CN115230771B - 一种轨道交通列车的电机轴温监测与控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道交通列车的电机轴温监测与控制系统，包括监测模块、计算/判断模块和执行模块三部分；监测模块包括车载测速雷达、速度传感器和安装在电机轴端的电流互感器；计算/判断模块由中央数据处理单元构成；执行模块包含牵引变流器、撒沙装置、可调电阻；监测模块实时监测列车运行数据并将数据传输到中央数据处理单元，中央数据处理单元将数据代入目标函数进行计算，并根据目标函数所得结果进行空转判定；执行模块通过改变可调电阻的阻值限制流过电机的电流大小，或者控制撒沙装置进行撒沙操作。本发明使空转判定更为快速准确，适用范围更广；使列车空转防护更为精准，减少了不必要的成本浪费与精力消耗。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，尤其涉及一种轨道交通列车的电机轴温监测与控制系统。
背景技术
高速铁路作为国民经济大动脉和大众化交通工具，在我国乃至世界经济社会发展中具有重要作用。随着高速列车的不断提速，大众对列车的运行安全性也提出了更高的要求。在列车的运行过程中，需要依靠列车与钢轨之间的滚动摩擦来实现列车的牵引、运行和制动，列车轮轨之间的摩擦力又称为粘着力。而列车运行在阴雨、霜雪、风沙等恶劣天气及转弯轴重分配不均的情况下，轮轨之间的粘着性能下降，当列车的牵引或制动力大于轮轨所能提供的最大粘着力时，列车会产生空转及滑行等异常运行工况。空转、滑行会极大影响列车的牵引与制动能力，这不仅会降低列车运行效率，而且会严重影响列车的安全运行。研究高速列车的空转抑制技术对增加高速列车运营的安全性、舒适性和快捷性具有重要意义。
当列车轮对处于空转运行状态时，一部分电机由于空转使轮轨接触面处于高速摩擦状态，并在短时间内产生大量的热量使车轮踏面升温，快速的冷热转换导致踏面物理性质变得脆弱，由此造成车轮踏面和钢轨表面产生强烈的物理摩擦损伤；另一方面，由于列车牵引功率一定，当部分电机发生空转时，剩余未发生空转的电机的转矩会明显增大，发生过载现象。电机过载产生的大电流会引起定子线圈过热，线圈将热量传递到轴承导致轴承温度升高，当温度过高时会触发列车的轴温报警装置报警。且列车轴承属于高速列车机动部分最重要的构成部件之一，当列车长时间处于轴承异常升温状态运行时，会造成轴承寿命快速损伤，不仅会加大列车运营维护的成本，还会给乘客人身安全埋下隐患。
从宏观上来看，粘着是列车运行过程中轮轨接触区相对静止而不滑动的现象，但在微观上，粘着并不是绝对的静止不滑动，而是轮轨间弹性接触区产生的微小弹性变形，这种现象称为蠕滑。轮轨间由于蠕滑产生的切向力称为粘着力或蠕滑力，是动车组前进的动力和制动的阻力。由于蠕滑现象的存在，牵引工况下列车动轮的线速度将比列车前进的速度大，这是蠕滑现象的宏观表现，两者的差值就是蠕滑速度，当车轮与机车的速度差(即蠕滑速度)大于一定的阈值时，系统检测认为该轮对发生了空转。在列车马上要发生空转时，轮速发生突变，轮对加速度也会增大。现有空转检测方案通过检测列车前进速度和车轮线速度计算出蠕滑速度和轮对加速度，并将他们分别与设定的蠕滑速度阈值和轮对加速度阈值相比较，当超过设定阈值时，即判定为发生空转。但当多个轮对发生空转时，列车的车速和轮速都处于上升状态，虽然已经出现空转，但两者差值即蠕滑速度仍有可能处于阈值以下，判据失效；当列车刚开始启动时，轮对加速度也很大，此时虽然没有发生空转，但轮对加速度大小可能已经超过设定阈值，引起误判。目前也有方案提出将两种判定方法相结合作为判据，虽然可以一定程度上增加判断的准确率，但还是止步于对是否超过阈值的简单判断，不足以应对各种复杂局面。
在空转发生后，目前已有技术可实现对空转电机卸载转矩和配合撒沙功能使其相应轮对恢复粘着状态，但目前尚无技术对空转发生时的部分电机过载造成的轴温异常升高问题进行合理抑制。
发明内容
为解决列车空转时电机过载造成的轴温异常升高问题，本发明提供一种轨道交通列车的电机轴温监测与控制系统。
本发明的一种轨道交通列车的电机轴温监测与控制系统，包括监测模块、计算/判断模块和执行模块三部分。
监测模块包括车载测速雷达、速度传感器和安装在电机轴端的电流互感器。车载测速雷达安装在车体底部，能实时获得列车前进速度；速度传感器安装于电机电枢轴上，能实时获得列车不同轮对的线速度；电流互感器安装在可调电阻与牵引逆变器之间，能实时获得电机轴端电流数据。
计算/判断模块由中央数据处理单元构成，中央数据处理单元将数据代入目标函数进行计算，并根据目标函数所得结果进行空转判定。
执行模块包含牵引变流器、撒沙装置、可调电阻。牵引变流器安装于列车牵引变压器与电机之间，可通过控制牵引变流器上的牵引控制单元TCU控制电机输出转矩；撒沙装置安装于转向架底部，钢轨的上方，撒沙装置在接收到中央数据处理单元发送的撒沙信号后，进行撒沙操作，通过向轮轨接触点喷洒沙子或者陶瓷颗粒增加车轮踏面与钢轨接触面之间的摩擦，促使列车轮对加速恢复粘着状态；可调电阻安装在牵引变流器与电机之间，当接收到中央数据处理单元发送的控制信号后，能通过改变可调电阻的阻值限制流过电机的电流大小。
中央数据处理单元根据空转发生时不同电机的运行状态将电机区分为空转电机和过载电机，通过调节安装在牵引变流器和电机轴端之间的可调电阻阻值限制流过电机的电流大小，解决了列车空转导致的过载电机轴温升高问题。
中央数据处理单元判断列车是否空转以及空转程度，具体过程如下：
S1、根据速度传感器获得列车轮对线速度Vd，根据车载测速雷达获得列车实际前进速度Vt，并将数据传给中央数据处理单元。
S2、中央数据处理单元计算列车蠕滑速度Vs和轮对加速度a。
蠕滑速度Vs由下式计算：
Vs＝Vd-Vt
将蠕滑速度Vs与设定蠕滑速度阈值作差得到Vsd：
Vsd＝Vs-V0
其中，V0为预设的蠕滑速度阈值。
计算轮对加速度a：
其中，Vt为t时刻列车前进速度，Vt-1为t-1时刻列车前进速度，ΔT为控制系统的采样周期。
将轮对加速度a与设定轮对加速度阈值作差得到ad。
ad＝a-a0
其中，a0为预设的轮对加速度阈值。
S3、将Vsd和ad带入目标函数，输出函数值D，根据函数值D判定列车是否空转与空转程度。
目标函数具体为：
D＝w1·Vsd+w2·ad
其中，w1和w2为权重值。
本发明的有益技术效果为：
1、本发明核心技术在于及时发现空转或者提前预测即将发生的空转。针对于传统空转检测方法仅将检测数据与设定阈值相比较的单一性，本发明提出了一种新的空转判定方法。该方法中设定了一个目标函数，当列车处于不同运行状态时，可通过调整Vsd和ad不同的权重w1和w2使空转判定更为快速准确，适用范围更广。
2、本发明实时监测空转发生时每个电机的运行状态，通过电机转速和电机轴端电流大小，可精准识别空转电机和过载电机。并且对于空转电机与过载电机采用不同保护策略，使列车空转防护更为精准，减少了不必要的成本浪费与精力消耗。
3、本发明给出了一种能够防止列车空转时部分过载电机导致的轴温异常升高的技术，弥补了传统列车空转防护中只针对空转电机进行防护而忽略了由于电机过载引起的轴温异常升高问题，并减少了由此引起的轴承寿命加速损伤问题，提高了列车运行的安全性。
附图说明
图1为空转危害示意图。
图2为测速原理示意图。
图3为轴温抑制装置安装位置示意图。
图4为空转判定及保护装置整体框图。
图5为空转判定策略及保护装置工作流程图。
附图标号释义：
1—受电弓，2—避雷器，3—隔离开关，4—接触网，5—钢轨，6—牵引变压器，7—牵引变流器，8—辅助变流器，9—中央数据处理单元，10—电流互感器，11—可调电阻，12—转向架，13—撒沙装置，14—车轮，15—速度传感器，16—车载测速雷达，17—电机，18—真空断路器，19—整流器，20—牵引逆变器，21—辅助逆变器，22—监测模块，23—执行模块，24—计算/判断模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
列车空转危害如图1所示。
本发明的一种轨道交通列车的电机轴温监测与控制系统如图4所示，包括监测模块22、计算/判断模块24和执行模块23三部分。
监测模块22包括车载测速雷达16、速度传感器15和安装在电机轴端的电流互感器10。如图2所示，车载测速雷达16安装在车体底部，能实时获得列车前进速度；速度传感器15安装于电机17电枢轴上，能实时获得列车不同轮对的线速度。如图3所示，电流互感器10安装在可调电阻11与牵引逆变器20之间，能实时获得电机轴端电流数据。当列车正常运行时，监测模块22实时监测列车运行数据并将数据传输到中央处理单元9。
计算/判断模块24由中央数据处理单元9构成，中央数据处理单元9将数据代入目标函数进行计算，并根据目标函数所得结果进行空转判定。如图5所示，具体为：
S1、根据速度传感器15获得列车轮对线速度Vd，根据车载测速雷达16获得列车实际前进速度Vt，并将数据传给中央数据处理单元9。
S2、中央数据处理单元9计算列车蠕滑速度Vs和轮对加速度a。
蠕滑速度Vs由下式计算：
Vs＝Vd-Vt
将蠕滑速度Vs与设定蠕滑速度阈值作差得到Vsd：
Vsd＝Vs-V0
其中，V0为预设的蠕滑速度阈值。
计算轮对加速度a：
其中，Vt为t时刻列车前进速度，Vt-1为t-1时刻列车前进速度，ΔT为控制系统的采样周期。
将轮对加速度a与设定轮对加速度阈值作差得到ad。
ad＝a-a0
其中，a0为预设的轮对加速度阈值。
S3、将Vsd和ad带入目标函数，输出函数值D，根据函数值D判定列车是否空转与空转程度。
目标函数具体为：
D＝w1·Vsd+w2·ad
其中，w1和w2为权重值。
目标函数并不唯一确定，例如当列车启动时，轮对加速度在比较大的情况下并不会发生空转，使用蠕滑速度来判定更为准确，此时可赋予ad的权重w2一个比较小的值，增大Vsd的权重w1，这样可降低在列车启动情况下由轮对加速度过大引起的空转误判的风险。当列车平稳运行时，利用轮对加速度的判定更为灵敏，此时适当增大ad的权重w2，减小Vsd的权重w1，能使判定方式更为快速准确。本发明通过改变目标函数中的权重值w1和w2，使判定方法适用且不仅限于列车启停、平稳运行、转弯、钢轨污染、不同天气导致的钢轨粘着系数下降等运行工况。
执行模块23包含牵引变流器7、撒沙装置13、可调电阻11。牵引变流器7安装于列车牵引变压器6与电机17之间，可通过控制牵引变流器7上的牵引控制单元TCU控制电机输出转矩。撒沙装置13安装于转向架12底部，钢轨5的上方，撒沙装置13在接收到中央数据处理单元9发送的撒沙信号后，进行撒沙操作，通过向轮轨接触点喷洒沙子或者陶瓷颗粒增加车轮14踏面与钢轨5接触面之间的摩擦，促使列车轮对14加速恢复粘着状态。如图3所示，可调电阻11安装在牵引变流器7与电机17之间，当接收到中央数据处理单元9发送的控制信号后，能通过改变可调电阻11的阻值限制流过电机17的电流大小。
具体实施过程为：当中央数据处理单元9通过目标函数判定列车空转时，根据从速度传感器15接收的轮对线速度数据和从对应电机17轴端的电流互感器10获得的电流数据大小判断出此电机17是空转电机或过载电机。当判定电机17处于空转状态，中央数据处理单元9发送控制信号给牵引变流器7和撒沙装置13，通过控制牵引变流器7上的牵引控制单元TCU来降低电机17的输出转矩，同时控制撒沙装置13进行撒沙操作。持续一段时间直至消除空转，再按一定比例缓慢增加电机17的输出转矩至发生空转时的给定转矩值。持续一段时间再次检测，如没有发生空转，继续增大转矩至司机控制手柄所给的转矩值。若发生空转，则再次降低转矩并维持同上，循环校正。当判定电机17处于过载状态，中央处理单元9发送控制信号调节安装在牵引逆变器20与此电机17轴端之间的可调电阻11，限制流过电机17的电流大小，达到降低电机转矩的同时防止由电机过载导致的轴温异常升高的目的。同时中央数据处理单元9根据电机轴端电流大小实时调整可调电阻11，直至过载状态消除。
Claims (2)
1.一种轨道交通列车的电机轴温监测与控制系统，其特征在于，包括监测模块(22)、计算/判断模块(24)和执行模块(23)三部分；
所述监测模块(22)包括车载测速雷达(16)、速度传感器(15)和安装在电机轴端的电流互感器(10)；车载测速雷达(16)安装在车体底部，能实时获得列车前进速度；速度传感器(15)安装于电机(17)电枢轴上，能实时获得列车不同轮对的线速度；电流互感器(10)安装在可调电阻(11)与牵引逆变器(20)之间，能实时获得电机轴端电流数据；
所述计算/判断模块(24)由中央数据处理单元(9)构成，中央数据处理单元(9)将数据代入目标函数进行计算，并根据目标函数所得结果进行空转判定；
所述执行模块(23)包含牵引变流器(7)、撒沙装置(13)、可调电阻(11)；牵引变流器(7)安装于列车牵引变压器(6)与电机(17)之间，可通过控制牵引变流器(7)上的牵引控制单元TCU控制电机输出转矩；撒沙装置(13)安装于转向架(12)底部，钢轨(5)的上方，撒沙装置(13)在接收到中央数据处理单元(9)发送的撒沙信号后，进行撒沙操作，通过向轮轨接触点喷洒沙子或者陶瓷颗粒增加车轮(14)踏面与钢轨(5)接触面之间的摩擦，促使列车轮对(14)加速恢复粘着状态；可调电阻(11)安装在牵引变流器(7)与电机(17)之间，当接收到中央数据处理单元(9)发送的控制信号后，能通过改变可调电阻(11)的阻值限制流过电机(17)的电流大小；
中央数据处理单元(9)根据空转发生时不同电机的运行状态将电机区分为空转电机和过载电机，通过调节安装在牵引变流器(7)和电机(17)轴端之间的可调电阻(11)阻值限制流过电机的电流大小；当判定电机(17)处于空转状态，中央数据处理单元(9)发送控制信号给牵引变流器(7)和撒沙装置(13)，通过控制牵引变流器(7)上的牵引控制单元TCU来降低电机(17)的输出转矩，同时控制撒沙装置(13)进行撒沙操作；当判定电机(17)处于过载状态，中央数据处理单元(9)发送控制信号调节安装在牵引逆变器(20)与此电机(17)轴端之间的可调电阻(11)，限制流过电机(17)的电流大小。
2.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车的电机轴温监测与控制系统，其特征在于，所述中央数据处理单元(9)判断列车是否空转以及空转程度，具体过程如下：
S1、根据速度传感器(15)获得列车轮对线速度Vd，根据车载测速雷达(16)获得列车实际前进速度Vt，并将数据传给中央数据处理单元(9)；
S2、中央数据处理单元(9)计算列车蠕滑速度Vs和轮对加速度a；
蠕滑速度Vs由下式计算：
Vs＝Vd-Vt
将蠕滑速度Vs与设定蠕滑速度阈值作差得到Vsd：
Vsd＝Vs-V0
其中，V0为预设的蠕滑速度阈值；
计算轮对加速度a：
其中，Vt为t时刻列车前进速度，Vt-1为t-1时刻列车前进速度，ΔT为控制系统的采样周期；
将轮对加速度a与设定轮对加速度阈值作差得到ad；
ad＝a-a0
其中，a0为预设的轮对加速度阈值；
S3、将Vsd和ad带入目标函数，输出函数值D，根据函数值D判定列车是否空转与空转程度；
目标函数具体为：
D＝w1·Vsd+w2·ad
其中，w1和w2为权重值。
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