CN117439446B - 一种基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，通过对加载电机的输出电压是否不等于0且是否变化进行判断，并根据判断结果计算蠕滑率对黏着系数的斜率，然后再根据斜率是否大于0对加载电机的转矩进行调节，进而抑制打滑。本发明的有益效果在于：能及时判断系统是否发生打滑，通过引入转矩控制调节系统蠕滑率，解决了现有轮轨摩擦磨损试验机无法模拟轮轨黏着失稳状态的动态行为，可抑制轮轨发生打滑，并将轮轨蠕滑率控制在峰值点附近，提高轮轨黏着利用率。
Description
技术领域
本发明涉及轮轨摩擦模拟试验技术领域，具体涉及一种基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法。
背景技术
轮轨作为列车最核心的关键部件之一，通过车轮与钢轨接触斑之间的黏着-蠕滑传递牵引力。然而，当轮轨界面黏着受水、油、树叶等第三介质影响时，其界面间的最大可利用黏着系数并不能满足牵引和制动需求，由此引发的列车运行效率低下、制动距离过长、车轮空转/打滑等问题，将会导致列车晚点、相撞、车轮擦伤等一系列安全和经济性问题。若不采取适当的黏着控制以改善黏着利用状态，将会影响列车黏着性能，从而无法保证轮轨最大牵引力的发挥。
目前，现有的轮轨滚动试验台主要有双电机驱动轮轨摩擦磨损试验机和单电机驱动摩擦磨损试验机。双电机驱动轮轨摩擦磨损试验机通常是通过控制两个电机的转速连续调节轮轨试样之间的蠕滑率。单电机驱动轮轨摩擦磨损试验机通常是通过改变齿轮齿数调节蠕滑率，蠕滑率的调节间隔较大，试验过程中获取的轮轨粘着蠕滑曲线均匀性较差。通过分析可知，以上轮轨滚动试验机都是通过控制转速调节蠕滑率，这导致蠕滑率无动力学效应，无法研究轮轨黏着失稳状态下动态行为且不能在试验机上进行轮轨黏着控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，用于解决现有轮轨摩擦磨损试验机无法模拟轮轨黏着失稳状态及不能控制轮轨打滑的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
轮轨摩擦磨损试验机包括驱动电机、齿轮Z1、齿轮Z2、齿轮Z3、齿轮Z4、差速器、加载电机、齿轮Z5、齿轮Z6、模拟轮试样、模拟轨试样、加载活动杆和加载电缸，驱动电机、齿轮Z1、齿轮Z2、齿轮Z3、齿轮Z4、差速器、齿轮Z5、齿轮Z6依次传动，模拟轮试样和模拟轨试样分别接于齿轮Z6和齿轮Z2，模拟轮试样和模拟轨试样构成摩擦轮，加载电机接于差速器的功率输入轴端，加载活动杆通过轴承与齿轮Z6、齿轮Z5均连接，加载电缸的伸缩杆作用于加载活动杆以向模拟轮试样和模拟轨试样加载垂向力；齿轮Z1与齿轮Z2的传动比为1，齿轮Z2与齿轮Z4的传动比为1，齿轮Z3为换向轮，差速器14的输入轴与输出轴的传动比为3，齿轮Z5和齿轮Z6的传动比为1/3。
轮轨打滑控制方法具体包括以下步骤：
S1、对试样半径、驱动电机的转速、加载电机的转矩和加载电缸施加的垂向力进行参数初始配置，然后启动驱动电机，待系统稳定后启动加载电缸对模拟轮试样和模拟轨试样加载垂向力；
S2、当系统达到目标转速和目标垂向力时，选择加载电机的控制方式并启动加载电机，然后系统对加载电机的输出电压值是否不等于0且是否变化进行判断，并根据判断结果计算t时刻与t-1时刻内蠕滑率对黏着系数/>的斜率/>；
S3、系统对步骤S2中计算得到的斜率是否大于0进行判断，若斜率大于0则显示黏着系数稳定状态，然后以0.05Nm的增长间隔持续增加加载电机的转矩，并返回步骤S2重新计算和判断，直至判断得出斜率不大于0；
S4、当步骤S3中系统判断得出斜率不大于0时，系统再判断斜率是否等于0或小于0，若斜率等于0则保持当前加载电机的转矩进行控制，若斜率小于0则触发系统搜寻加载电机在斜率等于0时的对应转矩，同时迅速降低加载电机的转矩从而抑制打滑，并返回步骤S2重新计算和判断，直至加载电机的转矩降低至斜率等于0时对应的转矩后再保持当前转矩进行控制。
进一步地，轮轨摩擦磨损试验机还包括扭矩传感器、编码器和压力传感器，扭矩传感器接于模拟轨试样，编码器接于模拟轮试样，压力传感器设于加载电缸的伸缩杆顶端。
进一步地，在步骤S2中，若加载电机的控制方式为转矩控制，则输入转矩启动加载电机；若加载电机的控制方式为转速控制，则输入转速启动加载电机。
进一步地，在步骤S2中，先根据判断结果计算t时刻内的蠕滑率平均值和黏着系数平均值/>以及t-1时刻内的蠕滑率平均值/>和黏着系数平均值/>，然后再根据公式计算t时刻与t-1时刻内黏着系数对蠕滑率的斜率。
进一步地，在步骤S2中，若加载电机的输出电压值不等于0且变化，则直接计算、、/>和/>；若加载电机的输出电压值不变，则先分别对t时刻内的蠕滑率和黏着系数进行计算并累加，然后再分别计算/>和/>，以及先分别对t-1时刻内的蠕滑率和黏着系数进行计算并累加，然后再分别计算/>和/>。
进一步地，计算蠕滑率和黏着系数/>时，包括以下步骤：
A1、系统根据加载电机的控制方式读取加载电机的运行参数并判断读取值是否大于预设值，然后根据判断结果调整读取值至预设值；
A2、对加载电机的读取值进行调整后，系统对轮轨试样之间的蠕滑率和黏着系数进行计算。
进一步地，在步骤A1中，当加载电机的控制方式为转矩控制时，系统读取加载电机的转矩并判断读取值是否大于预设值，若大于预设值，则将读取值线性减少至预设值，否则将读取值线性增加至预设值；当加载电机的控制方式为转速控制时，系统读取加载电机的转速并判断读取值是否大于预设值，若大于预设值，则将读取值线性减少至预设值，否则将读取值增加至预设值。
进一步地，在步骤A2中，系统通过编码器测量并采集模拟轮试样的转速，其中/>，在加载电机（15）调节之前，模拟轮试样（6）转速与模拟轨试样（7）转速相等，/>表示经过加载电机（15）调节后模拟轨试样相对模拟轨所增加的转速，则轮轨试样之间的蠕滑率/>。
进一步地，在步骤A2中，系统通过压力传感器测量并采集轮轨试样之间的垂向力，通过扭矩传感器（5）测量并采集轮轨试样之间的转矩/>，则轮轨试样之间的黏着系数，式中/>为轮轨切向力，/>为模拟轮试样的半径。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，其中轮轨摩擦磨损试验机通过引入转矩控制调节系统蠕滑率，解决了现有轮轨摩擦磨损试验机无法模拟黏着失稳状态的动态行为。
2、本发明能及时判断系统是否发生打滑，并能通过调节系统转矩抑制打滑，使轮轨蠕滑率调节至黏着饱和点，提高黏着利用率。
附图说明
图1为本发明中轮轨黏着蠕滑试验机的结构示意图；
图2为本发明中轮轨打滑控制的整体流程示意图；
图3 为本发明中蠕滑率和黏着系数的计算流程示意图。
图中：1、驱动电机；2、联轴器；3、齿轮Z2；4、齿轮Z1；5、扭矩传感器；6、模拟轮试样；7、模拟轨试样；8、编码器；9、加载活动杆；10、齿轮Z6；11、齿轮Z5；12、压力传感器；13、加载电缸；14、差速器；15、加载电机；16、齿轮Z3；17、齿轮Z4。
实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，如图1所示，轮轨摩擦磨损试验机包括驱动电机1、齿轮Z14、齿轮Z23、齿轮Z316、齿轮Z417、差速器14、加载电机15、齿轮Z511、齿轮Z610、模拟轮试样6、模拟轨试样7、加载活动杆9和加载电缸13。
具体的，驱动电机1、齿轮Z14、齿轮Z23、齿轮Z316、齿轮Z417、差速器14、齿轮Z511、齿轮Z610依次传动。其中驱动电机1与齿轮Z14通过联轴器2连接；齿轮Z14与齿轮Z23啮合，传动比为1；齿轮Z23、齿轮Z316啮合和齿轮Z417依次啮合，齿轮Z316为换向轮，齿轮Z23与齿轮Z417的传动比为1；差速器14输入轴通过联轴器与齿轮Z417轴连接；齿轮Z511与差速器14的输出轴通过联轴器2连接；齿轮Z511与齿轮Z610啮合，传动比为1/3；加载电机15与差速器14的功率输入轴端连接，传动比为；差速器14的输入轴与输出轴的传动比为3。
模拟轮试样6和模拟轨试样7分别接于齿轮Z610的转轴和齿轮Z23的转轴，模拟轮试样6和模拟轨试样7构成摩擦轮；加载活动杆9通过轴承与齿轮Z610、齿轮Z511均连接，加载电缸13安装在机架上，加载电缸13的伸缩杆作用于加载活动杆9，通过加载电缸13推动加载活动杆9，进而可向模拟轮试样6和模拟轨试样7加载垂向力。
另外，在模拟轨试样7上还接有扭矩传感器5，在模拟轮试样6上还接有编码器8，在加载电缸13的伸缩杆顶端还安装有压力传感器12。编码器8用于测量模拟轮试样6的转速，扭矩传感器5用于测量轮轨试样之间的转矩和模拟轨试样7的转速，压力传感器12用于测量作用于轮轨试样之间的垂向力。系统通过实时计算轮轨试样的转速差，并根据轮轨的蠕滑率计算公式可实时计算轮轨之间的蠕滑率；通过测量的转矩除以模拟轮试样6的半径可得到轮轨切向力，进而可通过轮轨黏着系数计算公式实时计算得到轮轨的黏着系数/>。
如图2所示，基于上述轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法具体包括如下步骤：
S1、对试样半径、驱动电机1的转速、加载电机15的转矩和加载电缸13施加的垂向力进行参数初始配置，然后启动驱动电机1，待系统稳定后启动加载电缸13对模拟轮试样6和模拟轨试样7加载垂向力。
S2、当系统达到目标转速和目标垂向力时，选择加载电机15的控制方式并启动加载电机15，然后系统对加载电机15的输出电压值是否不等于0且是否变化进行判断，并根据判断结果计算t时刻与t-1时刻内蠕滑率对黏着系数/>的斜率/>。
S3、系统对步骤S2中计算得到的斜率是否大于0进行判断，若斜率大于0则显示黏着系数稳定状态，然后以0.05Nm的增长间隔持续增加加载电机15的转矩，并返回步骤S2重新计算和判断，直至判断得出斜率不大于0。
S4、当步骤S3中系统判断得出斜率不大于0时，系统再判断斜率是否等于0或小于0，若斜率等于0则保持当前加载电机15的转矩进行控制，若斜率小于0则触发系统搜寻加载电机15在斜率等于0时的对应转矩，同时迅速降低加载电机15的转矩从而抑制打滑，并返回步骤S2重新计算和判断，直至加载电机15的转矩降低至斜率等于0时的对应转矩后再保持当前转矩进行控制。
在步骤S2中，若加载电机15的控制方式为转矩控制，则输入转矩启动加载电机15；若加载电机15的控制方式为转速控制，则输入转速启动加载电机15。
计算斜率时，先根据判断结果计算t时刻内的蠕滑率平均值/>和黏着系数平均值以及t-1时刻内的蠕滑率平均值/>和黏着系数平均值/>，然后再根据公式计算t时刻与t-1时刻内黏着系数对蠕滑率的斜率。具体的，若加载电机15的输出电压值不等于0且变化，则直接计算/>、/>、/>和/>；若加载电机15的输出电压值不变，则先分别对t时刻内的蠕滑率和黏着系数进行计算并累加，然后再分别计算/>和/>，以及先分别对t-1时刻内的蠕滑率和黏着系数进行计算并累加，然后再分别计算/>和/>。
如图3所示，具体计算某时刻的蠕滑率和黏着系数/>时，包括以下步骤：
A1、系统根据加载电机15的控制方式读取加载电机15的运行参数并判断读取值是否大于预设值，然后根据判断结果调整读取值至预设值；
A2、对加载电机15的读取值进行调整后，系统对轮轨试样之间的蠕滑率和黏着系数进行计算。
在步骤A1中，当加载电机15的控制方式为转矩控制时，系统读取加载电机15的转矩并判断读取值是否大于预设值，若大于预设值，则将读取值线性减少至预设值，否则将读取值线性增加至预设值；当加载电机15的控制方式为转速控制时，系统读取加载电机15的转速并判断读取值是否大于预设值，若大于预设值，则将读取值线性减少至预设值，否则将读取值线性增加至预设值。
模拟轮试样6和模拟轨试样7的转速随加载电机15的扭矩或转速变化而变化。加载电机15为转矩控制时，加载电机15的扭矩为，则施加在模拟轮试样6和模拟轨试样7之间的扭矩/>，当/>大于轮轨界面之间因轴重产生的扭矩时，轮轨界面将发生打滑，因此通过扭矩控制模式可以模拟轮轨黏着失稳动态行为；加载电机15为转速控制时，加载电机15的转速为/>，则模拟轮试样6增加的转速。
在步骤A2中，加载电机15的读取值调整至预设值后，系统通过编码器8测量并采集模拟轮试样6的转速，通过扭矩传感器5测量并采集模拟轨试样7的转速/>，其中/>，在加载电机（15）调节之前，模拟轮试样（6）转速与模拟轨试样（7）转速相等，/>表示经过加载电机（15）调节后模拟轨试样相对模拟轨所增加的转速。进而，根据公式/>计算得到轮轨试样之间的蠕滑率；系统通过压力传感器12测量并采集轮轨试样之间的垂向力/>，通过扭矩传感器5测量并采集轮轨试样之间的转矩/>，结合模拟轮试样半径r则可计算出轮轨切向力/>，进而可根据公式/>计算得到轮轨试样之间的黏着系数。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，其特征在于：
轮轨摩擦磨损试验机包括驱动电机（1）、齿轮Z1（4）、齿轮Z2（3）、齿轮Z3（16）、齿轮Z4（17）、差速器（14）、加载电机（15）、齿轮Z5（11）、齿轮Z6（10）、模拟轮试样（6）、模拟轨试样（7）、加载活动杆（9）和加载电缸（13），驱动电机（1）、齿轮Z1（4）、齿轮Z2（3）、齿轮Z3（16）、齿轮Z4（17）、差速器（14）、齿轮Z5（11）、齿轮Z6（10）依次传动，模拟轮试样（6）和模拟轨试样（7）分别接于齿轮Z6（10）和齿轮Z2（3），模拟轮试样（6）和模拟轨试样（7）构成摩擦轮，加载电机（15）接于差速器（14）的功率输入轴端，加载活动杆（9）通过轴承与齿轮Z6（10）、齿轮Z5（11）均连接，加载电缸（13）的伸缩杆作用于加载活动杆（9）以向模拟轮试样（6）和模拟轨试样（7）加载垂向力；齿轮Z1（4）与齿轮Z2（3）的传动比为1，齿轮Z2（3）与齿轮Z4（17）的传动比为1，齿轮Z3（16）为换向轮，差速器（14）的输入轴与输出轴的传动比为3，齿轮Z5（11）和齿轮Z6（10）的传动比为1/3；
轮轨打滑控制方法包括以下步骤：
S1、对试样半径、驱动电机（1）的转速、加载电机（15）的转矩和加载电缸（13）施加的垂向力进行参数初始配置，然后启动驱动电机（1），待系统稳定后启动加载电缸（13）对模拟轮试样（6）和模拟轨试样（7）加载垂向力；
S2、当系统达到目标转速和目标垂向力时，选择加载电机（15）的控制方式并启动加载电机（15），然后系统对加载电机（15）的输出电压值是否不等于0且是否变化进行判断，并根据判断结果计算t时刻与t-1时刻内蠕滑率对黏着系数/>的斜率/>；
S3、系统对步骤S2中计算得到的斜率是否大于0进行判断，若斜率大于0则显示黏着系数稳定状态，然后以0.05Nm的增长间隔持续增加加载电机（15）的转矩，并返回步骤S2重新计算和判断，直至判断得出斜率不大于0；
S4、当步骤S3中系统判断得出斜率不大于0时，系统再判断斜率是否等于0或小于0，若斜率等于0则保持当前加载电机（15）的转矩进行控制，若斜率小于0则触发系统搜寻加载电机（15）在斜率等于0时的对应转矩，同时迅速降低加载电机（15）的转矩从而抑制打滑，并返回步骤S2重新计算和判断，直至加载电机（15）的转矩降低至斜率等于0时对应的转矩后再保持当前转矩进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，其特征在于：轮轨摩擦磨损试验机还包括扭矩传感器（5）、编码器（8）和压力传感器（12），扭矩传感器（5）接于模拟轨试样（7），编码器（8）接于模拟轮试样（6），压力传感器（12）设于加载电缸（13）的伸缩杆顶端。
3.根据权利要求2所述的基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，其特征在于：在步骤S2中，若加载电机（15）的控制方式为转矩控制，则输入转矩启动加载电机（15）；若加载电机（15）的控制方式为转速控制，则输入转速启动加载电机（15）。
4.根据权利要求3所述的基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，其特征在于：在步骤S2中，先根据判断结果计算t时刻内的蠕滑率平均值和黏着系数平均值/>以及t-1时刻内的蠕滑率平均值/>和黏着系数平均值/>，然后再根据公式/>计算t时刻与t-1时刻内黏着系数对蠕滑率的斜率。
5.根据权利要求4所述的基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，其特征在于：在步骤S2中，若加载电机（15）的输出电压值不等于0且变化，则直接计算、/>、/>和；若加载电机（15）的输出电压值不变，则先分别对t时刻内的蠕滑率和黏着系数进行计算并累加，然后再分别计算/>和/>，以及先分别对t-1时刻内的蠕滑率和黏着系数进行计算并累加，然后再分别计算/>和/>。
6.根据权利要求5所述的基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，其特征在于，计算蠕滑率和黏着系数/>时，包括以下步骤：
A1、系统根据加载电机（15）的控制方式读取加载电机（15）的运行参数并判断读取值是否大于预设值，然后根据判断结果调整读取值至预设值；
A2、对加载电机（15）的读取值进行调整后，系统对轮轨试样之间的蠕滑率和黏着系数进行计算。
7.根据权利要求6所述的基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，其特征在于：在步骤A1中，当加载电机（15）的控制方式为转矩控制时，系统读取加载电机（15）的转矩并判断读取值是否大于预设值，若大于预设值，则将读取值线性减少至预设值，否则将读取值线性增加至预设值；当加载电机（15）的控制方式为转速控制时，系统读取加载电机（15）的转速并判断读取值是否大于预设值，若大于预设值，则将读取值线性减少至预设值，否则将读取值增加至预设值。
8.根据权利要求6所述的基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，其特征在于：在步骤A2中，系统通过编码器（8）测量并采集模拟轮试样（6）的转速，通过扭矩传感器（5）测量并采集模拟轨试样（7）的转速/>，其中，在加载电机（15）调节之前，模拟轮试样（6）转速与模拟轨试样（7）转速相等，/>表示经过加载电机（15）调节后模拟轨试样相对模拟轨所增加的转速，则轮轨试样之间的蠕滑率/>。
9.根据权利要求6所述的基于轮轨摩擦磨损试验机的轮轨打滑控制方法，其特征在于：在步骤A2中，系统通过压力传感器（12）测量并采集轮轨试样之间的垂向力，通过扭矩传感器（5）测量并采集轮轨试样之间的转矩/>，则轮轨试样之间的黏着系数/>，式中/>为轮轨切向力，/>为模拟轮试样（6）的半径。
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