（车辆工程专业论文）机车黏着极限态动态特征研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 目前我国重载列车的牵引吨位已达2 万吨，随着9 6 0 0k w 大功率机车投入使用， 当轨道表面黏着条件较差，以及在曲线通过时牵引黏着力降低的条件下，机车牵引功 率的充分发挥，受到轮轨间有效黏着利用的限制。黏着不足时轮对会产牛刚性滑动现 象，轮轨间的黏滑振动状态将影响机车黏着牵引，并产生复杂的动力学问题。研究轮轨 黏着利用极限态时机车的动态性能，揭示黏着极限态机车的典型振动机理，合理匹配 转向架参数，使机车充分发挥轮轨黏着性能并有效地改善驱动系统动态作用力。对铁 路机车重载牵引具有理论意义和工程应用价值。本文的主要工作如下： ( 1 ) 为了更好地表达机车打滑的物理过程，提出滑动率概念，通过引入摩擦系数 的温度影响系数，以及k a l k e r 权重系数k ，修正小自旋非线性轮轨切向力计算程序， 可得到不同轨面黏着条件时轮轨的黏滑特性曲线，能够体现机车驱动动力学研究中轮 轨切向力特点。 ( 2 ) 建立单轮对驱动系统的简化动力学模型，根据平均滑动率和动态滑动率分析 了黏着极限条件下轮对的黏滑振动稳定性及黏滑振动过程中轮对纵向振动规律。结果 表明轮对黏滑振动稳定性取决于轮轨切向力系数的梯度特性，减小轮轨平均滑动率和 动态滑动率是增加黏滑振动稳定性和提高机车恢复黏着能力的最根本途径。黏滑振动 时，当轮对纵向振动频率为驱动系统扭转固有频率整数倍时，轮对纵向振动发生共振， 并且为2 倍时共振振幅最大。 ( 3 ) 研究机车打滑时驱动系统及轮对的自激振动，分析黏滑特性曲线梯度特性对 驱动系统振动稳定性以及振动频率的影响。结果表明机车打滑过程中，轮轨黏着负斜 率特性将使得系统不稳定，振动能量增加，并且激发出振动系统具有固有振动频率的 振动。 ( 4 ) 建立弹性定位单轮对横向稳定性分析模型，考虑轮轨平均滑动率影响，研究 了驱动工况下单轮对横向稳定性的基本规律。结果表明由于轮轨黏着的饱和特性，驱 动工况下轮轨纵向切向力的增加会引起轮对摇头力矩减小，使得轮对横向稳定性增加， f 日纵向切向力增加引起横向切向力减小反而对轮对横向稳定性不利。 ( 5 ) 利用多刚体动力学软件s i m p a c k 和数值仿真软件s i m u l i n k ，以h x d l b 型机车为例，建立了机电、控制一体化的机车动力学仿真模型，其中驱动系统模型中 考虑了轮轨黏滑特性曲线的负斜率特性、电机机械特性以及电传动控制策略的影响。 以同一转向架内各轮对角速度及角加速度差判断轮对的黏着状态，通过计算黏着度利 用模糊控制方法对机车实施黏着控制。结果表明，该方法可显著提高机车的黏着利用 程度。 ( 6 ) 分析机车黏滑振动稳定性以及黏滑振动时轮对的纵向振动等基木规律。阐明 黏滑振动机理并据此对机车驱动系统参数进行优化匹配。增大机车转向架结构参数如 一系纵向定位刚度、联轴器扭转刚度、电机吊挂刚度和牵引杆纵向刚度有利于提高机 车的黏着性能，并需要合理匹配电机吊挂刚度和轮对的一系纵向定位刚度，避免机车 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 打滑时因轮对纵向共振而降低机车黏着性能。 ( 7 ) 根据建立的机电一体化的机车虚拟样机，并实施黏着控制，使机车工作在轮 轨黏着极限工况。结果表明，轮轨处于黏着极限态，轮对的蛇行运动使得左右两侧车 轮纵向滑动率容易进入黏滑特性曲线负斜率段，机车驱动系统能够激发具有固有振动 频率的振动，并且轮对纵向振动与旋转振动相互耦合。通过比较分析各元部件的振动 频率及其相互影响规律，总结避免机车驱动系统引发结构共振的参数匹配原则。 关键词：机车；驱动动力学；黏滑振动；纵向振动；黏着控制； 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t w i t hh i g hp o w e rl o c o m o t i v e sb e i n gp u ti n t ou s e ，t h ef u l lu s eo ft r a c t i o np o w e ri s r e s t r i c t e db yt h ee f f e ：c t i v eu t i l i z a t i o no ft h ew h e e l r a i la d h e s i o n t h es a t u r a t i o na n dn e g a t i v e s l o p ec h a r a c t e r i s t i c so fa d h e s i o n c a u s el o c o m o t i v es o m ec o m p l e xd y n a m i cp r o b l e m s i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sc a n b em a d ei ft h el o c o m o t i v e sd y n a m i c b e h a v i o r su n d e rs a t u r a t e da d h e s i o na l eu n d e r s t o o da n dt h eb o g i es t r u c t u r ep a r a m e t e r sc a nb e m a t c h e dr e a s o n a b l yt oi m p r o v et r a c t i o nf o r c ea n dt or e d u c et h ed y n a m i cf o r c e t h em a i n w o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt ob e t t e re x p r e s st h ep h y s i c a lp r o c e s so f t h el o c o m o t i v es l i p ，w ep u tf o r w a r d t h ec o n c e p to fs l i pr a t ea n dm o d i f yt h ew rt a n g e n t i a lf o r c ec a l c u l a t i o np r o g r a mo fs h e n a n dk a l k e rs i m p l i f i e dt h e o r yb yi n t r o d u c i n gt h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c ec o e f f i c i e n tfo f f r i c t i o na n dt h ek a l k e rw e i g h tc o e f f i c i e n tk t h ed i f f e r e n ts h a p e so ft h ew h e e l r a i la d h e s i o n c u r v e sc a nb eo b t a i na n dt h a tr e f l e c tt h ed r i v i n gd y n a m i c ss t u d yo fw h e e l r a i lt a n g e n t i a l f o r c ec h a r a c t e r i s t i e s ( 2 ) w eu s eas i m p l i f i e dd y n a m i cm o d e lw i t has i n g l ew h e e l s e td r i v i n gs y s t e m t o i l l u m i n a t e t h em e c h a n i s ma n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t i c k - s l i pv i b r a t i o na n dt h e l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nb a s e do nt h ec o n c e p t so fm e a na n dd y n a m i cs l i pr a t e s t h es t i c k s l i p v i b r a t i o ni sad y n a m i cp r o c e s sa l t e r n a t i n gb e t w e e ns t i c ks t a t ea n ds l i ps t a t e t h es t a b i l i t yo f t h i sp r o c e s sd e p e n d so nt h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ed a m p i n go ft h ew h e e l s e ta d h e s i o n w e p e r f o r m e dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h es t i c k - s l i pv i b r a t i o na c c o r d i n gt ot h em e a na n dt h e d y n a m i cs l i pr a t e i ts h o w st h a td e c r e a s i n gt h em e a ns l i pr a t ea n dt h ed y n a m i cs l i pr a t ew i l l i m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es t i c k s l i pv i b r a t i o n w h e nt h es t i c k - s l i pv i b r a t i o no c c u r s ，t h e r o t a r ya n dt h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n so ft h ew h e e l s e ta r ec o u p l e db yt h el o n g i t u d i n a l t a n g e n t i a l f o r c e t h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nf r e q u e n c i e so ft h ew h e e l s e ta r ei n t e g r a l m u l t i p l e so ft h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h ed r i v i n gs y s t e m t h el a r g e s te n e r g yo c c u r sa tt h e f r e q u e n c yt w i c eo ft h en a t u r ef r e q u e n c y ( 3 ) w es t u d yt h es e l f - e x c i t e dv i b r a t i o no fl o c o m o t i v ed r i v es y s t e mu n d e rs l i pa n dt h e e f f e c to fn e g a t i v es l o po fw ra d h e s i o no nt h ev i b r a t i o ns t a b i l i t yo fd r i v es y s t e m t h ep h a s e t r a j e c t o r yo ft h et o r s i o n a lv i b r a t i o nw a sd r a w na n dv e r i f i e dt ob eas t a b l el i m i tc y c l ew h i c h s i g n i f i e ss e l f - e x c i t e dv i b r a t i o n f r e q u e n c i e so ft o r s i o n a lv i b r a t i o nw i t hd i f f e r e n tc o m b i n e d o p e r a t i n gm o d e sw e r ec a l c u l a t e d ，s h o w i n gt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yi si n e x a c ta c c o r d a n c e w i t hn a t u r a lf r e q u e n c yo fd r i v es y s t e mw h e nt h es e l f - e x c i t e dv i b r a t i o nh a p p e n s ( 4 ) as i m p l i f i e dd y n a m i cm o d e lo fs i n g l ew h e e ls e tw h i c ha v e r a g es l i pr a t ew a st a k e n i n t oc o n s i d e r a t i o nw a su s e dt os t u d yt h el a t e r a ls t a b i l i t yo fw h e e ls e tu n d e rd r i v i n gm o d e t h eh u n t i n gs t a b i l i t yw a sa n a l y z e do nd i f f e r e n ta d h e s i o nm o d e sb e t w e e nw h e e la n dr a i l t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h el a t e r a ls t a b i l i t yo fw h e e ls e tu n d e rd r i v i n gi ss u p e r i o rt ot h a tu n d e r 第f v 页 西南交通大学博士研究生学位论文 c o a s t i n g t h ep r i m a r yr e a s o nf o ri m p r o v e m e n ti st h ed e c r e a s e dy a wt o r q u eo ft h ew h e e ls e t w i t hg r a d i e n td e c r e a s e so fa d h e s i o nc u r eb e c a u s eo fs a t u r a t i o n ( 5 ) at r a i ns y s t e md y n a m i c sm o d e li n t e g r a t e dw i t ht h ee l e c t r o m e c h a n i c a la n dc o n t r o l s y s t e mi s e s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h es t i c k s l i pv i b r a t i o np h e n o m e n o nu n d e rs a t u r a t e d a d h e s i o nt o v e r i f yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h em o d e lc o n s i d e r st h en e g a t i v es l o p e c h a r a c t e r i s t i co fw h e e l r a i la d h e s i o no nl a r g es l i p p a g e ，m a g n e t i cs a t u r a t i o na n dt o r q u e m e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h ep u l l i n gm o t o r am e t h o do fd e t e c t i n gt h ed i f f e r e n c e so ft h e b i g g e s ta n ds m a l l e s tv a l u eo fd i f f e r e n ta x i sa n g u l a rv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o ni nt h es a m e b o g i ea n dr e a lt i m ec a l c u l a t i n gt h ea d h e s i v e n e s so fw h e e l r a i lt oc o n t r o lm o t o rb yf u z z y c o n t r o ls t r a t e g yw a sp u tf o r w a r d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w ：t h ea d h e s i o nc o n t r o lc a n m a k et h ew h e e l - r a i le f f e c t i v ea d h e s i v ec o e f f i c i e n tm a i n t a i np e a ko fa d h e s i o nt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fl o c o m o t i v et r a c t i o nu n d e rd i f f e r e n tr a i ls u r f a c ea n dr u n n i n gc o n d i t i o n t h e h u n t i n go fw h e e l s e tc a u s ef l u c t u a t i o no ft h ea d h e s i v e n e s sa n dt h e i rm a i nf r e q u e n c i e sa r e i d e n t i c a l ( 6 ) at r a i ns y s t e md y n a m i c sm o d e li n t e g r a t e dw i t ht h ee l e c t r o m e c h a n i c a la n dc o n t r o l s y s t e m i se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h e s t i c k - s l i pv i b r a t i o np h e n o m e n o nu n d e rs a t u r a t e d a d h e s i o nt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t ：i n c r e a s i n gt h e l o n g i t u d i n a la x l eg u i d a n c es t i f f n e s s ，t h em o t o rs u s p e n s i o ns t i f f n e s s ，a n dt h ed r a w b a r l o n g i t u d i n a ls t i f f n e s si sb e n e f i c i a lt oi m p r o v et h el o c o m o t i v ea d h e s i o np e r f o r m a n c ea n dt h e s t a b i l i t y o ft h e s t i c k s l i p v i b r a t i o n w h e nt h e s t i c k s l i p v i b r a t i o no c c u r s ，t h em a i n f r e q u e n c i e so ft h ew h e e l s e tl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o na r ee q u a lt ot h em o t o rp i t c h i n gf r e q u e n c y a n di t si n t e g r a lm u l t i p l e s t h e r e f o r e ，i tr e q u i r e st oo p t i m i z a t i o nt h em a t c h i n go ft h em o t o r s u s p e n s i o ns t i f f n e s sa n dt h el o n g i t u d i n a la x l eg u i d a n c es t i f f n e s st oa v o i dt h el o n g i t u d i n a l r e s o n a n c eo ft h es t r u c t u r e ( 7 ) a c c o r d i n g t ot h ee s t a b l i s h e dt h ev i r t u a l p r o t o t y p el o c o m o t i v ei n t e g r a t i o n o f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a la n da d h e s i o nc o n t r o lm o d e la n dm a k i n gt h el o c o m o t i v et ow o r k e o ns a t u r a t e da d h e s i o nc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en a t u r a lv i b r a t i o nf r e q u e n c yo ft h e l o c o m o t i v ec a nb ee x c i t a t e do nt h es a t u r a t e da d h e s i o ne a s i l yc o m p a r et ot h ec o a s tc o n d i t i o n t h ef r e q u e n c i e so fl o c o m o t i v ed r i v es y s t e ma n dt h e i rm u t u a li n f l u e n c ea r ea n a l y z e d w e s u mu pt h ep a r a m e t e rm a t c h i n gp r i n c i p l eo fd r i v es y s t e mt oa v o i dr e s o n a n c eo nt h es a t u r a t e d a d h e s i o nc o n d i t i o n k e yw o r d s ：l o c o m o t i v e ；d r i v i n gd y n a m i c s ；s t i c k s l i pv i b r a t i o n ；l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n ； a d h e s i o nc o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权书； 2 不保密囹，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：q 诧芝一 指导老师签名： 0 壤袭， 6 日期：2 0 1 0 6 ，6日期：2 0 1 0 6 ，6 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 提出轮轨滑动率的概念并定义其表达式。根据平均滑动率和动态滑动率定义 轮轨黏滑状态，分析轮轨黏着负斜率特性对机车黏滑振动及稳定性的影响。对轮轨黏 滑振动机理进行深入研究，解释机车黏滑振动及其稳定性的基本原理，并根据此原理 阐述提高机车黏着能力的根本措施。( 2 2 ，6 1 ，6 2 ) ( 2 ) 发现了机车黏滑振动时，轮对旋转与轮对纵向振动通过轮轨纵向切向力耦合 的现象，对驱动系统振动频率进行分析并归纳了这种耦合振动的基本规律。提出轮对 纵向定位刚度和电机吊杆刚度的匹配原则，以提高机车黏着性能，并能避免机车打滑 时引起驱动轮对的纵向共振。( 3 1 ，6 3 ，6 4 ) ( 3 ) 采用平均滑动率分析了驱动工况弹性定位单轮对的横向稳定性，揭示驱动工 况轮轨切向力特点引起轮对横向蛇行稳定性变化的规律。( 2 3 ，4 3 ，4 4 ) ( 4 ) 提出机车驱动系统结构共振概念，仿真研究轮轨黏着极限时，机车驱动系统 各元件振动频率及其相互影响规律，总结了避免机车驱动系统结构共振的参数匹配原 则。( 7 1 ，7 2 ，7 3 ) 。 学位论文作者：寸阢芝 日期：2 0 1 0 年6 月6 日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景和意义 第l 章绪论 目前我国重载列车的牵引吨位已达2 万吨，随着9 6 0 0k w 大功率机车投入使用， 轮轨之间的黏着利用率比较高，充分利用轮轨黏着对发挥大功率机车的牵引能力非常 重要。机车在高黏着利用时易会产牛复杂的动力学问题，比如车轮空转时导致踏面擦 伤、驱动系统扭转振动、轮轨之间的黏滑振动引起结构共振等现象，甚至由于车轴的 扭转共振而导致车轴断裂事故。我国采用电机空心轴架悬式驱动装置的韶山5 型电力 机车，在试运的过程中发现起动及低速运行工况下的黏着利用率偏低，易发生空转现 象【2 】，在高速动车组运行中也发生过驱动系统引起的故障。 机车实际运行过程发生打滑空转时，不仪会引起踏面和轨头的损伤，还有可能伴 随着轮对纵向振动现象，导致车轮踏面剥离。在我国铁路近年客货运列车提速的历程 中，铁路机车面临的一个严峻问题就是车轮踏面剥离现象非常严重，机车因车轮踏面 损坏而镟轮的情况非常普遍，机车d f l l g 平均约8 万公里就发生严重剥离，必须将车 轮表面镟削，而正常状况下车轮的镟轮周期应达到一个中修的里程，即4 5 万公里【3 j 。 据统计，车轮剥离现象已占目前车轮各种操作失效比例的绝大多数【4 ，5 】。据估计北美铁 路运输企业由于更换剥离的轮对，每年耗资达1 5 亿美元【们，国内某机车厂2 0 0 1 年卜6 月份因赔偿剥离车轮就耗资2 7 0 0 多万元1 7 】。 随着我国国民经济的发展，铁路重载运输一直是一个重要的发展方向，重载机车 相对其它机车而言，对黏着利用的性能要求更加苛刻。众所周知，轮轨黏着会达到饱 和，重载机车的牵引能力受到轮轨黏着的限制，当牵引力越过轮轨的最大黏着时，机 车轮对进入到空转状态，或者机车受到防滑控制装置的作用，能够通过降低力矩恢复 到黏着状态。也就是说重载机车更容易在轮轨黏着饱和状态下工作，本文首次提出基 于黏着极限态的机车动力学研究，研究机车轮对由滑动到黏着，或者黏着到滑动的过 程带来的动态问题。 现代重载机车都采用了电子控制的防空转控韦0 技术，使得其牵引力能接近轮轨黏 着极限值。但由于轨面黏着条件的随机性，特别是在轨面黏着条件恶劣或是防滑控制 效果不到位时，驱动轮对黏着处于饱和状态，其动态特征研究尚不够深入。参照国内 外有关机车动力学的研究成果，轮轨黏滑特性曲线在大的滑动率时黏着力会下降，使 得机车产牛黏滑振动现象，但是以往轮对的黏滑振动研究对轮对的自由度作了限制， 没有考虑纵向自由度，而实际上轮对黏滑振动伴随着轮对的纵向振动，因而以往的研 究并没发现轮对的纵向振动及其对机车黏着控制的影响。 本文研究表明，轮对在黏滑振动过程中，轮对的纵向振动频率取决于电机的点头 振动频率；当机车处于黏着极限态时，机车驱动系统各部件激出固有振动频率并且相 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 互影响。若机车转向架相关参数匹配不合理，容易导致某些工况下发生结构共振。 本文结合现代控制理论，采用基于虚拟样机的机车黏着控制，可进行控制策略仿真 以及控制参数优选等，为机车黏着控制领域提供了一种新的方法。 1 1 1 国外机车驱动动力学研究现状 近几十年来，国外对机车驱动系统动力学从未停止过，德国人g s t e m p i n a 系统研究 讨论了异步电动机转矩由于高次谐波的影响而产生的畸变，并在一定负荷状态时，使 机车弹性驱动装置发生振荡。在分析过程中，考虑了电机磁饱和、轮轨间力的非线性 耦合，模拟了黏着极限附近的黏滑振动以及进入空转的过程【8 】。匈牙利布达佩斯工业大 学z o b o r y 研究轮轨激励对机车驱动系统动态载荷的影响，建立了轨道车辆传动系统 大系统模型，考虑了轮轨切向力饱和特性，结果表明：较小的齿轮箱反作用杆刚度有 利于减小驱动系统动态载槲圳。日本t e t s u j i 研究了平行万向轴驱动装置电力机车滑动 时的自激振动，研究了弹性联轴器的刚度和阻尼以及齿轮箱悬挂橡胶弹簧的影响，提 出了抑制自激振动的措施。采用电枢空心轴、簧片联轴器和小直径电枢扭轴的驱动系 统容易产生车轴扭转自激振动。较好的抑制自激振动措施是增大电枢扭轴直径和选用 适当的齿轮箱悬挂橡胶弹簧刚度和损耗因子，并通过实验验证了末发生扭转自激振动 黏着系数比发牛扭转自激振动的情况要高出3 【10 1 。波兰m a r e k 对高速机车四连杆和六 连杆两种联轴节结构动力学对比分析，指出四连杆扭转刚度为空心轴位置函数，易造 成驱动系统参数振动，而六连杆驱动结构则不存在这种问题【】。1 9 9 3 年6 月，在第5 届国际重载会议上，美国g m 公司和德国s i e m e n s 公司介绍了他们发展具有高黏着 性能的s d 6 0 m - - a c 及s d 7 0 m - - a c 重载内燃机车的经验，十分强调系统匹配的重要 性。并指出高的可用黏着及运行可靠性质量要求几个关键系统的开发和综合：牵引系 统、径向转向架及先进的机车计算机系统，三者缺一不可。随着计算机和实验设备的 发展，越来越多的技术人员建立了驱动系统部分或整体的模型【l2 i 。a l s t o m 公司p o l a c h 提出一种轮轨蠕滑力计算模型，模型考虑由于滑动速度引起的黏着系数下降的特点， 通过实例计算，结果表明牵引力影响轮轨力的分布并影响轮对径向自调整能力，利用 s i m u l i n k 和a d a m s r a i l ，建立牵引控制和车辆动力学联合仿真机电一体化模型【l3 | 。 近来，德国人m u l l e r s 对机车驱动系统黏滑振动进行分析，数值分析结果表明如果左 右侧车轮接触条件不一致会发牛黏滑振动。即使黏着控制器在几秒的时间内检测并减 小了这些振动，但是驱动系统仍承受很大的载荷，机车车体会产牛振动噪声，并且轨 道表面会出现周期性的磨耗。优良的黏着控制器设计能够避免黏滑振动，并说明怎样 的机械设计参数影响出现黏滑振动出现的倾向i l 引。意大利s o n i al e v a 等从机电耦合动 力学模型对万向轴传动高速动车进行研究，建立机械及电气两个子系统模型，结果表 明电气故障如电流短路能引起动车传动系统较大的动态冲击力【l5 1 。 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 1 1 2 我国机车驱动动力学研究发展情况 我国的研究单位也在较早的时间就开始对机车驱动系统动力学各方面开展了研 究。孙翔 1 6 j 7 1 建立了机车万向轴驱动系统动力学计算的通用方程，透彻的分析了万向 轴驱动机车的黏着机理。在其理论基础之上，吴永芳 1 8 - 1 9 又针对电传动机车驱动系统， 将电气系统和机械传动作为一个完整的系统来研究机车驱动装置的动态特性，考虑了 电机磁饱和、轮轨间力的非线性耦合，模拟了黏着极限附近的黏滑振动。黄伟【2 0 】从黏 滑振动的角度分析了体悬式二级弹性轮对空心轴驱动系统的振动稳定性，并对几种影 响较大而又易于改变的参数进行优化分析，有利于进一步提高动力车的黏着性能。我 国货运机车基本采用滚动抱轴传动，客运机车采用空心轴六连杆，因此近年对驱动装 置悬挂的研究把驱动装置视为一个刚体，没有考虑机电耦合、反馈控制和轮轨黏着的 变化【2 之2 1 。 在轮对黏滑特性曲线研究方面，金学松【2 3 】教授改进了k a l k e r 三维弹性体滚动接 触理论模型，并考虑到接触斑质点对之间相对滑动速度对摩擦因数的影响。西南交通 大学牵引动力国家重点实验室【2 4 j 进行了轮轨黏着特性的试验研究，再现了轮轨黏滑特 性曲线负斜率特性，并根据试验结果给出了拟合公式。 轮轨黏着控制方法比较典型的有时间微分直接法，黏着力时间微分间接法和正交 相关法【2 5 1 。目前所采用的黏着控制形式有p i d 控制和简单的模糊控制【2 6 】。肖建教授提 出采用模糊等的新型黏着控制方法并建立了黏着控制研究的虚拟样机平台【z7 i 。 目前为止，国内驱动动力学研究仍然以轮对黏滑振动稳定性研究为丰。机车横向 蛇行稳定性分析中不考虑黏着变化，如惰行或者恒速牵引、制动运行。但现场实际运 用发现驱动工况与惰行工况以及制动工况，机车动力学性能还是有较为明显的差异， 特别是轮轨黏着极限时，轮对及机车系统存在较特殊的动力学问题，对此展开研究， 有助于理解机车驱动工况动态行为，对开发机车黏着控制技术和驱动系统起到铺垫作 用。 1 1 3 国内外机车黏着控制技术发展 机车的黏着及其控制是一个多学科交叉和融合的领域，涉及自动控制、信号处理、 机电一体化、轮轨接触、多体动力学等学科【2 引。目前，普遍采用在机车上安装黏着控 制系统的方法来提高黏着利用，有效发挥机车牵引力。然而，机车的黏着性能与许多 因素有关，如钢轨表面状态、机车的运行速度、轴重及轴重转移、车轮直径、坡度等 等。因此机车黏着控制方法的研究是一项十分重要而且复杂的工作【2 9 1 。 机车黏着控制包括再黏着控制和优化黏着控制。再黏着控制丰要目的在于把牵引 力工作点从黏滑特性曲线不稳定区拉回到稳定区，而优化黏着控制则是使工作点在稳 定区更接近峰值点，从而实现充分利用黏着力。国内外相关资料表明，最成熟黏着控 制是黏着再恢复控制，比较典型的是法国采用微处理器的f a i v e l e ya e f8 3 p 型防空 转滑行装置【j 。 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 i s 目前，我国机车黏着控制理论和技术的研究还处于初步阶段，国内大量应用的电 传动内燃机车均未安装黏着控制装置，当出现雨、雪等不良天气条件时，或由于轨面 污染使黏着系数降低时，空转、打滑现象极为严重【3 1 】。通常情况下，司机只能凭借已 有的经验进行操作，通过及时适量的撒砂或改变运行工况来防止车轮空转和打滑。这 种单凭人为判断进行操作的方法既不安全也不经济。机车黏着控制装置还是以引进为 主，例如：g e 公司的n d 5 型机车再黏着控制装置，g m 公司的机车s d 5 0 黏着控制装 置，法国f a i v e l e y 研制的8 k 型电力机车再黏着控制装置。日本6 k 型再黏着控制装 置以及德国k m 公司的黏着控制装置。其中，现已成为我国丰型机车之一的s s 3 b 型 机车几乎集中了国际8 0 年代中后期交直流型机车控制的主要技术成果，性能大为完善， 但黏着控制系统只能实现架控，采用较为简单的校正型( 再黏着) 控制技术，仅仅是在发 牛空转时能迅速地降低牵引力。这种方法黏着工作点常常远离黏着峰值点，黏着利用 率较低。校正型黏着控制系统通过各动轮间的线速度差v 以及每个动轮的线加速度差 d v d t ，甚至加速度微分值d 2 v a 2 t 来判断其空转程度，当动轮牵引力一旦超过黏着值， 空转或空转趋势达到一定程度的时候，则快速并深度削减动轮驱动转矩，使空转得到 强烈的抑制；进入再黏着恢复区后，又迅速恢复牵引力；当回升到空转前转矩的8 5 一 9 0 时，再以缓慢速率增长，以便寻找下一个黏着极限点，用这样短时超越黏着最大 值，又不让空转发展的简单方法，使轮轨经常运用在高黏着区。而每次校正削减造成 的牵引力损失都应该尽量减小。然而由于校正型系统对边界条件的设定要求较严格， 因此在未进行大量实验研究基础上调定的参数有可能影响机车的牵引性能发挥，甚至 影响机车的正常运行。 美国g m 公司的超级系列是较早期的控制型黏着控制装置，它是利用安装在机车 底部的分米波无线电雷达，经过一个较复杂的频谱分析的数据处理系统，得到精度1 以内的机车平移速度，再将每个轮对的转速与之比较，得出滑动率值，并根据各电动 机电流( 相当于轮轨驱动力) ，测量出蠕滑特性梯度，并判断是接近还是离开最大黏着值， 通过快速但幅度较小的牵引力校正使轮对接近最大黏着值，又不超越到大空转的不稳 定区。只有当轨面黏着突然大幅度降低才会产牛深度减载一次。虽然系统较复杂，但 平均黏着利用比前者还可提高1 0 一2 0 ，而且大大减少了深度减载的频率。这样一 来，使之有可能用于较集中的动力控制。但在低速起动以及大雪天气，雷达测速精度 太差，仍须用校正系统作后备。它由于能够使系统电流趋于最大化，从而能自动为机 车寻找黏着系数滑动率曲线的峰值，即使在潮湿的轨面上也可以获得较高的黏着利用。 美围g e 公司从1 9 7 2 年，至今已经研制和开发了六代黏着控制系统，实用黏着系 数从0 1 8 上升到0 3 5 ，增长了9 5 。目前g e 公司已经能够做到使每一轮对都能达到 它的最大黏着发挥能力，并且能够在黏着系数连续变化的瞬时基础上确定黏着系数， 从而可以依据瞬时黏着系数来给定机车的牵引力或转矩，因而可以维持牵引力和黏着 力之间的平衡，最大化地利用轮轨黏着力。 随着电子、微电子工业的发展以及测量技术、控制技术的不断进步，控制装置在 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 检测精度、控制性能和可靠性方面都得到显著提高。目前黏着控制装置己经从早期最 简单的防空转继电器发展到以采用高性能的1 6 位或3 2 位微处理器为核心，并采用模 块化设计可独立运行也可与其它机车控制单元协调工作的黏着控制系统；控制思想从简 单的通断控制经过蠕滑校正，发展为连续的蠕滑控制；黏着控制装置的意义也从简单的 防空转、防滑行扩大到最佳利用轮轨间的黏着，充分发挥轮周牵引力，并同时防止空 转和滑行以及由此带来的车轮、钢轨或驱动部件的损坏。对于轮轨防滑控制研究，意 大利的r r i z z o 对铁路牵引中发牛的车轮滑行现象进行分析，找到一种间接识别轮轨蠕 滑力的方法，并在实验室中按比例缩小的e 4 0 2 电力机车模型上得到验证，优化了传统 的基于标量或矢量的蠕滑控制算法【3 引。澳大利亚昆士南大学的s s e n i n i 研究了牵引电 动机应用控制策略和控制技术时，轮轨间相互作用的动态特性。其包括了牵引电动机、 控制器及轮轨黏着特性的相互影响而产牛的车轮滑动回旋及动轮滚动圆直径差异对电 机的作用【”】。日本y a m a s h i t a 等开发了无需速度传感器的黏着控制方法 3 4 - 3 5 j 。 1 2 本论文的主要工作 机车驱动动力学研究涉及到机械、力学、电机学、电气传动及控制、自动控制、 检测和信号处理等领域，是一个多学科交叉研究课题。机车驱动动力学研究相对于车 辆系统动力学研究而言，最大的不同点在于轮轨黏着特性，不考虑牵引制动工况的车 辆系统动力学研究范畴内的轮轨滑动率基本处于轮轨黏滑特性曲线的线性斜率段，驱 动动力学研究中需要考虑轮轨黏着的饱和以及黏滑特性曲线的负斜率特性。经典的蠕 滑力计算模型中当滑动率增加到一定数值时，黏着饱和而蠕滑力为一恒定值，而实际 运用经验及试验结果表明，当滑动率大于临界滑动率值后，亦即车轮有较大的宏观滑 动量时，轮轨黏着系数下降，即黏着负斜率特性，驱动动力学研究中最重要一点就是 研究轮轨负斜率特性引起机车传动系统一系列的动态行为。另外，机车驱动系统包括 电气传动系统及机械传动系统，驱动动力学研究需要考虑到电气传动系统与机械结构 的动态耦合作用，电机的机械特性、电气及机械时间常数、以及电机调速控制方法对 传动系统的动态响应都有影响。由于黏着负斜率特性引起黏着不稳定的特点，即车轮 的持续打滑与空转，需要采用控制手段使轮轨黏着处于稳定的黏着状态，因此，对于 黏着极限态的机车动态行为研究需要考虑到黏着控制行为，建立机械、电气和控制一 体化的机车动力学模型进行研究。 本文的研究路线如图l 所示，分别利用简化模型进行基础理论研究和利用商业软 件建立机电、控制一体化的列车动力学仿真的虚拟样机平台进行研究，二者都考虑到 轮轨黏着负斜率特性。简化模型建立简化的单轮对驱动系统模型，通过自编程序进行 求解计算，对