CN104163185A - 机车轮轨润滑控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机车轮轨润滑控制装置，包括：速度信号处理部分、换向信号检测部分、弯道检测判断部分、喷脂阀控制部分和中央控制部分。中央控制部分通过速度信号处理部分采集检测来自机车测速电机的速度信号进行记数运算，同时通过换向信号检测部分获得机车的运行方向，当机车运行至设定的喷脂距离时，控制喷脂阀控制部分工作，对机车轮轨进行润滑。中央控制部分通过弯道检测判断部分对弯道进行实时检测，可根据弯道大小和机车速度减小喷脂的间歇时间，对大弯道可以连续喷脂。本装置采用数字电子技术检测和控制，具有良好的经济价值。

Description

机车轮轨润滑控制装置及方法

技术领域

本发明属于机车控制领域，具体涉及一种机车轮轨润滑控制装置及方法。

背景技术

机车在运行过程中车轮轮箍与钢轨的硬摩擦非常剧烈，特别是进入弯道，由于向心力的作用机车会产生一定的倾斜，弯道的钢轨倾角是以平均速度的理论值计算，实际会因为机车速度的不同造成轮箍的单边受损，更换轮箍使机车运行成本大幅提高。为了减少轮箍的磨损，所有机车都安装了轮缘润滑喷脂器。原有的轮缘润滑喷脂器上的控制器只是通过机车提供的速度和方向信号对轨道定距离喷润滑油，以减少轮箍的磨损，只能实现被动控制，但对于需要多喷润滑脂的弯道，这些轮缘润滑喷脂控制器均无法做到主动控制。并且原有的控制器都采用的模拟电子技术，在性能上有一定的缺陷。

发明内容

针对现有装置的缺陷，本发明提供一种能主动检测弯道数值，实现弯道主动控制功能的机车轮轨润滑控制装置及其方法。

本发明的机车轮轨润滑控制装置由以下部分组成：速度信号处理部分、换向信号检测部分、弯道检测判断部分、喷脂阀控制部分和中央控制部分。

当机车运行时，中央控制部分通过速度信号处理部分采集检测来自机车测速电机的速度信号进行记数运算，同时通过换向信号检测部分获得机车的运行方向，当机车运行至设定的喷脂距离时，控制喷脂阀控制部分工作，对机车轮轨进行润滑。

中央控制部分通过弯道检测判断部分对弯道进行实时检测，可根据弯道大小和机车速度减小喷脂的间歇时间，对大弯道可以连续喷脂。

进一步的，弯道检测采用加速度传感器和陀螺仪综合测量，采用数据融合算法：θ_n＝a·(θ_n-1+dθ·dt)+(1-a)·θ     (1)

式中：θ_n为第n次数据融合计算所得角度，θ_n-1为第n-1次数据融合计算所得角度，dθ为第n次陀螺仪测得角速度，θ为第n次加速度传感器测得角度，dt为采样周期。

进一步的，弯道检测参数模型为：

y[n]＝0.9965y[n-1]+0.5697x[n]-0.5661x[n-1]      (7)

即系统第n次输出，为系统第n-1次输出、第n次输入和第n-1次输入的线性组合，该线性组合表明此系统是一因果递归系统。

进一步的，机车停止时，机车控制电压和工作风压处于正常状态，此时电空阀关闭，装置处于停止润滑状态。工作人员可使用控制装置或电空阀上的手动试验按钮检查装置工作是否正常。

本装置采用数字电子技术检测和控制，增加了弯道主动检测功能，转弯半径越小喷滑喷脂越多。

附图说明

图1是本发明结构框图

图2是加速度传感器结构示意图

图3是陀螺仪结构示意图

图4是输入与输出波形

图5是模型输出与真实输出对比

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述机车轮轨润滑控制装置做详细说明：

本发明具体系统名称为ZCLP-1型轮轨润滑控制装置，由以下部分组成：速度信号处理部分、换向信号检测部分、弯道检测判断部分、喷脂阀控制部分和单片机系统。

机车停止时，机车控制电压和工作风压处于正常状态，此时电空阀关闭，装置处于停止润滑状态。工作人员可使用控制装置或电空阀上的手动试验按钮检查装置工作是否正常。

当机车运行时，控制装置采集检测来自机车测速电机的速度信号进行记数运算，当机车运行至设定的喷脂距离时，控制装置接通电空阀电源，电空阀接通机车风路。一路风将油脂罐里的油脂压入喷头内的储脂槽，另一路风推动喷头柱塞运动并将储脂槽里的定量油脂呈雾化状由喷嘴喷射到轮缘根部并随机车动轮转动将油脂传递到钢轨内侧，从而达到轮轨减磨目的。电空阀得电工作约2秒后，控制装置关闭电空阀电源，电空阀切断风路，喷头停止喷脂，此时电空阀至喷头之间、电空阀至油脂罐之间管路内的压缩空气经电空阀排气口排出。喷头柱塞在复位弹簧作用下复位。由于油脂罐进气口处安装有单向阀，油脂罐内部始终为正压可为复位后的喷头柱塞储脂槽补充油脂，并为下一个工作周期做好准备。

当机车进入弯道，采用动态倾角测量值大于2度，控制装置可根据弯道大小和机车速度减小喷脂的间歇时间，对大弯道可以连续喷脂。

弯道检测采用加速度传感器和陀螺仪综合测量。

加速度传感器测量角度的原理：

加速度传感器是检测物品的加速度，利用封装配置的两个电容，并且在中间使用一个可导电且可晃动的摇杆，通过摇杆的摆动改变两个电容的电压，以此计算传感器的移动状态。三轴加速度传感器可以检测摇杆晃动的剧烈程度以及摇杆是否持续朝斜下方。

陀螺仪测量角度的原理：

陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科氏力。振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动力学系統是二维弹性阻尼系统，在这个系统中振动和转动诱导的科氏力把正比于角速度的能量转移到传感模式，检测出物体转动所产生的角速度，计算出物体移动的角度。

加速度传感器只能检测物体的移动行为，并不具备精确检测物体角度改变的能力，陀螺仪可以检测物体水平改变的状态，但无法计算物体移动的激烈程度。

本装置利用测量到的三轴加速度传感器在敏感轴上的投影分量，通过三角函数推导出其倾斜的角度值。然而加速度传感器噪声大，且在动态情况下，会受到动态加速度的干扰，影响测量结果。若单纯对加速度传感器进行低通滤波，虽可有效降低动态加速度的干扰与噪声，但响应速度明显降低。陀螺仪测量到的是角速度，需要积分换算为角度。由于温度变化、摩擦力和不稳定力矩等因素，陀螺仪会产成漂移误差，且随着时间的累积，无论多么小的常值漂移，通过积分都会得到无限大的角度误差。高通滤波能够剔除陀螺仪中直流成分，一定程度上减小误差漂移。为在不降低响应速度的同时，减小动态加速度对传感器的干扰，消除陀螺仪的漂移，本装置采用一种数据融合算法。公式如下：

θ_n＝a·(θ_n-1+dθ·dt)+(1-a)·θ     (1)

式中：θ_n为第n次数据融合计算所得角度，θ_n-1为第n-1次数据融合计算所得角度，dθ为第n次陀螺仪测得角速度，θ为第n次加速度传感器测得角度，dt为采样周期。通过式1可以看出，数据融合处理输入信号的实质，是对陀螺仪信号进行高通滤波，同时对加速度传感器信号进行低通滤波，再将两者进行信息融合。其参数简单，其中对结果影响最大的是参数a。由于参数a与高通滤波和低通滤波的时间常数τ有内在关系，即而时间常数τ表征高通滤波的截止频率f_H与低通滤波的截止频率f_L的大小，即故参数a的取值决定着高通滤波与低通滤波的强度。a值大，两者截止频率小，低通滤波通带窄，滤波效果强；而高通滤波通带宽，滤波效果弱。

本装置系统辨识的目的在保证有效抑制动态加速度的同时，消除过冲，故将a＝0.95时的过冲量大的波形做为输入，输出用电位计测到的实际无过冲波形，然后导入单片机系统，采样时间为10ms，如图3所示：

图中，u1为输入，y1为输出，纵轴角度单位为rad，横轴时间单位为s。单片机系统中建立参数模型：

经过比对筛选，选取与输出吻合度较高模型，初步确定为一阶模型ARX120与三阶模型ARX320，吻合度分别为94.58％与95.39％。如图4所示：

图中，上部分为ARX120的参数方程与误差，下部分为ARX320的参数方程与误差，其中Loss function为损失函数，FPE为最终预测误差，两者都表征系统的精度。将图中两个参数方程改写为离散传递函数：

$\mathrm{ARX}120:\frac{0.5697z-0.5661}{z-0.9965};---\left(2\right)$

$\mathrm{ARX}320:\frac{0.002004z^3-0.001986z^2}{z^3-2.994z^2+2.991z-0.9976}---\left(3\right)$

式2与式3经过逆z变换后，推导出连续传递函数：

$\mathrm{ARX}120:\frac{0.5697s+0.3657}{s+0.3528}---\left(4\right)$

$\mathrm{ARX}320:\frac{0.002004s^3+0.3013s^2+20.25s+17.77}{s^3+0.2375s^2+39.67s+17.58}---\left(5\right)$

由式4与式5分析可得，ARX120有唯一极点s1＝-0.3528，在s域左半平面，系统稳定；而ARX320极点为：s1＝-0.4421,s2＝0.1023+6.3048i,s3＝0.1023-6.3048i，其中s2、s3落于s域右半平面，系统不稳定^[6]。故最终模型确定为ARX120。为便于单片机编译，将式2改写为差分方程形式：

y[n]＝0.9965y[n-1]+0.5697x[n]-0.5661x[n-1]     (7)

即系统第n次输出，为系统第n-1次输出、第n次输入和第n-1次输入的线性组合，该线性组合表明此系统是一因果递归系统。

此因果递推系统与实际加速度和陀螺仪的测量数据融合搭配，在降低动态加速度干扰的前提下，能够有效消除过冲，使得传感器能够得到更为准确的动态倾角值。

本发明ZCLP-1型轮轨润滑控制装置主要技术参数如下：1、额定工作电压：DC110V(DC77V-138V)；最大负载能力：25VA；信号频率范围：0～5000Hz；适应机车速度范围：0～350km/h；喷脂时间：1.7～2.3秒；喷脂间隔时间误差：±10％(注：按机车标准轮径计算)；倾斜角度测量范围:水平方向±15゜；倾斜角度动态测量值显示误差：±2゜；弯道喷脂：倾斜角度2～5±1゜，喷脂间隔时间10-20秒；倾斜角度5～10±1゜；喷脂间隔时间0-10秒。

本装置采用数字电子技术检测和控制，并增加了弯道主动检测功能，转弯半径越小喷滑喷脂越多。在实际应用中取得良好的应用效果，具有良好的经济效益。

以上是对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种机车轮轨润滑控制装置，其特征在于，包括：速度信号处理部分、换向信号检测部分、弯道检测判断部分、喷脂阀控制部分和中央控制部分；

当机车运行时，中央控制部分通过速度信号处理部分采集检测机车的速度信号进行记数运算，同时通过换向信号检测部分获得机车的运行方向，当机车运行至设定的喷脂距离时，控制喷脂阀控制部分工作，对机车轮轨进行润滑；

中央控制部分同时通过弯道检测判断部分对弯道进行实时检测，可根据弯道大小和机车速度减小喷脂的间歇时间，对大弯道可以连续喷脂。

2.根据权利要求1所述的一种机车轮轨润滑控制装置，其特征在于，所述弯道检测判断部分采用加速度传感器和陀螺仪综合测量。

3.根据权利要求2所述的一种机车轮轨润滑控制装置，其特征在于，所述弯道检测判断部分采用数据融合算法：

θ_n＝a·(θ_n-1+dθ·dt)+(1-a)·θ

其中：θ_n为第n次数据融合计算所得角度，θ_n-1为第n-1次数据融合计算所得角度，dθ为第n次陀螺仪测得角速度，θ为第n次加速度传感器测得角度，dt为采样周期。

4.根据权利要求2所述的一种机车轮轨润滑控制装置，其特征在于，弯道检测参数模型为：

y[n]＝0.9965y[n-1]+0.5697x[n]-0.5661x[n-1]

即系统第n次输出，为系统第n-1次输出、第n次输入和第n-1次输入的线性组合。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种机车轮轨润滑控制装置，其特征在于，机车停止时，机车控制电压和工作风压处于正常状态，机车轮轨润滑控制装置处于停止润滑状态。工作人员可使用手动试验按钮检查装置工作是否正常。

6.一种机车轮轨润滑控制方法，其特征在于，当机车运行时，包括以下步骤：

采集检测机车的速度信号进行记数运算的步骤；

检测机车运行方向的步骤；

当机车运行至设定的喷脂距离时，控制喷脂阀控制部分工作，对机车轮轨进行润滑的步骤；

对弯道进行实时检测，根据弯道大小和机车速度减小喷脂的间歇时间，对大弯道连续喷脂的步骤。

7.根据权利要求6所述的一种机车轮轨润滑控制方法，其特征在于，利用加速度传感器和陀螺仪综合测量对弯道进行实时检测。

8.根据权利要求7所述的一种机车轮轨润滑控制方法，其特征在于，弯道实时检测采用数据融合算法：

θ_n＝a·(θ_n-1+dθ·dt)+(1-a)·θ

其中：θ_n为第n次数据融合计算所得角度，θ_n-1为第n-1次数据融合计算所得角度，dθ为第n次陀螺仪测得角速度，θ为第n次加速度传感器测得角度，dt为采样周期。

9.根据权利要求7所述的一种机车轮轨润滑控制方法，其特征在于，弯道实时检测参数模型为：

y[n]＝0.9965y[n-1]+0.5697x[n]-0.5661x[n-1]

即系统第n次输出，为系统第n-1次输出、第n次输入和第n-1次输入的线性组合。