（电力电子与电力传动专业论文）机车牵引性能实时检测与计算算法的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t r a c t i o n p e r f o r m a n c e a sa l l i m p o r t a n tt e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i c l o c o m o t i v ea n dt r a i n s e ti sn o to n l yt h ek e yp a r a m e t e ro ft r a i no p e r a t i o na n dc o n t r o l ， b u ta l s ot h er e f e r e n c eo fn e wt r a i nd e s i g na n du s e dt r a i nt r a n s f o r m a t i o n u n d e rt h e c i r c u m s t a n c e so fp u t t i n gn e wr a i l w a yl i n e si n t ou s eo ri m p r o v i n gp a s s e n g e rt r a i n s p e e do ri n c r e a s i n gf i e i g h tt r a i nt o n n a g eo rr e f o r m i n gd r i v i n gs y s t e m , l o c o m o t i v e t r a c t i o np e r f o r m a n c et e s th a sb e c o m eaf o u n d a t i o n a lt e c h n i c a lj o b a ni m p r o v e d a l g o r i t h mf o rr e a l t i m e c a l c u l a t i o no ft r a c t i o nf o r c ei sp r o p o s e di n t h i sp a p e r t h r o u g ht h em o d u l a rd e s i g n i n go fh a r d w a r ea n dr e a l - t i m ed e t e c t i o no fl o c o m o t i v e r u n n i n gs t a t u s t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fc a l c u l a t i n gl o c o m o t i v et r a c t i o nf o r c e a c c u r a t e l y b a s e do nt h ea n a l y s i so fc u r r e n td i f f e r e n tm e t h o d so fm e a s u r i n gt r a c t i o nf o r c e ，a r e a l t i m ec a l c u l a t i o ns u b m o d e la l g o r i t h mo ft r a c t i o nf o r c ec o m b i n e dw i t hd y n a m i c t e s tv e h i c l ed a t aa c c o r d i n gt o ”t r a i nt r a c t i o nc a l c u l a t i o nr e g u l a t i o n ”a st h et h e o r e t i c a l b a s i sa n ds s 3 be l e c t r i cl o c o m o t i v ea ss t u d yo b j e c ti se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r t h e s t a r t - u pp h a s et r a c t i o n f o r c ea l g o r i t h mm o d e li sd e t e r m i n e du s i n gm u l t i p l el i n e a r r e g r e s s i o na n dc a l v ef i t t i n gm e t h o d s t h eo p e r a t i o n a lp h a s et r a c t i o nf o r c ea l g o r i t h m m o d e li sd e t e r m i n e du s i n gc o r r e l a t i o na n a l y s i sw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fg e n e r a l i z e d e f f i c i e n c y l o c o m o t i v et r a c t i o n f o r c ec a l lb ec a l c u l a t e da c c u r a t e l yb yr e a l - t i m e d e t e c t i o no ft h et r a c t i o nm o t o rv o l t a g e ，c u r r e n t ，v e l o c i t ya n dt h ei n t r o d u c t i o no ft e s t l i n ed a t a h a r d w a r ep l a t f o r mo fl o c o m o t i v er u n n i n gs t a t u si n c l u d i n ga n a l o gs i g n a l s ， s w i t c h i n gs i g n a l s ，r s 4 8 5 b u s s i g n a l s i si n t r o d u c e di nd e t a i l m o r ed e t a i l e d d e s c r i p t i o no ft h ed e s i g nf o rh a r d w a r ec i r c u i t i s g i v e n a i m i n ga t r e a l t i m ea n d a c c u r a t er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m , k e yi s s u e so fh a r d w a r ed e s i g nd i s p o s a lm e t h o d s a r eg i v e n i nt h i sp a p e r , i n t e r a c t i v ep ci n t e r f a c ei sb u i l tb yl a bw i n d o w s c v it or e a l i z e d a t aa c q u i s i t i o n ，s t o r a g e ，p l a y b a c ka n da n a l y s i sf u n c t i o n s t h es i m u l a t i o nt e s to ft h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a l g o r i t h mm o d e ls h o w st h er e s u l ta c c u r a c yi si m p r o v e da n da c h i e v e st h ed e s i r e dg o a l i ti sp r o v e dt h a tt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l e i nt h ee n d ，t h ew o r k sa n da c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e ra r es u m m a r i z e d k e y w o r d s ：t r a c t i o nc a l c u l a t i o n ；t r a c t i o nf o r c e ；r e a l t i m ed e t e c t i o n ；l a bw i n d o w s c v i 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：纭湎审 日期：柳7 多乡 言翥? d 膏书 日期： p 。厶1 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： l 、针对目前机车牵引力各种测量方法的局限性，提出了一种基于牵引计算 的机车牵引力实时计算改进算法。该算法通过实时检测牵引电机电压、电流、 速度以及引入试验线路数据，即可实时准确的计算出机车牵引力。 2 、采用模块化方法实现系统硬件设计，并针对系统实时准确的要求，分别 给出了硬件设计过程中所遇到的关键问题的处理方法。 3 、应用l a bw i n d o w s c v l 实现上位机软件平台的开发，从而缩短了系统的 开发周期，提高了系统的通用性和可扩展性。 学位论文作者签名：筒y 孙 蹦、屯” 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 机车牵引性能研究的意义 近年来，我国铁路向着“货运重载，客运高速的方向快速发展，特别是 “十一五 规划提出对铁路新线的大力兴建，其中包括客运专线和既有线路的 电气化改造计划，使得我国铁路运输的发展面临着新的挑战。为了适应新形式 的铁路运输要求，在保证列车安全、节能的运行模式下发挥铁路更大的运输能 力和运输效益，必须讲究高效合理的机车操纵方式和行车管理模式。牵引性能 作为电力机车和动车组的重要技术特性，既是列车运行和控制的关键参数，也 是新车设计和旧车改造及运用的参考依据。因此对机车牵引性能的研究直接关 系到铁路的运营指标、成本、效率和行车的安全。 牵引性能的研究以牵引计算为核心理论，讲求理论与实际相结合，它依据 大量的试验测定并提供各种类型机车和动车组的牵引性能数据，同时又应用牵 引计算的基本理论来指导实践。研究作用于列车上并且与列车运行方向平行的 各种力，包括机车牵引力、列车阻力、列车制动力，以及它们和列车运动的关 系，从而研究与列车运行有关的( 包括牵引质量、运行时分、机车能耗等) 实际 问题，其结果直接影响铁路的经济性规划与确定，因此研究机车和动车组牵引 性能的意义越来越大【l 】。 由于我国的铁路运输比其他国家起步较晚，国内对于牵引性能的研究相对 落后于国外。因此，在高速列车技术迅速发展的今天，通过研究机车牵引力等 牵引性能参数的在线实时检测与计算，对提高铁路的运营指标，合理有效地操 纵机车以及保证行车安全都有着重要的意义，这也将为今后的干线列车实现自 动驾驶提供一种行之有效的方法。 1 2 国内外研究现状和发展 目前对于牵引力等牵引性能参数的测量，有众多学者提出相关研究，根据 查阅现有资料，主要有以下几种测量牵引力的方法【3 7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 、传统动力计测量法 传统的机车牵引性能试验通常采用动力计法。动力计是安装在铁路用试验 车上的设备，是牵引动力测量系统中力的传递与变送机构。它利用机械结构， 将力传给压力传感器，从而把力参数转换为电参数，用于测量机车车辆车钩的 牵引力或缓冲力。因此，测量过程需要机车挂接专门的动力试验车。但应用专 门的试验车投资大，另外试验车的挂接需要发电报，协调也较繁琐。同时由于 动车组采用固定编组或固定单元编组其负载已经体现在拖车和动力车自身，因 此采用动力计法就会出现一定的问题。 2 、测力轮对的方法 由应变计测出轮轴和车轮的弹性变形得到测量值，再用计算机将其换算成 作用于车轮的纵向力、横向力和垂向力，对每个轮盘输出，再对每个轮对作进 一步的综合评价。这种方法所需费用很大，同时在被试验机车或动车上安装测 量装置很费时，特别对于动轴分布在整个车列的动车组，这种费用会增大数倍。 该方法特别适合于走行动力学试验中的导向力测定，只在少数情况下可以用这 种方法来检测牵引力。 3 、空心轴的方法 在单侧万向节空心轴传动的电力机车上，测量空心轴的转矩就可测定1 个 轮对2 个车轮圆周力之和，然后用车轮踏面基准圆半径进行换算，但此时轮对 和空心轴的转动惯量可能会引起测量值的误差。这种方法仅适于地面试验，并 且同样需要较大的费用。 4 、牵引力测定的加速度法 通过f = m ( 1 + 砂口+ 后，由测得的速度可以确定机车的运行阻力届，在根 据列车的牵引质量与加速度可以计算出牵引力。本方法的前提是必须精确的知 道机车的牵引质量，但实际上，牵引质量是由编组是计算出来的，并不十分准 确。 5 、构造观测器的方法 应用状态观测器，以可检测量( 牵引电动机电流和转速) 为输入量，通过观 测器输出可得到轮轨间粘着力的动态估计量，可用于对电力机车动轮粘着牵引 力实现在线动态检测，但测得的牵引力与实际牵引力有一定误差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 6 、根据机车牵引特性计算的方法 根据列车牵引计算规程给出的机车牵引特性公式，通过确定公式中各 参数的取值方法，求得机车的轮周牵引力以及车钩牵引力。 7 、人工神经网络算法 采用已有数据训练设计的三层神经网络，获得相应的网络参数，从而构建 出牵引力的神经网络模型。 注：6 、7 方法详见第二章2 2 1 和2 2 2 节。 以上方法在应用时都有各自的局限性，随着国内大量动车组的引进以及相 关的设计制造，我国铁路部门以及广大的铁路研究人员已经逐渐着手对机车及 动车组的牵引性能测量方案进行研究和开发。 1 3 课题研究的目标和主要内容 论文研究的目标为：针对现有牵引力测量和计算方法的不足，以牵引计算 为基础，通过对动力试验车实测数据分析，设计一种改进的机车牵引力实时计 算算法模型，使得计算结果更为精确。通过硬件平台实时检测机车状态信号， 构建人机交互界面，验证算法的准确性。 论文研究内容为：建立机车牵引性能实时计算算法模型，准确计算机车牵 引力；设计机车状态信号检测及参数采集硬件平台，准确采集机车相关状态信 息和参数数据；构建人机交互界面，实时绘制各参数的特性曲线。 1 4 论文的结构安排 本文分5 章对所做的研究工作进行了论述。 第1 章为绪论。首先根据我国铁路的实际情况，分析机车牵引性能研究的 重要意义。之后回顾国内外对于牵引性能中牵引力的测量和计算所应用的各种 方法，最后对论文的研究目标和主要内容进行阐述。 第2 章对机车牵引性能实时计算算法进行研究。首先，简述机车牵引力的 定义和分类。通过对最新提出的两种牵引力计算算法方案的比较，在分析牵引 计算公式的基础上，提出新的牵引力实时计算算法，并对算法的可行性进行研 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 究。 第3 章介绍机车牵引力实时计算算法模型的建立过程，包括建模数据的预 处理，建模所应用数值方法的选取。最后给出完整的算法模型，并对其有效性 进行验证。 第4 章介绍机车牵引性能实时检测硬件平台的设计。包括检测信号的确定， 各类信号检测单元的模块化设计。对重要模块给出设计原理图，并对部分接口 进行功能说明。最后，针对实时检测硬件设计过程中所涉及的关键问题处理方 法进行总结。 第5 章对牵引性能实时检测的软件设计进行介绍。从硬件模块角度分别给 出模拟量、开关量和总线信号采集单元的软件流程设计。同时，根据系统功能， 应用l a bw i n d o w s c v i 进行人机交互界面的开发。最后，对软件平台进行测试， 验证算法模型的准确性，展示最终运行结果。 结论部分对本文研究工作的主要内容进行了回顾与总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章机车牵引性能实时计算算法研究 机车牵引性能是机车运行的基本特性，它包括表征机车运行的各种状态变 量，如牵引电机电压、电流、机车运行速度等，以及研究机车牵引力与这些状 态变量之间的关系。 2 。1 机车牵引力概述 2 1 1 牵引力的定义 ，机车产生的牵引力是与列车运行方向相同并可由驾驶员根据需要而控制的 外力。以电力机车为例，牵引力是由牵引电动机产生的内力传递到钢轨后得到 的钢轨对机车的反作用力。 电力机车牵引力的产生可表述为以下过程：机车受电弓将接触网的高压交 流电引入主变压器的原边绕组，对于交直传动型电力机车来说，主变压器首先 将高压交流电变为低压交流电，再由次边绕组经整流器整流后变为直流电供给 牵引牵引电动机，牵引电动机转轴输出转矩，并通过齿轮传给动轮，从而通过 动轮与钢轨间的相互作用，产生钢轨对动轮的切向反作用力，使机车运动起来， 此力也即机车的牵引力。因此，电力机车牵引过程的实质是电能变为机械能、 内力引起外力的过程【8 j 。 2 。1 。2 牵引力的分类 对于电力机车而言，根据机械功传递过程，牵引力可分为轮周牵引力、车 钩牵引力和指示牵引力；根据能量转换过程，分为牵引电动机牵引力和粘着牵 引力。为了能够对机车的牵引性能有更好的了解，下面作以简要介绍。 1 、轮周牵引力： 由动力传动装置引起的，与列车运行方向相同的外力，以e 表示，如图 2 1 ( a ) 。当机车的动轮在力矩m 作用下，轮轨间出现相对运动趋势时，只要轮 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 轨间的静摩擦作用不被破坏，则将产生动轮对钢轨的作用力巧和钢轨对动轮的 反作用力五，两者大小相等，方向相反。其值为 e = 苁 ( 2 - 1 ) 式中哆动轮直径计算值，即动轮滚动圆半磨耗时的直径。 当e 简化到车轮中心d 上时，可得力互和力偶( e 、最) ，如图2 1 ( b ) 。力 偶矩疋q 2 与力矩m 平衡，而力e 使动轮发生以轮轨接触点c 为瞬时转动中 心的滚动，力f 作用到车架上，使机车产生平移运动。 ：厂! c 吒 a j( b ) 图2 1 轮周牵引力形成示意图 2 、车钩牵引力： 机车牵引客、货车辆的纵向力，以表示，如图9 _ - 2 ( a ) 。车钩牵引力是机 车和车辆之间相互作用的内力，在机车牵引车辆时，车辆对机车也有一个反作 用力7 ，如图2 - 2 ( b ) 。 y矿 ( a )m ) 图2 - 2 车钩牵引力形成示意图 由于机车本身要消耗一些牵引力，所以车钩牵引力总比轮周牵引力小，即 乞= 只一形 ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 式中形7 机车运行阻力，并且此公式应用在列车等速运行时。 3 、指示牵引力： 指示功( 是用示功器直接从机车发动机测得的功) 毫无损失地传到轮周上计 算所得到的牵引力，以f 表示。它与轮周牵引力的关系为 最= 研 ( 2 - 3 ) 式中碾动力传动装置的总效率。 4 、牵引电动机牵引力：受牵引电机功率限制的轮周牵引力。 5 、粘着牵引力：受轮轨间粘着能力限制的轮周牵引力。 2 2 牵引力计算算法比较 2 2 1 机车牵引特性计算方法 参考文献 4 和 7 中，均介绍了根据机车牵引特性计算牵引力的方法。针对 s s 3 b 型电力机车，电力机车车钩牵引力的表达公式为： = 最一7 = 最一弓g w o ( k n ) ( 2 - 4 ) 式中只轮周牵引力( k n ) ； 乞车钩牵引力( 1 ( n ) ； 哌机车运行基本阻力( k n ) ； 只机车整各n n ( t ) ，针对s s 3 b 型机车，= 1 3 8 h “1 车运行单位基本阻力( n k n ) 。 根据牵引电动机的功率特性公式和机车轮周功率特性公式， 牵引力的表达公式为： e = 志半仉仉( k n ) 推导得出轮周 ( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 式中本引电机电压) ，通过采集得到： l 牵引电机电流( a ) ，通过采集得到； v 机车运行速度( m s ) ，通过采集得到； r d 牵引电动机效率，通过查询效率曲线图2 3 获得； 刀，齿轮传动效率，取0 9 7 5 。 在效率曲线上进行手动取点，遵循的原则为曲率大的地方取点较多，曲率 小的地方取点较少。将效率制成表格，通过线性插值的方法，列出插值公式， 根据输入电流的区间来查询效率的取值。 一 t j土 尊 皓 、= 、 天 |r。 。 _ _ ， _ _ 。 罄i 、 、 、 - 、 - -：止 翁甏 - - 、 - 一 珀， 7 蛄 l 图2 - 3z q 8 0 0 1 牵引电动机效率曲线图 s s 3 b 型电力机车运行单位基本阻力为： w 0 7 2 2 5 + 0 019 v + 0 0 0 0 3 2 v 2 ( n k n ) ( 2 6 ) 为了验证结果的准确性，我们采用s s 3 b 动力试验车数据带入上述公式， 结果如图2 4 所示。 赢 舢 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 z 卫 穴 n 卜 世 8 * 图2 - 4 计算牵引力与实测牵引力比较 图2 - 4 给出了随机选取的1 0 0 0 组数据来验证动力试验车测得的车钩牵引力 和根据牵引特性计算得出的车钩牵引力的对比结果。为了便于观察，同时给出 计算结果的相对误差分布图，如图2 5 所示。 可见，根据牵引特性计算得出的车钩牵引力在总体趋势上是正确的，但是 在准确程度方面存在很大的不足。分析可能原因如下： 1 、车钩牵引力的计算公式中，阻力的计算直接简化采用了机车运行基本阻 力公式，而机车实际运行过程中受线路数据的影响将会产生不同的附加 阻力，因此会降低计算结果的准确性。 2 、牵引力的大小不仅受到机车本身的影响，还受到供电系统、操纵方式等 方面的影响。实际上，在不同的牵引工况下，电机效率r j 是一个不断变 化的参数，齿轮传动效率7 7 ，也会因实际运行情况产生不同的变化，如果 简单的查阅取值或取为定值，必然会造成计算结果的误差。 3 、电压、电流、速度是通过实时采集得到的，硬件系统的检测精度以及实 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 时传输速率将影响计算的结果。 因此，这种方法在计算的准确性方面并不是十分理想，有待进一步改进。 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 零 悄1 0 0 账 霞8 0 罂 6 0 4 0 2 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 数据点 图2 5 计算牵引力与实测牵引力相对误差 2 2 2 人工神经网络算法 参考文献 7 中，介绍了误差反向传播神经网络( b p 网络) ，在机车牵引力计 算中的应用。讨论了应用神经网络建立牵引力算法模型时，隐含层节点数目的 选择，并针对b p 网络算法易陷入局部极小以及收敛速度慢的缺点，给出了一定 的改进措施。该算法选用3 层结构的神经网络，包括输入层，隐含层和输出层。 其中，输入层选择机车速度、电机电压、电机电流作为输入量，输出层为牵引 力，隐含层的神经元数目是通过对不同神经元数目取值后，计算平均绝对误差 和训练步数的比较来确定的。 该网络的参数是离线情况下确定的，神经网络的训练需要大量的数据，才 西南交通大学硕士研究生学位论文第l1 页 能获得较好的参数，但是在实际过程中，要获得足够的训练样本需要较长段 时间。同时，由于机车运行过程情况复杂，并且，天气等环境因素造成的线路 情况( 如粘着系数) 的变化，以及机车操作人员操纵的随机性( 如级位变化) ，网压 波动等因素，使得应用离线数据优化得出的b p 网络参数进行在线实时计算的偏 差具有不确定性，因而，给牵引力的在线实时计算带来了极大的困难。 2 3 牵引力实时计算算法研究 由于机车运行环境复杂，为了能够实时准确的计算出机车的牵引力，我们 必须要考虑诸多方面的因素。牵引力的计算涉及到电气、机械等多种参数，不 仅受到机车本身的影响，还要受到供电系统、线路条件、机车操纵等方面的影 响。通过对不同算法产生误差原因的分析，我们仍然回归到牵规公式，并 结合对已有动力试验车数据的分析，确定新的牵引力实时计算算法，使计算结 果的误差降为最低，从而满足系统计算精度和实时性的要求。 2 3 1 车钩牵引力的计算 铁道部制定的列车牵引计算规程( 简称牵规) 中规定了牵引计算方法 及所用到的相关技术数据标准【9 】，这为牵引力计算算法的研究奠定了一定的理 论依据。首先我们分析韶山3 b 型电力机车的运行过程。 韶山3 b 型重载货运电力机车( 代号s s 3 b ) ，属于韶山3 型4 0 0 0 系，是一种 1 2 轴重载货运电力机车。该车由两节完全相同的6 轴电力机车通过内重联环节 连接组成，每节车为一完整系统。 矿 卜 图2 6s s 3 b 电力机车运行受力分析图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 - 6 所示为s s 3 b 型电力机车运行时的受力图。车钩牵引力t 与7 大小 相等，方向相反。对机车牵引工况下的运行过程进行受力分析，可知： ( 1 ) 等速运行阶段 t = e w ( k n ) ( 2 - 7 ) ( 2 ) 非等速运行阶段 t = e 一形7 一m 口( k n ) ( 2 8 ) 式中疋车钩牵引力( k n ) ； e 轮周牵引力( k n ) ； 形机车运行阻力( k n ) ； 口机车运行加速度( m s 2 ) ； m 机车的质量( t ) 。 为了计算得到车钩牵引力，首先需要计算出机车的轮周牵引力和运行阻力。 2 3 2 轮周牵引力的计算 根据机车能量转换关系，牵引电动机牵引力就是受牵引电动机功率限制的 轮周牵引力，因此轮周牵引力可以用以下方法进行计算【1 l 】。 牵引电动机功率特性公式为 屹= 揣仉( k w ) ( 2 - 9 ) 机车轮周功率特性公式为 1 m = e v = m n j t , ，( k 、聊 ( 2 - 1 0 ) ， 、， 、， 由式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 得出机车轮周牵引力计算公式为 丘= 3 6 聊盟巩仰。( k n ) ( 2 - 1 1 ) 式中聊电机台数： 璋引电机电压( v ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第】3 页 l 牵引电机电流( a ) ； v 机车运行速度( k i n h ) ： ，7 d 牵引电动机效率； 刁，齿轮传动效率； 3 卜单位换算系数( 1 n 1 k i n h = 1 3 6 w ) 。 对于s s 3 b 型电力机车，在轮周牵引力的计算公式中，牵引电机电压、牵 引电机电流和机车运行速度都是可以通过实时检测得到的，电机台数m 取值为 6 ，因此，求解的关键便是确定牵引电动机效率仍和齿轮传动效率玩。因为在实 际过程中涉及到很多机械、电气以及线路方面的影响，所以这两个效率不能够 简单的取为定值，但是通过实际获得的试验数据，我们可以实现效率的确定和 修正。 此外，牵规规定，机车多机牵引、使用重联线操纵时，因操纵动作协调， 每台机车牵引力均取全值；分别操纵时，协调性较差，第二台及以后的每台机 车牵引力均取全值的0 9 8e 9 1 。因为s s 3 b 是由两节完全相同的机车实现固定重联， 在计算的过程中，涉及机车参数的地方要取为单车的2 倍。 2 3 3 阻力的计算 列车运行阻力，是由机车运行阻力( 以缈7 表示) 和车辆运行阻力( 以w 表示) 组成的。通常情况，阻力以单位阻力的形式表达，也即平均到机车、车辆每k n 重力上的阻力，用w 表示。因此 机车单位阻力 = 一 p g 车辆单位阻力 = _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 式中尸机车计算重量( t ) ； g 机车牵引重量( t ) 。 分别针对机车和车辆，运行阻力按照产生的原因又可以分为基本阻力和附 加阻力。 一：基本阻力的计算 影响基本运行阻力的因素非常复杂，主要包括轴承阻力、滚动阻力、滑动 阻力、冲击振动阻力和空气阻力等，在实际运用中很难用理论公式来计算，而 是按照由大量试验得出的经验公式，进行计算。列车运行单位基本阻力的计算 公式一般为运行速度的二次三项式，即 w o = 口+ b v + c v 2 ( 2 1 4 ) 表2 1 中列出了不同机车和车辆的运行单位基本阻力系数。查阅得出s s 3 b 型电力机车的单位基本阻力为： w o = 2 2 5 + 0 0 1 9 0 v + o 0 0 0 3 2 0 v 2( 2 - 1 5 ) 表2 1 各类型机车和车辆的运行单位基本阻力系数表 单位基本阻力计算系数 类别 型号 a bc 电力 s s l 、s s 3 、s s 42 2 50 0 1 9 0 0 0 0 0 3 2 0 s s 7 型 1 4 0 0 0 0 3 80 0 0 0 3 4 8 机车 s s 8 型 1 0 2 0 0 0 3 50 0 0 0 4 2 6 d f 4 型 2 2 8 0 0 2 9 30 0 0 0 1 7 8 内燃 d f 8 型2 4 00 0 0 2 20 0 0 0 3 9 1 机车 d f l l 型 0 8 6 0 0 0 5 40 0 0 0 2 1 8 2 1 、2 2 型 1 6 6 0 0 0 7 50 0 0 0 15 5 客车 2 5 b 、2 5 g 型1 8 20 0 1 0 00 0 0 0 1 4 5 空车2 2 30 0 0 5 30 0 0 0 6 7 5 货车重 滚动轴承 o 。9 2 0 0 0 4 8 0 。0 0 0 1 2 5 车 滑动轴承 1 0 70 0 0 110 0 0 0 2 3 6 同时，新牵规规定，机车运行单位基本运行阻力公式不再区分牵引和 惰行两种工况，采用统一( 惰行工况) 公式来计算。在启动阶段，机车的启动单位 基本运行阻力为嵋= 5 n k n 。 需要注意的是，因为牵规中的阻力计算公式是由大量试验得出来的， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 因此在应用时需要注意基本运行阻力的试验都是在运行速度不小于1 0 k m h ，外 温不低于1 0 c ，风速不大于1 0 m s 的条件下进行的【1 1 。所以在外界条件改变或 环境因素相差较大时进行试验，计算值将会有一定的偏差。 二、附加阻力的计算 附加阻力主要取决于运行的线路条件，分为坡道附加阻力、曲线附加阻力 和隧道空气附加阻力。 1 、坡道附加阻力 列车在坡道上运行，受到重力沿轨道方向的分力影响，这个力就是坡道附 加阻力，用表示。通常，线路坡道的坡度以坡段终点对起点的高度差与两点 间水平距离的比值计算。当线路距离为1 0 0 0 m 时，坡道终点与始点的标高差称 为坡度的千分数，以i 表示，单位为千分率( ) 。坡道附加单位阻力在数值上等 于该坡道的坡度千分数 w = i( 2 1 6 ) 2 、曲线附加阻力 机车、车辆由于进入曲线运行而增加的摩擦损失所造成的阻力，曲线附加 单位阻力用m 表示。牵规规定对于标准轨道来说，曲线附加单位阻力的计算 公式为： ：竺(2-1w 7 1 = 一 j r 式中r 曲线半径( m ) ； 6 0 0 综合反映影响曲线阻力许多因素的试验常数。 当曲线和坡道同时出现时，为了方便，根据阻力相等的原则，可把曲线附 加阻力折算为坡道阻力，并用f 表示。 3 、隧道空气附加阻力 列车进入隧道时，对隧道内的空气产生冲击作用，从而产生阻碍列车运动 的阻力。隧道附加单位空气阻力用彬表示，也可以用折算坡度的千分数表示， 记作f 。通常用大量试验得出的经验公式来计算： 隧道内为限制坡道时 叱= o o o o l l ，k 2 ( n k y ) ( 2 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第l6 页 隧道内为非限制坡道时 叱= 0 1 3 t ( n k n ) ( 2 1 9 ) 式中厶隧道长度( k m ) ； f 列车在隧道内的运行速度( k m l a ) 。 4 、加算附加阻力 上述三种附加阻力均是由线路条件引起的，这三种阻力有时单独存在，有 时两种或三种同时并存，为计算方便，用单位加算附加阻力w ，表示因线路条件 产生的单位附加阻力之和： w j = w4 - w r4 - 嵋 ( 2 - 2 0 ) 加算附加阻力也可以用加算坡道千分数表示 f ，= i 4 - i , + ( 2 2 1 ) 对于s s 3 b 型电力机车，运行单位基本阻力可以通过实时检测的速度根据 公式计算得到。当在特定线路上试验时，运行单位附加阻力则可通过预先输入 的试验线路数据得到。 2 4 实时计算算法的可行性 以上通过对牵规公式的详细分析，在机车非等速运行阶段( 等速阶段可 作为非等速阶段加速度为零的特殊情况来处理) 机车车钩牵引力的最终表达式 可表示为： f g = 3 6 m n u a ，l a 吼玩1 0 - 3 - n g ( + _ ) 一刀弓口( 2 - 2 2 ) 其中，单位基本阻力和附加阻力用下面的公式带入 l “= 2 2 5 + 0 0 1 9 0 v + 0 。0 0 0 3 2 0 v 2 1w ，= f + 竺+ 0 1 3 。 l 只 。 在公式中涉及到的参数包括：重联机车数”，在机车试验编组时确定。电 机台数m 和机车整备质量p ，由不同的车型决定；牵引电机电压、牵引电机 西南交通大学硕士研究生学位论文第】7 页 电流l 和机车运行速度v ，通过实时检测装置采集得到；牵引电动机效率仉和 齿轮传动效率仉可以通过对机车的传动装置的研究得到；坡度的千分数i 、曲线 半径r 和隧道长度。，通过获得的线路文件得到：运行加速度a ，可以通过实 时检测的运行速度差分计算来获得。 在实际情况中，牵引电动机效率玑并不是一个常数，按照电机的效率特性 曲线，无法获得最精确的拟合公式，因此我们通过实际动力试验车的数据进行 效率曲线的拟合，同时引入广义效率的概念( 详见第三章) 。在求解的过程中，分 析可能对机车牵引力造成影响的因素，并将其引入模型( 如机车运行过程中的线 路数据) ，将使得机车运行过程中阻力的计算更加精确。同时，通过设计高精度 的硬件检测电路，提高信号检测的精度和传输的实时性，降低测量信号对计算 结果引入的误差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章机车牵引力实时计算模型建立 机车牵引力实时计算模型建立过程中的关键问题，是通过对试验数据的分 析与处理确定牵引电机的效率和传动系统的效率。针对机车运行过程的各种工 况，力求牵引力计算结果的准确。 3 1 建模数据的预处理 本文所采用的数据来源于成都铁路局成昆线( 攀枝花成东北场) s s 3 b 型电 力机车货车牵引试验采集的数据。一般来讲，所获得的原始数据具有一些并不 理想的特点旧，如数据比较脏( 有噪声) ，样本容量太( 观测个数多) 和数据维数高 ( 变量个数多) 。困此在利用这些数据进行建模之前，需要进行预处理以解决上述 问题。 3 11 试验数据整理 所获得的动力试验车原始数据单独文件就有2 3 1 7 1 组，为了便于观察，将 原始的d a t 格式文件转换到e x c e l 中，如图3 1 所示。 五赫_ 蛳爵矗卜两岛一瞬苦i 毒l i 矗1 毒 茄一r 耐两 1 蔚葡i i 矗甄彳i i 丽 团 i 2 1 d4 ，州-mvh a l 划剐 蜘1 m 1 6 l 啪m 1 搿o 哪n “ 二u2 z * “ 6 n s l1 e 自“* l 自辩2 t 6 e ” ln o t “od e1 9 t 】2 6m 7 7 7 4 9 1 ，g 2 5 2 州搿 l t4 ”1 “o 1 t 5 0 j i ” 1 i l 6 “1 5 11 9 8 o * 10 - ，i8 8 ”ln 口t 7 州5 l ， b 1t 王j2 1 1 1 6 qq ，2 1 # om：呲n0 t 6 2 9 啦”8 m4 2 5 l j2 l n q 5 21 t o q oo t t 5 1l 5 l 6 5 e 3 1 j “l 州1 5 0 j 5 21 ”t 0 3 驯m 2 州2 f6 ”h 1 ，9 0 1 n 日1 2 。l ua*引6 n 4 ”1 5 e 洲一啪4 9 1 州t 4 6 自l 川13 山n 1 日*n 目l ：眦i 他9 i t 9 1 目i ”6 拢2 卿 日1 。 l j2 u e 1 6 n 目5 日1 7 l 搿0 州 t ；lm 1 蟛2 76 5 2 1 8 l “ l i i 1 o1 e n 啪0 l “删5 i l 1 l 】n 1 o1 6 u 9 1 *2 ”4 1s 68h5 lb 啉魏2 t 2 m2 i b ：日la 13 | n 1 016 0 j 5 5l ，2 黝0o z l2 l t 。zb lo f6 t 6 3 8 0 * l t i t l g g t o 23 1 5 d 目t 目37 5 1目t 川 * l i in n * 6 n 5 61 e l l 2 8o 口，2 1 83 5 l ot 67 3 t ； 5 7 5 n2 9 1 l u j 口n 姒1 6 n 5 t1 9 1 鳓00 1 3 26 9 2o 斯e 1 0 t 叫? 3 l 9 3 6n t j 口n 6 n s 1 7 i 蛳0o s 62 4 9g 哺5 1o n “e 川1 1 9 ： j 2 川c1 6 0 1 5 7 o m2 22 l o n ”川1 ” t 】2 1 2 4 * ”1 4 5n ：o0 “2 自8 洲5 1 $ 3 1 2 t ，z2 1 6 i 8 l 42 1 2 5 “1 2 l 2 2 j ：4 9 3 0 ) ：5 107 0 l l3 l e “*日3 c1 6 c e 11 0 e 0 ” 9 8 a l7 0 10 2 11 8 3 8 1 l jn 2 7 e c 叫1 1 ”t n0 9 2：m l2 5 1 12 6 ”7 0 翻2 7 日la k3 l 帖6 宕l “j 12 1 0 16 c ie 1 2：9 f 3 h ，1 n3 ? 1 一川1 l 川1 l * ”1n 2 日6 c * 】7 e 9 5 1e 0 。t 23 7 圳”】s 3 q6 自1 】2 1 3 i 13 0 0 3 32 7 1 9 ：4 1 1o l 】t 3 1 l 8 5 i 】22 9 1 3 上i2 1 3 10 7e 6 l i l 1 ：3 ，：1 1 ：8 l o o -7 4 蜥”嘶 1e r 1 e 20 2 98 1 1 3 。l2 l 6 c gt e lo 3 ，e40e 1 0 t 蚴川2 5 2t 0 0 7 9 1 1 “ n2 l 3 3 8 1 6 c h1 0 目1 2 ；4 0 t 9 w5 m5 ：7 4 ? t l t 5 18 l 搿 图3 1 动力试验车数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 试验数据是s s 3 b 型电力机车2 节固定重联机车的全部试验结果，数据种 类包括：北京时间，采集时间，线路号，公里标，牵引力，缓冲力，速度，副 风缸风压，制动缸压力，列车管压力，i 端转向架的电机电压( 两组) ，i 端网压， i 端转向架的电机电流( 两组) ，i 端转向架的电机励磁电流，i 端牵引电制转换， 端转向架的电机电压( 两组) ，i i 端网压，i i 端转向架的电机电流( 两组) ，i l 端 转向架的电机励磁电流，i i 端牵引电制转换，打标信息，区间时间，坡段号。 其中，试验数据表中的牵引力为所测得的车钩牵引力。 3 1 2 相关分析降维 在可观测的数据中，并不是所有的信息都与我们所研究的问题有关联。为 了实现在后续处理过程中的高效性，应该在保留尽量多信息的前提下，从理论 上剔除与所研究的牵引力不相关的数据项。首先，除去完全不相关的数据项如 北京时间，采集时间，线路号，公里标，打标信息，区间时间，坡段号信息。 其次，找出能够影响机车牵引力变化的数据项，也即寻找牵引力，列车缓 冲力，速度，副风缸风压，制动缸压力，列车管压力，i 端转向架的电机电压( 两 组) ，i 端网压，i 端转向架的