一种重载机车多级空转故障检测方法与流程

本发明属于重载机车技术领域，尤其涉及一种重载机车多级空转故障检测方法。

背景技术：

在重载机车运输研究中，机车前进的动力依赖于动轮和钢轨接触面上的粘着力。而粘着力的产生需要轮轨之间保持粘着的状态，由于受到雨、雪等自然环境影响，当机车的牵引力大于轮轨面所能提供的最大粘着力时，轮轨间的粘着状态被破坏，轮对部分或全部失去牵引力从而空转，机车也从稳定运行变为不稳定运行。

空转故障分级，是实现机车多级粘着控制的前提。空转发生时，总伴随着轮对角速度快速增加等先兆。根据空转现象，对其进行等级的划分。系统在检测到不同等级的空转故障后，通过不同的保护措施恢复轮轨面的粘着状态。在空转程度较低时，能够提高粘着利用率，充分利用牵引力。在空转程度较大时，能够及时遏制空转发展，使轮对迅速恢复粘着，避免造成更严重的轮轨擦伤。

能及时检测出机车临界空转故障，是机车健康稳定运行的保障。虽然此时轮轨表面上还处于正常的粘着状态，但这种状态极其不稳定，很可能会发展为宏观空转。而且，这种状态与正常的粘着状态相近，机车运行状态未发生明显变化，因此很难检测，而现有检测方法中也还未存在有效对临界微观故障检测研究。

现有空转检测方法中主要有基于机理建模和基于数据统计建模的方法。速度法、角加速度法、蠕滑率法等通过机理建模的方法是机车中常用的方法。这些方法简单易于实现，但也存在一些缺陷，而且只能在空转故障发生后才能发出信号。在基于数据统计建模方面，国内外学者也取得了一系列的粘着动态建模理论成果。但这些模型考虑的影响因素比较单一，而且计算速度较慢。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的缺点，提供了一种能及时检测空转故障，并根据不同空转现象划分故障等级的方法。

本发明的技术方案如下：

一种重载机车多级空转故障检测方法，首先通过对机车粘着特性曲线分析，将空转等级分类；其次根据粘着特性曲线工作点变化，采用轮对角加速度a、牵引力矩导数和粘着系数导数的组合做为判据，对机车空转等级进行检测并分类，所述轮对角加速度、牵引力矩导数和粘着系数导数的组合包括轮对角加速度a、牵引力矩导数和粘着系数导数和粘着系数导数与牵引力矩导数之比

进一步地，所述空转等级包括飞速空转、缓慢空转和微观空转。

更具体的，所述微观空转，这是一种临界现象，一旦轨面粘着系数稍有减小，或者牵引力稍有增加，就可能发展为宏观空转，机车运行状态在稳定区这是出现宏观空转的一种先兆，应该在出现这种现象时立即采取预防空转的措施；

所述缓慢空转，由于在轨面条件不佳，粘着系数瞬间减小，或者是由于速度的增加造成粘着系数的降低而引起的，是一种非常危险的空转现象；如果使用加速度作为空转判据，是不容易识别的，因为它的加速度常常在预设值之下。

所述飞速空转，是一种由轨面污染引起的典型的空转现象。这时候轨面自然粘着条件非常差，粘着系数很低；造成机车牵引力迅速中断，车轴以固有频率开始振动。这种飞速空转的现象多发生在坡道上起动时。

进一步地，所述牵引力矩导数通过对牵引转矩tm微分运算求得，具体包括以下步骤：根据单位周期输入转矩的差值，牵引力矩导数

进一步地，所述粘着系数导数通过设计及级联滑模观测器得到，具体包括以下计算步骤：选取状态变量；x1＝θ，x2＝ω，x3＝tl，θ为电机位移角，ω为电机转速，其中仅x1是可测的，tl为电机负载转矩，假设为有界变量。可得如下状态方程：

y＝x1(2)

对式(1)描述的对象，且仅x1是可测的，针对的情况，设计如下级联滑模观测器对负载转矩导数进行观测：

其中滑模控制项为

式中，是x1，x2，x3的观测值，κ1，κ2，κ3为待设计常数，sgn(·)为符号函数；

对于任何初始条件x0∈rⁿ，对系统式(1)构造观测器式(3)，都能确定足够大的正常数κi(i＝1,2,3)，使得负载转矩导数的观测值为

从而获取粘着系数的导数

进一步地，所述轮对角加速度a，具体包括以下计算步骤：根据单位周期轮对速度的差值，得到轮对角加速度a。

更进一步地，所述的重载机车多级空转故障检测方法，

首先对角加速度进行阈值判定：

机车运行过程中，首先对轮对角加速度进行判定，若角加速度大于判定阈值，则机车此时飞速空转,若角加速度在阈值范围内，则对的符号进行判别。

若为0，则继续对的符号进行判别，则机车处于稳定运行状态；则机车处于缓慢空转运行状态；变为则机车处于微观空转。

若不为0，则继续对的符号进行判别，则机车处于稳定运行状态；则机车处于缓慢空转运行状态；至瞬间，机车属于微观空转状态；至机车恢复粘着。

更具体的，包括以下步骤：

第一步.首先获取机车轮对角加速度，将轮对角加速度与预设判定阈值进行

比较；

第二步.根据第一步的比较结果，判定是否继续对的符号进行判别；

第一种情况.若角加速度大于判定阈值，则判定机车此时飞速空转，无需继

续对的符号进行判别，判定过程终止；

第二种情况.若角加速度在判定阈值内，则对的符号进行判别；

第三步.根据步骤s22的判定结果，判定是否继续对是否为零进行判别；

第一种情况.若为0，则继续对的符号进行判别；

第二种情况.若不为0，则继续对的符号进行判别；

第四步.根据第三步中第一种情况的判定结果,将的符号分为以下情况：

若则机车处于稳定运行状态；

若则机车处于缓慢空转运行状态；

若变为则机车处于微观空转；

第五步.根据第三步中第二种情况的判定结果，将的符号分为以下情况：

若则机车处于稳定运行状态；

若则机车处于缓慢空转运行状态；

由至瞬间，机车属于微观空转状态；

由至机车恢复粘着。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用粘着系数导数作为判据，对空转的发生具有预判功能；

2.对机车轮对空转进行多级故障检测，能够指导机车粘着系统对牵引转矩的多级调节，避免了使用机车车体速度信号，大大提高了算法的可靠性；该方法法结构简单，易于实现。

3.本发明方法在检测到不同等级的空转故障，能够有效对照相应保护措施恢复轮轨面的粘着状态。并且在空转程度较低时，能够提高粘着利用率，充分利用牵引力；在空转程度较大时，能够及时遏制空转发展，使轮对迅速恢复粘着，避免造成更严重的轮轨擦伤。对还未发生宏观空转，但已存在故障隐患的情况，能够预判空转的发生，使得机车健康稳定运行。

附图说明

图1为粘着特性曲线及其工作点动态图；

图2为多级空转故障检测方法判定流程示意图；

图3为仿真1电机转矩示意图；

图4为仿真1粘着系数示意图；

图5为仿真1为角加速度判断示意图；

图6(a)为仿真1判定示意图；

图6(b)为仿真1判定放大示意图；

图7为仿真2电机转矩示意图；

图8为仿真2粘着系数示意图；

图9为仿真2粘着系数导数示意图；

图10为仿真2角加速度判定示意图；

图11(a)为仿真2判定示意图；

图11(b)为仿真2判定放大示意图；

图12为仿真3电机转矩示意图；

图13为仿真3粘着系数示意图；

图14为仿真3角加速度判定示意图；

图15(a)为仿真3判定示意图；

图15(b)为仿真3判定放大示意图；

图16为仿真4电机转矩示意图；

图17为仿真4粘着系数示意图；

图18为仿真4角加速度判定示意图；

图19为仿真4判定示意图；

图20为仿真4判定放大示意图；

图21为仿真5电机转矩示意图；

图22为仿真5粘着系数示意图；

图23为仿真5角加速度判断示意图；

图24(a)为仿真5判定示意图；

图24(b)为仿真5判定放大示意图；

图25对比例速度差示意图；

图26对比例角加速度示意图。

具体实施例

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，根据粘着特性曲线，在峰值点的左侧，即稳定区有dμ/dvs>0，在峰值点的右侧，即空转区有dμ/dvs<0；由于机车的车体速度在工程上极难获取，因此很难识别dμ/dvs的符号，从而很难获取机车的运行状态；如下公式，的符号并不等效于的符号，因此，尽管μ表征了轮轨面粘着利用的状况，但并不能利用来识别轮对的运行状况。

根据牵引变化情况，在机车车体速度未知的情况下，分别讨论了机车空转检测的方法。

(1)tm变化，此时机车牵引力改变，

a.即随着机车输出转矩增大，蠕滑速度增大，而粘着系数增大，说明机车处于稳定区并趋向最大粘着点(a-b)，属于正常行驶；

b.即随着机车输出转矩增大，蠕滑速度增大，而粘着系数减少，说明机车处于空转区，并趋向严重(b-c)，应当削减转矩；

c.即随着机车输出转矩减小，蠕滑速度减小，而粘着系数增大，说明机车处于空转区，并趋向于恢复粘着(c-b)；

d.即随着机车输出转矩减小，粘着系数减小，有两种情况：

①机车处于稳定状态，电机输出转矩减小，蠕滑速度减小，粘着系数减小，此时电机转矩削减过头(b-a)，应当停止削减转矩；

②机车处于空转状态，此时虽然电机转矩减小，但是不足以恢复粘着，蠕滑速度继续增大,属于深度空转(b-c),是系统不允许出现的，虽然此时但是此时机车空转已经很严重了，通过角加速度的方法可以很容易的判别出来。

(2)tm不变，即机车的牵引力不变。

a.机车稳定运行时，运行轨面从干燥切换到潮湿，此时轨面提供的最大粘着力小于牵引力，当出现则机车运行到空转区,超过角加速度阈值则说明机车飞速空转。

b.tm不变，但是牵引力大于当前轨面所能提供的最大粘着力，机车空转,超过角加速度阈值则说明机车飞速空转。

如图2所示，机车运行过程中，首先对轮对角加速度进行判定，若角加速度大于判定阈值，则机车此时飞速空转,若角加速度在阈值范围内，则对进行判别。

若为0，则继续对的符号进行判别，则机车处于稳定运行状态；则机车处于缓慢空转运行状态。

若不为0，则继续对的符号进行判别，则机车处于稳定运行状态；则机车处于缓慢空转运行状态；至瞬间机车临界振荡空转；至机车恢复粘着。

此时，根据角加速度来判断机车是否飞速空转，而不是作为空转发生的检测判据；当牵引力大于轨面能提供的最大粘着力时，机车运行状态从稳定区进入到空转区，或者的符号发生改变，因此以0作为边界进行判断，当或者从负数变为正数的瞬间，属于临界振荡空转，具有预判功能，而在飞速空转之前属于缓慢空转。

实施例2

结合仿真实验对本发明的应用效果作详细的描述。

针对轮对多级空转故障的检测，利用matlab/simulink建立单轴机仿真模型进行验证。

仿真1、如图3所示，输入转矩初始值为0，然后以2000n·m/s的幅度增大，从图4看到，粘着系数在4.2s之前增加，4.2s之后就减少了。如图6判定图所示，1为空转，0为稳定，在4.2s时，从0切换到1，机车微观空转，然后机车缓慢空转,粘着系数减少。而图5角加速度判图也说明了在4.3s时机车已经飞速空转。

仿真2、如图7所示为输入转矩，初始值为8000n·m，然后持续减小，如图8所示为粘着系数，刚开始粘着系数在减小，随着输入转矩的减小，粘着系数持续增大直到最大值，然后再继续减小。如图10角加速度判断图所示，机车并没有飞速空转，而从判定图可知，机车在6.65s-6.76s这一段时间内，工作在缓慢空转区，然后随着输入转矩的减小，机车从空转区拉回至最大粘着点，并继续拉回至稳定区恢复粘着。

仿真3、如图12所示为输入转矩，初始值为8800n·m，然后以2000n·m/s的幅度减小，如图13为粘着系数，输入转矩在减小，然而机车还是很快就进入到空转区，直到完全空转。此时判定结果为0，而角加速度判断为1，说明此时机车已经飞速空转，输入转矩的减小已经不足以让机车恢复粘着。

仿真4、如图16所示，tm为6500n·m，并保持不变，轨面在2.5s从干燥切换到潮湿，如图17所示为粘着系数，粘着系数在2.5s明显下降，大概在2.51s时进入到空转区，如图19判定图所示，判定结果在2.51s时从0变为1，机车微观空转，之后机车缓慢空转,而角加速度判断图说明机车在2.56s时飞速空转。

仿真5、如图21所示，输入转矩tm为8800n·m保持不变，轨面为干燥轨面，此时牵引力大于轨面所能提供的最大粘着力，如图22所示为粘着系数，机车很快运行至空转区，如图23判定图所示，在0.2s时从0变为1，说明机车微观空转，然后机车缓慢空转,而角加速度判断图说明机车0.24s飞速空转。

对比例

速度差、角加速度法是目前机车上常用的空转检测方法，但是这些方法对阈值要求很高，需要反复试验，不具备理论的支持条件，而且只能在空转现象发生后才能发出故障信号；

为了与本发明所提供的检测方法进行对比，仿真设置机车工作情景与实施例2中1的一样，输入转矩初始值为0，然后以2000n·m/s的幅度增大。刚开始机车处于粘着状态。随着牵引力逐渐增大，当牵引力大于最大粘着力时，机车空转，如图25速度差图和图26角加速度图所示，很难找到一个合适的阈值，在空转发生的瞬间就判断出来，只能在空转发生一段时间后进行判断。而实施例2判定结果图不仅能准确的检测空转发生的趋势，更是对空转现象进行不同等级的检测。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护之内。