[发明专利]基于热动态数学模型的铁路内燃机车打温调度方法与装置

权利要求书

1.基于热动态数学模型的铁路内燃机车打温调度方法，其特征在于，以冷却水温度为控制对象，建立机车冷却水系统的表征温度变化的热动态数学模型，并结合从机车水温和环境温度的热动态试验数据辨识得到的模型参数，预报每个控温周期的水温变化规律，进而以冬季最低允许冷却水温度为约束条件，以能耗最低为控制目标，给出优化的机车启动控温作业的时间和最大的温升；

基于传热理论，以冷却水温度表征机车的温度，用等效热容量描述机车部件的实际热容量，依机车外形尺寸计算等效散热面积，采用集总参数法，根据瞬时能量平衡关系，建立机车热动态的微分方程模型，并求解出打温升温阶段和降温阶段的温度变化规律分别为

和

其中，ρcV称为等效热容量，J/℃；A，指按照机车外形尺寸计算的等效散热面积，m²；h，等效表面传热系数W/㎡·℃，是考虑到环境空气对流和辐射因素的等效表面传热系数，与当地局部气象条件(风速，温度，阴晴、湿度)有关；T,T_s,T_∞,T_n分别为冷却水温度，设定的机车安全温度、当地环境温度和打温终了温度、℃，τ，自打温开始或降温开始的时间、s；

根据传热理论，机车散热量随机车与周围环境温差的增大而增加，因此，维持机车安全温度的最低能耗Q₀等于机车在安全温度时向环境的散热量，即Q₀＝hA(T_s-T_∞)；但是由于打温周期内，机车温度一定要高于安全温度，所以机车与周围环境的平均温差一定大于T_s-T_∞，导致能耗一定高于最低能耗；通过降低打温过程机车与周围环境的平均温差，能有效降低打温过程的能耗；若怠速打温时的能耗为Q，定义打温能耗比m＝Q/Q₀、时间常数相对温升θ＝(T-T_∞)/(T_s-T_∞)，则根据式(1)和式(2)，从开始打温到n倍时间常数时，即nτ_c，机车水温为

T_n＝T_∞+m(T_s-T_∞)(1-e^-n)+e^-n(T_s-T_∞) (3)

打温结束后，从打温终了温度T_n降低到设定的安全温度T_s所需要的时间为

定义打温周期内水温与环境温度的平均温差根据式(1)、式(2)和式(4)，可以计算出相对平均温差

并进一步可以得出相对平均温差与最大温升的关系为

通过对式(6)的分析可知，相对平均温差与最大温升θ_n可近似为线性递增的关系；因此，通过降低最大温升即可降低平均温差和打温能耗；当打温达到设定最大温升θ_n后，根据式(4)预报从最大相对温升θ_n降低到安全温升θ_s＝1的时间，作为下次打温操作的参考时间；其中，m值在5～20之间；机车安全温度在20℃～30℃之间。

2.根据权利要求1所述的基于热动态数学模型的铁路内燃机车打温调度方法，其特征是，控制打温终了温度T_n在40℃～60℃之间，对应的最大相对温升θ_n在2～3之间；时间常数在18000秒(5小时)～36000秒(10小时)之间。

3.根据权利要求1所述的基于热动态数学模型的铁路内燃机车打温调度方法，其特征是，假设在降温过程中测得了降温过程中一系列时刻的温度T₂(τ)，得到时间常数τ_c：

考虑到机车型号的差异以及气象条件变化对时间常数τ_c会有一定的影响，在实用中可以在机车前一次打温过程中的降温阶段的数据近似预报下一打温周期的时间常数。