CN103052552A

CN103052552A - 用于控制电动牵引车辆中车轮打滑的方法

Info

Publication number: CN103052552A
Application number: CN2011800378433A
Authority: CN
Inventors: A·阿尔贝蒂乌古特; T·涅瓦法特拉; I·埃奇奥拉萨爱彻利维亚
Original assignee: Trainelec SL
Current assignee: Trainelec SL
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2031-04-14
Also published as: ES2374232A1; CN103052552B; ES2374232B1; WO2012017101A1

Abstract

本发明涉及一种用于控制电动牵引车辆中车轮打滑的方法，所述方法作用于将旋转运动传递到与车轮相连的驱动轴的电动马达的牵引扭矩，从而当检测到车轮打滑时，按照下述两个连续的阶段作用于电动马达的牵引扭矩：A.在预定的减小时间（t_red）期间，以指数方式减小牵引扭矩；B.线性恢复牵引扭矩，直到达到所需的牵引扭矩(T_ref)或检测到新的滑动为止。

Description

用于控制电动牵引车辆中车轮打滑的方法

技术领域

本发明涉及一种在电动牵引车辆中用于防止或减少车轮和车轮在其上运动的运行轨道之间发生打滑或滑动的方法和工艺。

背景技术

用于控制轨道车辆的电动牵引的系统负责控制电动牵引马达，在其控制下产生与轨道车辆的驾驶员或控制系统自身所要求的参考扭矩值相等的牵引扭矩或制动扭矩。因此，当要求特定的参考扭矩时，控制系统增加电动牵引马达的转数，以将各自的旋转运动传递到与轨道车辆车轮相连的驱动轴。

当通过电动马达传递到车辆的驱动轴的牵引扭矩大于阻扭矩时，即，当要求的参考扭矩超过存在于车轮和轨道之间的摩擦时，出现车轮打滑或滑动现象，在这种情况下，车轮从车轮在其上运行的运行轨道滑脱。这种现象通常发生在轨道脏、湿或状况差的低附着条件下，并且主要发生在以加速条件起动轨道车辆而达到期望的运输速度时。

滑动必须被理解为车轮和轨道之间的相对速度，即，车轮的线速度和车辆速度之差。车轮往往在牵引过程中经历打滑或者往往在制动过程中被抱死，这会产生降低轨道车辆使用者的舒适度的振动并引起形成车轮的材料的劣化，从而会产生诸如不规则磨损（flat spot）、裂纹、孔洞、剥落等缺陷，引起车轮运转不良乃至车轮损坏。

能够被传递的最大牵引力，即，电动牵引马达能够传递到驱动轴的最大扭矩，取决于存在于车轮与轨道之间的附着力。能够通过增加附着力来提高将被传递的牵引力，用于增加附着力的传统解决方案包括在轨道上散落沙子，因此，在发生打滑或滑动的时候警告驾驶员的灯设置在驾驶室中，从而驾驶员在那个时候将沙子撒落在轨道上以增加附着力。

提高附着力和优化牵引力的另一解决方案包括将轨道车辆的每个电动牵引马达与多个驱动轴相连，从而使必须传递到每个驱动轴的牵引力减小。由于具有多个轴，因此车辆的总重量增加，从而使车轮与轨道之间的附着力提高，然而，这种重量的增加除涉及复杂且昂贵的组件之外还涉及电动牵引马达更大的功率消耗。

对轨道车辆的车轮打滑或滑动起作用的传统解决方案涉及车辆驾驶员手动减小车辆速度，然而，这种减小不够快速或准确以使传递到驱动轴的牵引力最大化。

为了解决该问题，已知这样的电动牵引控制系统：其电控地作用于牵引扭矩，以使被传递到轨道车辆的每个驱动轴的牵引力的利用最大化。在检测到打滑或滑动时，这些控制系统基于按照线性关系减小由电动马达传递的牵引扭矩。这种扭矩线性减小不是最佳的，这是因为它能引起振动，降低车辆稳定性、车辆驾驶性能和使用者舒适性。

因此，有必要提供一种通过使车轮滑动逐渐衰减而直接作用于车轮滑动的用于控制轨道车辆打滑的方法，从而降低振动并提高使用者舒适性。

发明内容

本发明提出一种用于控制电动牵引车辆的车轮打滑的方法，所述电动牵引车辆主要为诸如火车、电车或地铁的轨道牵引车辆，所述方法基于控制电动马达的转数而作用于电动马达的牵引扭矩，从而当检测到车轮相对于轨道滑动时，通过按照指数关系的减小而作用于牵引扭矩。

因此，当检测到车轮相对于车轮在其上运行的运行轨道滑动或打滑时，按照下面两个连续的阶段电控地作用于电动马达的牵引扭矩：

A.在预定的减小时间内，以指数方式减小牵引扭矩。

B.线性恢复牵引扭矩，直至达到要求的牵引扭矩或检测到新的滑动为止。

本发明的方法的目的在于允许针对车辆在其上运行的轨道的附着条件施加最大的牵引力或制动力。

同样地，通过直接作用于车轮滑动而使车轮滑动最小化，从而减小滑动峰值并防止滑动持续时间延长。因此，防止了形成车轮的材料的过度磨损和不规则磨损。

另一方面，车身级别的振动，即，使用者行进所在的车厢处的振动被最小化。牵引扭矩以指数方式减小防止扭矩波动太强，从而减小机械系统的应力并提高车身级别的舒适性。类似地，在诸如轨道故障、蜿蜒的路线等不同的操作条件下的车辆控制实现了更高的稳定性。

因此，获得一种具有几个非常有利的特点的方法，在轨道车辆的车轮相对于轨道车辆在其上运行的运行轨道打滑的控制方面，针对所述方法预期的应用功能获得其自身的特色和优选特性。

附图说明

图1示出了关于轨道车辆的电动牵引马达的牵引扭矩随时间演变的曲线图。

具体实施方式

轨道车辆通常具有被称为转向架的滚动结构，车辆使用者行进所在的车厢搁置在转向架上。转向架包括布置有轴的平台，所述轴的端部具有在运行轨道上行进的相应的车轮，如果是牵引车的转向架，那么这些轴就是与将牵引扭矩传递至所述驱动轴的电动牵引马达相关联的驱动轴。转向架的每个车轮也可具有独立的电动牵引马达。

根据这种布置，当需要比能够被传递的最大牵引力大的电动马达牵引扭矩时，即，当所需的牵引扭矩（T_ref）克服车轮与轨道之间的附着力时，车轮打滑或滑动就会发生。为了防止这种现象，本发明提出一种基于对传递到驱动轴或适当的位置进而传递到牵引轮的牵引扭矩的实时控制来控制电动牵引车辆的车轮打滑的方法。

本方法基于通过控制电动马达的转数来调节电动马达的牵引扭矩，从而当检测到车轮相对于轨道滑动时，按照下面两个连续的阶段作用于牵引扭矩：

A.以指数方式减小电动马达的牵引扭矩。

B.线性恢复电动马达的牵引扭矩。

随着电动马达的牵引扭矩以指数方式减小，振动降低并且车辆稳定性和驾驶性能提高，从而相对于牵引扭矩执行线性减小的传统解决方案，轨道车辆使用者获得更高的舒适性。

本发明的方法的目的完全由以下三个步骤组成：

在步骤1中，分配并实时监测轨道车辆的一系列变量。在步骤2中，通过将在前述步骤中监测到的变量与几个预设值进行比较，来检测车轮相对于轨道是否发生了打滑或滑动。步骤3发生在在前述步骤中检测到打滑或滑动的情况下，并且在步骤3中，通过减小牵引扭矩而作用于牵引扭矩。

下面，对所述步骤中的每个步骤进行详细的限定。

步骤1.分配变量：

对应于轨道车辆驾驶员所要求的扭矩，给牵引马达分配参考扭矩值（T_ref)。

持续地实时监测轨道车辆的下述变量。

●电动牵引马达的驱动轴的加速度和角速度。

●车轮的加速度和切向速度或线速度。

●火车的加速度和线速度。

由于依靠传统技术计算这些变量，因此在本专利中没有对它们进行更详细地描述。能够依靠位于车轮和车辆中的速度传感器（转速计）来获得这些变量，或者依靠结合到牵引马达的增量编码器或绝对编码器（其具有用于获得马达的驱动轴的速度的一系列脉冲）来获得这些变量。

步骤2.检测滑动：

将在前述步骤中监测到的轨道车辆的变量与一系列预设值实时地进行比较，以检测车轮相对于轨道的滑动或打滑。

如果满足以下条件中的一个，则检测到滑动或打滑：

●如果使车轮运转的驱动轴的角加速度大于线加速度阈值。

●如果车轮的线速度和车辆的线速度之差大于线速度阈值。

因为加速度和减速度是取决于轨道车辆可采用的操作模式的变量，所以线加速度阈值可以取不同的值。因此，线加速度阈值可在2m/s²和6m/s²之间。

如果轨道车辆由于制动而发生抱死，则线加速度阈值在-2m/s²和-6m/s²之间。

类似地，线速度阈值可以随车辆速度变化，从而在不同的车辆速度获得最佳操作。因此，线速度阈值可以在0.5m/s和2m/s之间。

步骤3.作用于扭矩：

当在前述步骤中检测到滑动时，执行本方法的这一步骤。如果没有检测到滑动，则轨道车辆维持在正常状态，在该正常状态下，维持所需的牵引扭矩（T_ref)。

当检测到滑动或打滑时，按照下面两个连续的阶段作用于电动马达的牵引扭矩：

A.在预定的减小时间（t_red）期间，牵引扭矩按照下面的表达式以指数方式减小：

T_final=T_initial-J_eq·a_max

其中，T_final是以指数方式减小的牵引扭矩的值，J_eq是将表示为电动马达的旋转的牵引扭矩与车轮的线加速度相关联的等效惯量，a_max是驱动轴的角加速度，T_initial是初始牵引扭矩值。

按照下面的表达式计算初始牵引扭矩值（T_initial）：

T_initial=T_ref·C

其中，T_ref是来自电动牵引马达的所需的牵引扭矩，C是包含在[0.85-0.95]区间内的常数。

因此，初始牵引扭矩值（T_initial）在比所需的牵引扭矩（T_ref）小5%和15%之间。

减小时间（t_red）是在对轨道车辆在其上环行的轨道参数化的测试中计算出来的预定值。减小时间（t_red）在包含在0.05s和0.5s之间的时间区间内取值。

B.牵引扭矩的线性恢复，直到达到所需的牵引扭矩（T_ref）或检测到新的滑动为止。

一旦减小时间（t_red）过去，牵引扭矩就会以线性方式恢复，牵引扭矩的这种线性恢复按照斜率在100Nm/s和500Nm/s之间的直线来执行。

维持这种线性恢复，直到达到所需的牵引扭矩（T_ref）或检测到新的滑动发生为止，在这种情况下，牵引扭矩再次按照本方法的步骤3减小。

本方法的分配变量和检测滑动的步骤1和步骤2在车辆运行的整个时间内持续地实时执行，而作用于牵引扭矩的步骤3仅在检测到滑动时执行。

图1示出了牵引扭矩演变的曲线图，其中，在被指示为（D）的时刻检测到滑动发生，示出了指数方式的减小如何在减小时间（t_red）内从初始牵引扭矩值（T_initial）开始发生直到达到最终牵引扭矩值（T_final）为止，然后基于这种指数方式的减小使牵引扭矩线性恢复，直到达到所需的牵引扭矩（T_ref）为止。

本发明的方法的目的对于在牵引条件下和在车轮被抱死的制动条件下限制轨道车辆的车轮相对于环行轨道的打滑或滑动是适用的。

Claims

1.一种用于控制电动牵引车辆的车轮打滑的方法，所述方法作用于将旋转运动传递到与车轮相连的驱动轴的电动马达的牵引扭矩，其特征在于，当检测到车轮打滑时，按照下述两个连续的阶段作用于电动马达的牵引扭矩：

A.在预定的减小时间（t_red）期间，以指数方式减小牵引扭矩；

B.线性恢复牵引扭矩，直到达到所需的牵引扭矩(T_ref)或检测到新的滑动为止。

2.如权利要求1所述的用于控制电动牵引车辆的车轮打滑的方法，其特征在于，按照下述表达式计算在预定的减小时间（t_red）内以指数方式减小的牵引扭矩：

T_final=T_initial-J_eq·a_max

3.如权利要求1和2所述的用于控制电动牵引车辆的车轮打滑的方法，其特征在于，按照下述表达式计算初始牵引扭矩值T_initial：

T_initial=T_ref·C

其中，T_ref是来自牵引马达的所需的牵引扭矩，C是包含在[0.85-0.95]区间内的常数。

4.如权利要求1所述的用于控制电动牵引车辆的车轮打滑的方法，其特征在于，如果满足下述条件中的一个，则检测到车轮打滑：

●如果使车轮运转的驱动轴的角加速度大于线加速度阈值，

线加速度阈值在2m/s²和6m/s²之间；

●如果车轮的线速度和火车的线速度之差大于线速度阈值，

线速度阈值在0.5m/s和2m/s之间。

5.如权利要求1所述的用于控制电动牵引车辆的车轮打滑的方法，其特征在于，减小时间t_red在包含在0.05s和0.5s之间的时间区间内取值。

6.如权利要求1所述的用于控制电动牵引车辆的车轮打滑的方法，其特征在于，牵引扭矩的线性恢复按照斜率在100Nm/s和500Nm/s之间的直线来进行。