電力機車粘著控制及其仿真研究

張偉娟，楊岳毅

(1.鄭州鐵路裝備制造有限公司，河南 鄭州 450000;2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，河南 鄭州 450052)

為了實現(xiàn)鐵路重載化和高速化的目標，需要機車具有能夠滿足實際需求的牽引力和制動力，這對機車粘著利用率提出了更高的要求。為更有效地利用輪軌間的粘著作用力，防止機車空轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)機車上安裝了防滑器和撒沙器等，但是效果一般。目前，國內(nèi)外先進的大功率機車上都使用了粘著控制系統(tǒng)，其中普通采用的有組合校正法、最優(yōu)蠕滑速度空轉(zhuǎn)法以及擾動觀測器法等等，對于粘著控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為了熱點［1-3］。由于我國機車上的粘著控制系統(tǒng)大多依靠國外技術(shù)，沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的粘著控制系統(tǒng)，因此加大粘著控制系統(tǒng)的研究對于促進我國鐵路發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的粘著控制方法的理論主要通過簡化的牽引力系統(tǒng)模型，與現(xiàn)實系統(tǒng)差別較大，同時空轉(zhuǎn)發(fā)生時間短暫，現(xiàn)場實車粘著實驗需要花費大量人力物力，直接造成研發(fā)周期長，阻礙了對粘著控制的進一步研究。采用基于多學科虛擬樣機仿真技術(shù)，搭建粘著控制聯(lián)合仿真平臺，使仿真環(huán)境更加貼合生產(chǎn)實際，為控制算法在粘著系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了仿真環(huán)境［4-6］。

1 粘著的基本理論

鋼軌接觸面與機車動輪之間產(chǎn)生的相對靜止的物理現(xiàn)象被稱作輪軌的粘著，我們把鋼軌與機車動輪之間的切向力稱為粘著力，粘著作用力既可以充當機車牽引力也可以充當機車制動力。當輪軌之間發(fā)生蠕滑時，機車速度是低于輪對的輪周線速度，所以我們能夠把蠕滑速度定義成

其中，ωd表示轉(zhuǎn)動角速度，r 表示動輪的輪徑，νt表示機車實際運行速度。

為了研究機車動輪與鋼軌之間的粘著狀態(tài)，我們需要定義一個粘著系數(shù)，通過粘著系數(shù)的大小來判斷輪軌粘著狀態(tài)。因此，我們將輪軌間切向力F與車輪的垂直載荷P 的比值定義為輪軌間的粘著系數(shù)，其公式為

由于粘著系數(shù)受到輪軌材質(zhì)、環(huán)境等多方面因素的影響，無法準確計算。為了研究機車粘著特性，科研人員根據(jù)機車大量實際運行數(shù)據(jù)以及相關(guān)實驗得到了粘著-蠕滑率特性曲線，通過該曲線來表述粘著特性(見圖1)。

圖1 粘著特性曲線

2 基于ADAMS/Rail 的多學科虛擬樣機

傳統(tǒng)研究粘著控制系統(tǒng)的方法與實際存在較大差距，同時需要在實車上進行大量實驗來驗證算法的正確性，而現(xiàn)場無法提供大量時間用于實驗，同時空轉(zhuǎn)發(fā)生條件不易模仿且時間短暫，實驗難度大，這都造成了研發(fā)周期長，費用高等情況。為了改進研究方法，進一步優(yōu)化粘著控制算法，需要在多種特殊工況對機車的整體、輪軌接觸系統(tǒng)和牽引傳動及控制系統(tǒng)進行建模和仿真。采用機械多體動力學軟件AMAMS/Rail 可以很好地按照實際參數(shù)搭建機車整體，仿真機車輪軌之間的相互作用。然而，AMAMS/Rail 軟件的控制算法模塊功能有限，因此配合采用MATLAB/Simulink 軟件進行控制算法的仿真，從而建立虛擬樣機仿真系統(tǒng)，可以大大提高研發(fā)效率，降低成本［7-8］。

2.1 機車動力學模型

在AMAMS/Rail 軟件中依據(jù)機車總體各部分實際參數(shù)搭建機車機械仿真模型，模擬真實機車在各種工況和環(huán)境下的運行情況。由于機車整體結(jié)構(gòu)的復雜性，在貼近實際和不影響仿真結(jié)果正確性的前提下，對機車整體進行必要的簡化和假設(shè)處理。

(1)在每個動輪對上直接添加牽引電機輸出轉(zhuǎn)矩，對于牽引電機和齒輪變速裝置不進行機械建模;車體的掛鉤上的受力簡化成空氣阻力和列車加速時的牽引力。

(2)忽略各運動副內(nèi)的摩擦損耗，采用線性的彈簧橡膠襯套作為剛體間的連接。

(3)機車車體以及所有轉(zhuǎn)向架都是結(jié)構(gòu)對稱，而且各部分呈對稱分布。

(4)在機車仿真運行過程中，忽略鋼軌的彈性形變。

2.2 仿真平臺的整體結(jié)構(gòu)

利用ADAMS/Rail 軟件組建電力機車的多體動力學系統(tǒng)，采用Matlab/Simulink 軟件組建電力牽引傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的模型，實現(xiàn)機車總體結(jié)構(gòu)、輪軌關(guān)系以及控制算法的全仿真。為了實現(xiàn)虛擬樣機的聯(lián)合仿真，首要解決的就是兩套軟件之間的聯(lián)合仿真問題，通過ADAMS/Rail 軟件中自帶的Control模塊實現(xiàn)與Matlab/Simulink 軟件之間的聯(lián)合仿真?；贏DAMS/Rail 軟件與MATLAB 軟件的虛擬樣機仿真平臺的具體實現(xiàn)過程如下。

(1)在ADAMS/Rail 中構(gòu)建機車的虛擬樣機模型，并確定電力機車的虛擬樣機模型的輸入變量和輸出變量。

(2)將MATLAB/Simulink 軟件的啟動路徑設(shè)置到ADAMS/Rail 軟件的啟動路徑中，從而達到兩套不同軟件的聯(lián)合仿真，并在MATLAB/Simulink 軟件中將機車多體動力學模型轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的Simulink模塊。

(3)將電力機車虛擬樣機的Simulink 模塊、電氣系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型進行組建，并采用批處理方式，實現(xiàn)虛擬樣機的聯(lián)合仿真。

3 組合粘著控制方法

與其他粘著控制方法相比，組合粘著控制方法由于其算法簡單、容易實現(xiàn)等優(yōu)點，在實際中已經(jīng)得到了廣泛使用，其工作原理方框圖如圖2 所示。

圖2 原理方框圖

我們在組合粘著控制系統(tǒng)中，通常采用動輪對的輪周加速度判斷機車輪軌粘著情況。當輪周加速度比加速度閾值大的時候，組合粘著控制系統(tǒng)依據(jù)加速度標準法來進行對牽引電機轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的削減、維持或者緩慢恢復。組合粘著控制系統(tǒng)緩慢恢復牽引電機轉(zhuǎn)矩的同時，繼續(xù)對輪周加速度進行檢測判斷，如果繼續(xù)大于加速度閾值，這就需要進一步對牽引電機的轉(zhuǎn)矩進行削減，當加速度值小于設(shè)定的閾值時停止削減。在使用加速度標準法控制完成后，控制系統(tǒng)需要繼續(xù)對機車動輪運行情況進行判斷，當發(fā)現(xiàn)動輪再次出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時，控制系統(tǒng)不再采用加速度標準法，而是采用蠕滑速度標準法來進一步調(diào)節(jié)和控制牽引電機的轉(zhuǎn)矩。與此同時，機車轉(zhuǎn)向架上所有輪對的蠕滑速度是可以通過觀測器估算的車速以及輪周線速度計算得來的。當機車蠕滑速度高于閾值時，控制系統(tǒng)繼續(xù)采用蠕滑速度法來對牽引電機的轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)和控制。在恢復牽引電機轉(zhuǎn)矩的同時，控制系統(tǒng)對蠕滑速度再次進行判斷，如果蠕滑速度值仍然高于控制閾值，需要繼續(xù)削減牽引電機的轉(zhuǎn)矩，直到蠕滑速度小于閾值時停止削減牽引電機的轉(zhuǎn)矩。本文采用的組合粘著控制方法使用蠕滑速度標準法。

4 系統(tǒng)仿真試驗

設(shè)置加速度閾值為a=5 m/s2，蠕滑速度閾值為υsilp=0.24 m/s。仿真虛擬樣機模型中機車質(zhì)量約為92 噸，機車軸重約為26 噸，牽引重量450 噸，牽引轉(zhuǎn)矩指令Te=2500 N·m。圖1 上的曲線分別為潮濕軌面和干燥軌面的粘著特性曲線，干燥軌面的粘著系數(shù)值遠大于潮濕軌面。為了驗證粘著控制系統(tǒng)的有效性，在系統(tǒng)仿真開始后，機車先運行在干燥軌面上;在仿真進行到第6 秒時，通過修改仿真系統(tǒng)的軌面參數(shù)，使得軌面從原來的干燥軌面快速切換進入到潮濕軌面，機車開始在潮濕軌面上運行;在仿真進行到第18 秒時，再次修改軌面參數(shù)，使得軌面再由潮濕軌面快速切換進入到干燥軌面，機車再次在干燥軌面上運行。通過機車運行軌面從高粘著系數(shù)到低粘著系數(shù)，再從低粘著系數(shù)到高粘著系數(shù)的變化，能夠很好地驗證粘著控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計目標，其仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 機車速度和輪對的速度

圖4 機車輪對的蠕滑速度

圖5 牽引電機輸出轉(zhuǎn)矩及負載

分析仿真過程，機車在第6 秒從干燥軌面切換進入潮濕軌面，粘著系數(shù)也從較高值突然降低為較低值，造成此時的加速度大于加速度閾值，機車牽引轉(zhuǎn)矩根據(jù)加速度標準法進行調(diào)整。由圖5 可得，在第6 秒牽引轉(zhuǎn)矩等于零，而機車牽引轉(zhuǎn)矩從第7 秒開始恢復。在牽引電機的轉(zhuǎn)矩緩慢不斷恢復的過程中，因為蠕滑速度值高于設(shè)定閾值，牽引電機的轉(zhuǎn)矩根據(jù)蠕滑速度標準法進行調(diào)整。此時牽引轉(zhuǎn)矩緩慢降到零，而且保持0.2 秒的零位，然后通過粘著控制系統(tǒng)控制其繼續(xù)恢復牽引轉(zhuǎn)矩。由于牽引電機的轉(zhuǎn)矩始終在組合粘著控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，保證了蠕滑速度一直不高于系統(tǒng)設(shè)定的閾值，進而保證了機車盡管在低粘著系數(shù)的潮濕軌面上運行，輪軌間依然保持在粘著狀態(tài)。當機車從潮濕軌面切換到干燥軌面時，機車依靠軌道與動輪間的粘著作用力能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)運行。綜合分析仿真結(jié)果可得，組合粘著控制系統(tǒng)能夠有效防止機車空轉(zhuǎn)情況的發(fā)生，達到了設(shè)計目標。

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