一種重載機(jī)車多級空轉(zhuǎn)故障檢測方法與流程

本發(fā)明屬于重載機(jī)車技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種重載機(jī)車多級空轉(zhuǎn)故障檢測方法。

背景技術(shù)：

在重載機(jī)車運(yùn)輸研究中，機(jī)車前進(jìn)的動力依賴于動輪和鋼軌接觸面上的粘著力。而粘著力的產(chǎn)生需要輪軌之間保持粘著的狀態(tài)，由于受到雨、雪等自然環(huán)境影響，當(dāng)機(jī)車的牽引力大于輪軌面所能提供的最大粘著力時，輪軌間的粘著狀態(tài)被破壞，輪對部分或全部失去牽引力從而空轉(zhuǎn)，機(jī)車也從穩(wěn)定運(yùn)行變?yōu)椴环€(wěn)定運(yùn)行。

空轉(zhuǎn)故障分級，是實(shí)現(xiàn)機(jī)車多級粘著控制的前提?？辙D(zhuǎn)發(fā)生時，總伴隨著輪對角速度快速增加等先兆。根據(jù)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，對其進(jìn)行等級的劃分。系統(tǒng)在檢測到不同等級的空轉(zhuǎn)故障后，通過不同的保護(hù)措施恢復(fù)輪軌面的粘著狀態(tài)。在空轉(zhuǎn)程度較低時，能夠提高粘著利用率，充分利用牽引力。在空轉(zhuǎn)程度較大時，能夠及時遏制空轉(zhuǎn)發(fā)展，使輪對迅速恢復(fù)粘著，避免造成更嚴(yán)重的輪軌擦傷。

能及時檢測出機(jī)車臨界空轉(zhuǎn)故障，是機(jī)車健康穩(wěn)定運(yùn)行的保障。雖然此時輪軌表面上還處于正常的粘著狀態(tài)，但這種狀態(tài)極其不穩(wěn)定，很可能會發(fā)展為宏觀空轉(zhuǎn)。而且，這種狀態(tài)與正常的粘著狀態(tài)相近，機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)未發(fā)生明顯變化，因此很難檢測，而現(xiàn)有檢測方法中也還未存在有效對臨界微觀故障檢測研究。

現(xiàn)有空轉(zhuǎn)檢測方法中主要有基于機(jī)理建模和基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)建模的方法。速度法、角加速度法、蠕滑率法等通過機(jī)理建模的方法是機(jī)車中常用的方法。這些方法簡單易于實(shí)現(xiàn)，但也存在一些缺陷，而且只能在空轉(zhuǎn)故障發(fā)生后才能發(fā)出信號。在基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)建模方面，國內(nèi)外學(xué)者也取得了一系列的粘著動態(tài)建模理論成果。但這些模型考慮的影響因素比較單一，而且計(jì)算速度較慢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供了一種能及時檢測空轉(zhuǎn)故障，并根據(jù)不同空轉(zhuǎn)現(xiàn)象劃分故障等級的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種重載機(jī)車多級空轉(zhuǎn)故障檢測方法，首先通過對機(jī)車粘著特性曲線分析，將空轉(zhuǎn)等級分類；其次根據(jù)粘著特性曲線工作點(diǎn)變化，采用輪對角加速度a、牽引力矩導(dǎo)數(shù)和粘著系數(shù)導(dǎo)數(shù)的組合做為判據(jù)，對機(jī)車空轉(zhuǎn)等級進(jìn)行檢測并分類，所述輪對角加速度、牽引力矩導(dǎo)數(shù)和粘著系數(shù)導(dǎo)數(shù)的組合包括輪對角加速度a、牽引力矩導(dǎo)數(shù)和粘著系數(shù)導(dǎo)數(shù)和粘著系數(shù)導(dǎo)數(shù)與牽引力矩導(dǎo)數(shù)之比

進(jìn)一步地，所述空轉(zhuǎn)等級包括飛速空轉(zhuǎn)、緩慢空轉(zhuǎn)和微觀空轉(zhuǎn)。

更具體的，所述微觀空轉(zhuǎn)，這是一種臨界現(xiàn)象，一旦軌面粘著系數(shù)稍有減小，或者牽引力稍有增加，就可能發(fā)展為宏觀空轉(zhuǎn)，機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)在穩(wěn)定區(qū)這是出現(xiàn)宏觀空轉(zhuǎn)的一種先兆，應(yīng)該在出現(xiàn)這種現(xiàn)象時立即采取預(yù)防空轉(zhuǎn)的措施；

所述緩慢空轉(zhuǎn)，由于在軌面條件不佳，粘著系數(shù)瞬間減小，或者是由于速度的增加造成粘著系數(shù)的降低而引起的，是一種非常危險的空轉(zhuǎn)現(xiàn)象；如果使用加速度作為空轉(zhuǎn)判據(jù)，是不容易識別的，因?yàn)樗募铀俣瘸３Ｔ陬A(yù)設(shè)值之下。

所述飛速空轉(zhuǎn)，是一種由軌面污染引起的典型的空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這時候軌面自然粘著條件非常差，粘著系數(shù)很低；造成機(jī)車牽引力迅速中斷，車軸以固有頻率開始振動。這種飛速空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象多發(fā)生在坡道上起動時。

進(jìn)一步地，所述牽引力矩導(dǎo)數(shù)通過對牽引轉(zhuǎn)矩tm微分運(yùn)算求得，具體包括以下步驟：根據(jù)單位周期輸入轉(zhuǎn)矩的差值，牽引力矩導(dǎo)數(shù)

進(jìn)一步地，所述粘著系數(shù)導(dǎo)數(shù)通過設(shè)計(jì)及級聯(lián)滑模觀測器得到，具體包括以下計(jì)算步驟：選取狀態(tài)變量；x1＝θ，x2＝ω，x3＝tl，θ為電機(jī)位移角，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速，其中僅x1是可測的，tl為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，假設(shè)為有界變量。可得如下狀態(tài)方程：

y＝x1(2)

對式(1)描述的對象，且僅x1是可測的，針對的情況，設(shè)計(jì)如下級聯(lián)滑模觀測器對負(fù)載轉(zhuǎn)矩導(dǎo)數(shù)進(jìn)行觀測：

其中滑?？刂祈?xiàng)為

式中，是x1，x2，x3的觀測值，κ1，κ2，κ3為待設(shè)計(jì)常數(shù)，sgn(·)為符號函數(shù)；

對于任何初始條件x0∈rⁿ，對系統(tǒng)式(1)構(gòu)造觀測器式(3)，都能確定足夠大的正常數(shù)κi(i＝1,2,3)，使得負(fù)載轉(zhuǎn)矩導(dǎo)數(shù)的觀測值為

從而獲取粘著系數(shù)的導(dǎo)數(shù)

進(jìn)一步地，所述輪對角加速度a，具體包括以下計(jì)算步驟：根據(jù)單位周期輪對速度的差值，得到輪對角加速度a。

更進(jìn)一步地，所述的重載機(jī)車多級空轉(zhuǎn)故障檢測方法，

首先對角加速度進(jìn)行閾值判定：

機(jī)車運(yùn)行過程中，首先對輪對角加速度進(jìn)行判定，若角加速度大于判定閾值，則機(jī)車此時飛速空轉(zhuǎn),若角加速度在閾值范圍內(nèi)，則對的符號進(jìn)行判別。

若為0，則繼續(xù)對的符號進(jìn)行判別，則機(jī)車處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；則機(jī)車處于緩慢空轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)；變?yōu)?imgfile="bda00013340870400000316.gif"wi="149"he="102"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>則機(jī)車處于微觀空轉(zhuǎn)。

若不為0，則繼續(xù)對的符號進(jìn)行判別，則機(jī)車處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；則機(jī)車處于緩慢空轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)；至瞬間，機(jī)車屬于微觀空轉(zhuǎn)狀態(tài)；至機(jī)車恢復(fù)粘著。

更具體的，包括以下步驟：

第一步.首先獲取機(jī)車輪對角加速度，將輪對角加速度與預(yù)設(shè)判定閾值進(jìn)行

比較；

第二步.根據(jù)第一步的比較結(jié)果，判定是否繼續(xù)對的符號進(jìn)行判別；

第一種情況.若角加速度大于判定閾值，則判定機(jī)車此時飛速空轉(zhuǎn)，無需繼

續(xù)對的符號進(jìn)行判別，判定過程終止；

第二種情況.若角加速度在判定閾值內(nèi)，則對的符號進(jìn)行判別；

第三步.根據(jù)步驟s22的判定結(jié)果，判定是否繼續(xù)對是否為零進(jìn)行判別；

第一種情況.若為0，則繼續(xù)對的符號進(jìn)行判別；

第二種情況.若不為0，則繼續(xù)對的符號進(jìn)行判別；

第四步.根據(jù)第三步中第一種情況的判定結(jié)果,將的符號分為以下情況：

若則機(jī)車處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；

若則機(jī)車處于緩慢空轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)；

若變?yōu)?imgfile="bda00013340870400000421.gif"wi="151"he="102"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>則機(jī)車處于微觀空轉(zhuǎn)；

第五步.根據(jù)第三步中第二種情況的判定結(jié)果，將的符號分為以下情況：

若則機(jī)車處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；

若則機(jī)車處于緩慢空轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)；

由至瞬間，機(jī)車屬于微觀空轉(zhuǎn)狀態(tài)；

由至機(jī)車恢復(fù)粘著。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1.本發(fā)明采用粘著系數(shù)導(dǎo)數(shù)作為判據(jù)，對空轉(zhuǎn)的發(fā)生具有預(yù)判功能；

2.對機(jī)車輪對空轉(zhuǎn)進(jìn)行多級故障檢測，能夠指導(dǎo)機(jī)車粘著系統(tǒng)對牽引轉(zhuǎn)矩的多級調(diào)節(jié)，避免了使用機(jī)車車體速度信號，大大提高了算法的可靠性；該方法法結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

3.本發(fā)明方法在檢測到不同等級的空轉(zhuǎn)故障，能夠有效對照相應(yīng)保護(hù)措施恢復(fù)輪軌面的粘著狀態(tài)。并且在空轉(zhuǎn)程度較低時，能夠提高粘著利用率，充分利用牽引力；在空轉(zhuǎn)程度較大時，能夠及時遏制空轉(zhuǎn)發(fā)展，使輪對迅速恢復(fù)粘著，避免造成更嚴(yán)重的輪軌擦傷。對還未發(fā)生宏觀空轉(zhuǎn)，但已存在故障隱患的情況，能夠預(yù)判空轉(zhuǎn)的發(fā)生，使得機(jī)車健康穩(wěn)定運(yùn)行。

附圖說明

圖1為粘著特性曲線及其工作點(diǎn)動態(tài)圖；

圖2為多級空轉(zhuǎn)故障檢測方法判定流程示意圖；

圖3為仿真1電機(jī)轉(zhuǎn)矩示意圖；

圖4為仿真1粘著系數(shù)示意圖；

圖5為仿真1為角加速度判斷示意圖；

圖6(a)為仿真1判定示意圖；

圖6(b)為仿真1判定放大示意圖；

圖7為仿真2電機(jī)轉(zhuǎn)矩示意圖；

圖8為仿真2粘著系數(shù)示意圖；

圖9為仿真2粘著系數(shù)導(dǎo)數(shù)示意圖；

圖10為仿真2角加速度判定示意圖；

圖11(a)為仿真2判定示意圖；

圖11(b)為仿真2判定放大示意圖；

圖12為仿真3電機(jī)轉(zhuǎn)矩示意圖；

圖13為仿真3粘著系數(shù)示意圖；

圖14為仿真3角加速度判定示意圖；

圖15(a)為仿真3判定示意圖；

圖15(b)為仿真3判定放大示意圖；

圖16為仿真4電機(jī)轉(zhuǎn)矩示意圖；

圖17為仿真4粘著系數(shù)示意圖；

圖18為仿真4角加速度判定示意圖；

圖19為仿真4判定示意圖；

圖20為仿真4判定放大示意圖；

圖21為仿真5電機(jī)轉(zhuǎn)矩示意圖；

圖22為仿真5粘著系數(shù)示意圖；

圖23為仿真5角加速度判斷示意圖；

圖24(a)為仿真5判定示意圖；

圖24(b)為仿真5判定放大示意圖；

圖25對比例速度差示意圖；

圖26對比例角加速度示意圖。

具體實(shí)施例

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。其中，附圖僅用于示例性說明，表示的僅是示意圖，而非實(shí)物圖，不能理解為對本專利的限制；為了更好地說明本發(fā)明的實(shí)施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。

實(shí)施例1

如圖1所示，根據(jù)粘著特性曲線，在峰值點(diǎn)的左側(cè)，即穩(wěn)定區(qū)有dμ/dvs>0，在峰值點(diǎn)的右側(cè)，即空轉(zhuǎn)區(qū)有dμ/dvs<0；由于機(jī)車的車體速度在工程上極難獲取，因此很難識別dμ/dvs的符號，從而很難獲取機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)；如下公式，的符號并不等效于的符號，因此，盡管μ表征了輪軌面粘著利用的狀況，但并不能利用來識別輪對的運(yùn)行狀況。

根據(jù)牽引變化情況，在機(jī)車車體速度未知的情況下，分別討論了機(jī)車空轉(zhuǎn)檢測的方法。

(1)tm變化，此時機(jī)車牽引力改變，

a.即隨著機(jī)車輸出轉(zhuǎn)矩增大，蠕滑速度增大，而粘著系數(shù)增大，說明機(jī)車處于穩(wěn)定區(qū)并趨向最大粘著點(diǎn)(a-b)，屬于正常行駛；

b.即隨著機(jī)車輸出轉(zhuǎn)矩增大，蠕滑速度增大，而粘著系數(shù)減少，說明機(jī)車處于空轉(zhuǎn)區(qū)，并趨向嚴(yán)重(b-c)，應(yīng)當(dāng)削減轉(zhuǎn)矩；

c.即隨著機(jī)車輸出轉(zhuǎn)矩減小，蠕滑速度減小，而粘著系數(shù)增大，說明機(jī)車處于空轉(zhuǎn)區(qū)，并趨向于恢復(fù)粘著(c-b)；

d.即隨著機(jī)車輸出轉(zhuǎn)矩減小，粘著系數(shù)減小，有兩種情況：

①機(jī)車處于穩(wěn)定狀態(tài)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，蠕滑速度減小，粘著系數(shù)減小，此時電機(jī)轉(zhuǎn)矩削減過頭(b-a)，應(yīng)當(dāng)停止削減轉(zhuǎn)矩；

②機(jī)車處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時雖然電機(jī)轉(zhuǎn)矩減小，但是不足以恢復(fù)粘著，蠕滑速度繼續(xù)增大,屬于深度空轉(zhuǎn)(b-c),是系統(tǒng)不允許出現(xiàn)的，雖然此時但是此時機(jī)車空轉(zhuǎn)已經(jīng)很嚴(yán)重了，通過角加速度的方法可以很容易的判別出來。

(2)tm不變，即機(jī)車的牽引力不變。

a.機(jī)車穩(wěn)定運(yùn)行時，運(yùn)行軌面從干燥切換到潮濕，此時軌面提供的最大粘著力小于牽引力，當(dāng)出現(xiàn)則機(jī)車運(yùn)行到空轉(zhuǎn)區(qū),超過角加速度閾值則說明機(jī)車飛速空轉(zhuǎn)。

b.tm不變，但是牽引力大于當(dāng)前軌面所能提供的最大粘著力，機(jī)車空轉(zhuǎn),超過角加速度閾值則說明機(jī)車飛速空轉(zhuǎn)。

如圖2所示，機(jī)車運(yùn)行過程中，首先對輪對角加速度進(jìn)行判定，若角加速度大于判定閾值，則機(jī)車此時飛速空轉(zhuǎn),若角加速度在閾值范圍內(nèi)，則對進(jìn)行判別。

若為0，則繼續(xù)對的符號進(jìn)行判別，則機(jī)車處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；則機(jī)車處于緩慢空轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)。

若不為0，則繼續(xù)對的符號進(jìn)行判別，則機(jī)車處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；則機(jī)車處于緩慢空轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)；至瞬間機(jī)車臨界振蕩空轉(zhuǎn)；至機(jī)車恢復(fù)粘著。

此時，根據(jù)角加速度來判斷機(jī)車是否飛速空轉(zhuǎn)，而不是作為空轉(zhuǎn)發(fā)生的檢測判據(jù)；當(dāng)牽引力大于軌面能提供的最大粘著力時，機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)從穩(wěn)定區(qū)進(jìn)入到空轉(zhuǎn)區(qū)，或者的符號發(fā)生改變，因此以0作為邊界進(jìn)行判斷，當(dāng)或者從負(fù)數(shù)變?yōu)檎龜?shù)的瞬間，屬于臨界振蕩空轉(zhuǎn)，具有預(yù)判功能，而在飛速空轉(zhuǎn)之前屬于緩慢空轉(zhuǎn)。

實(shí)施例2

結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)對本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細(xì)的描述。

針對輪對多級空轉(zhuǎn)故障的檢測，利用matlab/simulink建立單軸機(jī)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

仿真1、如圖3所示，輸入轉(zhuǎn)矩初始值為0，然后以2000n·m/s的幅度增大，從圖4看到，粘著系數(shù)在4.2s之前增加，4.2s之后就減少了。如圖6判定圖所示，1為空轉(zhuǎn)，0為穩(wěn)定，在4.2s時，從0切換到1，機(jī)車微觀空轉(zhuǎn)，然后機(jī)車緩慢空轉(zhuǎn),粘著系數(shù)減少。而圖5角加速度判圖也說明了在4.3s時機(jī)車已經(jīng)飛速空轉(zhuǎn)。

仿真2、如圖7所示為輸入轉(zhuǎn)矩，初始值為8000n·m，然后持續(xù)減小，如圖8所示為粘著系數(shù)，剛開始粘著系數(shù)在減小，隨著輸入轉(zhuǎn)矩的減小，粘著系數(shù)持續(xù)增大直到最大值，然后再繼續(xù)減小。如圖10角加速度判斷圖所示，機(jī)車并沒有飛速空轉(zhuǎn)，而從判定圖可知，機(jī)車在6.65s-6.76s這一段時間內(nèi)，工作在緩慢空轉(zhuǎn)區(qū)，然后隨著輸入轉(zhuǎn)矩的減小，機(jī)車從空轉(zhuǎn)區(qū)拉回至最大粘著點(diǎn)，并繼續(xù)拉回至穩(wěn)定區(qū)恢復(fù)粘著。

仿真3、如圖12所示為輸入轉(zhuǎn)矩，初始值為8800n·m，然后以2000n·m/s的幅度減小，如圖13為粘著系數(shù)，輸入轉(zhuǎn)矩在減小，然而機(jī)車還是很快就進(jìn)入到空轉(zhuǎn)區(qū)，直到完全空轉(zhuǎn)。此時判定結(jié)果為0，而角加速度判斷為1，說明此時機(jī)車已經(jīng)飛速空轉(zhuǎn)，輸入轉(zhuǎn)矩的減小已經(jīng)不足以讓機(jī)車恢復(fù)粘著。

仿真4、如圖16所示，tm為6500n·m，并保持不變，軌面在2.5s從干燥切換到潮濕，如圖17所示為粘著系數(shù)，粘著系數(shù)在2.5s明顯下降，大概在2.51s時進(jìn)入到空轉(zhuǎn)區(qū)，如圖19判定圖所示，判定結(jié)果在2.51s時從0變?yōu)?，機(jī)車微觀空轉(zhuǎn)，之后機(jī)車緩慢空轉(zhuǎn),而角加速度判斷圖說明機(jī)車在2.56s時飛速空轉(zhuǎn)。

仿真5、如圖21所示，輸入轉(zhuǎn)矩tm為8800n·m保持不變，軌面為干燥軌面，此時牽引力大于軌面所能提供的最大粘著力，如圖22所示為粘著系數(shù)，機(jī)車很快運(yùn)行至空轉(zhuǎn)區(qū)，如圖23判定圖所示，在0.2s時從0變?yōu)?，說明機(jī)車微觀空轉(zhuǎn)，然后機(jī)車緩慢空轉(zhuǎn),而角加速度判斷圖說明機(jī)車0.24s飛速空轉(zhuǎn)。

對比例

速度差、角加速度法是目前機(jī)車上常用的空轉(zhuǎn)檢測方法，但是這些方法對閾值要求很高，需要反復(fù)試驗(yàn)，不具備理論的支持條件，而且只能在空轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生后才能發(fā)出故障信號；

為了與本發(fā)明所提供的檢測方法進(jìn)行對比，仿真設(shè)置機(jī)車工作情景與實(shí)施例2中1的一樣，輸入轉(zhuǎn)矩初始值為0，然后以2000n·m/s的幅度增大。剛開始機(jī)車處于粘著狀態(tài)。隨著牽引力逐漸增大，當(dāng)牽引力大于最大粘著力時，機(jī)車空轉(zhuǎn)，如圖25速度差圖和圖26角加速度圖所示，很難找到一個合適的閾值，在空轉(zhuǎn)發(fā)生的瞬間就判斷出來，只能在空轉(zhuǎn)發(fā)生一段時間后進(jìn)行判斷。而實(shí)施例2判定結(jié)果圖不僅能準(zhǔn)確的檢測空轉(zhuǎn)發(fā)生的趨勢，更是對空轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行不同等級的檢測。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)之內(nèi)。