機車輪軌潤滑控制裝置及方法
2023-06-10 21:58:41 1
機車輪軌潤滑控制裝置及方法
【專利摘要】本發明公開一種機車輪軌潤滑控制裝置，包括：速度信號處理部分、換向信號檢測部分、彎道檢測判斷部分、噴脂閥控制部分和中央控制部分。中央控制部分通過速度信號處理部分採集檢測來自機車測速電機的速度信號進行記數運算，同時通過換向信號檢測部分獲得機車的運行方向，當機車運行至設定的噴脂距離時，控制噴脂閥控制部分工作，對機車輪軌進行潤滑。中央控制部分通過彎道檢測判斷部分對彎道進行實時檢測，可根據彎道大小和機車速度減小噴脂的間歇時間，對大彎道可以連續噴脂。本裝置採用數字電子技術檢測和控制，具有良好的經濟價值。
【專利說明】機車輪軌潤滑控制裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於機車控制領域，具體涉及一種機車輪軌潤滑控制裝置及方法。
【背景技術】
[0002]機車在運行過程中車輪輪箍與鋼軌的硬摩擦非常劇烈，特別是進入彎道，由於向心力的作用機車會產生一定的傾斜，彎道的鋼軌傾角是以平均速度的理論值計算，實際會因為機車速度的不同造成輪箍的單邊受損，更換輪箍使機車運行成本大幅提高。為了減少輪箍的磨損，所有機車都安裝了輪緣潤滑噴脂器。原有的輪緣潤滑噴脂器上的控制器只是通過機車提供的速度和方向信號對軌道定距離噴潤滑油，以減少輪箍的磨損，只能實現被動控制，但對於需要多噴潤滑脂的彎道，這些輪緣潤滑噴脂控制器均無法做到主動控制。並且原有的控制器都採用的模擬電子技術，在性能上有一定的缺陷。
【發明內容】
[0003]針對現有裝置的缺陷，本發明提供一種能主動檢測彎道數值，實現彎道主動控制功能的機車輪軌潤滑控制裝置及其方法。
[0004]本發明的機車輪軌潤滑控制裝置由以下部分組成:速度信號處理部分、換向信號檢測部分、彎道檢測判斷部分、噴脂閥控制部分和中央控制部分。
[0005]當機車運行時，中央控制部分通過速度信號處理部分採集檢測來自機車測速電機的速度信號進行記數運算，同時通過換向信號檢測部分獲得機車的運行方向，當機車運行至設定的噴脂距離時，控制噴脂閥控制部分工作，對機車輪軌進行潤滑。
[0006]中央控制部分通過彎道檢測判斷部分對彎道進行實時檢測，可根據彎道大小和機車速度減小噴脂的間歇時間，對大彎道可以連續噴脂。
[0007]進一步的，彎道檢測採用加速度傳感器和陀螺儀綜合測量，採用數據融合算法:Θ n = a.( Θ n—i+d θ.dt) + (l~a).θ(I)
[0008]式中:θ ?為第n次數據融合計算所得角度，Θ 為第η-1次數據融合計算所得角度，(1Θ為第η次陀螺儀測得角速度，Θ為第η次加速度傳感器測得角度，dt為採樣周期。
[0009]進一步的，彎道檢測參數模型為:
[0010]y[n] = 0.9965y[n-l]+0.5697χ[η]-0.5661x[n-l](7)
[0011]即系統第η次輸出，為系統第η-1次輸出、第η次輸入和第η_1次輸入的線性組合，該線性組合表明此系統是一因果遞歸系統。
[0012]進一步的，機車停止時，機車控制電壓和工作風壓處於正常狀態，此時電空閥關閉，裝置處於停止潤滑狀態。工作人員可使用控制裝置或電空閥上的手動試驗按鈕檢查裝置工作是否正常。
[0013]本裝置採用數字電子技術檢測和控制，增加了彎道主動檢測功能，轉彎半徑越小噴滑噴脂越多。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明結構框圖
[0015]圖2是加速度傳感器結構示意圖
[0016]圖3是陀螺儀結構示意圖
[0017]圖4是輸入與輸出波形
[0018]圖5是模型輸出與真實輸出對比
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明所述機車輪軌潤滑控制裝置做詳細說明:
[0020]本發明具體系統名稱為ZCLP-1型輪軌潤滑控制裝置，由以下部分組成:速度信號處理部分、換向信號檢測部分、彎道檢測判斷部分、噴脂閥控制部分和單片機系統。
[0021 ] 機車停止時，機車控制電壓和工作風壓處於正常狀態，此時電空閥關閉，裝置處於停止潤滑狀態。工作人員可使用控制裝置或電空閥上的手動試驗按鈕檢查裝置工作是否正堂巾O
[0022]當機車運行時，控制裝置採集檢測來自機車測速電機的速度信號進行記數運算，當機車運行至設定的噴脂距離時，控制裝置接通電空閥電源，電空閥接通機車風路。一路風將油脂罐裡的油脂壓入噴頭內的儲脂槽，另一路風推動噴頭柱塞運動並將儲脂槽裡的定量油脂呈霧化狀由噴嘴噴射到輪緣根部並隨機車動輪轉動將油脂傳遞到鋼軌內側，從而達到輪軌減磨目的。電空閥得電工作約2秒後，控制裝置關閉電空閥電源，電空閥切斷風路，噴頭停止噴脂，此時電空閥至噴頭之間、電空閥至油脂罐之間管路內的壓縮空氣經電空閥排氣口排出。噴頭柱塞在復位彈簧作用下復位。由於油脂罐進氣口處安裝有單向閥，油脂罐內部始終為正壓可為復位後的噴頭柱塞儲脂槽補充油脂，並為下一個工作周期做好準備。
[0023]當機車進入彎道，採用動態傾角測量值大於2度，控制裝置可根據彎道大小和機車速度減小噴脂的間歇時間，對大彎道可以連續噴脂。
[0024]彎道檢測採用加速度傳感器和陀螺儀綜合測量。
[0025]加速度傳感器測量角度的原理:
[0026]加速度傳感器是檢測物品的加速度，利用封裝配置的兩個電容，並且在中間使用一個可導電且可晃動的搖杆，通過搖杆的擺動改變兩個電容的電壓，以此計算傳感器的移動狀態。三軸加速度傳感器可以檢測搖杆晃動的劇烈程度以及搖杆是否持續朝斜下方。
[0027]陀螺儀測量角度的原理:
[0028]陀螺儀依賴於相互正交的振動和轉動引起的交變科氏力。振動物體被柔軟的彈性結構懸掛在基底之上。整體動力學系統是二維彈性阻尼系統，在這個系統中振動和轉動誘導的科氏力把正比於角速度的能量轉移到傳感模式，檢測出物體轉動所產生的角速度，計算出物體移動的角度。
[0029]加速度傳感器只能檢測物體的移動行為，並不具備精確檢測物體角度改變的能力，陀螺儀可以檢測物體水平改變的狀態，但無法計算物體移動的激烈程度。
[0030]本裝置利用測量到的三軸加速度傳感器在敏感軸上的投影分量，通過三角函數推導出其傾斜的角度值。然而加速度傳感器噪聲大，且在動態情況下，會受到動態加速度的幹擾，影響測量結果。若單純對加速度傳感器進行低通濾波，雖可有效降低動態加速度的幹擾與噪聲，但響應速度明顯降低。陀螺儀測量到的是角速度，需要積分換算為角度。由於溫度變化、摩擦力和不穩定力矩等因素，陀螺儀會產成漂移誤差，且隨著時間的累積，無論多麼小的常值漂移，通過積分都會得到無限大的角度誤差。高通濾波能夠剔除陀螺儀中直流成分，一定程度上減小誤差漂移。為在不降低響應速度的同時，減小動態加速度對傳感器的幹擾，消除陀螺儀的漂移，本裝置採用一種數據融合算法。公式如下:
[0031]Θ n = a.( θ n—i+d θ.dt) + (l~a).θ(I)
[0032]式中:Θ n為第n次數據融合計算所得角度，Θ 為第n-Ι次數據融合計算所得角度，d9為第η次陀螺儀測得角速度，Θ為第η次加速度傳感器測得角度，dt為採樣周期。通過式I可以看出，數據融合處理輸入信號的實質，是對陀螺儀信號進行高通濾波，同時對加速度傳感器信號進行低通濾波，再將兩者進行信息融合。其參數簡單，其中對結果影響最大的是參數a。由於參數a與高通濾波和低通濾波的時間常數τ有內在關係，gp
τ=#，而時間常數τ表徵高通濾波的截止頻率fH與低通濾波的截止頻率&的大小，SP
1- α
fH =Zi ~，故參數a的取值決定著高通濾波與彳氐通濾波的強度。a值大，兩者截止頻?率
n L 2πτ
小，低通濾波通帶窄，濾波效果強；而高通濾波通帶寬，濾波效果弱。
[0033]本裝置系統辨識的目的在保證有效抑制動態加速度的同時，消除過衝，故將a =
0.95時的過衝量大的波形做為輸入，輸出用電位計測到的實際無過衝波形，然後導入單片機系統，採樣時間為10ms，如圖3所示:
[0034]圖中，ul為輸入，yl為輸出，縱軸角度單位為rad，橫軸時間單位為S。單片機系統中建立參數模型:
[0035]經過比對篩選，選取與輸出吻合度較高模型，初步確定為一階模型ARX120與三階模型ARX320，吻合度分別為94.58%與95.39%。如圖4所示:
[0036]圖中，上部分為ARX120的參數方程與誤差，下部分為ARX320的參數方程與誤差，其中Loss funct1n為損失函數，FPE為最終預測誤差，兩者都表徵系統的精度。將圖中兩個參數方程改寫為離散傳遞函數:
Γ00371 ARXl 2 O: 0.5697Z-0.5661;(2)
Z-0.9965
[0038]ARX320: _ 敝 3_0『001986.-2(3)
二3 -2.994r2 +2.991r-0.9976
[0039]式2與式3經過逆z變換後，推導出連續傳遞函數:
[0040]ARXl 20: 0.獅+0.3657(4)
L J『V+0.3528
[0041]ARX320: _獅3 +0.301?2+201+17.77 (5)
S3 +0.2375s2 +39.67? +17.58
[0042]由式4與式5分析可得，ARX120有唯一極點si = -0.3528，在s域左半平面，系統穩定;而 ARX320 極點為:sl = -0.4421，s2 = 0.1023+6.3048i, s3 = 0.1023-6.3048i，其中s2、s3落於s域右半平面，系統不穩定te]。故最終模型確定為ARX120。為便於單片機編譯，將式2改寫為差分方程形式:
[0043]y [η] = 0.9965y [n_l] +0.5697χ [η] _0.5661χ [η_1] (7)
[0044]即系統第η次輸出，為系統第η-1次輸出、第η次輸入和第η_1次輸入的線性組合，該線性組合表明此系統是一因果遞歸系統。
[0045]此因果遞推系統與實際加速度和陀螺儀的測量數據融合搭配，在降低動態加速度幹擾的前提下，能夠有效消除過衝，使得傳感器能夠得到更為準確的動態傾角值。
[0046]本發明ZCLP-1型輪軌潤滑控制裝置主要技術參數如下:1、額定工作電壓:DC110V(DC77V-138V);最大負載能力:25VA ;信號頻率範圍:0?5000Hz ;適應機車速度範圍:0?350km/h ;噴脂時間:1.7?2.3秒；噴脂間隔時間誤差:± 10% (注:按機車標準輪徑計算)；傾斜角度測量範圍:水平方向±15。;傾斜角度動態測量值顯示誤差:±2 。;彎道噴脂:傾斜角度2?5± I。，噴脂間隔時間10-20秒；傾斜角度5?10±1 °;噴脂間隔時間0-10秒。
[0047]本裝置採用數字電子技術檢測和控制，並增加了彎道主動檢測功能，轉彎半徑越小噴滑噴脂越多。在實際應用中取得良好的應用效果，具有良好的經濟效益。
[0048]以上是對本發明進行了示例性的描述，顯然本發明的實現並不受上述方式的限制，只要採用了本發明技術方案進行的各種改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用於其它場合的，均在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種機車輪軌潤滑控制裝置，其特徵在於，包括:速度信號處理部分、換向信號檢測部分、彎道檢測判斷部分、噴脂閥控制部分和中央控制部分； 當機車運行時，中央控制部分通過速度信號處理部分採集檢測機車的速度信號進行記數運算，同時通過換向信號檢測部分獲得機車的運行方向，當機車運行至設定的噴脂距離時，控制噴脂閥控制部分工作，對機車輪軌進行潤滑； 中央控制部分同時通過彎道檢測判斷部分對彎道進行實時檢測，可根據彎道大小和機車速度減小噴脂的間歇時間，對大彎道可以連續噴脂。
2.根據權利要求1所述的一種機車輪軌潤滑控制裝置，其特徵在於，所述彎道檢測判斷部分採用加速度傳感器和陀螺儀綜合測量。
3.根據權利要求2所述的一種機車輪軌潤滑控制裝置，其特徵在於，所述彎道檢測判斷部分採用數據融合算法:
Θ n = a.( Θ H+d θ.dt) + (1-a).θ 其中:Θ n為第n次數據融合計算所得角度，Θ 為第n-Ι次數據融合計算所得角度，d9為第η次陀螺儀測得角速度，Θ為第η次加速度傳感器測得角度，dt為採樣周期。
4.根據權利要求2所述的一種機車輪軌潤滑控制裝置，其特徵在於，彎道檢測參數模型為:
y[n] = 0.9965y[n-l]+0.5697χ[η]_0.5661χ[η_1] 即系統第η次輸出，為系統第n-Ι次輸出、第η次輸入和第η_1次輸入的線性組合。
5.根據權利要求1-4任一項所述的一種機車輪軌潤滑控制裝置，其特徵在於，機車停止時，機車控制電壓和工作風壓處於正常狀態，機車輪軌潤滑控制裝置處於停止潤滑狀態。工作人員可使用手動試驗按鈕檢查裝置工作是否正常。
6.一種機車輪軌潤滑控制方法，其特徵在於，當機車運行時，包括以下步驟: 採集檢測機車的速度信號進行記數運算的步驟； 檢測機車運行方向的步驟； 當機車運行至設定的噴脂距離時，控制噴脂閥控制部分工作，對機車輪軌進行潤滑的步驟； 對彎道進行實時檢測，根據彎道大小和機車速度減小噴脂的間歇時間，對大彎道連續噴脂的步驟。
7.根據權利要求6所述的一種機車輪軌潤滑控制方法，其特徵在於，利用加速度傳感器和陀螺儀綜合測量對彎道進行實時檢測。
8.根據權利要求7所述的一種機車輪軌潤滑控制方法，其特徵在於，彎道實時檢測採用數據融合算法:
Θ n = a.( Θ H+d θ.dt) + (1-a).θ 其中:Θ n為第n次數據融合計算所得角度，Θ 為第n-Ι次數據融合計算所得角度，d9為第η次陀螺儀測得角速度，Θ為第η次加速度傳感器測得角度，dt為採樣周期。
9.根據權利要求7所述的一種機車輪軌潤滑控制方法，其特徵在於，彎道實時檢測參數模型為:
y[n] = 0.9965y[n-l]+0.5697χ[η]_0.5661χ[η_1] 即系統第η次輸出，為系統第n-Ι次輸出、第η次輸入和第η_1次輸入的線性組合。
【文檔編號】B61K3/00GK104163185SQ201410403929
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月18日 優先權日:2014年8月18日
【發明者】屈大衛, 施屹, 陳瀟 申請人:株洲中車機電技術有限公司