劉立東 安春雷 徐詩(shī)孟

【摘? 要】隨著我國(guó)高速鐵路動(dòng)車組的不斷完善和發(fā)展，如何優(yōu)化動(dòng)車組的黏著性能是值得研究探討的課題之一。本文在介紹輪軌黏著機(jī)理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了動(dòng)車組校正型黏著控制方法中應(yīng)用最廣泛的幾種空轉(zhuǎn)判據(jù)并介紹了其理論基礎(chǔ)和優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)結(jié)合多種空轉(zhuǎn)判據(jù)的組合校正法黏著控制進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)車組;輪軌黏著;空轉(zhuǎn)判據(jù);黏著控制;組合校正法

0 引言

車輪和軌面間的黏著狀態(tài)對(duì)動(dòng)車組列車牽引/制動(dòng)性能具有重要影響，當(dāng)車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行狀況時(shí)，僅憑借司機(jī)主觀判斷和操作并不能完全避免列車的空轉(zhuǎn)/滑行現(xiàn)象。動(dòng)車組一般會(huì)裝有黏著控制系統(tǒng)來防止出現(xiàn)空轉(zhuǎn)/滑行。目前應(yīng)用最多的為校正型黏著控制方法，其中采用多種空轉(zhuǎn)判據(jù)相結(jié)合的即為組合校正法[1]。

1 輪軌黏著機(jī)理

1.1 黏著與蠕滑

列車的重量表現(xiàn)為車軸載荷 ，在其作用下，車輪踏面和鋼軌接觸處發(fā)生變形并產(chǎn)生一個(gè)橢圓形的接觸面?！梆ぶ笔侵冈谡驂毫ψ饔孟?，輪軌接觸處保持相對(duì)靜止而不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的一種狀態(tài)。在輪軌間黏著未被破壞時(shí)，靜摩擦力 即是黏著力。圖1中 的反向力 源于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 的作用。動(dòng)輪滾動(dòng)時(shí)，由于 的作用，車輪踏面和鋼軌間的接觸面會(huì)產(chǎn)生新的彈性形變并發(fā)生微量的滑動(dòng)，即出現(xiàn)“蠕滑”。

提出如下兩個(gè)概念來表示輪軌間的蠕滑及蠕滑程度：

1.2 黏著系數(shù)及黏著特性曲線

定義黏著系數(shù)如下：

采用黏著系數(shù)和蠕滑速度/蠕滑率來表述黏著特性，繪制的曲線如圖2所示。整個(gè)區(qū)域可以分為微滑區(qū)、大滑區(qū)和空轉(zhuǎn)區(qū)。在微滑區(qū)，黏著力 不大，即牽引電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 較小，蠕滑速度或蠕滑率亦很小，黏著系數(shù) 與 或 基本表現(xiàn)為線性關(guān)系。而后大滑區(qū)內(nèi)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 和 的不斷增加，致使 或 也逐漸增大， 達(dá)到最大值，這一最值即當(dāng)前軌面狀態(tài)下的最佳黏著狀態(tài)。若繼續(xù)增大 ， 或 迅速增大，輪軌間將產(chǎn)生較大的相對(duì)滑動(dòng)， 則迅速下降，此時(shí)，輪軌間失去黏著，出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)現(xiàn)象[2]，此段區(qū)域被稱為空轉(zhuǎn)區(qū)。在蠕滑區(qū)狀態(tài)行駛時(shí)，列車輪軌間始終保持黏著狀態(tài)。而在空轉(zhuǎn)區(qū)，輪對(duì)發(fā)生空轉(zhuǎn)后，牽引力會(huì)急速下降，牽引電機(jī)易出現(xiàn)損傷，并且輪軌間的磨耗加劇，易造成鋼輪、輪箍松弛等事故，因此，列車不可工作于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，必須避免[3]。

2 輪對(duì)的空轉(zhuǎn)識(shí)別方法

2.1 基于速度差的空轉(zhuǎn)識(shí)別

速度差定義為輪對(duì)的最大輪周線速度與給定車速的差值。若速度差大于預(yù)設(shè)值，應(yīng)立刻采取措施抑制并降低蠕滑速度。實(shí)際情況下，通常先降低功率，然后啟動(dòng)撒砂裝置進(jìn)行撒砂。速度差數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單并且能夠反映列車當(dāng)前的最大蠕滑情況，是列車空轉(zhuǎn)狀態(tài)判別的指標(biāo)之一。在進(jìn)行低速空轉(zhuǎn)狀態(tài)檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果的精確度和可信度很高。

但是采用速度差進(jìn)行列車空轉(zhuǎn)狀態(tài)判別時(shí)具有明顯的不足。首先，列車行駛中的絕對(duì)速度基本難以檢測(cè)，通常是采用最低輪對(duì)的輪周線速度來近似代替。根據(jù)黏著理論，兩者之間的誤差為蠕滑速度。另外，若列車多個(gè)軸同時(shí)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)狀態(tài)，傳感器得到的輪速和車速同時(shí)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，二者之間的差值存在繼續(xù)維持在設(shè)定閾值內(nèi)的可能。此時(shí)，列車已經(jīng)出現(xiàn)了空轉(zhuǎn)，但速度差判據(jù)并不能準(zhǔn)確將空轉(zhuǎn)狀態(tài)識(shí)別出來[4]，因此速度差識(shí)別方法在多軸同時(shí)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)并不可靠。

2.2 基于輪對(duì)角加速度和加速度微分的空轉(zhuǎn)識(shí)別

為了提高空轉(zhuǎn)狀態(tài)判別的準(zhǔn)確性，可以采用加速度判據(jù)。加速度為單位時(shí)間內(nèi)角速度的增量即角速度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。通過檢測(cè)各軸的加速度，從而判別出列車是否處于多軸同時(shí)空轉(zhuǎn)狀態(tài)。更進(jìn)一步可將輪對(duì)角加速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)，求得加速度的微分。與輪對(duì)角加速度相比，加速度微分作為判據(jù)時(shí)能夠識(shí)別出輕微空轉(zhuǎn)，具有更高靈敏度，在軌面狀態(tài)突變從而出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象時(shí)更為適用[5]。

2.3基于蠕滑率的空轉(zhuǎn)識(shí)別

由圖2所示的特性曲線可知，黏著系數(shù) 具有最大值 ，即車輪踏面和鋼軌間最大可利用黏著。在 下的 或 代表最優(yōu)蠕滑率和最優(yōu)蠕滑速度，對(duì)應(yīng)為曲線上的A點(diǎn)，該點(diǎn)即為當(dāng)前行駛軌面條件下所能到達(dá)的黏著峰值點(diǎn)。顯然，若想輪軌間能傳遞最大的牽引力，列車行駛過程中軌面狀態(tài)應(yīng)保持在A點(diǎn)。而在列車實(shí)際行駛時(shí)，通常不能實(shí)現(xiàn)最大黏著利用，以蠕滑率為空轉(zhuǎn)判據(jù)的黏著控制方法的目標(biāo)就是在列車行駛過程中，實(shí)際黏著工作點(diǎn)能不斷逼近黏著峰值點(diǎn)，從而獲得更大的黏著牽引力。控制系統(tǒng)先進(jìn)行各軸速度比較，對(duì)最小的軸速采用微分、限幅值和積分等方式得到列車參考速度，而后通過輪對(duì)角速度和列車參考速度計(jì)算蠕滑率。若蠕滑率較大，超出閾值，應(yīng)調(diào)整牽引電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩;否則，判定列車為正常行駛，使列車黏著工作點(diǎn)時(shí)常保持在黏著峰值點(diǎn)附近[6]。

3組合校正法黏著控制

3.1組合校正法控制流程

目前國(guó)內(nèi)動(dòng)車組列車的黏著控制多采用組合校正的方式，該方法結(jié)合了加速度判據(jù)和蠕滑率判據(jù)。當(dāng)列車發(fā)生輕微空轉(zhuǎn)時(shí)，采用蠕滑率控制，通過調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，確保列車黏著狀態(tài)維持在 附近并不斷趨近 ，實(shí)現(xiàn)黏著的高利用;如出現(xiàn)較嚴(yán)重空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，蠕滑率控制不能迅速起效時(shí)，則采用加速度控制來實(shí)現(xiàn)輪軌黏著再恢復(fù)[7]。

以CRH5型動(dòng)車組[8]為參考對(duì)象，對(duì)其制定一種基于組合校正法的黏著控制方法，控制方法流程圖如下：

3.2組合校正法仿真分析

基于CRH5型動(dòng)車組，對(duì)單動(dòng)軸的黏著控制方法展開研究，在Matlab中搭建采用組合校正法的列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真條件為：在10.5s時(shí)軌面狀態(tài)由干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槌睗?，?8.5s時(shí)軌面恢復(fù)為干燥狀態(tài)。司控室內(nèi)給定的初始轉(zhuǎn)矩設(shè)為 ，列車由靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行加速。繪制兩種軌面狀態(tài)下的黏著特性曲線如圖4所示。

列車行駛過程中輪對(duì)加速度的變化曲線圖7所示。據(jù)圖可得，在10.50s即軌面狀態(tài)突變時(shí)，輪對(duì)加速度也產(chǎn)生突變，并在10.55s時(shí)超出設(shè)定的閾值 ，此時(shí)，黏著控制系統(tǒng)應(yīng)用加速度標(biāo)準(zhǔn)法控制。

在0.6s內(nèi)將給定轉(zhuǎn)矩降至初始轉(zhuǎn)矩的40%，并保持該轉(zhuǎn)矩1s，空轉(zhuǎn)現(xiàn)象在這1.6s內(nèi)得到了有效緩解和抑制。接下來在1.5s內(nèi)將轉(zhuǎn)矩增加到87.5%并再次檢測(cè)加速度和蠕滑率。此時(shí)，輪對(duì)加速度未超過閾值，蠕滑率曲線則如圖8所示。由于蠕滑率超過閾值0.1，黏著控制系統(tǒng)判定此時(shí)列車出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，再次將給定轉(zhuǎn)矩在0.6s內(nèi)降至初始轉(zhuǎn)矩的40%并保持這一轉(zhuǎn)矩1s。

在13.65s～15.25s內(nèi)空轉(zhuǎn)得到抑制，而后在1.5s內(nèi)將轉(zhuǎn)矩升至87.5% 并再次進(jìn)行檢測(cè)，由于蠕滑率仍超過閾值0.1，列車再次被判定出現(xiàn)空轉(zhuǎn)。按上述步驟重復(fù)控制流程，在16.75s～18.35s內(nèi)空轉(zhuǎn)再次得到抑制。在18.35s時(shí)軌面狀態(tài)變?yōu)楦稍?，在之后?.5s內(nèi)將轉(zhuǎn)矩再次增加到87.5% ，檢測(cè)后輪對(duì)加速度與蠕滑率均未超過閾值。此后的2s內(nèi)，將給定轉(zhuǎn)矩逐漸增至初始轉(zhuǎn)矩 。

在21.85s時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩恢復(fù)至給定值，再次檢驗(yàn)輪對(duì)加速度和蠕滑率，二者均保持在各自閾值內(nèi)。此時(shí)，保持初始轉(zhuǎn)矩不變，列車恢復(fù)至良好的黏著狀態(tài)，牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化圖分別如圖7所示。

4結(jié)論

本文以傳統(tǒng)牽引電機(jī)矢量控制為基礎(chǔ)，在模型中增加了組合校正法控制模塊，對(duì)動(dòng)車組列車在軌面突變路況下的各變量進(jìn)行了全面分析，仿真結(jié)果表明組合校正法能夠?qū)唽?duì)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行有效地抑制，證明了該控制方法的有效性和可行性。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司）