[发明专利]一种重载机车多级空转故障检测方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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T_m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＝T_L，θ为电机位移角，ω为电机转速，其中仅x₁是可测的，T_L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κ_i(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