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(xué)院，河南 鄭州 450052)

為了實(shí)現(xiàn)鐵路重載化和高速化的目標(biāo)，需要機(jī)車具有能夠滿足實(shí)際需求的牽引力和制動(dòng)力，這對(duì)機(jī)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(jī)車空轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)機(jī)車上安裝了防滑器和撒沙器等，但是效果一般。目前，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的大功率機(jī)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(dòng)觀測(cè)器法等等，對(duì)于粘著控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為了熱點(diǎn)［1-3］。由于我國(guó)機(jī)車上的粘著控制系統(tǒng)大多依靠國(guó)外技術(shù)，沒(méi)有自主知識(shí)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(duì)于促進(jìn)我國(guó)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(guò)簡(jiǎn)化的牽引力系統(tǒng)模型，與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)差別較大，同時(shí)空轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)間短暫，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車粘著實(shí)驗(yàn)需要花費(fèi)大量人力物力，直接造成研發(fā)周期長(zhǎng)，阻礙了對(duì)粘著控制的進(jìn)一步研究。采用基于多學(xué)科虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)，搭建粘著控制聯(lián)合仿真平臺(tái)，使仿真環(huán)境更加貼合生產(chǎn)實(shí)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(jī)車動(dòng)輪之間產(chǎn)生的相對(duì)靜止的物理現(xiàn)象被稱作輪軌的粘著，我們把鋼軌與機(jī)車動(dòng)輪之間的切向力稱為粘著力，粘著作用力既可以充當(dāng)機(jī)車牽引力也可以充當(dāng)機(jī)車制動(dòng)力。當(dāng)輪軌之間發(fā)生蠕滑時(shí)，機(jī)車速度是低于輪對(duì)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(dòng)角速度，r 表示動(dòng)輪的輪徑，νt表示機(jī)車實(shí)際運(yùn)行速度。

為了研究機(jī)車動(dòng)輪與鋼軌之間的粘著狀態(tài)，我們需要定義一個(gè)粘著系數(shù)，通過(guò)粘著系數(shù)的大小來(lái)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(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算。為了研究機(jī)車粘著特性，科研人員根據(jù)機(jī)車大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)得到了粘著-蠕滑率特性曲線，通過(guò)該曲線來(lái)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(xué)科虛擬樣機(jī)

傳統(tǒng)研究粘著控制系統(tǒng)的方法與實(shí)際存在較大差距，同時(shí)需要在實(shí)車上進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證算法的正確性，而現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法提供大量時(shí)間用于實(shí)驗(yàn)，同時(shí)空轉(zhuǎn)發(fā)生條件不易模仿且時(shí)間短暫，實(shí)驗(yàn)難度大，這都造成了研發(fā)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高等情況。為了改進(jìn)研究方法，進(jìn)一步優(yōu)化粘著控制算法，需要在多種特殊工況對(duì)機(jī)車的整體、輪軌接觸系統(tǒng)和牽引傳動(dòng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。采用機(jī)械多體動(dòng)力學(xué)軟件AMAMS/Rail 可以很好地按照實(shí)際參數(shù)搭建機(jī)車整體，仿真機(jī)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(jìn)行控制算法的仿真，從而建立虛擬樣機(jī)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(jī)車動(dòng)力學(xué)模型

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

(1)在每個(gè)動(dòng)輪對(duì)上直接添加牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，對(duì)于牽引電機(jī)和齒輪變速裝置不進(jìn)行機(jī)械建模;車體的掛鉤上的受力簡(jiǎn)化成空氣阻力和列車加速時(shí)的牽引力。

(2)忽略各運(yùn)動(dòng)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(jī)車車體以及所有轉(zhuǎn)向架都是結(jié)構(gòu)對(duì)稱，而且各部分呈對(duì)稱分布。

(4)在機(jī)車仿真運(yùn)行過(guò)程中，忽略鋼軌的彈性形變。

2.2 仿真平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)

利用ADAMS/Rail 軟件組建電力機(jī)車的多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，采用Matlab/Simulink 軟件組建電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)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(wèn)題，通過(guò)ADAMS/Rail 軟件中自帶的Control模塊實(shí)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(jī)仿真平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

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

(2)將MATLAB/Simulink 軟件的啟動(dòng)路徑設(shè)置到ADAMS/Rail 軟件的啟動(dòng)路徑中，從而達(dá)到兩套不同軟件的聯(lián)合仿真，并在MATLAB/Simulink 軟件中將機(jī)車多體動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的Simulink模塊。

(3)將電力機(jī)車虛擬樣機(jī)的Simulink 模塊、電氣系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型進(jìn)行組建，并采用批處理方式，實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)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(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)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?cè)诮M合粘著控制系統(tǒng)中，通常采用動(dòng)輪對(duì)的輪周加速度判斷機(jī)車輪軌粘著情況。當(dāng)輪周加速度比加速度閾值大的時(shí)候，組合粘著控制系統(tǒng)依據(jù)加速度標(biāo)準(zhǔn)法來(lái)進(jìn)行對(duì)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的削減、維持或者緩慢恢復(fù)。組合粘著控制系統(tǒng)緩慢恢復(fù)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，繼續(xù)對(duì)輪周加速度進(jìn)行檢測(cè)判斷，如果繼續(xù)大于加速度閾值，這就需要進(jìn)一步對(duì)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行削減，當(dāng)加速度值小于設(shè)定的閾值時(shí)停止削減。在使用加速度標(biāo)準(zhǔn)法控制完成后，控制系統(tǒng)需要繼續(xù)對(duì)機(jī)車動(dòng)輪運(yùn)行情況進(jìn)行判斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)動(dòng)輪再次出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)不再采用加速度標(biāo)準(zhǔn)法，而是采用蠕滑速度標(biāo)準(zhǔn)法來(lái)進(jìn)一步調(diào)節(jié)和控制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。與此同時(shí)，機(jī)車轉(zhuǎn)向架上所有輪對(duì)的蠕滑速度是可以通過(guò)觀測(cè)器估算的車速以及輪周線速度計(jì)算得來(lái)的。當(dāng)機(jī)車蠕滑速度高于閾值時(shí)，控制系統(tǒng)繼續(xù)采用蠕滑速度法來(lái)對(duì)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。在恢復(fù)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)蠕滑速度再次進(jìn)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(jī)的轉(zhuǎn)矩，直到蠕滑速度小于閾值時(shí)停止削減牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。本文采用的組合粘著控制方法使用蠕滑速度標(biāo)準(zhǔn)法。

4 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

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(jī)模型中機(jī)車質(zhì)量約為92 噸，機(jī)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(yuǎn)大于潮濕軌面。為了驗(yàn)證粘著控制系統(tǒng)的有效性，在系統(tǒng)仿真開始后，機(jī)車先運(yùn)行在干燥軌面上;在仿真進(jìn)行到第6 秒時(shí)，通過(guò)修改仿真系統(tǒng)的軌面參數(shù)，使得軌面從原來(lái)的干燥軌面快速切換進(jìn)入到潮濕軌面，機(jī)車開始在潮濕軌面上運(yùn)行;在仿真進(jìn)行到第18 秒時(shí)，再次修改軌面參數(shù)，使得軌面再由潮濕軌面快速切換進(jìn)入到干燥軌面，機(jī)車再次在干燥軌面上運(yùn)行。通過(guò)機(jī)車運(yùn)行軌面從高粘著系數(shù)到低粘著系數(shù)，再?gòu)牡驼持禂?shù)到高粘著系數(shù)的變化，能夠很好地驗(yàn)證粘著控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，其仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 機(jī)車速度和輪對(duì)的速度

圖4 機(jī)車輪對(duì)的蠕滑速度

圖5 牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及負(fù)載

分析仿真過(guò)程，機(jī)車在第6 秒從干燥軌面切換進(jìn)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(shí)的加速度大于加速度閾值，機(jī)車牽引轉(zhuǎn)矩根據(jù)加速度標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行調(diào)整。由圖5 可得，在第6 秒牽引轉(zhuǎn)矩等于零，而機(jī)車牽引轉(zhuǎn)矩從第7 秒開始恢復(fù)。在牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩緩慢不斷恢復(fù)的過(guò)程中，因?yàn)槿浠俣戎蹈哂谠O(shè)定閾值，牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩根據(jù)蠕滑速度標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行調(diào)整。此時(shí)牽引轉(zhuǎn)矩緩慢降到零，而且保持0.2 秒的零位，然后通過(guò)粘著控制系統(tǒng)控制其繼續(xù)恢復(fù)牽引轉(zhuǎn)矩。由于牽引電機(jī)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(jìn)而保證了機(jī)車盡管在低粘著系數(shù)的潮濕軌面上運(yùn)行，輪軌間依然保持在粘著狀態(tài)。當(dāng)機(jī)車從潮濕軌面切換到干燥軌面時(shí)，機(jī)車依靠軌道與動(dòng)輪間的粘著作用力能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)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(jī)車空轉(zhuǎn)情況的發(fā)生，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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