（载运工具运用工程专业论文）高速列车驱动制动动力学及其控制研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 曼皇曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼笪曼曼曼皇曼鼍曼皇曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼! 曼! 曼! ! 曼! 曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼：- - , _m m 曼曼曼 摘要 进入新世纪以来，由于中国经济的快速发展，为了解决铁路客运的瓶颈制 约，我国采取对国外先进高速列车技术的引进吸收消化再创新的方式，实现了 中国铁路的跨越式发展，并创造了运营时速3 5 0 k m h 的世界最高速。由于运行 速度的提高，列车在高速状态下的动态特性相对于低速状态将产生很大的变化， 如轮轨间的相互作用力、牵引电机的振动影响、齿轮间的高速啮合、空气动力 学问题等，这些影响将对高速列车的运行性能以及牵引制动的有效性和安全性 带来更多的不确定性。在传统的车辆牵引制动动力学研究中，早期主要是针对 2 自由度的单轮对建模，只考虑轮对纵向牵引和制动及其相关动力学影响。模 型简单，只适合作理论上的探讨：后来，建立了考虑转向架、车体、轮对之间 耦合关系的动力学模型，以评价牵引和制动的有效性和安全性，以及各种牵引 制动方法引起的纵向振动对车辆动力学性能的影响。这些动力学模型虽然考虑 了牵引和制动对车辆的动力学影响，但没有从整体的角度( 单车、整列车或机 电耦合) 来对系统进行分析，仍然不够全面。因此，本文将从考虑传动系统及 机电耦合的角度，对高速列车牵引制动控制及其动力学特性进行深入的研究。 本论文所作的主要工作有： ( 1 ) 通过建立异步牵引电机和逆变器等效数学模型，采用圆形磁链与六边 形磁链相结合的直接转矩控制技术对电机输出转矩进行控制。 ( 2 ) 对轮轨黏着特性进行分析，给出了黏着系数的估计方法，建立了基于 p o l a c h 蠕滑力快速算法的传动系统等效简化模型，分析了轮轨蠕滑率对传动系 统振动的影响，以及黏着系数对轮对纵向振动的影响。 ( 3 ) 采用递归最小二乘法预测黏滑曲线的斜率，应用卡尔曼滤波估计车辆 的参考轮对速度，获得了在列车驱动防空转和车辆制动防滑过程中黏着系数的 最佳利用。 ( 4 ) 建立了基于s a n v il le 流量公式的制动气缸的非线性模型，对气缸的压 力特性进行分析，运用滑模控制和逻辑门限值控制的方法，对牵引电机和制动 气缸进行控制，对车辆在高速工况下的电空联合制动防滑控制进行了仿真，并 对两种控制方法的结果进行了对比。 ( 5 ) 分析牵引电机转子振动对车辆动力学性能的影响，建立了包括传动系 统的动车动力学模型，模型中考虑了转子一轴承系统的非线性力。通过数值仿 真，研究了转子一轴承系统非线性反力对牵引电机振动的影响，对比分析了考 虑与不考虑转子轴承非线性反力时车辆在驱动、匀速和惰行工况下的动力学特 性。 ( 6 ) 分析了考虑和不考虑传动系统情况下的车辆动力学特性，研究了考虑 构架柔性时车辆的纵向动力学特性的变化，以及在两种编组条件下车间纵向减 振器对列车纵向动力学的影响。 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 关键词：高速列车；异步牵引电机；直接转矩控制；s a n v i l l e 流量公式；转子 振动；传动系统；动力学性能 a b s t r a c t c h i n a se c o n o m yh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ys i n c et h en e w c e n t u r y i no r d e rt o s o l v et h eb o t t l e n e c kp r o b l e m sc a u s e db yt h er a i l w a yp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o n c h i n ah a s a d o p t e d t h e s t r a t e g y o f i n t r o d u c i n gd i g e s t i n g a b s o r b i n g a n d r e i n n o v a t i n gf o r e i g na d v a n c e dh i g h - s p e e dt r a i nt e c h n o l o g i e s t h i sl e a d st ot h e l e a p f o r w a r dd e v e l o p m e n to fc h i n ar a i l w a y s ，a n dc r e a t e st h eh i g h e s tc o m m e r c i a l o p e r a t i n gs p e e dw i t h35 0 k m hf o r t h eh i g hs p e e dt r a i n si nt h ew o r l d w i t ht h es p e e d i n c r e a s e s ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a i nw i l lc h a n g eg r e a t l yi nh i g h s p e e d s t a t ec o m p a r e dt ot h el o w s p e e d ，s u c ha st h ew h e e l r a i li n t e r a c t i o nf o r c e t r a c t i o n m o t o rv i b r a t i o n ，h i g h s p e e dm e s h i n gv i b r a t i o no f g e a r s ，a e r o d y n a m i c sa n ds 0o n t h e s ew i l l b r i n gm o r eu n c e r t a i n t i e sf o r t h eh i g hs p e e dt r a i n so nt h e1 1 1 n n i n g b e h a v i o u r ，e f f e c t i v e n e s sa n ds a f e t yo ft r a c t i o na n db r a k i n g i nt r a d i t i o n a ls t u d i e so n t h ev e h i c l et r a c t i o na n db r a k i n gd y n a m i c si n t h e e r a r l yd a y s ，u s u a l l ys i n g l e w h e e l s e tm o d e lw i t ht w od e g r e e so ff r e e d o mw a su s e da n do n l yt r a c t i o n a n d b r a k i n ga n dt h e i rr e l a t e dd y n a m i ce f f e c t si nt h el o n g i t u d i n a ld e r e c t i o nw a s c o n s i d e r e d t h em o d e li sr e l a t i v e l ys i m p l ea n di so n l ys u i t a b l ef o rt h et h e o r e t i c d i s c u s s i o n s l a t e ro n ，t h ed y n a m i cm o d e lw i t hc o n s i d e r i n gt h ec o u p l i n gb e t w e e n t h e c a r b o d y , b o g i ef r a m e s a n dw h e e l s e t sw a se s t a b l i s h e df o r e v a l u a t i n gt h e e f f e c t i v e n e s sa n ds a f e t yu n d e rt r a c t i o n a n d b r a k i n ga n dt h ei n f l u e n c eo f l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n so nt h ev e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e a l t h o u g ht h e s e d y n a m i cs t u d i e st o o ki n t oa c c o u n tt h ee f f e c t so ft r a c t i o na n db r a k i n go nt h ev e h i c l e d y n a m i c s ，t h ea n a l y s i sd o n ef o rt h ev e h i c l es y s t e mw a sn o tf r o mah o l i s t i cp o i n to f v i e w ( s i n g l ev e h i c l e ，w h o l et r a i no rm e c h a t r o n i cc o u p l e ds y s t e m ) i tw a ss t i l ln o t e n o u g h t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l ew i l ls t u d yt h ed y n a m i c sa n dc o n t r o l s t r a t e g yo f v e h i c l et r a c t i o na n db r a k i n gs y s t e m a t i c a l l yb yc o n s i d e r i n gt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m a n dt h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gr e l a t i o n s t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i sa r e ： ( 1 ) t h ee q u i v a l e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ea s y n c h r o n o u st r a c t i o n m o t o ra n di n v e r t e ra r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g yw h i c h u s e st h ec i r c u l a ra n dh e x a g o n a lf l u x c o m b i n i n gm e t h o d ，i su s e dt oc o n t r o lt h e m o t o ro u t p u tt o r q u e ( 2 ) t h ew h e e l r a i la d h e s i o nc h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e d a n dt h em e t h o df o r t h ee s t i m a t i o no fw h e e l r a i l a d h e s i o nc o e f f i c i e n ti s g i v e n t h ee q u i v a l e n t s i m p l i f i e dm o d e lo ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nt h ef a s ta l g o r i t h mo f p o l a c h 第页西南交通大学博士研究生学位论文 曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼基曼! 量皇曼量曼曼量曼舅曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼! 曼曼曼鼍i曼i 曼皇曼曼皇曼量量曼量 c r e e pf o r c el a wi s e s t a b l i s h e d t h ei n f l u e n c eo fw h e e l r a i lc r e e p a g eo nt h e t r a n s m i s s i o ns y s t e mv i b r a t i o na n dt h ee f f e c to ft h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n to nt h e w h e e l s e tl o g n i t u d i n a lv i b r a t i o na r ed i s c u s s e d ( 3 ) t h es l o p eo fs t i c k s l i pc u r v ei sp r e d i c t e db yu s i n gt h er e c u r s i v el e a s t s q u a r e sm e t h o da n dt h er e f e r e n c ew h e e l s e ts p e e di s e s t i m a t e db yu s i n gk a l m a n f i l t e r t h u st h eo p t i m a lu s a g eo fa d h e s i o nc o e f f i c i e n tf o ra n t i - i d l i n gi nd r i v i n ga n d a n t i s l i pi nb r a k i n gi so b t a i n e d ( 4 ) t h en o n l i n e a rm o d e lo fb r a k ec y l i n d e rb a s e do ns a n v i l l ef l o wf o r m u l a i ss e tu pa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc y l i n d e rp r e s s u r ei sa n a l z e d t h es l i d i n gm o d e a n dl o g i ct h r e s h o l dc o n t r o lm e t h o d sa r ea d o p t e dt oc o n t r o lt h ea s y n c h r o n o u s t r a c t i o nm o t o ra n db r a k ec y l i n d e r t h ew h e e l - s l i pp r e v e n t i o nc o n t r o lu n d e re l e c t r i c - p n e u m a t i cb r a k ei ss i m u l a t e da n dt h er e s u l t so b t a i n e db yt h et w oc o n t r o lm e t h o d s a r ec o m p a r e d ( 5 ) t h ee f f e c to fr o t o rv i b r a t i o no ft r a c t i o nm o t o ro nd y n a m i cb e h a v i o ro f t h ev e h i c l es y s t e mi sa n a l y z e d t h em o d e lo fm o t o rc a ri n c l u d i n gt h et r a n s m i s s i o n s y s t e mi sb u i l ta n dt h en o n - l i n e a rf o r c eo fr o t o r - b e a r i n gs y s t e mi s c o n s i d e r e di nt h e m o d e l b yu s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ee f f e c to fn o n l i n e a rr e a c t i o nf o r c eo f r o t o r b e a r i n gs y s t e mo nt r a c t i o nm o t o r i ss t u d i e d t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h e m o t o rc a ri nt h ec a s eo ft r a c t i o n ，c o n s t a n tm o v i n ga n di d l i n gw i t ho rw i t h o u t c o n s i d e r i n gt h en o n l i n e a rr e a c t i o nf o r c ea r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ( 6 ) t h ev e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c ew i t ho rw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h e t r a n s m i s s i o ns y s t e mi sa n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo fb o g i ef r a m ef l e x i b i l i t yo nt h e l o n g i t u d i n a ld y n a m i cp e r f o r m a n c eo fv e h i c l es y s t e mi ss t u d i e d ，a n dt h ee f f e c to f l o n g i t u d i n a ld a m p e rb e t w e e nv e h i c l e s u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft w ok i n d so f m a r s h a l l i n go nt h el o n g i t u d i n a lt r a i nd y n a m i c si si n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：h i g h s p e e dt r a i n ；a s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ； s a n v i l l ef l o wf o r m u l a ：r o t o rv i b r a t i o n ；t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；d y n a m i c p e r f o r m a n c e 西南交通大学 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。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名： 弦州 指导教师签名： 、 气 日期：啪加年歹月即日日期：扣i 一年6 月弘目 西南交通大学四南父逋大罕 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： ( 1 ) 建立了基于s a n v i l l e 流量公式的制动气缸非线性模型，运用滑模控制的 方法，对车辆电空联合制动防滑控制进行了仿真研究。( 2 5 1 、5 1 、5 5 ) ( 2 ) 建立了电机转子轴承系统的非线性模型，并应用于车辆动力学计算中， 研究了电机转子偏心及无偏心情况下，转子振动对车辆各部件振动的影响。 ( 6 4 1 、6 4 2 ) 学位论文作者签名：似刎 日期：勋伊年占月 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 自1 9 6 4 年日本建成现代化高速铁路东海道新干线以来，世界范围高速铁路 技术得到快速发展，高速列车的商业运营速度不断提高。从6 0 年代时速2 1 0 公里，8 0 年代时速2 5 0 3 0 0 公里，到本世纪初时速达到3 5 0 公里，高速铁路的 发展取得了举世瞩目的成就，并给各国铁路运输带来勃勃生机。目前，国外发 展高速列车的主要代表为日本、法国和德国，这三个国家在不同的时期，针对 不同的高速铁路，开发了不同形式的高速列车，各自形成了典型的高速列车系 列：日本新干线、法国t g v 和德国i c e 。随着我国国民经济的快速发展，为了 缓解铁路运力紧张，解决运力“瓶颈”制约问题，我国铁路自1 9 9 7 年至2 0 0 7 年十年间进行了六次大面积提速，不仅实现了百年发展历史上的时速2 0 0 k m h 动车组，时速12 0 k m h 、5 0 0 0 吨货物重载列车零的突破，而且创造了世界铁路 既有线整体性、系统性提速改造客货共线运行的新模式，极大地推动了我国铁 路运输牛产力的发展。在此基础之上，铁道部在2 0 0 4 年1 0 月和2 0 0 5 年11 月， 两次采购了1 6 0 列时速2 0 0 公里动车组和1 2 0 列时速3 0 0 公里的动车组，由此 拉开了高速动车组技术的引进消化吸收再创新的序幕。通过对国外先进高速动 车组技术的吸收再创新，我国于2 0 0 9 年12 月2 6 日在武广线上正式运营先进的 国产“和谐号 高速动车组，创造了运营时速3 5 0 k m h 的世界最高速。我国铁 路的跨越式发展有效缓解了铁路对旅客、煤炭、石油、粮食等客运和重点物资 运输的瓶颈制约，对于提高全国铁路网的整体运输能力、提升我国高速铁路建 设水平具有重要意义。 但是，随着列车运行速度的不断提高，其动态环境急剧恶化，如轮轨间动 力作用加剧、高速弓网受流问题复杂化、空气动力作用加剧、要求列车牵引制 动功率猛增和具有很高的运行稳定性等，使列车系统动力学的研究面临着许多 新的研究课题。在传统的车辆牵引和制动动力学研究中，早期丰要是针对2 自由度的单轮对建模，只考虑轮对纵向牵引和制动及其相关动力学影响1 2j 。模 型简单，只适合作理论上的探讨；随后建立了转向架、车体、轮对之间耦合关 系的动力学模型，以评价牵引和制动的有效性和安全性，以及各种牵引制动方 法引起的纵向振动对车辆动力学性能的影响。这种耦合动力学模型虽然从整体 的角度考虑了牵引和制动对车辆的动力学影响，但仍然不够全面。因为影响牵 引制动有效性和安全性的因素很多，包括电机牵引制动力矩受电压谐波的下扰、 传动系统的振动特性、轮轨表面的粘着条件、外部环境变化等因素。因此，本 文将从考虑传动系统的角度，对高速列车牵引制动控制及其动力学特性进行深 入的研究。 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外列车动力学研究综述 国外对于列车动力学的研究起因于重载列车的开行，如美国、加拿大、澳 大利亚、前苏联等国家都因重载运输的开行对列车动力学进行了广泛的研究。 其中又以美国和前苏联的研究最为深入。而日本则侧重于旅客列车的动力学研 究，尤其侧重列车中尾车的动力学研究，这与日本新干线发现尾车振动较其他 车剧烈有关。 2 0 世纪7 0 年代，在美国，随着列车的不断加长，车辆载重量的不断提高， 列车动力学动态作用问题日益突出。因此，19 7 1 年美国开始了轨道列车动力 学研究计划。该计划丰要研究列车的操纵、地形条件以及气候条件对列车动力 学性能的影响。其研究工作由北美铁路协会来执行开展。同一时期，联邦铁路 管理局也表示出浓厚的研究兴趣，并加入了该项目的研究。此后，加拿大也参 与了该计划，由此形成了以美国牵头、众多国家参与的重大国际研究项目。经 过近10 年的研究和大量的线路试验，取得了丰富的研究成果。主要的研究包括 【3 】： ( 1 )列车纵向动力学行为的研究。以车辆为质量块，考虑车钩的非线性 弹性模型，考虑牵引和制动过程，考虑线路状况，特别是曲线通过状况，忽略 了轮轨关系，研究列车纵向动力学行为，主要是模拟计算车钩力，车辆的纵向 冲动等。 ( 2 )列车牵引计算。采用列车动力学模型，研究在一定的操纵模式下， 列车从某一站到另一站的列车运行过程，以时间和里程为坐标，研究启动加速 过程、制动减速过程和运行过程，获得速度和路程的关系、牵引力和路程的关 系、功率与路程的关系。 ( 3 )准静态列车横向动力学研究。研究列车在曲线上的受力状态，包括 轮轨力、车钩力状态，计算出脱轨系数、轮轨横向力等，以此研究列车运行安 全性和线路的设计规范。 ( 4 ) 列车运行模拟器。以列车操纵、模拟驾驶为目标，配合模拟驾驶器， 进行纵向动力学的快速计算。由于驾驶模拟器是典型的半实物( 操纵系统) 半 虚拟( 列车行为计算机模拟) 的混合模拟系统，所以，为了实现实时的积分， 必须简化列车纵向动力学计算模型，提高积分速度，实现实时模拟。 前苏联各研究机构和院校同样十分重视列车动力学的研究，如全苏铁道运 输科学研究院、第聂伯彼罗夫斯克铁道学院、莫斯科铁道学院及全苏车辆制造 科学研究院均参加过列车动力学方面的研究工作，进行了大量的理论分析和线 路试验。建立了列车纵向动力学精确模型，并辅以试验研究，加以验证，着重 研究了列车处于过渡工况中的车辆动态纵向作用力，解决了当时开行重载列车 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 中的一些问题。 我国在上世纪八十年代末、九十年代初，为了配合大秦运煤专线万吨重载 列车的开行，开展了比较系统的列车动力学研究，并研制出了具有自主知识产 权的仿真计算软件和列车运行驾驶模拟器。文献 3 通过考虑列车的牵引和制动 过程，以及由此产生的轴重转移给机车车辆动力学性能带来的影响，建立了全 空间自由度的列车动力学模型。克服了以往动力学计算中，采用恒速行驶、相 邻车间没有影响以及忽略纵向粘着力的影响等限制。文献 5 根据多刚体系统动 力学理论，建立了拖车和动车的横垂纵向耦合动力学模型，并考虑了车辆系 统轮轨接触几何关系、轮轨蠕滑、车钩装置作用力和车辆二系悬挂的非线性特 性，采用6 种编组方案分析了列车的运行平稳性。文献【1 提出一种研究列车纵 向冲动的新型快速算法列车运行模拟的等效线性化法，通过对列车纵向冲动的 机理研究，分析了各种非线性因素的影响，以各车钩力的包络线为依据，引入 了冲动影响系数、间隙影响系数及阻尼影响系数，将列车系统简化为线性系统， 并利用质量缩聚的方法进一步缩减系统的自由度，一定程度上解决了计算速度 慢的问题。文献 1 通过刚性轨道和弹性轨道，对比分析了高速列车动态曲线通 过性能的变化规律，研究了列车中各车之间的横向连接刚度及横向连接阻尼对 列车的曲线通过性能的影响，并编制了列车( 车辆) 系统动力学分析软件包。 文献 6 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，率先提出并系统建立了“车辆轨道耦合动力学”新理论，打破了长期以来 将车辆和轨道割裂开来研究的局面，开辟了铁路大系统动力学学科新领域，走 到了国际轮轨系统动力学研究的前沿。 1 2 2 牵引传动技术的研究进展 近几年来，科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的 技术条件和物质基础。交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一 样，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高。现在，随着现 代电力电子技术、交流变频调速技术的飞速发展和现代控制理论、高速微处理 器的普及应用，交流调速传动系统的应用越来越广泛。其中，电力电子技术的 进步是交流调速技术发展的物质基础，控制策略的进步是其理论基础，控制元 件的进步是其技术保证l j 。 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调 速技术的发展。2 0 世纪8 0 年代中期以前，变频装置功率回路丰要采用晶闸管 元件。装置的效率、可靠性、成本和体积均无法与同容量的直流调速装置相比。 2 0 世纪8 0 年代中期以后用第二代电力电子器件g t r 、g t o 、i g b t 等制造的变 频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、 高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是2 0 世纪9 0 年 代制造变频器的主流产品，中、小功率的变频调速装置主要是采用i g b t ，中、 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼! 曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼i 一 ；! 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼量曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼 大功率的变频调速装置采用g t o 器件。2 0 世纪9 0 年代至今，电力电子器件的 发展进入了第四代。主要使用的第四代器件为：高压i g b t 、i g c t 、i e g t 和 s g c t 。第一代机车采用快速晶闸管，变流机组复杂、效率较低、可靠性和可 维修性等均不理想。随着大功率g t o 器件的诞生，上世纪8 0 年代中后期被迅 速应用于大功率交流传动机车，技术性能又有新的提高。进入上世纪9 0 年代， 中高压i g b t 相继问世，器件品质进一步提高，变流机组又开始更新换代。 同时，异步牵引电动机控制方法也经历了转差电流控制、磁场定向控制和 直接转矩控制三个发展过程，其间又派生了许多发展分支。早期的转差一电流控 制方法基于异步电动机的稳态数学模型，其动态性能远不能与直流调速系统相 媲美：7 0 年代推出了磁场定向控制理论哺】，它基于直流调速系统的控制思想对 异步电动机进行矢量解耦，实现磁链、转矩独立调节，达到了与直流调速系统 同样的动态响应性能【9 】。最新的直接转矩控制基于定子磁场定向，数学模型简 单，有更优良的动、静态性能，其优势越来越明显。 对于齿轮箱的研究，国内外文献大多集中于齿轮箱本体的研究。例如文献 10 建立了高速列车传动齿轮箱的热分析数学模型，使用流体力学计算软件 f l u e n t 对高速列车的平衡温度场进行了计算，并与实际测量数据进行对比，在 验证模型有效性的基础上，分析了传动齿轮箱的温度场分布规律。模拟分析了 列车运行速度和齿轮箱浸油深度对齿轮箱平衡温度的影响，并对列车在实际运 行时的齿轮箱平衡温度场进行了预测。文献 1 1 采用系统分析的方法对列车驱 动齿轮箱的密封系统进行了详细分析。论述了齿轮箱结构元素的固有特性、元 素之间的匹配关系对密封性能的影响。然而，对于高速列车在运行过程中，齿 轮箱振动对车辆的动力学特性的影响研究几乎没有。 另一方面，由于高速列车在恶劣轨面条件下运行容易发生空转现象，由此 引出轮轨间的黏着控制问题。文献【1 2 通过简化的车辆模型，提出了一种异步 电机驱动工况下的轮轨黏着力估计方法。文献【1 3 】和文献 1 4 研究了车辆在牵引 工况下的防空转控制策略。文献 15 运用模糊控制的方法，讨论了机车空转识 别方法以及防空转、黏着控制的策略，实现了黏着力的最佳利用。但是，这些 文献对于防空转的研究仍然处于探索阶段，丰要原因在于或者车辆模型过于简 单，或者根本就没有达到黏着力的最佳利用，而只实现了防止车轮发牛空转的 目的。因此，本文将通过建立复杂的列车动力学模型，并采用有效的控制方法， 实现高速列车驱动工况下的防空转控制，并获得轮轨黏着力的最佳利用。 1 2 3 制动技术的研究进展 高速列车的制动系统是实现列车高速、安全运行的保障。列车高速运行时 具有很大的运动能量，而高速列车的制动技术必须解决列车动能的快速转换和 能量耗散问题，并在轮轨黏着允许的条件下，做到高速列车的可靠制停或降速。 另外，由于轮轨黏着系数随运行速度的提高而下降，因此更增加了高速制动技 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 术的难度【l 引。高速列车制动的关键技术丰要包括以下几个方面： ( 1 )再生制动与电阻制动。以交流异步感应电动机作为牵引电机的高速 列车在采用再生制动方式制动时，将交流电动机转换为交流发电机，产生制动 力矩，并将所发电能反馈回电网。在所有制动方式中，再牛制动是唯一能够向 电网反馈能量的制动方式，与电阻制动相比，减少了庞大而笨重的制动电阻， 同时免去了一整套通风冷却装置，因而受到广泛的应用。日本新干线高速动车 组的e 1 系、e 2 系、e 3 系、5 0 0 系以及德国i c e 的动车组均采用了这种制动方 式，且日益成为交流传动高速列车的首选制动方式。 电阻制动同样是将牵引电动机转变为发电机，将所发电能施加于制动电阻 上，通过冷却装置将电阻热量散发于大气中。其优点在于可在任何转矩下利用 蓄电池实现励磁，从而在断电的情况下也能实现制动。缺点是高速制动时制动 力急剧下降，因而主要用于坡道地段限速。在国外的高速列车中，日本的第一 代0 系、10 0 系、2 0 0 系、4 0 0 系以及法国的t g v - p s e 等动车均采用了电阻制 动。 ( 2 )盘形制动。按照欧洲铁路联盟u i c 的规定，高速列车行使时，应能 在摩擦制动的单一作用下，在规定的制动距离内停车，其目的是在动力制动( 再 生制动和电阻制动) 发生故障或动力制动力不足的情况下，也能保证列车的安全 运行。可见摩擦制动仍被视为高速列车的主要制动方式。对于传统的闸瓦制动， 由于其在高速时对车轮轮辋的热损害愈发严重，而且制动力不足，因此逐渐被 盘形制动所取代。但盘形制动装置使转向架的簧下质量增加，且黏着系数有所 降低 1 7 】，为防止车轮高速滑行，需采用高质量的防滑装置。目前，日本新干线 系列、法国t g v 以及德国i c e 的高速动车组基本都采用了这种制动方式作为 电空联合制动方式之一。 ( 3 )涡流制动。又称线性涡流制动，包括轨道涡流制动和涡流盘制动。 轨道涡流制动的原理是在转向架下安装一组电磁铁，s 级与n 级交替排列，磁 铁与钢轨顶面距离约为7 1 0 m m ，列车运行时，电磁铁与钢轨间的相对运动感 应出涡流，该涡流产生的磁场与电磁铁磁场相瓦作用产生制动力。涡流盘制动 的原理与轨道涡流制动相同，只不过用一个装在车轴上的导电圆盘代替了钢轨。 这种制动方式的优点在于，可以无磨损地应用于紧急制动和常规制动。同时其 制动力是可调控的，可在高速范围内具有很好的制动特性，因此涡流制动具有 很好的发展前景。该方法缺点是所需制动功率较大，制动时会产牛钢轨局部高 温现象。目前，这种方式已在德国i c e 、日本1 0 0 系、2 0 0 系部分列车的拖车上 得到应用。 目前，国内外公开的关于制动动力学及其控制的文献较少。公开的文献丰 要集中于制动防滑控制策略的研究。文献 18 采用了基于模糊控制原理的铁道 车辆防滑控制器研究，虽然有效性得到了保证，但稳定性没有得到解决；文献 19 1 提出了基于非线性鲁棒控制原理的铁道车辆防滑控制，虽然控制效果得到 了极大的改善，但仍然没有达到最佳黏着利用。文献 2 0 通过建立4 2 自由度的 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 车辆模型，采用p 控制的方法对铁道车辆防滑控制进行了仿真研究。文献 2 1 】 针对长大货物列车，通过a d a m s r a i l 软件建立了车辆的多刚体动力学模型，分 析了电空制动在列车制动工况下的动力安全参数以及防滑控制器的研究。以上 文献同样存在模型简单、不能获得最佳黏着、以及控制不稳定等问题。为此， 本文将通过s i m p a c k 软件建立动车的多刚体模型，并考虑弹性轨道以及轨道激 扰等因素，采用有效的控制策略，对动车高速工况下的电空联合制动防滑控制 进行仿真分析。以求获得最佳的黏着利用和制动稳定性。 1 2 4 本文的主要研究工作 本文在前人大量研究基础之上，通过建立高速动车、拖车和整列车的多体 及刚柔混合模型，研究异步电机在直接转矩控制下，列车在牵引、制动工况下， 车体、构架、轮对、电机和齿轮箱等部件的动力学性能。对比分析电机转子振 动对车辆各个部件在各个方向上的影响。分析滑动工况下，轮对蠕滑率对动车 传动系统的影响。建立最优的控制器，使列车在牵引黏着控制和制动防滑控制 下，获得最佳黏着利用。 具体来说，主要包括以下研究内容： ( 1 ) 建立考虑传动系统的高速动车以及高速拖车多刚体系统模型。 ( 2 )建立大功率异步电机和逆变器的等效数学模型，采用直接转矩控制 技术对电机在低速和高速工况下进行控制。 ( 3 )分析黏着系数及黏着利用与轮轨蠕滑率的关系，采用有效的预测方 法在线估计车速、蠕滑率以及黏着系数等关键参数。 ( 4 ) 分析滑动工况下蠕滑率对传动系统和轮对纵向振动特性的影响。 ( 5 )建立构架的柔性体，对比分析刚体系统与刚柔混合系统，在车辆驱 动工况下的纵向动力学特性的区别。 ( 6 )分析异步电机在直接转矩控制下，电机转子的振动通过轴承传递给 电机、构架、车体以及轮对后，各部件在各个方向( 特别是纵向) 上动力学特性 的变化。 ( 7 )建立制动气缸的非线性模型，应用基于s a n v i l l e 流量公式的非线性 气缸模型对制动气缸的压力及制动特性进行分析。 ( 8 )采用有效的控制方法，如模糊控制、滑膜变结构控制等，使在牵引( 列 车) 和制动( 车辆) 工况下获得最佳的黏着利用。 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 第2 章基本模型的建立 本章丰要建立车辆系统的数学模型。数学模型是仿真分析的基础，其准确 程度直接关系到结果的可靠性。本章主要通过两种方式建立模型：( 1 ) 利用成熟 的商业软件建立车辆的多刚体系统；( 2 ) 利用等效和假设的方法建立转子轴承、 异步电机等部件的简化数学模型。注：本章公式中符号均采用国际标准单位制。 2 1 车辆系统多体动力学建模 高速列车是一个复杂的系统，常使用多体系统动力学的方法分析研究其复 杂的动力学特性。但是以往由于理论方法和计算手段的限制，同时由于外界载 荷作用下的运动学、动力学的复杂化，在多数情况下，不得不把模型进行简化， 由此导致高速列车的许多重要特性无法得到较为精确的定量分析，从而使理论 研究和实验存在一定程度的偏差。因而，建立高速列车相对精确的数学模型， 并对其分析、求解便成为理论研究的关键问题。多体系统动力学的计算从上世 纪中期开始发展至今，已形成一个新的学科分支，并在各国研究人员的努力下， 开发出了各种成熟的商业计算软件，如a d a m s 、s i m p a c k 以及n u c a r s 等。这些 动力学计算软件主要研究机械系统中各个刚体在各个自由度上的位移、速度、 加速度及其受到的力、力矩等，通过建立各要素之间的相互约束关系，形成完 整统一的动力学系统。由于这些动力学软件建模的快速性并采用了高精度的求 解器，因此广泛应用于汽车、铁道车辆以及航空航天飞行器等复杂机械系统中。 铁道车辆系统的动力学模型是对实际车辆系统的抽象和简化。分析时不 可能以实际车辆模型进行车辆动力学计算，因为实际车辆系统很复杂，但并 不是每一个细节都对车辆系统的力学性能有很大的影响，所以，车辆系统建 模时，必须抓住主要因素，忽略次要因素，只有这样车辆模型才能既可有效 地反映实际车辆的力学行为，又不至于由于模型过于复杂而降低效率。本文 利用s i m p a c k 动力学计算软件主要针对国内某高速动车组，建立了动车、拖 车及列车的动力学模型。 2 1 1 动车转向架模型 2 1 1 1 动车转向架多刚体模型 动车转向架丰要由构架、驱动装置( 包括电机、齿轮箱等) 、基础制动装置、 轮对、轴箱装置、一系悬挂和二系悬挂等七部分组成。在建立刚性体模型时， 各部件都考虑为刚性体。电机为三相异步电机，建模时把电机定子和机体考虑 为一个体，并架悬于构架上，电机转子单独考虑为一个体，转子与齿轮箱中小 齿轮轴刚性连接，电机产生的电磁转矩为从定子施加于转子上，并反作用于定 子。在驱动防空转与制动防滑工况下，由于电机电磁转矩控制系统的复杂性， 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 转矩值由外部控制程序同步计算获得。齿轮箱箱体小齿轮端通过吊挂与构架相 连，大齿轮端采用旋转铰，铰接于轮轴上，大齿轮通过约柬关系固结于轮轴上。 对于基础制动装置，考虑到求解时间的因素( 主要是黏滑摩擦力元与单边接触 力元计算求解速度较慢) ，并没有在模型中建立轮盘与制动盘间的摩擦力元，而 只建立了轮盘。摩擦力以及制动气缸压力的计算是采用外部程序同步计算，通 过s i m p a e k 的数据接口，直接作用于轮盘上。轴箱与轮轴旋转铰接，有一个绕 横向的转动自由度。动车转向架结构及其多刚体模型见图2 1 所示。 图2 1 动车转向架结构厦多刚体模型 表2 - 1 动牟系统自由度 注：带( 1 的为非独立自由度 2 1 12 动车转向架剐柔模型 在铁道车辆系统中，近年来由于车辆速度的高速化，以及结构轻量化技 术的不断应用，车辆外部激扰对系统的动力学性能必然造成影响，如车体整 体或局部高频振动对乘客乘坐舒适度的影响；构架高频振动对备部件的疲劳 破坏：轮对高频振动造成车轮蘑损加剧等。为了对这些现象进行研