而选用滑移率、加减速度和冲动三 个物理量作为防滑判据，并根据这三个物理量建立了防滑器模糊神经网络控制模型。本 文使用v i s u a lb a s i c6 0 开发了防滑器控制软件，并在此平台下进行了防滑器各工作状态 演示。本文通过现车的部分速度试验数据进行了控制模型的验证，结果表明该控制模型 能够依据滑移率、加减速度和冲动正确判断车轮的运行状况，控制排风阀做出正确反应， 从而达到适时调节制动缸压力的目的。本文为智能型防滑器的应用研究作了理论上准备 工作，为智能型防滑器在电机车上的应用奠定了基础。 关键词：防滑器：粘着；模糊神经网络：智能控制 研究类型：应用研究 可于旃 s u b j e c t ：r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tc o n t r o lo fa n t i - s k i ds y s t e mi nb r a k e s y s t e mf o re l e c t r i cl o c o m o t i v e s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：s h a n ga i q i n i n s t r u c t o r ：c h e n ga n n i n g a b s t r a c t ( s i g n a ( s i g n a w i t ht h er e q u i r e m e n to ff a s t s p e e da n dh e a v yl o a df o rt r a n s p o r t a t i o n t l l eb r a k i n g p e r f o r m a n c eo fp a s s e n g e rt r a i n sa n df r e i g h tt r a i n si no u rc o u n t r yh a sb e e nd e v e l o p e d c o n t i n u o u s l yi n r e c e n ty e a r s a tt h es a m et i m e ，p e o p l eb e g i nt oc o n c e r nw i t hb r a k i n g p e r f o r m a n c eo fa ne l e c t r i cl o c o m o t i v e ，w h i c hi so n eo ft r a n s p o r tm a c h i n e r yi nm i n i n ga r e a , a n dh o p ei tc a l lb r a k ee f f e c t i v e l yw h e ni t s s p e e di si n c r e a s e d i no r d e rt om e e tt h e s e r e q u i r e m e n t s ，p e o p l em u s ti m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fo l db r a k es y s t e mi nt h ee l e c t r i c l o c o m o t i v eo ra d dt on e w a u x i l i a r ys y s t e m t h ec o m p u t e rc o n t r o l l i n ga n t i s k i ds y s t e m ，w h i c hh a sc o m p l e xs t r u c t u r e ，i sam a i n a u x i l i a r ys u b s y s t e mo fat r a i nb r a k i n gs y s t e m i tc o n c e r i i sa d h e s i o nt h e o r yb e t w e e nw h e e l a n dr a i l ，s i g n a l a c q u i s i t i o n ，e l e c t r o n i cc o n t r o la n di n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y , a n di te m b o d y a d e q u a t e l yi n t e r c r o s sa n dp e n e t r a t i o ni ne a c hk n o w l e d g ef i e l d t h i st h e s i si sm a i n l y c o n c e n t r j a t e du p o nt h eh e a r to ft h ea n t i s k i ds y s t e mt h a ti st h ec o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c h p r o c e s si sf o l l o w e dw i t ha n a l y z i n gw h e e l r a i l sa d h e s i o nd u r i n gb r a k i n g ，d e s i g n i n gt h ef u z z y n e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ，v e r i f y i n gc o n t r o ls y s t e ma n d d e m o n s t r a t i n gw o r k i n gs t a t e ， a l t h o u g ht h er e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tc o n t r o lf o ra n t i s k i ds y s t e mb e g a ns e v e r a ly e a r sa g o ， i th a sb e e np r o v e dt h a ti th a dag o o dd e v e l o p i n gp r o s p e c t f i r s t l y , t h ew h e e l r a i l sa d h e s i o n d u r i n gb r a k i n gi sr e s e a r c h e d ，a n dt h eo p t i m a la d h e s i o ni sp r o v e dt ob ee x i s t e da tt h ei n f l e x i o n p o i n to fs p e e d t h ei n f l e x i o ni st h es e c o n dd i f f e r e n t i a lo ft h es p e e dc u r v ea n dt h ep h y s i c a l m e a n i n gi st h es a m et ot h ej e r k ，s ot 1 1 ej e r ki si n t r o d u c e di n t ot h ec o n t r o lm o d e lo fa n t i s k i d s y s t e m t h es p e e dd i f f e r e n c ei sr e p l a c e db yt h es l i pr a t i o ，b e c a u s et e s t ss h o wt h a tt h es l i pr a t i o i sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ea d h e s i o n s ot h r e ep a r a m e t e r s ，n a m e l yt h es l i pr a t i o ，t h ea c c e l e r a t i o n o rd e c e l e r a t i o n ，m ej e r k ，a r ec h o s e na sa n t i - s k i dc r i t e r i o n s t h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l m o d e lo fa n t i s k i di sb u i l ti nt e r mo ft h r e ep a r a m e t e r s s e c o n d l y , c o n t r o ls o f t w a r eo fa n t i s k i d 、 肋 i sr e a l i z e du s i n gv i s u a lb a s i c6 0 ，a n da n t i s k i ds y s t e mw o r k i n gs t a t ei sd e m o n s t r a t e di nt h i s i n t e r f a c e f i n a l l y , t h ep a r t i a ls p e e dt e s t i n gd a t aa r eu s e dt ov e r i 够t h ep e r f o r m a n c eo ft h e c o n t r o lm o d e l ，t h er e s u l ti st h a tt h ea n t i s k i dc o n t r o lm o d e lc a nj u d g ec o r r e c t l yr u n n i n gs t a t u s o fw h e e l sa c c o r d i n gt ot h r e ep a r a m e t e r s c o n t r o le x h a u s t - a i rv a l v em o v e m e n ta n dm o d u l a t e t h ea i rp r e s s u r eo ft h eb r a k ec y l i n d e rt i m e l y t 1 1 i sr e s e a r c hw o r kp r e p a r e st h e o r i e sf o r a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ni n t e l l i g e n ta n t i s k i ds y s t e m ，a n di sb u i l d i n gb a s ef o ri t sa p p l i c a t i o ni n ae l e c t r i cl o c o m o t i v ei nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：昀n e u r a ln e t w o r k a d h e s i o na n t i s k i d s y s t e m i n t e l l i g e n t c o n t r o l t h e s i s ： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技大肇 学位论文独创性说明 y9 2 3 13 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：萄爱霉日期：如一，哆z 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：肖乏琴 指导教师签名：撇 弘一f 年d 严月留日 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 本课题的选题背景 近年来，我国客货列车的制动性能不断得到发展。这方面是市场竞争的结果，另 一方面也是科学技术发展的必然结果。处在这一大环境中的矿山运输机械之一的电机 车，其各项性能也受到人们的关注，希望在提高速度的前提下可以有效制动。而要满足 这些要求，则必须对电机车原有制动系统的性能做出新的改进。 我国机车制动机的发展与牵引动力的变革息息相关。在蒸汽牵引为主的年代里，仅 适于单端操纵的e t 一6 型机车空气制动机成为唯的机车制动机。2 0 世纪6 0 年代初期， 由e t 一6 型演变成适应双端操纵的e t 一1 4 a 型机车空气制动机首先在电力机车上装 用，然后用于内燃机车，从而改变了长期单一使用e t 一6 型机车空气制动机的落后面貌。 为适应中国铁路运输的需求，机车制动技术也相应地取得了突破性发展。在2 0 世纪7 0 年代后期，相继研制成功了j z 一7 型机车空气制动机和d k 一1 型机车电空制动机，并 在2 0 世纪8 0 年代初期开始批量装车使用。在2 0 世纪9 0 年代，制动机的重联、列车电 空制动控制、与列车运行监控记录装置的配合、空电联合制动等新技术也逐步在j z 一7 型机车空气制动机和d k 一1 型机车电空制动机上得到了广泛的应用i l 】。 随着我国铁路牵引动力的发展以及以交流传动为核心的先进技术在机车上的应用， 牵引列车朝着重载、高速方向发展，这就对列车制动系统提出了更新更高的要求：即减 少车辆间及列车的制动冲动；缩短制动距离；充分利用动力制动以减少基础制动装置的 机械磨耗；提高制动系统的可靠性和安全性：实现制动系统的故障检测、故障诊断、故 障显示与报警、故障记录等功能。 根据国家“十五”及远期发展规划，全国货物运输量的6 0 将仍然是煤炭、矿石和 粮食等大宗货物的运输，重载货物列车的开行是未来铁路货物运输的发展方向。因此利 用电子计算机控制等现代信息技术进行列车制动系统的创新必然成为我国未来铁路制 动领域的一个重大发展方向【2 j 。 根据现代客货列车向着高速、重载的发展趋势，作为机车制动系统中重要组成部分 的防滑器，其作用就不言而喻。从近年来国内外的发展看，在列车尤其是高速、重载列 车上使用防滑器已是大势所趋。而作为矿山运输重要工具之一的电机车( 以煤矿为例) ， 由于各种原因却至今没有安装使用防滑器【3 j 。显然这与我国煤矿企业所实施的大型化、 现代化的发展战略不相符。因此在电机车上安装使用防滑器，对煤矿安全高效的运输是 西安科技大学硕士学位论文 有积极意义的。 1 1 2 本课题研究的意义 防滑器，顾名思义，是防止在车轮滚动过程中轮轨之间纵向发生相对滑动的装置( 严 重的而不是轻微的相对滑动) 。 轮轨间纵向滑动有两种情况：一种是牵引状态下发生的，轮周牵引力超过了粘着限 制，车轮飞快地转动面车速很慢、甚至根本不动，这叫“空转”或“打飞轮”；另一种 是制动状态下发生的，制动力超过了粘着限制，车轮转速急剧降低甚至停转而车速降得 很慢，这叫“滑行”或“防抱死”。防滑器就是用来防止车轮“滑行”的 4 1 。其作用是尽 可能充分利用轮轨间的粘着以缩短制动距离，防止车轮擦伤，确保制动力的有效利用。 综观国内外机车制动系统的发展可以清楚的发现，防滑器在制动过程的运用已有几 十年历史，但在初始阶段，防滑器一般只考虑防止车轮抱死以减少车轮擦伤。随着制动 距离要求的日益严格，各国才开始研究如何利用防滑器来充分利用轮轨间的粘着【5 l 。 从目前我国的发展情况来看，高速车辆仍以粘着制动为主。在车辆运行过程中，随 着车辆速度的提高，粘着系数降低，滑行几率增大t 酊。而高速运行时一旦发生滑行，对 车轮的擦伤将极为严重，并大大延长了制动距离，从而危及行车安全，所以对车辆实施 防滑控制非常重要。 在铁路牵引和制动理论中，把“静中有微动”的状态称为“粘着状态”。把粘着状 态下轮轨间切向摩擦力最大值称为“粘着力”，而把它与车轮钢轨间垂直载荷之比称为 “粘着系数”【4 j 。在机车运行过程中，粘着系数并不是定值，而是受到诸多因素的影响。 其主要的影响因素有两个：一是车轮和钢轨的表面状况：一个是列车运行速度。钢轨问 表面状况包括：干湿情况、脏污程度、是否有锈、是否撒砂以及砂的质量和数量等等。 列车运行速度对粘着系数的影响是：随着制动过程中列车速度的降低，冲击振动以及伴 随而来的纵向和横向的少量滑动都逐渐减弱，因而粘着力和粘着系数也逐渐增大，其增 大的程度与机车车辆动力性能、轨道的情况等有关。因此说，设计一种具有自动判断各 类情况、根据具体情况自动调节制动力大小，从而能最佳利用粘着系数来实施制动的防 滑器是非常必要的，也是非常有意义的。 我国矿山铁路运输情况复杂，机车运行期间轮轨间的粘着力变化不定，使得分析机 车的制动性能非常困难。矿山电机车的时速相对于货物列车并不高( 平均时速约为3 0 公里，最高时速可达6 5 7 0 公里) ，但由于环境恶劣，使得因制动不力造成的事故时有 发生。本课题所研究的这种防滑器是一种智能性装置，它能根据输入信号( 由速度传感 器采集得来) 计算出该信号所对应的三个物理参数( 滑移率、加减速度、冲动) ，再由 这三个参数作为防滑器的输入交量，经由防滑器控制单元的分析、比较和判断后输出信 号，确定排风阀将发生何种动作( 与全充、阶充、保压、全排、阶排各状态相对应) ， 2 l 绪论 最终来控制制动缸的实时压力。将这种智能性防滑器与电机车制动机配合使用，能实时、 有效的利用最佳粘着系数，使电机车能够快速、安全的运行。因此，开展本课题的研究 不仅对我国矿山运输有重要意义，而且对铁路运输及轨道交通的发展具有参考价值。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 防滑器的发展 从现有防滑器的整个发展过程来看，大致可分为三个阶段 4 1 ： 第一阶段又称初级阶段，该阶段的防滑器是机械式的。它判断是否发生滑行的根 据( 简称“判据”) 只有一种，即车轮的角减速度。它把回转体的惯性转换成位移，打 开阀门或接通电路，使角减速度骤然降低的轮对缓解。 第二阶段电子式防滑器。它可以采用多种判据，又具有较高的灵敏度和较快的作 用速度，还能进行必要的监督和轮径补偿：但它的缺点是分离电子元件的零点漂移现象 不易清除，需要进行各种偏置电压的大量调整工作，而且易受环境影响，性能不稳定， 维修量较大。 第三阶段采用微机控制的防滑器。这种防滑器是在微型计算机技术快速发展的基 础上诞生的。它可以对制动、即将滑行、缓解、再粘着的全过程进行动态检测与控制， 信息采用脉冲处理，既简单又可靠，无零点漂移，故无需调节和补偿。更重要的是微处 理器的处理速度极快，可大大提高检测速度，即使微小而缓慢的滑行也能及早检测出来 并采取措施加以防止。微机控制的防滑器有一个突出的优越性，即它可以利用软件随时 提供有关信息，进行自我检查、诊断和监督，必要时可把有关信息随时存储、调用和显 示。它还能根据新的情况和要求很方便地改变控制判据而不必改动软件。 1 2 2 国内外防滑器的研究现状及发展趋势 目前，防滑器己成为准高速和高速客车制动系统的重要组成部分之一。国内外的相 关研究人员在防滑器的整个发展过程中，先后研制了一系列功能不同的防滑器。如西德 克诺尔m 型防滑器【1 】和加拿大现在用在货车上的m w x 型防滑系统就是典型的机械式防 滑器。而目前生产的旅客列车防滑器均为微机控制的防滑器，如我国在1 9 9 2 年自力更 生成功研制的具有我国知识产权的t f x l 型防滑器、德国的克诺尔m g s l 型、奥地利的 o m g 2 0 2 型、日本的滑行再粘着装置以及法国的f a i v e l e y 型均为由微机控制的使用 效果较好的防滑器】。 国内外旅客列车防滑器的控制原则基本上是根据一些经验数据( 对于列车防滑器， 有些经验数据是通过轮轨间的粘着试验来获得的) 来进行对制动过程中轮对滑行的判 断，其中大部分防滑器是利用轮对的加减速度、车辆参考速度和轮对之间的速度差这两 西安科技大学硕士学位论文 个经验数据来设定门槛值( 个别防滑器的判据中引入了冲动物理量) ，基此监测轮对的运 动状态并控制制动缸压力。轮轨间粘着关系非常复杂，具有很大的随机性 8 1 ，因此相同 的加减速度和速度差在不同的轨道及运行环境下，轮轨间的粘着关系是不同的，如何将 这种差异揉和进控制程序中，用以对轮对的运行状态进行监测和滑行的综合判断，从而 进行制动力的控制，是现代防滑器控制系统研究的核心。 从资料中发现，日本于1 9 9 3 年研制过双输入单输出的模糊控制的打滑时再粘着装 置 9 1 1 1 0 l 。他们所研究的模糊控制系统的输入量是速度差和加减速度，并将速度差分为3 个等级，加减速度分为5 个等级，以此来控制制动缸匪力空气的排气、充气和保压。它 的控制规则如表1 1 所示。由表1 1 可知，该模糊控制系统仅包含1 5 条模糊规则，控制比 较粗糙。在其他国家的资料中尚未发现有关旅客列车防滑器模糊控制研究的报道。近几 年，我国的一些科研机构开始对防滑器模糊控制进行研究，但都处于理论研究阶段。 表1 1 日本制动缸压力控制的模糊规则表 打滑量 加减速度 加速大 加速小无 减速小减速大 速 无给气大不控制不控制不控制 排气小 度 小给气中保压保压排气小排气中 差 大给气小保压保压排气小排气大 由此可见，对防滑器的模糊控制系统通过实验和借鉴国内外有关数据进行必要的改 动，并将其应用于矿用电机车是可行的，这也是本课题要做的工作。 1 - 3 本论文的主要研究工作 列车安装防滑器的主要目的有三点：( 1 ) 尽可能充分利用轮轨间的粘着以缩短制动 距离；( 2 ) 防止车轮擦伤；( 3 ) 保障制动力的有效利用。本文中防滑器的智能控制研究 正是以这三个要求为最终目的来进行的，其安装对象为矿山电机车，这也体现了我校依 托自身优势、服务矿山企业的要求。但由于现实条件和科研试验条件的制约，本防滑器 的研究仅在以下几个方面进行理论研究： ( 1 ) 在矿山运输过程中，机车牵引和制动( 调速制动和停车制动) 都必须依靠轮轨间 的粘着才能完成。当在车轮上施加制动力矩时，轮轨间或多或少总存在微量的滑动( 蠕 滑) ，随着制动力矩的增加其车轮间的滑动量亦增加。由于粘着系数受外界环境、车辆 载荷、制动力等诸多因素的影响随时都在变化，因此施加合适的制动力就变得很困难， 而防滑器控制的基本功能就在于主宰这种变化。本文首先研究轮轨间的粘着状态和制动 工况下最佳粘着，并分析了影响粘着的主要因素。 ( 2 ) 比较和分析三种常用智能控制理论，针对防滑器控制系统的特点，即多输入单输 4 l 绪论 出控制系统，选择高木一关野模糊神经网络( 混合型p i - s i g m a 神经网络) 作为防滑器控 制系统的基本控制理论i 。 ( 3 ) 分析和比较检测滑行的几种常用物理量，根据其在滑行检测和控制中的作用确定 了本防滑器控制模型中所需要的控制变量( 判据) 。 ( 4 ) 利用滑移率、加减速度和冲动三个物理量建立三输入单输出防滑器模糊神经网络 控制模型，运用v i s u a lb a s i c6 0 开发了相应的计算机控制软件，并借用t f x l 型防滑器 的部分现车速度试验数据进行控制模型的验证。 ( 5 ) 在p c 上用v i s u a lb a s i c6 0 编制了防滑器智能控制的工作过程演示。 西安科技大学硕士学位论文 2 轮轨间粘着分析 2 1 粘着和蠕滑 所谓粘着，宏观上表现为轮轨之间的一种切向力，它是机车车辆牵引与制动得以实 现的最重要的物理现象( 但“粘着”并不是一般物理概念上的摩擦，在铁路专业范畴 内，“滚动摩擦”是指阻止车轮滚动的阻力，而“粘着”是指阻止一个滚动的车轮滑动 的阻力) ，这种切向力与接触载荷之比叫做切向力系数或者粘着力系数。显然，如果没 有粘着，车轮就不能滚动，更不能传递扭矩为牵引力或制动力。 粘着力系数为： 致= 万t ( 2 1 ) 式中：卜在车轮上加速或减速的切向力，也就是粘着力； 一由车轮所传递的正压力。 而粘着系数妒则是粘着力( 切向力) 系数的最大值。即= 妒n 。 从粘着机理上看，车轮与钢轨是滚动接触的，在滚动接触面上传递力的同时，伴随 着由于车轮与钢轨的弹性变形而产生的微小相对滑动，在接触区内存在着对应于所传递 的力而变化的打滑区和粘着区。研究表明，理想的切向力系数一滑移率曲线具有两个极 值点点和b 点，如图2 1 所示。 粘着乒l 系数 2 飓 沿移宰i 图2 1 滑移率和粘着关系曲线 轮轨间的微观滑动效应是产生轮轨粘着力的基础。粘着系数仅提供了轮轨接触表面 6 2 轮轨间粘着分析 产生多大切向力能力的一个条件，决定切向力的主要因素则是车轮与道轨相对运动的状 态蠕滑。 蠕滑是钢轨与车轮相对滚动时，接触表面上产生小弹性滑动的现象，切向力的大小 就是由这种微小弹性滑动决定的。表面上，轮子似乎在钢轨上作纯滚动。实际上，在轴 驱动力矩( 动力牵引情况下) 或制动阻力下，轮子一面作滚动，一面作微小的滑动，其 轮轨接触斑上存在着微小的粘着区和滑动区，切向力和滑移率就由此产生。 2 _ 2 蠕滑区和宏观滑动区的特性 2 2 1 蠕滑区特性 试验表明，在轮轨接触点上的切向力7 与车轮沿钢轨表面的滑动速度岸( 当列车速度 为v 时) 之间，存在着如图2 ，2 所示的关系1 1 2 ：车轮的相对滑动速度竺的数值较小时，接触 点上的切向力的大小十分近似地符合与兰值成线性正比( 粘着摩擦) 。而相对滑动速度在 某一临界值( 詈) 。以后，切向力实际上成为一个常数。切向力的最大值等于干摩擦力 弓= 妒。当r 砀时，车轮沿钢轨滚动过程中的相对滑动，是由于轮轨材料的弹性变 形而引起的，可以近似地但又足够精确地取用下列线性关系式： 丁= 七兰( 2 r 2 ) 式中：七一比例系数( 蠕滑系数) 。 蠕滑系数与轮轨相互作用表面的形状、材料的弹性特性、接触区域上的法向压力 有关。 t f一 一 t = k t l v f ( u v ) 1 【p u ，v 图2 2 车轮沿钢轨的摩擦力与相对滑动速度的关系 西安科技大学硕士学位论文 2 2 2 宏观滑动区特性 制动过程中，当制动力大于粘着力时，车轮就从滚动转入滑行。紧急制动时最易发 生滑行，使用合成闸瓦更是如此。但这种滑行对列车正常运行虽有一定影响，还不致造 成严重事故。严重的是持续滑行将导致较大危害：一种是列车由于缓解不良或自然制动 等原因造成一起动就滑行；另一种是由于车轮擦伤后，运行中超过临界速度或再一次制 动后发生滑行。这两种滑行都会持续相当长时间，踏面擦伤深度可达2 0 毫米以上，导致 列车颠覆事故。 设车轮滑行时轮轨间的摩擦力瓦为： 咒= 伊“ ( 2 3 ) 式中：纵轮轨间的滑动摩擦系数。 轮轨间的滑动摩擦系数可根据以下经验公式得到： p c k = 0 1 5 篑罴 。， 式中：一轮轨接触点的相对速度( 车轮被抱死时，该速度就是车辆的运行速度；车轮 连滚带滑时，则为轮轨的相对速度) ，单位为公里4 , 时。 2 3 列车制动过程最佳粘着分析 为研究防滑控制过程，车辆可简化为图2 ，3 所示的单轮车辆系统【1 2 】。根据转动定律， 可得下列方程式： j w = t r 一瓦r 一0 一， ( 2 5 ) 图2 3 制动状态车轮受力简图 根据牛顿第二定律，由图2 3 得车辆在制动时车轮上力平衡方程式为： m a = t + 矿( 2 6 ) 2 玲轨间粘着分析 车轮滑移率为： 五= 1 一r 。矿 ( 2 7 ) 式中：止车轮转动候量； 丁一切向力： l 一车辆的滚动阻力矩： 而一制动力； 呒一车辆轴瓦与轴颈问发生的摩擦力； 彤一制动过程中车辆振动及风阻等造成的阻力； 胄一车轮半径； 卜轮轴半径； 一车轮角速度； 啦轮中心水平速度。 列车制动力是由机车车辆基础制动装置产生，通过轮轨粘着而转化成阻碍列车运行 的外力。对闸瓦制动来说，闸瓦作用于车轮的压力f 引起闸瓦作用于车轮的摩擦力 厂( f = f t p f ，其中外是闸瓦摩擦系数) 。这个摩擦力对车轮中心形成制动力矩为f 胄。 其方向与车轮转动方向相反，起着制止车轮转动的作用。 由式( 2 ，5 ) 知，列车制动时，决定车轮旋转状态的关键因素是车轮转矩q 衄( 其中q 为 车轮载荷) 和制动力矩疋r 。因车辆的滚动阻力矩与车轮转矩和制动力矩相比小得多，故 可略去不计。车轮转矩是作用于车轮和钢轨问的轮轨摩擦力与轮径的乘积，是与制动力 矩旋转方向相反的力矩。当制动力矩大于车轮转矩时，车轮速度降低，此时减速度为负 值：当制动力矩小于车轮转矩时，轮速增加，减速度为正值。 假定在制动过程中，钢轨对车轮的法向支反力不变，即假定粘着力的变化完全是由 粘着系数的变化引起的。这样，粘着力和运动状态的关系就简化为粘着系数与运动状态 的关系。而粘着力兀与粘着系数伊之间的关系为： 巧= 伊 ( 2 8 ) 从式( 2 5 ) 则可得制动时钢轨反作用于轮对的切向力为： t = 田+ w h r ) r + f q p f + 半 ( 2 _ 9 ) 【 在切向力丁没有达到它的极限值( 粘着力) 时，随着闸瓦压力f 增大，闸瓦摩擦力和 相应的切向力都随着增大。当切向力增大到超过粘着力时，轮轨之间的粘着状态就会被 破坏，轮轨间的切向力由粘着力变为滑动摩擦力。由于轮轨间的滑动摩擦系数比粘着系 数小得多，此时轮轨问的切向作用力将大大地小于闸瓦与车轮间的制动力，车轮就会被 抱死而在钢轨上滑行，车轮踏面将发生局部擦伤。 由此可见，制动时钢轨反作用于车轮的切向力不能大于轮轨间的粘着力，即必须满 足下面关系式： 9 ：轮勒器裹菇搬，删脯舭f 图2 4 卑牦侣”i m 1 1 制动距禺攘氍“ 假设弯薏乏制动过程中，轮轨阊始终保持最佳柏蓿川9 掣 。2 m 翻动距离公式为： 一立 。 “2 妒。f g 此外，由力学可知。 v ； 铲五 ( 2 1 2 轮轨间粘着分析 结合式2 1 2 、2 1 3 可导出a = 妒g ，这也从另一个方面证实了公式2 1 l 。 由高等数学的最大值、最小值原理并结合本文的实际问题，可以求出最大粘着系数 点。另外，由高等数学拐点定义，即连续曲线上凸弧和凹弧的分界点称为连续曲线的拐 点。针对本文研究的课题，对制动过程中所检测的车轮切线速度曲线进行二阶求导，其 结果为冲动，因为冲动即为减速度的微分值。因此拐点和冲动具有重要的相似性。 研究表明，理想的防滑器工作过程是：制动开始后，制动力上升，车轮减速度增大， 此时冲动为负值，到了拐点后( 冲动为0 ) ，粘着系数下降，此时防滑器开始排风动作，车 轮角速度增大，冲动为正值，滑移率减小，粘着系数增大，到了拐点后，防滑器开始充 风，冲动又变为负值。如此反复，直到列车停车。因此冲动的变化过程是由负值向正值 变化，然后再向负值变化的过程。这一过程的两个拐点( 第一个拐点为稳定区向不稳定 区过渡点，第二个拐点为不稳定区向稳定区过渡点】即为临界点，也是粘着系数最大点( 如 图2 5 所示【1 3 】，图中a 和b 分别为防滑器控制周期的两个拐点1 。 时间 图2 5 防滑器的一个控制周期原理图 通过以上分析可知，制动过程中，如果我们能够检测到轴速度的拐点，并以此控制 制动缸压力，则防滑器就能充分利用轮轨间的最佳粘着，保证制动距离最短。 2 4 影响粘着系数的主要因素【4 】【1 2 】【1 4 】 2 4 1 轮轨表面状况对粘着系数的影响 当钢轨及车轮踏面上存在油、水、霜、雪、树叶等污染物时，对轮轨问制动粘着系 数将有极大的影响，会大大降低粘着系数( 参看表2 1 ) 。这是因为在踏面与钢轨表面之间 有介质的时候，将大大减小踏面与钢轨之间的实际接触面积，减少了发生微观变形的接 触点的数量，也就大大降低了牯着力。特别当水量较小时，水在轨面上的铁锈或其它固 体颗粒或粉末等污物混合，形成非牛顿流体特性的表面膜，这种表面膜很难被车轮的压 西安科技大学硕士学位论文 力挤掉而使粘着降低；而当水量较大时，则会把轨道表面冲刷干净，粘着系数并不明显 降低。美国伊利诺理工学院在轮轨粘着一蠕滑试验机上作了大量的试验，表明在以2 升 时的恒定水量喷射到车轮表面上，测量的粘着系数比清洁干燥表面下降了约6 0 ：当轮 子表面喷射机油或柴油时，测得的粘着系数更低，最低的在0 0 5 。 表2 1 轨面状况对粘着系数的影响 轨面状况轮轨粘着系数 未撒砂撤砂 清洁干燥 o 2 5 0 3 00 3 5 o 4 0 润湿0 1 8 0 2 0o 2 2 o 2 5 有霜 0 1 5 o 1 80 2 2 雨雪 o 1 5 o 2 0 油污 o 1 00 1 5 图2 6 表示了6 种典型轨面条件下平均粘着系数与滑移率关系的特性曲线。值得注意 的是，粘着特性曲线并不是单值曲线，每条曲线都代表相应轨面条件下较宽的数据带， 如图2 7 所示。 为了改善轮轨的表面状况，在实际应用中采取了很多措旆：装置踏面清扫器、撒砂、 电火花等。但由于各自具有的局限性，应用前景并不乐观。 巅 懈 韶 露 博移奉( 篙) 图2 6 典型轨面条件下粘着系数与滑移率特性曲线 2 轮轨间牲量分析 么渤锄k 1 么彩垆一饧 觞缓彩缓物 场 易勿锄k 么彩彩渺1 移 纩己 图2 7 滑移率秸着带 2 4 2 运行速度对粘着系数的影响 速度对粘着的影响主要从两方面考虑。首先是在干轨的情况下，速度提高，粘着系 数降低，主要是随着速度的提高，引起的冲击增大，冲击增大，引起纵、横向滑动也就 越大，从而引起粘着系数降低。另外，随着速度的增加，制动时产生大量的热来不及扩 散，温度升高，使得接触副的结合力因分子键的抗剪强度降低而下降，从而降低粘着。 其次，对于湿轨的情况下( 这里指没有污物只有少量水的情况) ，少量水在钢轨表面形成 弹性流体润滑膜，其厚度与速度的0 6 次方成正比，在水润滑状态，流体上的高压与微观 突起共同承受接触载荷，水的粘度低，难以像油那样形成较厚的膜，但接触固体的弹性 变形和接触压力使水的粘度增大，水膜虽不足以使轮轨脱离接触，但减小了实际接触面 积，速度越高，水膜越厚，水膜承担的载荷越大，粘着力越小。 在列车制动过程中，随着速度的降低，冲击振动以及伴随而来的纵向和横向的少量 滑动都逐渐减弱，粘着力和粘着系数也随之逐渐增大，其增大的程度与机车车辆动力性 能、轨道的情况等有关。 2 4 3 线路弯道对粘着系数的影响 在弯道区段，车轮与钢轨在纵向与横向均存在蠕滑，由于轮轨间冲角的存在，使横 向蠕滑产生，直接引起制动粘着系数的下降。美国伊利诺理工学院首次试验获得的轮轨 间不同冲角工况下制动粘着系数的试验值表明，当冲角从0 1 0 增大n o 5 0 时，制动粘着系 数几乎下降了6 0 。另外，车辆通过弯道时，造成车轮- n 增载另一侧减载，使车辆挠 度增加，同时内外侧所走的路程不同，车轮左右滑动，这些都造成弯道粘着系数的降低。 根据牵引状态的试验，弯道的曲率半径越小，粘着系数降低的越多。在半径为3 0 0 米的 曲线上，粘着系数大约比直线线段降低1 6 左右。因此在小半径曲线上施行制动时，车 u ” 毗 o 西安科技大学硕士学位论文 轮滑行的可能性大大增加，尤其在高速时更为严重。 影响粘着系数的因素有很多，除了上述的三大因素外，闸瓦材质、车辆运行中车轮 减载、轮对运用工况( 牵引或制动) 等都对粘着系数有一定影响。 2 5 小结 本章介绍了轮轨间粘着的产生、影响因素及相关理论知识。首先明确了粘着和蠕滑 的含义，指出切向力( 粘着力) 产生的机理。其次对制动过程中蠕滑区和滑动区的特性 作了说明。在建立列车制动状态数学模型的基础上，得出不发生滑行的最大减速度值为 a m a x = 妒g ，并指出轮轴速度曲线的拐点即是粘着最佳位置，从数学角度说明拐点和冲 动具有相似性。最后对影响粘着系数的三大因素( 轮轨表面状况、运行速度、线路弯道) 作了较为详尽的说明。 1 4 3 模糊神经网络控制理论 3 模糊神经网络控制理论 神经网络( n e u r a ln e t w o r k s ，n n ) 与模糊控制( f u z z yc o n t r o l ，f c ) 是当前两种 主要的智能控制技术，它们都能模拟人的智能行为，不需要精确的数学模型，能够解决 传统自动化技术无法解决的许多复杂的、不确定的、非线形的自动化问题，而且易于用 硬件或软件来实现。但二者又各具特点，神经网络是模拟人脑的结构以及对信息的记忆 和处理功能，擅长从输入输出数据中学习有用的知识：模糊控制则是模拟人的思维和语 言中对模糊信息的表达和处理方式，擅长利用人的经验性知识【l ”。模糊神经网络( f n n ) 则是指由模糊逻辑系统与神经网络相结合的技术( 神经模糊技术) 所对应的网络【1 6 1 。 模糊逻辑、神经网络和模糊神经网络理论作为当前主要的智能控制技术，取得了重 大的应用和发展，显示出了极大的生命力。模糊控制在许多工业过程控制、家电产品和 汽车工业上获得广泛的研究和应用【1 6 l 【1 7 l 【1 8 】 1 9 l ；神经网络在模式识别与图像处理、控制 和优化以及预测和管理方面应用广泛 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 1 1 2 3 1 ；模糊神经网络理论则在系统辨识、预 测和控制等领域发挥着重要的作用【l5 】 2 4 j i ”j 。 3 1 模糊控制2 6 】【2 7 】 3 1 1 模糊控制的基本思想 自动控制技术未产生之前，生产过程中人们采用的是手动控制方式。手动控制过程 首先是通过观测被控对象的输出并根据观测结果做出决策，然后手动调节输入，即手动 控制的一般过程是：观测一决策一调整。随着科学技术的进步，人们逐渐采用测量装置代 替人眼，完成对被控制量的观测；利用各种控制器( 如p i d ) 部分地取代人脑作用，完成 比较、综合被控制量和给定量之间的偏差。控制器给出的输出信号相当于手动控制过程 人脑的决策：使用各种执行机构对被控对象进行某种控制作用，如图3 1 所示。 给定量被控量 图3 1 传统反馈控制系统框图 模糊数学的创始人，著名的控制论专家l a z a d e h 教授提出了种新的控制方法： 模糊逻辑控制。它通过总结人的控制行为，用语言描述手动控制策略，并总结成一系列 条件语句，即控制规则，运用微机程序来实现这些控制规则，通过微机取代人的控制思 西安科技大学硕士学位论文 想来实现对控制对象的控制。 3 1 2 模糊控制的基本原理 模糊控制的基本原理如图3 2 所示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框所 示。模糊控制器的控制规律由计算机的软件实现。一般地，模糊控制算法可概括为四个 步骤： ( 1 ) 根据采样得到系统的输出值，计算误差e 和误差变化率e c 。 误差e = 0 一只，误差变化率e c = ( e ( ) 一e ( k - 1 ) ) r 。0 其中为实测值，只为目标值， e ( 七) 、e ( k 一1 ) 分别为现时刻和前一时刻的误差，丁为采样周期。 ( 2 ) 将误差和误差变化率模糊化。 在控制系统中，模糊控制器的输入变量为实测值，而模糊控制器要求输入模糊集合， 因此，必须将精确量转化为模糊量。模糊化的方法一般为： 简单的模糊化。即在某区间的精确量x 模糊化为一个模糊子集，该子集的特点是在x 点处的隶属度为1 ，其余点的隶属度为0 。 精确量离散化。如把 - 6 ，+ 6 】之间变化的连续量分为7 个等级，每一等级对应一个模 糊子集，具体实现过程是：首先根据确定数x 和量化因子k , e h 挖，= 肤求取工在基本论 域【一a ，+ a 】上的量化等级r ；其次，查找语言变量e 的赋值表，找出在元素1 1 ，上与最 大隶属度对应的语言值所决定的模糊子集，该模糊子集便为确定数x 的模糊化。 ；1 一j 模糊控制器 图3 2 模糊控制原理框图 ( 3 ) 根据模糊量和模糊控制规则，在模糊推理合成规则基础上计算控制量。 以二维模糊控制器为例，其控制规则可用如下条件语句表示： i f e 刊，a n de c = b , t h e nu 岛( j = l 2 ，h ；产l 2 ，h ) 其中a ，丑，c o 是定义在误差、误差变化和控制量论域x y , z 上的模糊集。该模糊条件语 句可以