基于最优牵引转矩在线搜寻的机车黏着控制方法与流程

本发明属于机车牵引控制技术领域，具体涉及基于最优牵引转矩在线搜寻的机车黏着控制方法。

背景技术：

随着我国经济的发展，重载铁路运输已经成为交通运输的重要组成部分。重载机车通常采用电力机车，由牵引电机提供运行动力。牵引电机提供的动力转换为机车运行的牵引力依赖于轮轨间的黏着作用。伴随着重载机车运行速度的提高，运载量的增大，轮轨黏着问题已经成为提高重载机车牵引性能的关键问题。

轮轨接触受力如图1所示。在车轮转矩t的作用下，车轮产生对钢轨向后的驱动力ft，同时，轨面也对车轮产生一个相反的黏着力fad。当车轮与钢轨接触时，受轴重负载产生的正压力fg作用，车轮与钢轨的接触部分会发生弹性形变。根据hertz接触理论，在弹性形变的影响下，轮轨之间的接触面会形成椭圆形的接触斑。接触斑分为无相对滑动的黏着区和有相对滑动的滑动区。当机车车轮相对于轨面移动时，由于轮轨之间的黏着作用，轨面会对车轮产生相应的黏着力，驱动机车前进。黏着作用的好坏将直接影响机车牵引力的发挥以及机车运行的稳定型、安全性。

黏着作用过程复杂，具有很强的非线性，时变性和随机性。油污、水等引起轮轨接触面环境恶化的因素都会造成轮轨间黏着利用显著下降。例如，当轨面环境由干燥变潮湿时，黏着利用率将下降40％，当环境湿度从20％增加到100％时，黏着利用率将下降17％。当牵引电机提供的驱动力大于轮轨黏着作用所能够提供的最大黏着力时，就会造成车轮空转，从而导致机车牵引力下降，影响实际牵引功率的发挥，甚至造成车轮与铁轨的严重损坏。为了充分发挥轮轨之间的黏着作用，机车会配备相关的黏着控制系统。黏着控制系统可以通过转矩调整，有效抑制车轮空转，提高轮轨减的黏着利用，使机车保持高黏着状态下运行。这些措施对于保证机车行驶过程中牵引力稳定，提高运输能力至关重要。

黏着控制系统通常包括于机车牵引传动系统中，主要包括司机操作控制部分、机车牵引传动部分、黏着控制部分，整体系统组成图如图2所示。黏着控制部分主要包括空转检测单元、算法控制单元、转矩调整单元三部分。准确的车轮空转检测是保证黏着控制的实时性、可靠性，实现轮轨间高效利用的关键前提。机车在牵引工况下，当机车线路条件突变如水、油污等，或驾驶员突然提高给定牵引转矩，机车动轮牵引转矩所提供的驱动力都会大于轨面所能提供的最大黏着力，导致轮轨间正常黏着遭到破坏，钢轨所能提供的黏着力大大降低，造成车轮空转，车轮加速度显著提高。

黏着系数μ和蠕滑率λ密切相关，是黏着理论中的主要的非线性项。实际工程中，通常根据黏着系数与蠕滑速度或蠕滑率的关系绘制黏着特性曲线，反映轮轨之间的黏着状态，黏着系数与蠕滑率对应关系如图3所示。黏着特性曲线中，黏着系数最大值处斜率为零，称之为黏着峰值点。黏着峰值点左侧为黏着区，区域内曲线斜率为正，黏着系数随着蠕滑率的增加而增加；黏着峰值点右侧为空转区，区域内曲线斜率为负，黏着系数随着蠕滑率的增加而降低。机车的牵引力与轮轨之间的黏着系数成正比，维持运行点在黏着峰值点附近可以获得最大牵引力。当机车牵引转矩提供的驱动力将大于轨面所能提供的最大黏着力，轮轨间正常黏着被破坏，车轮发生空转，蠕滑率急剧增加，黏着系数迅速下降。黏着控制主要目标就是检测轮轨黏着是否稳定，维持运行点在黏着稳定区域，特别是维持运行点在黏着峰值点附近，从而获取最大的牵引力。

目前组合黏着控制方法在机车黏着控制中应用较广，其具体控制过程是：首先对车轮加速度进行判断，当加速度超过一定阈值时表示打滑现象比较严重，迅速削减动轮驱动转矩；如果车轮加速度没有超过阈值，根据车速计算蠕滑速度，当蠕滑速度大于一定值时，对电机转矩进行较大幅度的调整。组合粘着控制示意图如图4所示，组合黏着控制方法算法简单，反应速度快，保证了轮对不会持续发生空转，可靠性比较强，适合不同工况，是目前国内机车所应用的最广泛的黏着控制方法。但是组合校正法这种控制方式由于一方面需大幅削减电机转矩以消除己发生的空转/滑行，另一方面还需要缓慢地增加电机转矩以防止二次空转/滑行，黏着工作点往往远离黏着峰值点，虽然可以消除空转/滑行现象，但是其黏着利用率一般较低。

机车作为一个整体结构，整车黏着重量一定，机车整体牵引性能的发挥依赖于各个车轴所在轮对的黏着作用。受轴重转移现象影响，机车各轴可利用的黏着重量存在相应的增载、减载，各轴轮对能够发挥的最大黏着力更不相同。由于轴间的相互作用，当机车任一轴发生空转后，都可能对其他轴轮轨间正常的黏着作用产生干扰，甚至发生空转。目前，国内外大部分学者围绕黏着控制开展的研究主要针对于单轴的黏着控制，而忽视了机车各轴整体控制的特性，在实际应用中往往不能充分发挥机车整体的牵引功率，具有很大的局限性。

技术实现要素：

为了克服现有黏着控制技术存在的局限性，本发明提供了一种基于最优牵引转矩在线搜寻的机车黏着控制方法。

本发明通过下述技术方案实现：

基于最优牵引转矩在线搜寻的机车黏着控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤s1，对机车车轴进行空转检测，并识别出机车中最先发生空转的车轴作为搜寻轴，其余车轴作为接收轴；

步骤s2，通过最优转矩在线搜寻算法获得搜寻轴适宜在当前轨面工况下运行的最优牵引转矩；

步骤s3，以搜寻轴的最优牵引转矩为基准，根据轴重转移现象引起的黏着重量的变化快速响应，调整各接收轴的最优牵引转矩。

本发明以机车最先发生空转的车轴作为搜寻轴，其余车轴作为接收轴。当机车行驶至恶劣轨面工况时，轮对空转触发黏着控制。基于上述分类，搜寻轴通过最优转矩在线搜寻算法寻找适宜在当前轨面工况下运行的最优牵引转矩，并将获得的最优转矩信息传递给接收轴。接收轴以最优转矩为基准，根据轴重转移现象引起的黏着重量的变化快速响应，调整本轴可利用的最优牵引转矩。本发明通过搜寻轴与接收轴之间的相互配合，使各个轮对快速匹配当前轨面路况条件，抑制空转，恢复轮轨间黏着性能。

优选的，本发明的步骤s1的空转检测过程具体包括：

步骤s11，检测机车运行过程中轮对的蠕滑速度vs和加速度a；

步骤s12，将检测信号与预先设定的阈值相比较；

步骤s13，若检测信号均超过预先设定的阈值，则判定该轮对所在车轴为空转。

优选的，本发明的步骤s2具体包括：

步骤s21，快速降低搜寻轴的牵引转矩直至搜寻轴空转结束，此时搜寻轴的牵引转矩为t1；

步骤s22，以预设幅度逐渐增加搜寻轴的牵引转矩，随着牵引转矩增加，当牵引转矩提供的驱动力超过轨面所能提供的最大黏着力时，轮轨黏着遭到破坏，轮对再一次发生空转时，记录此刻搜寻轴的牵引转矩输出值，即为当前轨面工况下搜寻轴的最大牵引转矩tmax；

步骤s23，基于最大牵引转矩tmax，确定搜寻轴的最优牵引转矩为top1：

top1＝k·tmax

式中，k为最优转矩调整系数。

优选的，本发明在步骤s23之后还包括：

步骤s24，在获得最优牵引转矩后，将发生空转后的搜寻轴的牵引转矩下降调节直到空转结束，快速恢复搜寻轴的牵引转矩至最优牵引转矩范围；

步骤s25，对机车当前运行轨面工况变化情况进行判断，并根据判断结果进行优化控制。

优选的，本发明的步骤s25具体过程如下：

以预设幅度逐渐增加搜寻轴的牵引转矩，随着牵引转矩增加，当牵引转矩提供的驱动力超过轨面所能提供的最大黏着力时，轮轨黏着遭到破坏，轮对再一次发生空转时，记录此刻搜寻轴的牵引转矩输出值，即获得新的最大牵引转矩tnew，并基于新获得的最大牵引转矩tnew和步骤s22中的最大牵引转矩tmax对机车当前运行轨面工况变化情况进行判断：

若新获得的最大牵引转矩tnew小于等于原来的最大牵引转矩tmax；则判定机车仍处于当前轨面工况中，并更新最大牵引转矩值tmax为tnew，并返回执行步骤s23-步骤s24；

若tnew大于tmax一定范围且车轮仍未发生空转，此时判定为机车当前轨面工况已改变，则恢复机车黏着控制触发前的正常牵引转矩值。

优选的，本发明的步骤s3具体包括：

步骤s31，计算机车各接收轴相对搜寻轴垂直载荷的差值；

步骤s32，基于各接收轴相对搜寻轴垂直载荷的差值以及搜寻轴的最优牵引转矩，计算各接收轴的最优牵引转矩；

步骤s33，快速恢复各接收轴的牵引转矩至最优牵引转矩范围。

优选的，本发明的步骤s31具体包括：

步骤s311，通过下式计算机车各车轴垂直载荷n1，n2，n3，n4；其中，n1为搜寻轴的垂直载荷，n2，n3，n4为第一接收轴、第二接收轴、第三接收轴的垂直载荷；

步骤s312，基于机车各车轴垂直载荷，计算各接收轴相对搜寻轴垂直载荷的差值：

式中，δn21、δn31、δn41分别为第一接收轴、第二接收轴、第三接收轴相对搜寻轴垂直载荷的差值；fad1为搜寻轴轮对的黏着力；fad2、fad3、fad4分别为第一接收轴、第二接收轴、第三接收轴轮对的黏着力；2l为转向架中心距；2l为转向架轴距；h为车钩距轨面高度；h为转向架牵引点距轨面高度；

步骤s313，以轮对最小黏着力计算垂直载荷的差值，从而得到：

优选的，本发明的步骤s32得到的各接收轴最优牵引转矩分别为：

式中，αopi，i＝2,3,4分别为各接收轴的最优转矩调节系数，top2、top2、top3分别为第一接收轴、第二接收轴、第三接收轴的最优牵引转矩。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、在轨面情况变化的情况下，本发明可以主动搜寻匹配当前轨面环境的最大牵引转矩，并使轮轨黏着工作点始终稳定运行在黏着峰值点附近，从而获得黏着的高效利用；黏着利用率的提高不仅可以有效地提高列车车辆的牵引性能，缩短制动距离，改善乘客乘车舒适性，而且还能显著地减小车辆的空转/滑行，避免轮轨严重擦伤，从而延长轮轨的使用寿命。

2、区别于针对单轴的黏着控制方法，本发明设计了基于整车的黏着控制策略，考虑机车的整体性，分析车体轴重转移现象对于各个车轴黏着重量的影响；利用轴控式牵引系统独立转矩调整的优势，各轴之间协调配合，可以有效地增加机车整体牵引力，提高机车整体牵引性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是轮轨间黏着力的产生示意图；

图2是黏着控制系统整体组成图；

图3是典型黏着特性曲线图；

图4是现有组合校正控制原理图；

图5是本发明的空转检测流程示意图；

图6是本发明的最优转矩在线搜寻算法控制流程图；

图7是本发明的黏着控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

相较于现有针对单轴的黏着控制，本实施例提出了一种基于最优牵引转矩在线搜寻的机车黏着控制方法，用于对机车各轴整体控制，本实施例的方法原理为：将机车四个车轴分为两类，以机车最先发生空转的车轴作为搜寻轴，其余车轴作为接收轴。当机车行驶至恶劣轨面工况时，轮对空转触发黏着控制。基于上述分类，搜寻轴通过最优转矩在线搜寻算法寻找适宜在当前轨面工况下运行的最优牵引转矩，并将获得的最优转矩信息传递给接受轴。接收轴以最优转矩为基准，根据轴重转移现象引起的黏着重量的变化快速响应，调整本轴可利用的最优牵引转矩。通过搜寻轴与接收轴之间的相互配合，使各个轮对快速匹配当前轨面路况条件，抑制空转，恢复轮轨间黏着性能。

具体如图7所示，本实施例的方法包括如下步骤：

步骤s1，对机车车轴进行空转检测，并识别出机车中最先发生空转的车轴作为搜寻轴，其余车轴作为接收轴。本实施例将机车四个车轴分为两类，以机车最先发生空转的车轴作为搜寻轴，其余车轴作为接收轴。本实施例假设机车前段车轴最先发生空转作为搜寻轴，其余车轴为接收轴。

本实施例的步骤s1中空转检测方法采用实际工程中较为常见的蠕滑速度和轮周加速度相结合的空转识别方法，空转检测示意图如图5所示。包括：

机车在运行过程中，获取轮对的蠕滑速度vs、加速度a等信号并将其与预先设定的阈值进行比较，相关阈值参数通过大量机车实际运行实验数据分析获得，若检测信号值均超出规定阈值范围则判定为轮对空转。

步骤s2，通过最优转矩在线搜寻算法获得搜寻轴适宜在当前轨面工况下运行的最优牵引转矩。

机车给定初始牵引转矩t0在轨面上正常运行。当前方轨面突然恶化时，最优转矩在线搜寻算法控制流程如图6所示，具体包括如下过程：

阶段1，当判断出最先进行空转的搜寻轴后，快速大幅降低该轴的牵引转矩直至空转结束，此时牵引转矩为t1。

t1＝t0-c1·t1(1)

式中：c1为转矩下降调整系数；t1为转矩下降持续时间。

阶段2，由于牵引转矩不断下降，空转现象得到抑制。空转完全停止后，此时开始逐渐小幅增加牵引转矩。随着牵引转矩增加，当牵引转矩提供的驱动力超过轨面所能提供的最大黏着力时，轮轨黏着遭到破坏，车轮再一次发生空转，由前面黏着特性曲线内容可知，此时运行点位于黏着峰值点范围，记录此刻牵引转矩输出值，即为当前轨面工况下最大牵引转矩tmax。

tmax＝t1+c2·t2(2)

式中：c2为转矩上升调整系数；t2为转矩上升持续时间。

基于上述得到的最大转矩值为车轮发生空转的临界最大牵引转矩，为避免车轮之后再次发生空转，将记录的牵引转矩调整至略小于最大转矩范围，即为搜寻轴的最优牵引转矩值top1。

top1＝k·tmax(3)

式中：k为最优转矩调整系数。

阶段3，获取最优牵引转矩值后，由于此时车轮已发生空转，重复阶段1中空转后转矩下降调节过程，待空转停止后，以最优牵引转矩值为基准，快速恢复牵引转矩至最优牵引转矩范围，此时牵引转矩为t3。

t3＝t1+c3·t3(4)

式中：c3为转矩恢复调整系数；t3为转矩恢复持续时间。

阶段4，判断当前机车是否已驶离恶劣轨面环境。重复阶段2过程，再次获得最大牵引转矩tnew。若新获得的最大牵引转矩tnew小于等于原来的最大牵引转矩tmax。则判定机车仍处于恶劣轨面工况中，并更新最大牵引转矩值tmax为tnew；若tnew大于tmax一定范围且车轮仍未发生空转，此时判定为机车已驶出恶劣轨面环境，此时结束算法控制过程，恢复机车黏着控制触发前的正常牵引转矩值。

步骤s3，以搜寻轴的最优牵引转矩为基准，根据轴重转移现象引起的黏着重量的变化快速响应，调整各接收轴的最优牵引转矩。

本实施例的步骤s3具体过程如下：

(1)通过式(5)-(8)计算机车各车轴垂直载荷的差值

式中：fad1、fad2、fad3、fad4分别表示按前进方向顺序排列各轴轮对的黏着力；n1，n2，n3，n4分别为各轴垂直载荷；2l为转向架中心距；2l为转向架轴距；h为车钩距轨面高度；h为转向架牵引点距轨面高度。

基于各轴垂直载荷n1，n2，n3，n4，分别计算轴2，轴3，轴4相对轴1垂直载荷的差值得到：

式中：δn21，δn31，δn41分别为轴2(接收轴)，轴3(接收轴)，轴4(接收轴)相对轴1(搜寻轴)垂直载荷的差值。

在机车运行过程中，第一轴减载最多，可利用的黏着重量最少。当牵引转矩一定时，在相同的轨面条件下，第二、三、四轴可利用的最大黏着力要大于第一轴。因此，为了增加黏着控制系统的可靠性，在计算垂直载荷的差值的过程中，各轴的黏着力均以最小值fad1计算，从而得到：

(2)计算接收轴各轴最优牵引转矩

机车牵引转矩与实际黏着转矩在正常运行条件下相差不大。因此，在进行接收轴各自最优牵引转矩的相关计算时认为牵引转矩与轴垂直载荷近似成正比，如式(15)所示

topi＝kn·ni,i＝1,2,3,4(15)

式中：kn为牵引转矩与轴垂直载荷比例系数。

与公式(12)(13)(14)联立得到接收轴各轴最优牵引转矩分别为：

式中：αopi，i＝2,3,4分别为最优转矩调节系数，根据机车实际运行工况进行相关调整。

(3)基于得到的各接收轴的最优牵引转矩，快速恢复各接收轴的牵引转矩至最优牵引转矩范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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