（电力电子与电力传动专业论文）高速列车制动力再分配方法的研究.pdf

j j j 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) 学位论文作者签名夕匀鲜弓弋 签字日期：2 衫9 年占月；d 日 导师虢钐竹 签字日期：7 o 0 年6 月；矿日 ? 中图分类号：u 2 6 0 1 1 + 5 u d c ：6 2 1 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 高速列车制动力再分配方法的研究 t h es t u d yo fh i g h s p e e dt r a i nb r a k i n gf o r c er e - d i s t r i b u t i o n m e t h o d s 作者姓名：谷杨心 导师姓名：杨中平 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 2 0 6 7 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：电力电子与电力传动研究方向：电力牵引与传动 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师杨中平教授的悉心指导下完成的。研究生期间， 杨中平教授给予我很大的帮助和支持，论文的选题至完成得到导师认真的指导和 帮助。在研究的过程中，杨中平教授给了我很多建议，在此衷心感谢。 无论学习上和生活上，还是平时的为人处事上，杨中平教授都给予了我很大 的关心和帮助，他兢兢业业的工作态度、严谨细致的科研精神为我树立了科研学 者的榜样，他的谆谆教诲将激励我踏实勤勉的对待以后的工作。 在实验室工作及撰写论文期间，赵坤、陆峰、刘玉洁、马华、李思杰等同学 对我论文中的研究工作给予了热心帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后，感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 希望大家一切安康，工作顺利! ， 中文摘要 中文摘要 目前，动力分散方式是世界高速列车动力配置方式的发展趋势，动力分散与 动力集中相比，在速度提升、节能环保等方面具有明显优势，我国高速列车也采 用了该方式。c r h 2 a 动车组是由多辆动车共同提供牵引制动力，当某节动车发生 滑行时，只在制动单元内进行制动力分配，将发生滑行的动车降低的制动力分配 给制动单元内的其他车厢，这可能导致制动单元内的拖车承担部分制动力，而其 他制动单元的动车再生制动力并没有得到充分利用。制动力分配的发展趋势是在 整车范围内进行制动力合理分配，现在国外已有多种车型采用这种分配方式，但 是具体的分配方法并未公开。本文正是对整车范围内制动力分配方法进行探讨， 并满足制动力分配后各车运行状态良好的条件。 本文采用c 对 2 a 动车组实际参数进行滑行再粘着控制仿真，发生滑行后，各 车制动力的分配比例设置是本研究的重点及难点。本文采用的方法是根据各车蠕 滑速度判断车辆轨道条件，按各车轨道条件分配制动力。在此基本思路下，本文 提出了四种制动力分配方法，并在各种轮轨条件下对四种分配方法进行比较，最 后根据基本分配方法组合成一个方法，它适用于各种运行条件。本文搭建了m a t l a b 仿真平台，仿真验证了整车制动力分配策略的可行性。 关键词：制动力分配；高速列车：m a t l a b ；蠕滑率；粘着控制 分类号：u 2 6 0 1 1 + 5 a b s t r a c t a bs t r a c t a tp r e s e n t , s e p a r a t ep o w e ri st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fh i g h - s p e e dt r a i np o w e r a l l o c a t i o n c o m p a r e 谢也c e n t r a l i z e dp o w i th a so b v i o u sa d v a n t a g e s i ns p e e d i n c r e a s i n g ，e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n s oi ti su s e di no u rh i 曲一s p e e d t r a i n s p o w e rc a r sp r o v i d et r a c t i o n b r a k i n gf o r c ei nc r h 2 ae m u i fap o w e rc a l s l i d e s ， t h eb r a k ef o r c ed i s t r i b u t et oo t h e re a r si nt h eb r a k i n gu n i t , w h i c hm a yl e a dt ot r a i l e rc a r p r o v i d i n gt h eb r a k ef o r c e ，w h i l et h er e g e n e r a t i o nb r a k i n gf o r c eo fo t h e rp o w e r c a ri sn o t f u l l yu t i l i z e d n et r e n do fb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o ni sr e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o ni nt h e w h o l et r a i n t h e r ea r em a n yt r a i n su s i n gt h i sd i s t r i b u t i o i l ，b u tt h es p e c i f i cm e t h o dd o e s n o tm a k i n gp u b l i c t l l i sp a p e rd i s c u s s e st h ed i s t r i b u t i o nm e t h o do fb r a k i n gf o r c ei nt h e w h o l et r a i na n dt h e ne n s u r e s e v e r yc a rw o r k i n gw e l l t m sp a p e re s t a b l i s h e sa n t i - s l i pr e - a d h e s i o nc o n t r o ls i m u l a t i o n , w h i c hu s e sa c t u a l p a r a m e t e r so fc r h 2 a e m u h o wt od i s t r i b u t et h ev e h i c l eb r a k i n gf o r c ea f t e rs l i d i n gi s t h ek e y s t o n ea n dd i f f i c u l t yo ft h i ss t u d y t h em e t h o di sb a s e do nt h ev e h i c l ec r e e p s p e e dt oe s t i m a t i n gt h ev e h i c l et r a c kc o n d i t i o n s ，a n dt h e nt h eb r a k ef o r c ei sd i s t r i b u t e d a c c o r d i n gt ot h ev e h i c l et r a c kc o n d i t i o n s t l l i sp a p e rp r o p o s e sf o u rb r a k i n gf o r c e d i s t r i b u t i o nm e t h o d su n d e rt h eb a s i ct h r e a da n dc o m p a r e st h e mi nv a r i o u sk i n d so f v e h i c l et r a c kc o n d i t i o n s f i n a l l y , t h eb a s i ca l l o c a t i o nm e t h o d sa r ec o m b i n e di n t oa m e t h o dw h i c hc a nb ea p p l i e dt ov a r i o u st r a c kc o n d i t i o n s t h em o d e li sb u i l tb a s e do n m a t i abt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o ls t r a t e g yo fb r a k ef o r c ed i s t r i b u t ei nt h i s p a p e r k e y w o r d s ：b r a k ef o r c ed i s t r i b u t e ；h i g h - s p e e dt r a i n ；m 久n ，a b ：s 1 i pr a d i o ； a d h e s i o nc o n t r o l c l a s s n 0 ：u 2 6 0 1 1 + 5 目录 目录 中文摘要。v a b s t ra c t v i i 1绪论1 1 1 粘着控制发展及现状1 1 1 1 粘着控制发展过程1 1 1 2 高速列车的制动系统2 1 1 3 高速列车粘着控制存在的问题。4 1 2 研究目的一5 1 3 论文构成6 2 列车状态模型的建立：7 2 1 粘着基本概念7 2 1 1 车轮状态分析。7 2 1 2 蠕滑相关概念8 2 2 影响粘着系数的因素9 2 2 1 轨道表面状态9 2 2 2 列车速度。9 2 2 3列车轴重1 0 2 2 4 轮轨材料及几何形状10 2 2 5 车辆动力作用1 1 2 3列车动力学模型的建立1 1 2 3 1 单动轴动力学模型1 1 2 3 2 整车动力学模型1 3 2 4 本章小结15 3 滑行再粘着控制方法。17 3 1滑行判据l7 3 1 1 速度差检测1 7 3 1 2 蠕滑率检测1 7 3 1 3 减速度检测1 8 3 1 4 减速度微分检测18 3 1 5 c r h 2 a 的滑行判据1 9 3 2 粘着控制方法2 1 北京交通大学硕士学位论文 3 2 1 粘着控制过程2 1 3 2 2 牵引电机控制模型2 2 3 3 粘着控制方法仿真模型2 4 3 3 1 粘着控制仿真分析2 4 3 3 2 制动距离计算公式推导2 8 4 制动力再分配方法3 1 4 1 制动力再分配方法3 1 4 1 1 反比例分配：3 1 4 1 2 优化反比例分配3 2 4 1 3 比例分配3 2 4 1 4 速度差分配3 3 4 2 制动力再分配模型3 4 4 2 1 平均分配仿真。3 5 4 2 2 反比例分配仿真j 3 7 4 2 3 优化反比例分配仿真3 9 4 2 4 比例分配仿真4 1 4 2 5 速度差分配仿真4 4 4 3 5 种模型粘着利用率的比较4 6 4 3 1 平均分配仿真4 7 4 3 2 反比例分配仿真4 7 4 3 - 3 优化反比例分配仿真4 9 4 3 4 比例分配仿真5 0 4 - 3 5 速度差分配仿真5 0 4 4 优化反比例分配模型的改进5 1 5 实验系统介绍5 5 5 1 实验平台介绍5 5 5 1 1 控制电路设计5 9 5 1 2 牵引特性曲线缩放策略6 0 5 2 实验方案介绍6 3 6 结论6 7 参考文献。6 9 作者简历7 3 独创性声明7 5 学位论文数据集一7 7 1 1 1粘着控制发展过程 列车的牵引力和制动力实际上是通过轮轨接触产生的粘着力，因而粘着控制 理论起始于轮轨接触理论，最早的滚动接触理论的创始人是c a r t e re w 和f r o m n h 【。1 9 2 6 年c a r t e r 在论文“论机车动轮行为”中给出接触斑中粘着区和滑动区 的划分、作用力的大小和分布以及轮轨之间纵向切向力和蠕滑率的关系。1 9 6 4 年， j o h n s o nk l 和v e r m e u l e ne j 提出了椭圆接触区的滚动接触理论。2 0 世纪七八十年 代，荷兰学者k a l k e r 进行滚动接触简化理论的研究，提出了一种轮轨力快速计算 模型。8 0 年代后，粘着控制的研究进入了以试验为主的时代，其中日本的研究工 作在数量上占有绝对的优势，最为突出的是o h y a m a 团队，他们于1 9 8 5 年进行了 水污染条件下高速轮轨粘着现象的研究，证明轨道湿润时的粘着系数较低，且接 触压力越大，粘着系数越大。法国国铁在实际线路上进行了粘着系数随列车速度 变化关系的曲线测定，试验结果说明车轮的滚动速度对粘着系数影响十分大。我 国西南交通大学也进行了大量试验，对不同轴重、不同轮径、不同曲线半径的粘 着特性进行测量，证明在轨道干燥状态下，轴重越大、轮径越小、曲线半径越小， 粘着系数越低。 随着轮轨接触理论的发展，列车的防滑系统得到不断改善。从1 9 6 9 年开始， 制动装置中开始安装防滑器，早期的防滑器为机械式防滑器，现在都采用电子防 滑器。美国的g m 公司、德国k n o r r 公司等是最早致力于防滑器研发的公司，现 在，德国k n o r r 公司生产的防滑器的在欧洲市场广泛应用，成为制动装置研发的先 锋。 一个较好的防滑系统应该具有以下特点： 1 ) 粘着利用率高； 2 ) 不会发生连续滑行； 3 ) 不会发生宏观滑行，影响列车使用寿命； 4 ) 装置本身灵敏度高、动作可靠。 粘着控制的目的是在保证安全可靠的前提下尽可能提高粘着利用率，基本手 段是通过建立准确的模型估计当前的粘着系数，但是由于轨道条件复杂多变，而 影响粘着系数的因素太多，现阶段的理论模型并不能够准确估计粘着系数。列车 北京交通大学硕士学位论文 粘着控制包括再粘着控制和优化粘着控制。再粘着控制是在列车已发生空转或者 滑行后，通过减小牵引力或制动力，使列车能够正常运行。而优化粘着控制则是 使工作点在峰值点附近的稳定区域内，充分利用粘着力。 再粘着控制方法现在已经比较成熟，最常用的为校正法，其基本思想是：当 蠕滑速度小于一定值时，由反馈法对电机转矩进行少量调整；当蠕滑速度大于一 定值时，由极值法或者加速度极限法对电机转矩进行较大幅度的调整。由于校正 型控制方法属于“事故后动作 控制方法，很难提高粘着利用率，因此国外提出 了一些优化粘着控制方法，比较典型的有蠕滑控制法和正交相关法。蠕滑控制法 通过求出粘着系数对蠕滑速度的导数，就能判断此时蠕滑速度的调节方向，进而 调节制动力。由于粘着力与蠕滑速度的关系是非线形的，影响因素多，粘着曲线 峰值点处粘着系数对蠕滑速度的导数难以确定，可以变为粘着系数对时间的微分。 正交相关法建立在线性系统理论的基础上，其基本原理是通过相位移的测量或计 算，间接获取粘着特性曲线斜率，实现最佳粘着利用。正交相关法也有一定的局 限性，由于它是基于线性化机车牵引模型，其观察频率工作点范围很小。除了上 述方法外，还有模糊控制、神经网络、g p s 检测法、电流控制法、滑模变结构控制 等粘着控制方法。 1 1 2 高速列车的制动系统 2 0 0 7 年4 月1 8 日，中国利用分别从庞巴迪、日本瓜东日本、德国西门子、 法国阿尔斯通引进了c r h l 、c r h 2 、c r h 3 和c r h 54 种车型的高速动车组成功实 施了第六次大面积提速。其中c r h 3 的速度最高，为3 5 0 k m h 。为了达到京津城际 最高时速3 5 0 k m h 的要求，南车青岛四方机车车辆股份有限公司对c r h 2 动车组进 行改进后，最高速度也达到3 5 0 k m h 。随后，我国的石太客运专线、温福和甬台温 铁、武广、郑西、福厦高铁相继通车。如今，时速3 8 0 k m h 的京沪高铁也将于明 年8 月试运行。 高速动车组的发展趋势为轻量、高速、节能、安全。其中高速动车组速度的 提升使系统中蕴含的不安全因素也相应增加，且一旦发生事故，危害程度非普通 列车所能比拟的，因此，制动系统是高速列车最关键的系统之一。 以c r h 2 a 型动车组为例简单介绍高速动车组的制动系统。c 吼型动车组的 编组形式为4 m 4 t ，其中2 、3 、6 、7 号车为动车，主电路如图1 1 所示【2 】。制动系 统由制动控制系统、基础制动系统及空气供给系统三大部分组成，如图1 2 所示【2 】。 制动控制系统受到制动指令后，实施制动力的控制，空气供给系统在接到制 动力实施指令后，提供基础制动装置所需风源，基础制动系统包括制动盘、制动 2 1 绪论 图卜1c l m 2 a 型动车组主电路图 f i g 1 1t h em a i nc i r c u i tb l o c kd i a g r a mo fc 眦 图l 2 c r h 2 a 型动车组制动系统组成框图 f i g 1 - 2t h eb r a k i n gs y s t e mb l o c kd i a g r a mo fc 眦 e m u 闸片、增气压缸等基础制动装置，在空气供给系统提供的风源压力下产生制动力。 制动控制系统包括：制动信号发生装置、制动信号传输装置、制动控制装置。 制动信号发生装置即司机制动控制器，位于1 、8 号车司机室操纵控制台。制 动信号传输装置借助于列车网络控制系统，包括中央装置、车辆终端装置，采集 与传输制动指令，同时接收制动状态指令。制动控制装置接受制动指令、实施制 动力的控制，并以整体集成方式将其吊装在每辆车的地板下。其内部集成了电子 控制单元和由各风动阀( 电空转换阀、紧急阀、中继阀、调压阀等) 组成的制动 控制单元( b c u ) 、空气制动管路上所需的各种阀门及风缸等。 基础制动装置位于转向架上，由带防滑阀的增压气缸及油压盘式制动装置等 3 f i g 1 - 3d i s cb r a k e 油压气压 图1 - 4 轴盘制动 f i g 1 _ 4a x l ed i s cb r a k e 1 1 3 高速列车粘着控制存在的问题 高速动车组重量小，在低速时一般不容易发生滑行，但是在高速区域，由于 4 1 绪论 轮轨间粘着极限随着速度的上升而急速减小，容易发生滑行。同时，为了保证动 车组的运行安全，各国都制定了紧急制动距离限值标准，所需制动力比普通列车 要大，且速度越高，紧急制动的减速度越大。为了保证动车组的安全性，必须提 高列车的粘着力。 提高粘着力的方法有两种，一种是改善轨道条件提高粘着系数，一种是提高 列车的粘着利用率。 提高粘着系数的方法分为使用增粘研磨块和撒砂，增粘研磨块有清扫轨面， 改善轨道条件的作用，而撤砂装置一般在车辆运行发生异常时使用，它能迅速提 高下雨时的粘着系数。 各种滑行再粘着控制和优化粘着控制都是以提高单节车厢粘着利用率为目标 的，粘着控制的难点在于无法准确估计当前的轮轨粘着系数，而轮轨条件复杂多 变，通过经验得到的粘着限制曲线并不能准确反映当前的粘着系数。 本文的滑行再粘着控制主要致力于提高整车的粘着利用率，采用的方法为合 理分配制动力，使各车厢的粘着利用率较为均衡，避免因制动力分配不均导致的 滑行现象。 1 2 研究目的 高速列车的各个车厢的粘着系数并不一样，一般来说，列车的头车粘着系数 最小，头车经过后，轨面得到清扫，后几节车厢的粘着系数会增加，尾车的粘着 系数一般也比较小，运行时可能将污染物吸入轨道，降低轮轨粘着系数。因此， 中间车的粘着系数最高。c r h 2 a 动车组头车和尾车均设置了司机室，可以双方向 行驶，运行过程中制动力分配如图1 3 所示。 制 动 力 分 配 比 例 国网圈意函露 牵引变压器 牵引变秘一一一一一一一 图1 3 制动力分配比例 f i g 1 3t h ed i s 仃i b u t er a t i oo f b r a k ef o r c e 第四章：介绍了研究中基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件所搭建的c 2 a 型动车 组粘着控制模型，并对提出的四种制动力再分配方法进行仿真，对分配方法仿真 结果进行分析总结，以这四种分配方法为基础提出优化方案，并通过仿真证实其 有效性。最后进行复合制动力再分配的仿真，以证实再生制动力不足时，制动力 再分配方法的有效性； 第五章：基于实验室现有牵引传动平台，提出实验方案，通过牵引电机负载 模拟的方式模拟列车运行状态，通过改变蠕滑率参数，模拟列车正常运行和发生 滑行的状态，以此验证粘着控制的有效性； 第六章：总结了本研究所进行的工作，提出了今后的发展计划。 6 2 列车状态模型的建立 2 1 粘着基本概念 2 列车状态模型的建立 2 1 1 车轮状态分析 列车运行的动力是由轮轨摩擦直接产生的，车轮的运动可以分解为平动和转 动两部分，车速u 是车轮的平动速度，车轮的转动角速度为。根据车速v ，和车 轮角速度的关系可以将列车分为三种工作状态： 1 ) 牵引状态，v , ( o d r ，当列车制动力超过轮轨间粘着限制时，迅速减小， v t 缓慢增加，列车发生滑行，当下降至0 时，列车车轮抱死。 轮轨之间的摩擦导致车轮发生弹性形变，正是由于车轮形变的存在，电机产 生的牵引制动转矩变为列车的牵引力制动力。 根据h e r t z 的接触理论，假设轮轨的接触面为椭圆接触斑，接触斑的压力分布 为半椭球状的，如图2 1 所示。 图2 - 1 轮轨接触斑 f i g 2 - 1c o n t a c tf o o t p r i n tb e t w e e nw h e e la n d r a i l 在粘着区内，车轮为纯滚动状态，在滑动区内，车轮与轨道之间产生相对滑 动，轮轨相对滑动有阻止车轮速度变化的作用，即产生摩擦力。如图2 1 所示，若 7 图2 - 2 粘着特性曲线 f i g 2 2t y p i c a ls h a p eo f a d h e s i o nc o e f f i c i e n tv e r s u sw h e e l - t o - r a i ls l i pr a d i o 在轮轨条件和列车速度确定时，粘着系数存在最大值，如图2 - 2 所示，粘 着控制的目标就是让列车的粘着系数尽量逼近最大粘着系数，从而获得最大牵引 制动力，一般衡量粘着控制方法的指标是粘着利用率p ，粘着利用率定义式如下： 8 2 列车状态模型的建立 9 = q t | 9 一x 1 0 0 其中，以为列车实际粘着系数。 2 2 影响粘着系数的因素 ( 2 3 ) 影响轮轨间粘着系数的因素很多，以下为主要因素：1 、轨道表面状态；2 、 列车速度，3 、列车轴重；4 、轮轨材料和及几何形状；5 、车辆动力作用。 2 2 1 轨道表面状态 轨道的表面状态对轮轨粘着系数产生的影响最大，轨面上的各种污染物使轮 轨粘着系数变化范围很大，不容易预测。其中，细雨、油和落叶对粘着系数影响 最大，可以使其下降至原来的1 3 ，甚至可能到达1 5 至1 6 。在常速下，大雨不会 使粘着系数下降很多，因为大雨清洗了轨面，除去了粘糊类型的润滑剂，而在列 车高速运行时，由于大雨覆盖轨面使轮轨间形成了弹性流体润滑状态，导致粘着 系数急剧下降。各种轮轨表面状态下，轮轨粘着特性曲线如图2 3 所示。 图2 3 不同轮轨状态轮轨粘着特性曲线 f i 9 2 - 3t y p i c a ls h a p eo f a d h e s i o nc o e f f i c i e n tu n d e rd i f f e r e n tr a i l w a yc o n d i t i o n 2 2 2 列车速度 列车速度与粘着系数的关系各国均有经验公式，一般来说，粘着系数是随着 列车速度增加而下降的，我国动车组都是采用车辆引进国的经验公式，例如c 吼 和c r h 3 的粘着限制公式分别为： = 2 7 2 “+ 8 5 ) ( 2 4 ) = 1 3 6 ( v , + 8 5 ) ( 2 5 ) 9 北京交通大学硕士学位论文 ：io ”， ( m 2 0 0 砌h ) (26，t胪0 1 5 0 0 0 0 3 3 2 5 5 拳( m 一2 0 0 ) 办2 0 0 j i b ，l h ) 【2 丙) ：jn 1 2 “ 2 0 0 k m 妨 、7 式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 为c r h 2 a 干轨和湿轨条件下的粘着限制，式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 为c r h 3 轨和湿轨条件下的粘着限制。c r h 2 a 粘着限制曲线如图2 - 4 所示。由于在高速区 粘着系数低，为避免滑行，高速区域的设计减速度较低，但是为了减小制动距 ，在高速区域时，应尽可能提高粘着利用率，因此，列车的粘着控制系统性能 好，设计减速度可以相应提高，制动距离减小，列车的安全性更好。 2 2 3 列车轴重 图2 - 4c l m 2 a 粘着限制曲线 f i g 2 - 4a d h e s i o nc o e f f i c i e n tl i m i to fc r h 2 a 列车轴重在一定范围内，对轮轨粘着系数没有影响，一旦轴重超过一定范围， 随着轴重增大，轮轨粘着系数会略微减小，这是由于列车轴重与轮轨接触面的正 压力成正比，轴重过大，轮轨接触压力对应增大，会使轮轨接触表面疲劳破坏。 列车在制动时会发生轴重转移，此时，轴重大的轮对可能首先发生滑行，从 而导致其他轮对陆续发生滑行。一般来说，头车对应的轮轨粘着系数较低，因此 容易发生滑行，在制动力分配时应相应减小。 2 2 4 轮轨材料及几何形状 轨道的曲率以及坡度，车轮的半径以及轮轨的材料对轮轨粘着系数都有影响。 轮轨间传递的总蠕滑力有上限，当轨道为曲线时，由于横向蠕滑力和自旋蠕滑力 1 0 2 列车状态模型的建立 致纵向粘着系数有一定程度的下降。轨道的坡度影响列车轴重转移， 进而对列车粘着系数也有一定影响。车轮材料的不同对应粘着系数也不一样，采 用特殊合金可以改善粘着特性，但是这种材料成本较高。车轮轮径差也会使得各 轴的粘着系数有差别。 2 2 5 车辆动力作用 车轮减载、接触振动和轮对摇头运动等将影响轮轨粘着，可使机车车辆的粘 着系数下降。且轮轨的接触振动会使轮轨接触面磨损，从而导致更强烈的振动， 使轮轨粘着系数进一步下降。因次，采用适当的悬挂和阻尼系统对过度的动力作 用进行抑制。 2 3 列车动力学模型的建立 2 3 1 单动轴动力学模型 c r h 2 a 动车组每节动车有四根轴，每根轴上有一个电机，因此8 辆编组的 c r h 2 a 共有1 6 台电机，现在进行单动轴的动力学分析，此时仅考虑车轮的纵向受 力，假定没有横向运动，单动轴的受力如图2 5 所示。 图2 - 5 单动轴模型 f i g 2 5w h e e ls i n g l ea x l em o d e l 实线圆为车轮，虚线圆为大小传动齿轮，小齿轮与牵引电机轴连( 图中未画 出) ，因此，小齿轮的转矩和转动角速度就是电机的输出转矩和电机角速度。 表2 1 为单动轴动力学分析所用到的物理量公式符号。 北京交通大学硕士学位论文 表2 - 1 公式符号 t a b l e 2 - 1s y m b o ll i s to f d e r i v a t i o n 字符名称 单位 m 单动轴分配质量 l 【g w 轴重 l ( g g重力加速度 n k g r 车轮半径 m r 。 齿轮传动比 吒 主动齿轮半径 m 巧 从动齿轮半径m 巧 车速m s k 蠕滑速度m s 屹 轮对线速度m s 轮对角速度r a d s ( u ) 摩擦系数 瓦 从动轴转矩n m l 电机输出转矩n m 历( v f ) 单动轴分配阻力n e 主动轮对从动轮的作用力n e 从动轮对主动轮的反作用力n e 轮对的等效作用力n j从动轮和轮对转动惯量之和 k g m 2 甩 电机转速r m i n ，勉 齿轮传递效率 e d ( u ) 整车阻力n m a整车质量 蚝 f r 整车粘着力n 鸬( v f ) 第i 节动车的摩擦系数 f i 其他车对第i 节动车用力n 乙， 第i 节动车电机输出转矩 n m 乙 第i 节动车从动轴转矩 n m 膨第i 节动车质量 蚝 1 6 台电平均提供牵引制动力，则有： m = m 1 6 1 2 ( 2 8 ) 2 列车状态模型的建立 列车单动轴的平动方程： m d v t d t = 比( v , ) r v g 一乃( m ) ( 2 9 ) 车轮的转动方程： 埘锄d t = 乙一a ( v , ) w g r ( 2 1 0 ) 在列车牵引时有： 瓦= e r 2 = 巴。乞= 乙。吃，i = 。乙。 ( 2 1 1 ) 在列车制动时，力由车轮传递至电机侧，传递方向改变，因此公式随之改变： l = e 乞= 毛吃= 乙。r g r g ( 2 1 2 ) 将式( 2 一1 0 ) 和( 2 1 1 ) 合并，可得： l = 乙- k g ( 2 1 3 ) = 侄篙翥 列车的基本方程： d2 v d r 艺2 哆一哆 ( 2 9 ) 式等式两边同除r ，则有： 丢誓= 乙- l a ( v , ) w g rr 西 令鸩= j r ，且有e = 乙r ，故有： m j 由d | d t = t 。一_ j u ( v , ) w g r 根据以上方程得到列车单动轴动力学模型，如图2 - 6 所示： 图2 - 6 列车单动轴模型框图 f i g 2 6w h e e ls i n g l ea x l em o d e ld i a g r a m 2 3 2 整车动力学模型 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 图2 - 6 为列车单动轴动力学模型，c r h 2 a 每节动车有四根动轴，若每个电机分 配的牵引制动力相同，轴重完全平均分配，不考虑轴重转移，则四个车轮运行时 图2 7 整车动力学模型框图 f i g 2 7d y n a m i c sm o d e lo fr o l l i n gs t o c k s 1 4 2 列车状态模型的建立 其中辱可以表示为： 昂= h ( k ) m g + - z 2 ( v ，) m 2 9 + 鸬亿) m 3 9 + a 4 ( v ，) m 4 9 ( 2 2 1 ) 2 4 本章小结 本章介绍了粘着的基本概念以及影响粘着系数的因素，对列车单动轴受力进 行分析，通过车轮的平动方程和转动方程等基本公式，推出列车单动轴动力学模 型，进而推出整车动力学模型。 1 5 3 滑行再粘着控制方法 3 1滑行判据 3 滑行再粘着控制方法 滑行判据是判定是否发生滑行的标准，因而滑行判据的灵敏度在粘着控制中 发挥重要作用。一般来说，在列车所需摩擦系数大于粘着系数，进入不稳定区， 判断列车发生滑行。然而，由于轨面条件时刻变化，滑行判据的准确性和实时性 二者相互制约。若在列车还未发生滑行就减少制动力，则不能最大限度使用制动 力，降低了粘着系数利用效率；若在列车滑行一段时间后才检测到，则列车已进 入深度滑行甚至抱死状态，一方面会使车轮踏面磨损，另一方面为了退出滑行， 制动力大幅减少，增大制动距离。因此，合理设计滑行判据，也是粘着控制的关 键因素。 滑行检测的方法一般分为速度差检测、减速度检测、蠕滑率检测以及减速度 微分检测。 3 1 1 速度差检测 速度差检测是通过判断列车速度和列车轴速的速度差来判断是否发生滑行， 如图3 1 所示。一般来说列车的蠕滑速度比较小，当其超过一定限制，必然发生滑 行。速度差检测一般用于轨道条件逐渐恶化导致的连续滑行。由于列车车速在实 际运行中不能测量，一般将动车4 根轴的最高轴速和模拟速度( 按减速度计算出 的速度) 两者取高值，设定为基准轴速度，而速度差是取基准轴速度与轴速的差 值。速度差检测示意图如图3 1 所示。为了保证速度差判据的有效性，一般速度差 取值较大，检测生效时，列车会损失较大制动力。 3 1 2 蠕滑率检测 和速度差一样，蠕滑率检测将列车运行在粘着系数峰点为目的，由于列车速 度不同时，列车的粘着系数特性曲线发生变化，如果采用阈值一定的速度差检测， 则在列车高速时可能发生误判断，因此，高速时采用蠕滑率检测更为实用。但是， 总体而言，速度差和蠕滑率检测都是根据经验估计列车粘着特性曲线，设计检测 判据的参数，因此列车可能损失大部分制动力。 1 7 图3 - 2 减速度检测 f i g 3 - 2d i r e c t i o no fd e c e l e r a t i o n 3 1 4 减速度微分检测 减速度微分检测是灵敏度最高的检测方法，能够实时检测轨面条件突然变化 时，轮轨粘着系数突然降低导致的车轮快速滑行。但是由于转矩脉动使速度信号 受到干扰，具有高频成份，在进行减速度微分检测时容易发生误判断，因此在实 1 8 3 滑行再粘着控制方法 际应用中很少采用。 在低粘着时一旦发生滑行，摩擦制动就会按照摩擦材料的特性，向加剧滑行 的方向发展，而电制动因为制动力的减小，向减小滑行的方向发展，两者的特性 不同。摩擦制动的防滑控制是靠防滑电磁阀动作使增压缸空气压力降低来减少制 动力的，电制动的防滑控制是采用减小制动电流的方法来减小制动力，所以滑行 时首先对摩擦制动进行控制。 3 1 5 c r h 从的滑行判据 c 的滑行判据分为空气制动滑行判据和再生制动滑行判据。再生制动滑 行判据如表3 1 所示。 表3 1 再生制动滑行判据 t a b l e 3 - 1s l i d i n gs t a n d a r do f r e g e n e r a t i v eb r a k i n g 检测方式 滑行检测参数 滑行恢复条件 低速区域( v 8 6 7 k i n h ) al 金_ 1 3 k m h 4 矽 8 6 7k m h ) 忿1 5 a 1 5 每轴减速度( ) 检测庶3 9 k r n h s声 1 0 k m h sa n df l 2 k m h s av 基准轴速度x o 1 + 5 k m h , 8 o ( 3 2 ) 如t如t | m 、 坐盟生 o ( 3 3 ) mm 峰点检测模块采用式( 3 3 ) 作为判断标准，对列车制动转矩进行微调。 2 1 北京交通大学硕士学位论文 粘着控制模块主要有三个功能：滑行后大幅度降低制动转矩，峰值检测过峰 值点小幅度降低制动转矩，在级数突变时，以一定斜率调节制动转矩。 3 2 1 1 滑行后的制动转矩控制 在列车发生滑行时，以一定斜率减小制动力，此时，为了缩短滑行时间，斜 率取值较大，而为了提高制动时的乘坐舒适度，防止乘客的损伤或设备损坏，对 制动力的变化采用具有时间常数的柔性控制。制动冲动限制的极限值为0 7 5 m s 3 ， 即必须满足式( 3 4 ) 。 d a d t 0 7 5 m s 3 ( 3 4 ) 詈= 面d f - 瓦r = m 尝石r 2 4 5 5 朋s ( 3 5 ) 本文的制动转矩下降斜率取2 0 0 0 n 1 1 s ，在冲动限制以内。 3 2 1 2 峰值检测后的制动力控制 峰值检测模块判断式( 3 3 ) 是否成立，当其不成立时，判定制动力进入非稳定 区，降低制动力。在低粘着状态下，峰值检测模块使列车制动力维持在峰值点附 近。该方法有一定的误判率，因此只能作为辅助控制手段，微调制动力。在轨道 条件持续恶化时，即使没有达到峰值点，检测也会生效，从而发生误判，从而降 低制动力的利用率。 3 2 1 3 级位切换的制动力控制 在列车运行过程中，级位切换较为频繁，当制动级位升高，制动力突然加大， 有可能使得滑行判据中减速度检测发生误判。此外，制动力的突然变化会产生冲 击，影响乘坐舒适度。为了抑制换挡时制动转矩突变引发的冲击，制动转矩按斜 坡函数升到目标值。 3 2 2 牵引电机控制模型 c r h 2 a 型动车组采用转子磁场定向间接矢量控制技术实现对逆变器和电机的 控制。输入为支撑电容器电压，依据牵引控制装置控制信号，输出变频变压的三 相交流电对4 台并联的电机进行速度、转矩控制。由于四台电机的控制方法完全 3 滑行再粘着控制方法 一样，在此以一台电机的矢量控制为例。 再生制动时牵引电机发出三相交流电，向支撑电容器输出直流电压。牵引电 机控制采用矢量控制方式，独立控制转矩电流和励磁电流，仿真框图如图3 7 所示。 图3 7 矢量控制框图 f i g 3 - 7v e c t o rc o n t r o lb l o c kd i a g r a m 表3 - 3 牵引电机参数 t a b l e 3 3t r a c t i o nm o t o rp a r a m e t e r 最高使用转速 6 1 2 0 r m i n 最高试验转速7 0 4 0 r m i n 方式鼠笼异步电机 型号 m t 2 0 5 极数4 相数 3 输出功率( k w )3 0 0 电压( v ) 2 0 0 0 电流( a )1 0 6 频率( h z ) 1 4 0 额定值 转差率( ) 1 4 转速( r r a i n ) 4 1 4 0 效率( ) 9 4 0 功率因数( ) 8 7 o 电路常数r s ：0 1 4 4 q 相 x s ：1 2 4 6q 相 ( 1 1 5 、 r r ：0 1 4 6q 相x r ：1 1 3 8 q 相 1 4 0 h z ) ( 宰3 )r m ：5 2 7 7 q 相x m