一種重載機車多級空轉故障檢測方法與流程
2024-03-20 09:19:05
本發明屬於重載機車技術領域，尤其涉及一種重載機車多級空轉故障檢測方法。
背景技術：
在重載機車運輸研究中，機車前進的動力依賴於動輪和鋼軌接觸面上的粘著力。而粘著力的產生需要輪軌之間保持粘著的狀態，由於受到雨、雪等自然環境影響，當機車的牽引力大於輪軌面所能提供的最大粘著力時，輪軌間的粘著狀態被破壞，輪對部分或全部失去牽引力從而空轉，機車也從穩定運行變為不穩定運行。
空轉故障分級，是實現機車多級粘著控制的前提。空轉發生時，總伴隨著輪對角速度快速增加等先兆。根據空轉現象，對其進行等級的劃分。系統在檢測到不同等級的空轉故障後，通過不同的保護措施恢復輪軌面的粘著狀態。在空轉程度較低時，能夠提高粘著利用率，充分利用牽引力。在空轉程度較大時，能夠及時遏制空轉發展，使輪對迅速恢復粘著，避免造成更嚴重的輪軌擦傷。
能及時檢測出機車臨界空轉故障，是機車健康穩定運行的保障。雖然此時輪軌表面上還處於正常的粘著狀態，但這種狀態極其不穩定，很可能會發展為宏觀空轉。而且，這種狀態與正常的粘著狀態相近，機車運行狀態未發生明顯變化，因此很難檢測，而現有檢測方法中也還未存在有效對臨界微觀故障檢測研究。
現有空轉檢測方法中主要有基於機理建模和基於數據統計建模的方法。速度法、角加速度法、蠕滑率法等通過機理建模的方法是機車中常用的方法。這些方法簡單易於實現，但也存在一些缺陷，而且只能在空轉故障發生後才能發出信號。在基於數據統計建模方面，國內外學者也取得了一系列的粘著動態建模理論成果。但這些模型考慮的影響因素比較單一，而且計算速度較慢。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術中的缺點，提供了一種能及時檢測空轉故障，並根據不同空轉現象劃分故障等級的方法。
本發明的技術方案如下：
一種重載機車多級空轉故障檢測方法，首先通過對機車粘著特性曲線分析，將空轉等級分類；其次根據粘著特性曲線工作點變化，採用輪對角加速度a、牽引力矩導數和粘著係數導數的組合做為判據，對機車空轉等級進行檢測並分類，所述輪對角加速度、牽引力矩導數和粘著係數導數的組合包括輪對角加速度a、牽引力矩導數和粘著係數導數和粘著係數導數與牽引力矩導數之比
進一步地，所述空轉等級包括飛速空轉、緩慢空轉和微觀空轉。
更具體的，所述微觀空轉，這是一種臨界現象，一旦軌面粘著係數稍有減小，或者牽引力稍有增加，就可能發展為宏觀空轉，機車運行狀態在穩定區這是出現宏觀空轉的一種先兆，應該在出現這種現象時立即採取預防空轉的措施；
所述緩慢空轉，由於在軌麵條件不佳，粘著係數瞬間減小，或者是由於速度的增加造成粘著係數的降低而引起的，是一種非常危險的空轉現象；如果使用加速度作為空轉判據，是不容易識別的，因為它的加速度常常在預設值之下。
所述飛速空轉，是一種由軌面汙染引起的典型的空轉現象。這時候軌面自然粘著條件非常差，粘著係數很低；造成機車牽引力迅速中斷，車軸以固有頻率開始振動。這種飛速空轉的現象多發生在坡道上起動時。
進一步地，所述牽引力矩導數通過對牽引轉矩tm微分運算求得，具體包括以下步驟：根據單位周期輸入轉矩的差值，牽引力矩導數
進一步地，所述粘著係數導數通過設計及級聯滑模觀測器得到，具體包括以下計算步驟：選取狀態變量；x1＝θ，x2＝ω，x3＝tl，θ為電機位移角，ω為電機轉速，其中僅x1是可測的，tl為電機負載轉矩，假設為有界變量。可得如下狀態方程：
y＝x1(2)
對式(1)描述的對象，且僅x1是可測的，針對的情況，設計如下級聯滑模觀測器對負載轉矩導數進行觀測：
其中滑模控制項為
式中，是x1，x2，x3的觀測值，κ1，κ2，κ3為待設計常數，sgn(·)為符號函數；
對於任何初始條件x0∈rn，對系統式(1)構造觀測器式(3)，都能確定足夠大的正常數κi(i＝1,2,3)，使得負載轉矩導數的觀測值為
從而獲取粘著係數的導數
進一步地，所述輪對角加速度a，具體包括以下計算步驟：根據單位周期輪對速度的差值，得到輪對角加速度a。
更進一步地，所述的重載機車多級空轉故障檢測方法，
首先對角加速度進行閾值判定：
機車運行過程中，首先對輪對角加速度進行判定，若角加速度大於判定閾值，則機車此時飛速空轉,若角加速度在閾值範圍內，則對的符號進行判別。
若為0，則繼續對的符號進行判別，則機車處於穩定運行狀態；則機車處於緩慢空轉運行狀態；變為則機車處於微觀空轉。
若不為0，則繼續對的符號進行判別，則機車處於穩定運行狀態；則機車處於緩慢空轉運行狀態；至瞬間，機車屬於微觀空轉狀態；至機車恢復粘著。
更具體的，包括以下步驟：
第一步.首先獲取機車輪對角加速度，將輪對角加速度與預設判定閾值進行
比較；
第二步.根據第一步的比較結果，判定是否繼續對的符號進行判別；
第一種情況.若角加速度大於判定閾值，則判定機車此時飛速空轉，無需繼
續對的符號進行判別，判定過程終止；
第二種情況.若角加速度在判定閾值內，則對的符號進行判別；
第三步.根據步驟s22的判定結果，判定是否繼續對是否為零進行判別；
第一種情況.若為0，則繼續對的符號進行判別；
第二種情況.若不為0，則繼續對的符號進行判別；
第四步.根據第三步中第一種情況的判定結果,將的符號分為以下情況：
若則機車處於穩定運行狀態；
若則機車處於緩慢空轉運行狀態；
若變為則機車處於微觀空轉；
第五步.根據第三步中第二種情況的判定結果，將的符號分為以下情況：
若則機車處於穩定運行狀態；
若則機車處於緩慢空轉運行狀態；
由至瞬間，機車屬於微觀空轉狀態；
由至機車恢復粘著。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
1.本發明採用粘著係數導數作為判據，對空轉的發生具有預判功能；
2.對機車輪對空轉進行多級故障檢測，能夠指導機車粘著系統對牽引轉矩的多級調節，避免了使用機車車體速度信號，大大提高了算法的可靠性；該方法法結構簡單，易於實現。
3.本發明方法在檢測到不同等級的空轉故障，能夠有效對照相應保護措施恢復輪軌面的粘著狀態。並且在空轉程度較低時，能夠提高粘著利用率，充分利用牽引力；在空轉程度較大時，能夠及時遏制空轉發展，使輪對迅速恢復粘著，避免造成更嚴重的輪軌擦傷。對還未發生宏觀空轉，但已存在故障隱患的情況，能夠預判空轉的發生，使得機車健康穩定運行。
附圖說明
圖1為粘著特性曲線及其工作點動態圖；
圖2為多級空轉故障檢測方法判定流程示意圖；
圖3為仿真1電機轉矩示意圖；
圖4為仿真1粘著係數示意圖；
圖5為仿真1為角加速度判斷示意圖；
圖6(a)為仿真1判定示意圖；
圖6(b)為仿真1判定放大示意圖；
圖7為仿真2電機轉矩示意圖；
圖8為仿真2粘著係數示意圖；
圖9為仿真2粘著係數導數示意圖；
圖10為仿真2角加速度判定示意圖；
圖11(a)為仿真2判定示意圖；
圖11(b)為仿真2判定放大示意圖；
圖12為仿真3電機轉矩示意圖；
圖13為仿真3粘著係數示意圖；
圖14為仿真3角加速度判定示意圖；
圖15(a)為仿真3判定示意圖；
圖15(b)為仿真3判定放大示意圖；
圖16為仿真4電機轉矩示意圖；
圖17為仿真4粘著係數示意圖；
圖18為仿真4角加速度判定示意圖；
圖19為仿真4判定示意圖；
圖20為仿真4判定放大示意圖；
圖21為仿真5電機轉矩示意圖；
圖22為仿真5粘著係數示意圖；
圖23為仿真5角加速度判斷示意圖；
圖24(a)為仿真5判定示意圖；
圖24(b)為仿真5判定放大示意圖；
圖25對比例速度差示意圖；
圖26對比例角加速度示意圖。
具體實施例
下面結合具體實施方式對本發明作進一步的說明。其中，附圖僅用於示例性說明，表示的僅是示意圖，而非實物圖，不能理解為對本專利的限制；為了更好地說明本發明的實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，並不代表實際產品的尺寸；對本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。
實施例1
如圖1所示，根據粘著特性曲線，在峰值點的左側，即穩定區有dμ/dvs>0，在峰值點的右側，即空轉區有dμ/dvs<0；由於機車的車體速度在工程上極難獲取，因此很難識別dμ/dvs的符號，從而很難獲取機車的運行狀態；如下公式，的符號並不等效於的符號，因此，儘管μ表徵了輪軌面粘著利用的狀況，但並不能利用來識別輪對的運行狀況。
根據牽引變化情況，在機車車體速度未知的情況下，分別討論了機車空轉檢測的方法。
(1)tm變化，此時機車牽引力改變，
a.即隨著機車輸出轉矩增大，蠕滑速度增大，而粘著係數增大，說明機車處於穩定區並趨向最大粘著點(a-b)，屬於正常行駛；
b.即隨著機車輸出轉矩增大，蠕滑速度增大，而粘著係數減少，說明機車處於空轉區，並趨向嚴重(b-c)，應當削減轉矩；
c.即隨著機車輸出轉矩減小，蠕滑速度減小，而粘著係數增大，說明機車處於空轉區，並趨向於恢復粘著(c-b)；
d.即隨著機車輸出轉矩減小，粘著係數減小，有兩種情況：
①機車處於穩定狀態，電機輸出轉矩減小，蠕滑速度減小，粘著係數減小，此時電機轉矩削減過頭(b-a)，應當停止削減轉矩；
②機車處於空轉狀態，此時雖然電機轉矩減小，但是不足以恢復粘著，蠕滑速度繼續增大,屬於深度空轉(b-c),是系統不允許出現的，雖然此時但是此時機車空轉已經很嚴重了，通過角加速度的方法可以很容易的判別出來。
(2)tm不變，即機車的牽引力不變。
a.機車穩定運行時，運行軌面從乾燥切換到潮溼，此時軌面提供的最大粘著力小於牽引力，當出現則機車運行到空轉區,超過角加速度閾值則說明機車飛速空轉。
b.tm不變，但是牽引力大於當前軌面所能提供的最大粘著力，機車空轉,超過角加速度閾值則說明機車飛速空轉。
如圖2所示，機車運行過程中，首先對輪對角加速度進行判定，若角加速度大於判定閾值，則機車此時飛速空轉,若角加速度在閾值範圍內，則對進行判別。
若為0，則繼續對的符號進行判別，則機車處於穩定運行狀態；則機車處於緩慢空轉運行狀態。
若不為0，則繼續對的符號進行判別，則機車處於穩定運行狀態；則機車處於緩慢空轉運行狀態；至瞬間機車臨界振蕩空轉；至機車恢復粘著。
此時，根據角加速度來判斷機車是否飛速空轉，而不是作為空轉發生的檢測判據；當牽引力大於軌面能提供的最大粘著力時，機車運行狀態從穩定區進入到空轉區，或者的符號發生改變，因此以0作為邊界進行判斷，當或者從負數變為正數的瞬間，屬於臨界振蕩空轉，具有預判功能，而在飛速空轉之前屬於緩慢空轉。
實施例2
結合仿真實驗對本發明的應用效果作詳細的描述。
針對輪對多級空轉故障的檢測，利用matlab/simulink建立單軸機仿真模型進行驗證。
仿真1、如圖3所示，輸入轉矩初始值為0，然後以2000n·m/s的幅度增大，從圖4看到，粘著係數在4.2s之前增加，4.2s之後就減少了。如圖6判定圖所示，1為空轉，0為穩定，在4.2s時，從0切換到1，機車微觀空轉，然後機車緩慢空轉,粘著係數減少。而圖5角加速度判圖也說明了在4.3s時機車已經飛速空轉。
仿真2、如圖7所示為輸入轉矩，初始值為8000n·m，然後持續減小，如圖8所示為粘著係數，剛開始粘著係數在減小，隨著輸入轉矩的減小，粘著係數持續增大直到最大值，然後再繼續減小。如圖10角加速度判斷圖所示，機車並沒有飛速空轉，而從判定圖可知，機車在6.65s-6.76s這一段時間內，工作在緩慢空轉區，然後隨著輸入轉矩的減小，機車從空轉區拉回至最大粘著點，並繼續拉回至穩定區恢復粘著。
仿真3、如圖12所示為輸入轉矩，初始值為8800n·m，然後以2000n·m/s的幅度減小，如圖13為粘著係數，輸入轉矩在減小，然而機車還是很快就進入到空轉區，直到完全空轉。此時判定結果為0，而角加速度判斷為1，說明此時機車已經飛速空轉，輸入轉矩的減小已經不足以讓機車恢復粘著。
仿真4、如圖16所示，tm為6500n·m，並保持不變，軌面在2.5s從乾燥切換到潮溼，如圖17所示為粘著係數，粘著係數在2.5s明顯下降，大概在2.51s時進入到空轉區，如圖19判定圖所示，判定結果在2.51s時從0變為1，機車微觀空轉，之後機車緩慢空轉,而角加速度判斷圖說明機車在2.56s時飛速空轉。
仿真5、如圖21所示，輸入轉矩tm為8800n·m保持不變，軌面為乾燥軌面，此時牽引力大於軌面所能提供的最大粘著力，如圖22所示為粘著係數，機車很快運行至空轉區，如圖23判定圖所示，在0.2s時從0變為1，說明機車微觀空轉，然後機車緩慢空轉,而角加速度判斷圖說明機車0.24s飛速空轉。
對比例
速度差、角加速度法是目前機車上常用的空轉檢測方法，但是這些方法對閾值要求很高，需要反覆試驗，不具備理論的支持條件，而且只能在空轉現象發生後才能發出故障信號；
為了與本發明所提供的檢測方法進行對比，仿真設置機車工作情景與實施例2中1的一樣，輸入轉矩初始值為0，然後以2000n·m/s的幅度增大。剛開始機車處於粘著狀態。隨著牽引力逐漸增大，當牽引力大於最大粘著力時，機車空轉，如圖25速度差圖和圖26角加速度圖所示，很難找到一個合適的閾值，在空轉發生的瞬間就判斷出來，只能在空轉發生一段時間後進行判斷。而實施例2判定結果圖不僅能準確的檢測空轉發生的趨勢，更是對空轉現象進行不同等級的檢測。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明的技術方案所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護之內。