（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的机车蠕滑控制技术研究.pdf

北京交通大学硕士论文 参考模型，检测牵引电机的牵引力和轮周速度，使机车实际 蠕滑率的输出适应轨面状态的变化，使机车的工作点跟踪粘 着系数峰值点的变化，达到优化轮轨粘着。其次，通过建立 电机模型和空转滑行预测模糊控制模型，使机车在最佳利用 轮轨粘着的同时能预防和抑制空转。同时对传统校正型粘着 控制与蠕滑控制进行仿真，分析了在牵引力突然上升等条件 下，各自粘着系数与蠕滑率曲线的变化，以及各控制模型的 作用，得出对比分析结果。初步探讨了具有蠕滑调节功能的 交流异步电机直接转矩控制系统的基本结构。 最后介绍了机车蠕滑控制系统的硬件结构和软件框 图，介绍了基于的上层分析软件设计。 本文以轮轨粘着控制技术为基础，设计了基于d s p 的 机车蠕滑控制系统，提出了提高轮轨粘着利用率的技术改进 方案。 关键词：蠕滑控制，轮轨粘着，模糊控制，d s p 北京交通大学硕士论文 a b s ，兀认c t r e s e a r c h0 nt h ec r e e p a g e c o n t r o lt e c h n o l o g y0 n l o c o m 0 1 1 v eb a s e do nt h ed s p a b s t r a c t t h et r a c t i v ep o w e ri so n eo ft h ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c eo fa l o c o m o t i v e ，w h e nd e s i g n i n gt h eh i g h s p e e do ro v e r - l o a d i n g l o c o m o t i v e h o w e v e r ，t h ea v a i l a b l et r a c t i v ep o w e ri sl i l l l i t e db y t h ea d h e s i o ns t a m sb e t w e e nw h e e la n dr a i l w h e nt h ea d h e s i o n c o e f e i c i e n tr e c i u c e dd u et ot h er a i ls u r f a c eo rn l ew e a t h e r c o n d i t i o n s ，t h et f a c l i v ep o l 7 e r c o u l d n tb ee x e r t e dn l h y s oi t m u s te q u i pl o c o m o t i v ew i t ha d l l e s i o nc o n t r o ls y s t e mt or a i s e t h eu t i l i z a t i o no fa v a i l a b l ea d h e s i o ni na 1 1w e a t h e f t h i sp a p e rs t a n 衄t h ea d h e s i o nm e c h a n i s m ，a sv i e w e d 舶m t h ec u r r e n cs i t u a d o na n dt h e 把n d e n c yf o r d e v e l o p i n g t h e a d h e s i o nc o n t r o l e q u i p i n e n t i nt h ef i l t l l r c a tt h e s 锄e d e s c r i b e dm ee s s e n c eo fa d h e s i o na n dt h ec 2 吡s a t i o n s c r e e p a g ea n dt h ep r o c e s so ft h es l i p b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a l f e s u l t s ，t h em a i nf a c t o r s a i l dt h e i rd e g r e eo fa 虢c c i n gt h e 北京交通大学预t 论文 a b s t r a c t r e l a t i o n s h i pb e t w e e na d h e s i o na n dc r e e p a g ea r ea n a l y z e d t h e n i n t r o d u c et h es t r u c t u r eo ft h ec r e e p a g ec o n t m l t h em a i ni s s u e a r ed e s c r i b e dd u r i n gd e s i g n i n gt h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h e m a i nf a c t o r s b a s e do n a n a l y z i n g t h ec o n t r o l p e r f b m a n c e a n d 叩e r a t i 衄a le x p e r i m e n to ft h ed o m e s l i c 卸do v e r s e a sa d h e s i o n c o n t r o le q u i p m e n t ，t l l em e r i t sa i l dd e m e r i t s0 ft h ec o n e c t i n g t y p e ，d e s i g nt h ec i e e p a g eo o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ed s p 0 n t h eo n e h 趾d ，b ys e t t i n gu p t h er e f e r e n c em o d e lo f c r e e p a g e ，m a l 【e t h e p r a c t i c a lo u t p u t o fl o c o i n o t i v ec r e 印a g e a l w a y s f 0 h o wt h er e f e r e n c cm o d e lo u t p u to fa no p t i m a l o p e r a t i l l gp o i n t ；0 nt h eo t h e r h 柚d ，b ys e t t i i l gu pt h em o d d o f m o t o f柚dm em o d e lo f f l 垃y c o n t m lf o r s l i p p 吨 p r e d i c t i n g ，m a k e a1 0 c o m o t i v eu t i l i z e o p t i m a l l y a v a i l a b l e a d h e s i 伽孤da l s oa b l et 0 p r e v e n t a n dr e s t r a i nt l l e s l i p p i n g p r e s e n 曲gt h es i m u l a t i o nr e s u l to f b o t hc o r r e c l i n g 锣p e a n dc o n t r o l l i n g 哆p e m es i m p l ys t n l c t l l r eo ft h ed i r e c tt o r q u e c o n t r o ls y s t e m 丽mc r e c p a g e 他g i l l a 6 n g 如n c t i o ni sd i s c u s s e d 北京变通大学硕士论文 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a i es f m c t u f eo ft h e c r e e p a g e c o n t r o l s y s t e m a r e i n t r o d u c e d ，p r e s e n t i i l g t h e a n a l y z i n g s o f t w a r eb a s e do nv b t h ep u 巾o s eo ft h i sp a p e ri s d e s i g n i n gt h ec r e e p a g e c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ea d h e s i o nc o n t r o lt e c l l l l o l o g y ，t h e a n i c l em a k e sad e t a i l e dr e s e a r c h o f c r e e p a g e c o n t r o l t e c h n o l o g ya n dp u t sf o r w a r ds o m es i g n i f i c a t i v ea d v i c e k e yw o i 国s ：c r c e p a g ec o n t r o l ，l o c o m o t i v e a d h e s i o n ， f l l z z yc o n t r o l ， d s p 北京交通大学硕士论文第一章概述 1 1 引言 第一章概述 轮轨间的粘着是有轨运输系统的基本条件，不仅牵引力和制动力 的形成依赖于粘着，而且牵引功率和制动功率的发挥也受到轮轨粘着 的限制，然而粘着系数却是一个复杂多变的参数，受机车设计条件、 环境条件和运用条件的影响，它在自然条件下的随机变化虽有统计规 律可循，但就任一具体时刻而言毕竟还是不可预知的，因而粘着系数 的利用问题一直是铁路工作者长期以来关注的热点。 当前，我国经济建设正处于飞速发展的阶段，铁路作为整个国民 经济的大动脉，担负着货运和客运两大重要任务。为了适应国民经济 的发展，铁路机车正在朝着客运高速和货运重载两个方向发展。 对于重载牵引机车，般驱动功率比较大，在潮湿或有油污的钢 轨上启动和运行时，往往由于粘着系数较低，其最大的牵引电机转矩 和驱动装置功率不能完全转换为轮周牵引力，因此在动轮轮对数量和 轴重一定的情况下，只能通过充分利用轮轨可能提供的粘着力来提高 运输能力。与此同时，还应避免空转和粘滑振动，这两种运动不但有 可能损伤车轮和钢轨踏面，还有可能引起齿轮传动装置、轴承、甚至 轮轴的损坏。 对于高速机车，需要较高的加速和减速能力且轴重较轻，另外据 国外资料和运用实践表明随着机车速度的提高，轮轨可供利用的粘着 系数下降，如此情况下，一方面速度的提高对加速度和减速度提出更 高的要求，需要轮轨之问提供足够的粘着力，而另一方面可供利用的 第1 页 北京交通大学硕十论文第一章概述 粘着重量和粘着系数降低，因此，对于高速客车和货运机车来讲，有 效粘着系数的利用也极为重要。 另外，为了减轻轮轨磨耗，钢轨一般经过淬火处理硬度提高，轮 箍经过表面处理后硬度也进一步提高，因而导致轮轨的接触面积减 少，粘着利用问题更为突出。综合以上因素，粘着的重要性对于铁路 系统是显而易见的。随着粘着本身和粘着利用重要性的增加，关于粘 着本质及粘着利用的研究获得了显著发展。 首先，粘着的重要性促使粘着理论更加深入地从物理上研究粘着 力产生的本质，并寻求数学上的求解路线和方针。在本世纪六、七十 年代轮轨动力学取得了极大的发展，并形成了比较完善的理论体系， 其中最具有权威性的是k a 骶r 的蠕滑理论，包括线形理论、简化理论 和精确理论。 其次，借助试验手段，对影响粘着利用的因素进行广泛而且深入 的研究。国际铁路联盟( u i c ) 研究试验局( o r e ) 于1 9 6 0 年组织了 b “委员会，专门针对机车结构和运用条件探讨各种因素对粘着利用 和限制的影响，1 9 7 8 年提出综合报告轮轨粘着认识的现状。1 9 7 6 年，美国g m 公司电气动力部( e m d ) 对轮轨之间的粘着与蠕滑率 的相互关系进行了长达四年的研究，并取得了一系列研究成果，为粘 着控制装置的研究提供了宝贵的工程应用实测资料。 第三，促进了关于改善不良粘着和充分利用粘着的发展。 为清除轨面的污染，人们采用过各种方法。例如用机械方法金属 刷或者蒸汽和水喷射器清除污染物，用化学清洗剂清除油污，用电弧、 等离子喷焰对钢轨进行处理。为了增加轮轨之间的粘着系数人们也采 用了液体、固体或胶体的增粘材料，然而这些方法都由于经济或者其 它原因未得到充分发展和应用。 第2 页 北京交通大学硕上论文第一章概述 目前被大多数国家普遍采用的经济有效的方法是在机车上安装 粘着控制装置或是在机车运行控制系统中增加粘着控制系统，使粘着 控制成为机车运行控制不可缺少的一部分。由于粘控装置的使用，司 机不必担心由于天气条件或轨面污染等各种原因引起粘着系数降低 而造成轮对空转，而且可阻放心地将手柄置于高位，通过粘控装置动 作使机车工作在轨面能提供的最大粘着系数处，充分利用轮轨粘着 力。 随着电子、微电子工业的发展以及测量技术、控制技术的不断进 步，粘控装置在检测精度、控制性能和可靠性方面都得到显著提高。 目前粘控装置已经从早期最简单的防空转继电器发展到以采用高性 能的1 6 位或3 2 位微处理器为核心，并采用模块化设计可独立运行也 可与其它机车控制单元协调工作的粘控系统；控制思想从简单的通断 控制经过蠕滑校正，发展为连续的蠕滑控制；粘控装置的意义也从简 单的防空转、防滑行扩大到最佳利用轮轨间的粘着，充分发挥轮周牵 引力，并同时防止空转和滑行以及由此带来的车轮、钢轨或驱动部件 的损坏。随着技术的进步和时代的发展，粘着理论和粘着控制技术必 将为机车的粘着性能提高做出更大的贡献。 1 2 轮轨粘着理论及粘着控制装置的发展历史 1 2 1 轮轨粘着理论的发展 进行机车的防空转防滑控制研究，必须深入了解粘着机理。粘着 是表示轮轨间关系的铁路专用术语，粘着力是指轮轨接触面切线方向 传递的力。列车的轮周牵引( 制动) 力依赖于轮轨的粘着。在载荷重p 第3 页 北京交通大学硕士论文第一章概述 的作用下，轮轨接触部位发生弹性形变，形成椭圆形接触区，图1 一】 所示。当车轮在牵引力矩m 作用下向前滚动时，轮轨材料在接触区 附近发生弹性形变，从而在接触面上产生切向力f 且f = m 瓜限为车 轮半径) 。切向力f 即轮周牵引( 制动) 力，它使车轮滚动前进。轮轨接 触的这种状态称为粘着。 ， m 力 轨道 加速时的粘着力减速时的粘着力 图1 1 轮轨表面接触状况 f i g l i r e1 - 1s i i 血c eb e 憎e e nw h e d d r a i l 粘着是一种现象、状态。轮轨间能传递的最大切向力f 与垂向 静荷重p 之比值定义为粘着系数i 捌。轮轨之间的粘着是有轨运输系统 的基本依赖，制动力和牵引力的形成都离不开它。我国最近修订的新 牵规规定，机车的计算粘着系数按下式计算： 电力机车：u = 0 2 4 + 1 硝1 0 0 + 8 v 1 内燃机车：u = 0 2 4 8 + 5 州7 5 + 2 0 y ) 粘着系数表示了粘着的利用程度，它是具有一定分散性的随机因 素，服从统计学规律。粘着系数的大小与蠕滑率的大小直接相关。两 者的相关规律只有通过大量试验才能得出，这项基础工作，世界各国 都做了许多现场和实验室的试验，此处选取美国通用汽车公司动力部 的试验结剁柳，如图1 2 所示： 第4 页 北京交通大学硕上论文 第一章概述 蠕滑率e 2 4 6 8 1 0 1 5 2 0 3 5 干燥轨p 0 2 6o 2 8o 3 00 - 3 2o 3 20 2 8 0 2 6 o 2 4 5 有油轨肛 0 1 6o 1 9o - 2 1o 2 2 0 t 2 3 0 2 5 0 2 4 5o 2 4 有水轨p 0 1 2o 1 60 1 9o 2 0o 2 00 2 0 5o 2 0 50 2 0 5 图1 2 美国通用公司所测蠕滑率与枯着系数关系 f i g u r e l - 21 1 l et e l a t i o n s h i pb e t 、e a d h e s i o n 卸dc 豫e p a g e 试验确认，在蠕滑率大于3 5 时，应视为粘着破坏，出现宏观滑行的 界限，这种观点已经得到公认。当然这条界限也是有些余地的，但这 时粘着系数已随蠕滑率的增加，呈明显下降趋势，而且量值己在o 2 5 以下，难以保证机车正常担当制动( 牵引) 任务。因此，这条界限对于 我国情况亦是适用的。 改善粘着条件，提高粘着利用率可以充分发挥机车的制动、牵引 性能，同时还能够有效的防止滑行、空转故障的发展带来的机车和线 路设备损伤。过去使用的改善粘着的方法是撒沙，这种方法在起动时 是很有效果的，但在高速制动时，却因沙子无法正好撤在钢轨面上， 因此效果很差。尽管有的国家研制先进的撒沙器或把沙子制成为悬浮 体喷洒在轨面上，取得了成功，但由于花费太大，因而实际上没有得 到推广。用化学方法清洗轨面，可以明显地改善粘着，英国和法国均 用辛酸乙酷硅酸纳溶液清洗轨面获得了良好的效果，但这只能用于粘 着状态特别不良的区问。国际铁路联盟试验研究所专门进行了电火花 处理轨面的试验，电火花清除了油污，使轨面活化，明显地提高了粘 着，但由于它消耗功率以及它对轨道电路和通讯产生干扰等原因，所 以还不能在高速动车上得到采用。 第5 页 北京交通大学顾十论文 第一章概述 影响充分利用粘着的因素很多，例如：车轮滚动圆直径的尽量相 等、轮箍锥度的减小、尽量减小车辆的摇摆运动、尽量减小车体与转 向架的垂直振动等，这些因素涉及很多技术问题，要全面慎重地考虑。 无论是摩擦制动还是动力制动，都是利用轮轨问的粘着力的作 用。摩擦制动力过大，会把车轮抱死而滑行，动力制动力也会超过轮 轨的粘着力，此时车轮的反力矩过大，会导致车轮的逆转。 1 2 2 机车粘着控制装置的发展 目前，随着现代科技的发展，如通讯技术、微电子技术、控制技 术和网络技术的发展，世界发达国家的客运铁路争先进入了微电子的 高速化时代，如日本的新干线、德国i c e 、法国t g v 等，现在国外 的高速列车己全部采用微机粘控装置。 当轨面条件恶劣粘着系数降低时，电力机车和内燃机车都可能面 l | 每的问题是：牵引工况易发生空转，制动工况易发生滑行，尤其是阴 雨天在坡道或曲线上运行时，问题尤为突出，当发生空转或滑行时， 利用传统的方法，司机只能凭借经验观测电流表和速度表的变化，大 幅度降低功率或电流，虽然在一定的情况下也能够使空转或滑行得到 抑制，但是功率损失比较大，有时还可能造成坡停事故。 使用粘控装置能够提高平均粘着利用的原因并不在于轮轨粘着 系数的提高，而在于以下几个方面的发展： 1 依靠现代高精度的传感器和各种先进的测量手段，在微观滑动 即将发展成为宏观滑动或者空转刚刚发生的短暂时间内就可以检测 到空转信号，及时降低驱动功率或驱动电流，从而抑制空转的发生和 发展。空转发现的越早则抑制空转需要降低的功率越少，从而使牵引 第6 页 北京交通大学硕上论文第一章概述 功率损失越少。当粘着恢复后，根据检测到的轨面实际情况迅速回升 功率和驱动电流，因而使牵引功率恢复速度快，机车平均牵引功率较 高。 2 当机车为架控方式时( 即一个转向架有两或三台牵引电机) ， 当粘控装置作用时，仅有发生空转的一台转向架的功率降低，而另一 未发生空转的转向架的功率不会降低，因此整台机车平均牵引功率较 高，而无粘控装置由司机进行操作时，空转中退回手柄，必将降低所 有动轴的牵引力，从而影响整台车的牵引力发挥。 3 使用粘控装置后，司机可将操纵手柄放在高位，机车的牵引力 能够按轨面的实际粘着状态和能够提供的牵引力水平运行，而单纯由 司机进行操作时，为了避免空转发生只得将手柄置于较低档位，难以 保证充分利用轮轨粘着。 传感器和电子器件的更新和变化对粘着控制装置来说不是最主 要的，主要的变化在于粘控装置的控制思想和控制方法上，即从校正 型向控制型的转变。控制型粘控装置具有防空转、防滑行和使机车处 于最佳条件下工作的双重功能，校正型粘控装置控制思想简单、易于 实现，所以在本文中，蠕滑控制系统就是在控制型粘控装置上叠加校 正型的边界校正思想，以实现优化控制。 1 3 国内外研究发展及现状 国外在粘着和粘着利用的研究方面都取得了一定的成绩，目前 国外直流机车的粘控装置已基本定型，并己广泛应用于机车上。比如 法国从6 0 年代开始研制和应用粘控装置，经过7 0 年代的应用实践， 不断完善，形成了成熟的机车粘控装置产品。日本已经研制和开发了 第7 页 北京交通大学硕士论文 第一章概述 三代防空转、防滑行装置。美国g m 公司的超级系列是较早期的控制 型粘控装置，它由于能够使系统电流趋于最大化，从而能自动为机车 寻找粘着系数蠕滑率曲线的峰值，即使在潮湿的轨面上也可以获得较 高的粘着利用。 我国电力机车安装有校正型的粘控装置，如s s 3 、s s 4 、s s 7 、s s 8 等，使机车的粘着系数利用率较之人为操作有了较大幅度的提高。然 而由于校正型系统对边界条件的设定要求较严格，因此在未进行大量 实验研究基础上调定的参数有可能影响机车的牵引性能发挥，甚至影 响机车的正常运行。因此应该高度重视电力机车在驱动系统的机械参 数与控制系统的防空转防滑动作门槛值之问的合理匹配，同时也应加 紧开发对各环节参数匹配要求不太严格且粘着系数利用高的控制型 粘控装置。 1 4 本论文的主要研究工作 轮轨间的粘着关系非常复杂，粘着系数随时间、地点的转移而变 化，具有很大的随机性，它受很多因素的影响，其中的一些参数关系 是难以确定的。蠕滑控制系统的研究属于机车动力学及控制的范畴， 它所涉及的学科和领域比较广，包括机车动力学，机车电传动，自动 控制，计算机过程控制与微电子技术等。本论文主要从机车传动控制 的角度迸行分析，分为以下几个部分： 1 阐述轮轨滚动接触理论和轮轨粘着机理，介绍当今国内外粘着 控制装置的发展及现状。 2 简述蠕滑的形成原因及其计算方法，指出影响轮轨粘着利用率 的主要因素及其影响程度。 第8 页 北京交通大学硕上论文 第一章概述 3 简要阐述机车蠕滑控制系统的基本结构以及系统的判断依据， 强调了系统的各项要求。 4 介绍了机车蠕滑控制系统的基本模型，运用m 棚a b 得出仿 真结果，对比分析传统校正型算法和蠕滑控制策略，探讨了交流电传 动机车蠕滑控制系统的理论模型，并给出系统的基本框架。 5 介绍了蠕滑控制系统的硬件实现与软件构成，系统的抗干扰措 施以及在实际应用中须注意的事项。 6 对所做工作进行总结，对蠕滑控制技术进行展望。 第9 页 北京交通大学硕士论文第二章机车轮轨滚动接触粘着机理分析 第二章机车轮轨滚动接触粘着机理分析 2 1 蠕滑的形成及定义 六十年代以来，众多学者的研究指出：滑动实际上包含了有益效 应和有害效应。一般而言，滑动反映的是传力条件，而粘着反映的是 滚动条件，当在力的方向上接触面前沿的粘着区消失，这时的滑动是 有害的，反之则是有利的。这就是著名的蠕滑理论。 蠕滑的表现形式是在接触区的一部分产生粘着，而另一部分产生 微观滑动。粘着区相对滑动速度为零，滑动区相对滑动速度不为零。 v 力矩作用时轮轨变形分布 图2 一l 轮轨相互作用示意图 车轮在钢轨上滚动时，刚体纯滚 动的假设是不真实的，因为车轮 在实际的滚动中总是伴随有蠕 滑，实际滚过的距离比纯滚动的 距离要短，因此轮轨之间存在滑 差现象。蠕滑总是与位移的方向 相反，从而使位移趋于减小，当 蠕滑为零时，即为纯滚动。 当轮对在钢轨上滚动时，在 滚动的车轮上施加一个力矩，若 力矩的量值不足以达到使车轮在 钢轨上产生宏观滑动，除了在接 f i g i i r e 2 - 11 kf o f b e t ；l r nw h e e ia n d 口_ i l 第1 0 页 北京交通大学硕士论文第二章机车轮轨滚动接触粘着机理分析 触面内的干摩擦所产生的效应之外，在临近接触面前沿的车轮材质将 受到压缩，而钢轨却受到拉伸，在临近接触表面后沿，轮轨材质的变 形恰巧和前沿相反，如图2 一l 所示。施加制动力时，整个变形分布与 牵引工况相反。 在施加力矩后，车轮上被压缩的金属，在接触面前沿与钢轨被拉 伸的金属相接触，随着车轮在钢轨上的继续滚动，车轮上这块被压缩 的金属陆续被压缩而收缩。相应车轮的轮周速度将因材质被压缩和弹 性恢复的过程而必然比轮对线性移动速度换算的轮周速度低。这两种 速度之差对线性移动速度之比，我们称为蠕滑率。没有蠕滑，施加的 力矩就不能转化为切向力。牵引力小时，蠕滑被限制在接触面后沿的 极小面积内，随着牵引力的增大，蠕滑速度和面积也增大。在牵引力 达到某一数值时，滑动区将覆盖整个接触区。当牵引力继续增大并趋 于库仑极限摩擦时，蠕滑迅速发展成为宏观滑动，这时若不降低转矩 将破坏轮轨间切向力的传递。 由以上分析可以知道：蠕滑反映了滚动接触和摩擦传力的条件， 一方面在接触区中存在滑动区，它是摩擦传力的必要条件，只有粘着 区存在，滑动才是有利的，一旦粘着区消失，蠕滑就会发展成为宏观 滑动，从而造成牵引力的损失乃至最后使力的传递中断。 2 2 蠕滑率及其计算 在物理上，由于粘着区的消失，意味着力的传递过程被中断，从 滑动是传力的必要条件和粘着是传力的充分条件来判断，这种概念的 习延也是正确的。 然而，粘着系数不代表传统的摩擦系数，根据近代滚动理论的发 第1 1 页 北京交通大学硕士论文第二章机车轮轨滚动接触粘着机埋分析 展，它实际上是静摩擦系数、法向压力、接触面积轴长比以及材料弹 性常数四者的函数。 从宏观上看，轮轨相对滚动时，法向力是切向力存在的必要条件。 除了接触表面状态之外，轮轨切向力的大小还决定于蠕滑，蠕滑是宏 观上轮对非纯滚动的状态，由于轮轨的三维弹性形变，轮轨接触斑上 存在着微观的粘着区和滑动区，因而轮对在钢轨上滚动时存在着一定 的相对滑动。即：车轮的速度v 总是低于车轮的圆周速度r 丰w 。这是由 于在力矩m 的作用下，轮轨接触面产生向后的弹性变形所致，这个现 象称为蠕滑。 蠕滑大小的程度用无量纲的蠕滑率来表示，蠕滑率的定义为： ：墨兰堡二! y 尼为车轮半径 以为车轮回转角速度 k 为车轮前进速度 在大量应用蠕滑理论控制粘着的过程中，把轮对的轮周速度与运 行速度之差相对于运行速度的比值定义为蠕滑率。这种表示方法是一 种近似，以便于获得检铡信号使控制系统动作。在滚动接触理论中， 蠕滑率定义为有切向力作用的车轮滚过的距离对无切向力作用时滚 过距离之差的变化率。也就是说，如果轮轨之间不存在干摩擦，那么 车轮将在钢轨上作纯滚动，滚过的距离等于转速和圆周长所得的距 离。然而，由于干摩擦特性的存在，车轮的滚动已不再是纯滚动并伴 随有车轮相对钢轨的滑动发生。这意味着接触面上的干摩擦要引起能 量的消散反应，所滚过距离对纯滚动距离之差的变化率，用蠕滑率来 描述，即： 第1 2 页 北京交通大学硕士论文 第二章机车轮轨滚动接触粘着机理分析 蠕滑率= ( 实际滚过的距离一纯滚动滚过的距离) 纯滚动滚过的 距离 蠕滑控制通常在蠕滑率3 5 以内，即上表中的稳态蠕滑区内完成， 人们又把稳态运行区按照蠕滑性划分为三个阶段：稳定蠕滑阶段、自 复蠕滑阶段、临晃蠕滑阶段。 稳定蠕滑：蠕滑率 1 0 ，可不作调控或作低级调控，属于挖掘粘 着潜力，提高制动性能的控制区，以充分利用此区为原则。 自复蠕滑：1 0 ( 蠕滑率 2 6 6 ，为抑制蠕滑量迅速扩大的倾向， 应作必要的比例调节，它是防滑控制体现其控制价值的主要工作区。 粘控装置工作特点 图2 - 2 牵引力与蠕滑率关系 f 鲫2 2n er l a o n s b i p 嘲w e e nt n c t i v ef o dc f e e p a g e 临界蠕滑：2 6 蠕滑率 3 5 ，应视为粘着力破坏，并己进入宏观 滑行的界限，随着蠕滑率的增大，粘着系数呈明显的下降趋势，轮轨 无能力产生可与持续制动力平衡的切向力，因此必须实行高级别的控 制，抑制滑移发展成为宏观滑行。 第1 3 页 北京交通大学硕士论文第二章机车轮轨滚动接触粘着机理分析 2 3 轮对的空转及滑行过程 有研究表明，轮轨问的切向力和轮轨间的滑动是同时并存的，而 且两者间按特定的规律变化。粘着控制就是要通过微观滑移的定量检 测，触发控制系统动作，以控制滑移过程的手段使机车总是处于最佳 粘着条件下工作，其实质即是蠕滑率的控制，它能明显提高粘着利用 率。 为有效利用轮轨之间的粘着并对蠕滑进行控制，世界各国铁路都 公认k a l k e r 滑移理论曲线( 理想、干燥、无污染条件下) ，由粘着一蠕 滑率曲线可知，当粘着系数随蠕滑率的增大而达到最大值u i i l a x 时， 若继续增大蠕滑率，将使粘着系数急剧下降。这种性质是干摩擦本身 图2 3k a l k e r 曲线 f i g l l 2 3 d k e r c i l c 所固有的，然而其结果却是灾难性的。 如果，这时制动力的下降速度赶不上粘着系数的下降速度，那么 由这种下降速度不平衡而建立起来的力的不平衡，将只能由车轮自己 来消化，滑行即是这种自我消化的产物。 显然，制动力和粘着力之间平衡的破坏或粘着面积从接触面前沿 消失，即为粘着破坏。粘着破坏需要尽快重建平衡或重建粘着区。必 须注意：粘着区的调整是滑动区扩大造成的，而滑动区的扩大是由蠕 第1 4 页 北京交通大学硕上论文第二章机车轮轨滚动接触粘着机理分析 滑率的扩大引起的。因此，重建平衡条件的过程通常也是重建粘着区 的过程，延误了重建时机，就会发生牵引空转或制动滑行现象。 2 4 影响粘着系数和蠕滑率的主要因素 粘着是滚动传力的充分条件，因而粘着是传递牵引力和制动力的 基础，就整台机车而言，计算粘着系数_ 是一台机车轮周牵引力的 计算最大值与机车计算重量之比，即 口= 丝p 。为机车计算重量 忍 粘着系数应理解为轮轨问具有的实际可以传递的最大牵引力的 度量，粘着系数除了与静摩擦系数有关外，还与轴重、轮径、材料特 性、轮轨表面污染状态有关。而牵引系数只表征驱动转矩对应的经由 轮轨摩擦产生的牵引力大小，与给定的牵引力值和轴重有关。牵引系 数小于粘着系数，机车牵引力未得到充分发挥；牵引系数大于粘着系 数，牵引力的发挥受到限制。根据粘着系数受各种环境条件影响大、 随机性强的特点，必须通过线路实验进一步了解轮对与轨面之间的实 际接触情况。在以下的部分介绍影响粘着系数与蠕滑率关系曲线的一 些主要因素。 2 4 1 轨面状态对粘着系数与蠕滑率关系的影响 图2 - 4 表示了6 种典型轨面条件平均粘着系数与蠕滑率关系的 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的较宽的数据带，如图2 5 所示。从图2 4 、 2 5 中可以得到如下结论： 第1 5 页 北京交通大学顶士论文第二章机车轮轨滚动接触粘着机理笪堑 ( 1 ) 干燥轨面平均粘着系数最大值约为0 3 2 ，相应的蠕滑率范围 为( 7 一9 ) 。 ( 2 ) 干燥撒砂轨面平均粘着系数最大值超过o 4 0 ，相应的蠕滑率 范围为( 2 - 3 ) 。 ( 3 ) 潮湿轨面平均粘着系数低于干燥轨面，最大值约为o 2 5 ，相 对较高的粘着系数对应的蠕滑率范围约为( 1 0 一1 5 ) ，当蠕滑率超过 1 5 ，粘着系数无明显变化。 ( 4 ) 潮湿撤砂轨面平均粘着系数最大值约为o 2 9 ，相应的蠕滑率 釜 幡 鼻 露 i 孽哆事t ) 图2 4 典型轨面条件下粘着系数与蠕滑率关系曲线图 f i g i l 他2 - 41 m ei e j a t i o n 曲砸b e t w e e n a 曲e s i o na n dc r e 印a g e i n 陀p f e 辩n t a t i v e c o n d i o n 5 第1 6 页 北京交通大学硕士论文第二章机车轮轨滚动接触粘着机理分析 么锄锄k ，l 兹纱鲈铴 觞缓彩缓瑷骝磁j 么彩 缓馨弛酗 水 多。， 己 卜一在千羹饲孰上 2 一一在捆诅饲孰上 图2 5 蠕滑率粘着带 f i g l l m2 - 5t _ l l er a n 窖eo fc f e c p a g e 范围为( 2 一3 ) 。 ( 5 ) 有油轨面平均粘着系数低于潮湿轨面，无明显的最大值，平 均粘着系数约为0 2 0 ，蠕滑率超过1 5 ，粘着系数无明显变化。 ( 6 ) 有油撒砂轨面平均粘着系数最大值约为o 2 6 ，相应的蠕滑率 范围是( 2 一3 ) 。 2 4 2 速度对粘着系数与蠕滑率关系的影响 1 低速范围阿 ( 1 ) 在一定速度范围内，粘着系数与蠕滑率关系曲线不是速度的函 数； ( 2 ) 随速度提高对应最大粘着系数的蠕滑率有所下降。 2 高速范围 ( 1 ) 在干燥轨面条件下，速度对粘着系数的影响很难确定。 ( 2 ) 当轮轨接触面闻有水存在时，粘着系数随速度增加急剧下降， 下降的程度受到表面粗糙度的影响，表面越光滑，粘着系数下降越大。 第1 7 页 北京交通大学硕士论文 第二章机车轮轨滚动接触粘着机理分析 ( 3 ) 当轮轨接触面间有油存在时，粘着系数降至低于o 1 1 ，但速度 的影响效果不明显。 2 4 3 弯道曲率对粘着系数与蠕滑率关系的影响 列车在曲线上运行时，轮对的运行方向与曲线的切线方向形成冲 角，冲角使车轮在钢轨上产生横向滑移，由于轮轨间所能传递的总制 动力受到粘着的限制，所以造成曲线粘着系数的下降。同时对应最大 粘着系数的蠕滑率随曲率的增加而增大。根据我国的牵引计算规程， 在曲线半径月小于6 0 0 米的线路上运行时，机车的曲线粘着系数与曲 线半径的关系为： 肛，= 肛f ( 0 6 7 + 0 0 0 0 5 5 月) 脾：机车在弯道上的粘着系数。 卢：机车在直线上的粘着系数。 尼弯道曲线半径。 2 4 4 轴重和轮径对粘着系数与蠕滑率关系的影响 轴重在一定的范围内，不会出现粘着系数降低，超过这个范围， 粘着系数会有所下降。 在文献分析的基础上，1 9 9 2 年为搞清轮径对粘着性能的影响，设 法提高我国货运内燃机车的牵引能力，西南交大、大连厂、大连内燃 机车研究所在大连内燃机车研究所的机车试验台上进行了轮径 1 0 5 0 舢和1 2 5 0 砌转向架的粘着性能对比试验。试验结果如下： 第1 8 页 北京交通大学硕士论文第二章机车轮轨滚动接触粘着机理分析 轮径轴重2 5 t 2 3 5 t2 l t 1 0 5 0 i i l i n0 2 3o 2 2o 2 l 1 2 5 0 i i no 2 7 初步得出结论为：当轴重和轨头曲率半径相同时，大轮径比小轮 径车轮利用粘着系数高。 2 4 5 轴重转移对粘着系数与蠕滑率关系的影晌 当列车在制动时，会发生轴重转移，而且轴重转移随制动力的增 大而增大，通常是轴重减载最多的轮对最先发生擦轮或抱死，使列车 总的制动力受到轴重转移轮对的限制，因此应尽量减小轴重转移。 为减少轴重转移提高粘着重量利用率，采用的方法是牵引电机顺 置，并使牵引点的高度与轨面接近或重合。但牵引电机顺置也有弊端， 在小曲线半径上运行时可能增加轮径的不对称磨耗。 由于轴重转移的影响，第一轮对总是减载而且最先遇到轨面的不 良条件，所以可用粘着系数最小，而后面的轮对由于增载和前导轴对 轨面的清洁作用，可用粘着系数明显高于前导轴。在粘着系数软件设 计中为了充分发挥机车的牵引力，可稍微放宽对于前导轴的蠕滑率限 制，使前导轴的清洁作用更明显，轨面接触条件变得更好，这样，后 续轮对的粘着系数会更高，但是蠕滑率必须被限制在一定的范围内， 否则可能带来不良后果。 综上所述，粘着是一种受多种因素影响而且对环境变化十分敏感 的物理现象。列车在制动时，为了在最短的距离内停车且不擦轮，应 使列车制动力能跟随轨面粘着系数的变化而变化，调节工作点使之位 于粘着系数一蠕滑率曲线的峰值附近。 第1 9 页 北京交通大学硕上论文第三章机车蠕滑控制系统原理 第三章机车蠕滑控制系统原理 粘着失去的根本原因是牵引力大于所能实现的粘着力，恢复粘着 的有效手段是使牵引力减小，以满足“牵引力 。( t ) 时，实际的蠕滑率大于理想的蠕滑率，说明机车的实际工作点位于粘 着系数蠕滑率衄线工作点的右侧。这时偏差信号e ( t ) 就驱动自适应 机构调节控制器参数，使得被控机车的输出l 。( t ) 减少。因此粘着 自适应控制可以使被控机车的输出蠕滑率始终跟踪理想模型的输出， 以优化蠕滑率为手段，达到粘着系数最佳利用的目的。 第3 1 页 北京交通大学硕士论文 第四章机车蠕滑控制系统的模型及其仿真 4 2 机车蠕滑控制模型 外环是蠕滑速度参考模型，内环是牵引驱动系统，外环的输入 是机车的牵引力给定，由于机车的绝对速度很难精确测量，因此绝对 速度往往用基准速度取代，蠕滑速度用最大轮对速度与基准速度之差 代替。根据实际系统输出蠕滑速度与参考模型输出蠕滑速度的偏差， 可以驱动自适应机构实现控制器参数的调节，电机模型根据实际系统 输出和参考模型输出，计算理想的电压给定值，并与实际的电机端电 压进行比较，其电压偏差也将参与控制器参数的调节。内环和外环共 同作用于调节系统的输出，使系统能够根据输入粘着系数的变化改变 工作点。 4 2 1 蠕滑速度参考模型 图4 - 3 机车蠕滑模型搜索过程 f i g u r e 4 3 l h ep r o 嚣0 f 也ec i e e p m o d e l 在蠕滑控制系统中重要的环节就是建立蠕滑速度参考模型，蠕滑 速度应由机车的输入参数粘着系数决定，而至今仍未有直接测得粘 着系数的仪器，因而在实际粘着控制系统中只能将牵引电机的实际 转矩输出或电枢电流作为粘着系数的观测值，通过牵引力矩或电流 的变化观测粘着系数的变化。 第3 2 页 北京交通大学硕士论文第四章机车蠕滑控制系统的模型及其仿真 将采集的各牵引电机的电流求和得到总电流，在一定的时间内多 个总电流的平均值可以反映当前的牵引力或粘着系数的变化。 在粘着控制中，最大的难点就是如何确定工作点位于峰值点的左 侧还是右侧。蠕滑率模型根据电机转矩和实际蠕滑率的变化方向，可 图4 4 蠕滑速度调节流程 f i g i i 孵“n e n 州c h a n o f t h e 础咧蓥e 以判断工作点的大概位置，从而决定增加还是减少蠕滑率，确定参考 蠕滑率的大小，得出参考速度，送入电机模型。经过这种动态搜索后， 可以使机车的工作点接近于峰值点处。搜索过程如图4 3 所示。如果 第3 3 页 北京交通大学硕士论文第四章机车蠕滑控制系统的模型及其仿真 实际检测牵引力矩和蠕滑速度增加，那么处于状态1 ，这时应该继续 增加蠕滑速度，使工作点朝峰值点靠近。如果牵引力矩增加而蠕滑速 度减少，那么处于状态2 ，这时可减少蠕滑速度，使工作点处于峰值 点左侧，减少空转和滑行的机率，蠕滑速度的调节过程如图4 4 所示。 同理分析3 和4 ，可以得出图4 所示的工作状态。最终得出一个蠕滑 参考速度，再加上机车速度就得到轮对速度，换算到电机速度，即得 出电机的参考速度n d 。得出结论如下表所示： 状态牵引力蠕滑速度设定蠕滑速度 l增加增加增加 2增加减少减少 3减少减少增加 4减少增加减少 图4 - 5 蠕滑模型结论表 f i g i 主r e4 - 5c 伽c 】u s i 伽0 ft h e 唧a g em o d e l 4 2 2 机车及轮轨模型 在模型的开发过程中考虑几个控制因素，首先，车轮动力学和列 车动力学模型可以单独应用，这种模型可适用于任何类型的牵引电动 机，因而牵引电动机模型不应成为轮轨相互作用模型的组成部分。 1 粘着力 粘着力是从车轮转移到列车上的那部分力，它通过摩擦力表现 出来，粘着力在接触面间不产生任何熟量，而摩擦力产生。摩擦力是 运动的阻力，因而对运动起着阻碍作用，而粘着力是相互作用力。轮 周可以作用于轨道上的最大力受到最大粘着力的限制。粘着力公式如 下： 第3 4 页 北京交通大学硕上论文第四章机车蠕滑控制系统的模型及其仿真 f a = n f a 粘着力 口粘着系数 n 一在轮轨接触点，车轮对轨道的正压力。 假定列车的质量是不变的，粘着系数变化了，粘着力即随之改变。 在推导多种因素与粘着系数之间的普遍关系方面，进行了大量的 试验工作，认为当列车速度增大时，粘着系数降低，它们之间的关系 也非常随机，仅可发现一个趋势，由试验得出的粘着系数校正值和列 车速度之问的关系示于图4 6 ，与粘着系数和滑动速度之间的关系相 同。如图4 7 所示，假如转矩t 作用于车轴上，那么轮周上的切向力 图4 石粘着系数修正值和列车速度的关系图4 - 7 列车相关力部分 f 辑l f c4 61 ei | e l 鲥彻蛳pb e t w e 曲c o m ；c t ：- o 越l a 曲i d 劬曲s p e e d 蛳4 7 m i e l 心v e l y 细砸姐m f 将随之产生，它们之间的关系如下：f 。! 同时摩擦力将出现，以 r 平衡运动方向的驱动扭矩，一直到摩擦力达到极限值时。由于粘着的 作用，轮周力转换成牵引力，驱动列车运行。 2 车轮动力学 第3 5 页 北京交通大学顾十论文第四章机车蠕滑控制系统的模型及其仿真 对于车轮而言，负荷扭矩可以分为两部分：包括负荷在内的一般 负荷扭矩和特殊负荷扭矩。车轮的动力学微分方程如下： 丁。= i ，鱼 + r ，+ 赫 式中：砌电动机传递到车轮上的扭矩 ，以车轮为转动中心，车轮、齿轮和车轴的等效转动惯 量 浙车轮角速度 乃一负荷扭矩 珊转变成牵引力的粘着力 从上面方程可以看到：粘着力作为负荷扭矩转移到车轮上，如果 负荷扭矩得到平衡，那么车轮就不会加速。从该方程可推导车轮的加 速度方程，如下： m ，i _ ，生号型 由该方程可得：如果粘着力突然降低，同时电动机扭矩不变， 那么由于车轮可获得额外的扭矩，所以将会加速，亦即车轮空转，这 个方程