高速列车轮对的局部蠕滑故障的注入方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了高速列车轮对的局部蠕滑故障的注入方法以及系统，从历史数据中获取高速列车的故障轮对发生不同程度的局部蠕滑故障时的故障轮对的蠕滑故障参数及对应的正常轮对和故障轮对的故障运行参数；根据所述蠕滑故障参数及对应的正常轮对和故障轮对的故障运行数据构建故障注入模型；设置待模拟局部蠕滑故障的故障轮对的蠕滑故障参数，并输入到所述故障注入模型中，在故障注入时刻，将故障注入模型中的待模拟蠕滑故障的模型参数切换成预设的故障轮对的蠕滑故障参数，得到局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对的和/或故障轮对的运行参数，以实现高速列车轮对局部蠕滑故障下正常轮对和故障轮对运行状态的动态模拟/数值求解。

Injection method and system of local creep fault of high speed train wheel set

【技术实现步骤摘要】
高速列车轮对的局部蠕滑故障的注入方法及系统
本专利技术涉及传动控制和计算机仿真
，特别涉及高速列车轮对的局部蠕滑故障的注入方法及系统。
技术介绍
高速列车运行时，列车车轮在轮对电机输出转矩的作用下转动，车轮与钢轨接触处承受到动力车轮对钢轨施加的正压力，由于车轮和钢轨都是弹性体，在轮轨接触处产生弹性变形。在发生弹性形变的轨面上，车轮转动会相对于钢轨出现微小的滑动，称为蠕滑。蠕滑对列车运行十分重要，只有存在蠕滑，才能使车轮转动时在接触面上形成一个黏着牵引力/制动力，是驱动列车前进的唯一动力。其中，蠕滑故障的表现形式是，车轮在接触处产生黏着牵引力/制动力小于轮对电机输出转矩时，车轮发生空转或滑行的现象。因此，蠕滑故障会使故障轮对的车轮与钢轨产生摩擦加剧，降低轮轨使用寿命，严重时会引起列车脱轨。为此，针对蠕滑故障下，改善列车轮轨黏着利用率/牵引/制动性能，缓解轮轨磨损，延长轮轨使用寿命的黏着控制研究受到了广泛关注。然而，随着我国高铁运营里程和运营速度的提升，列车轮对面临着更加恶劣、复杂多变的轮轨关系，这使得高速列车各动力轮对所承受磨损情况的差异更加显著。现有的黏着控制方法仅考虑了列车动力轮对整体发生故障的情况，忽略了列车各动力轮对所处的磨损状态和与钢轨间的黏着状态的差异性，使得现有面向列车整体蠕滑故障下的黏着控制算法对列车动力轮对局部蠕滑故障检测和诊断结果的准确性降低，难以满足列车动力轮对局部发生蠕滑故障下的黏着控制性能的要求。因此，亟需提供一种高速列车轮对的局部蠕滑故障的注入方法与系统，实现高速列车部分动力轮对发生不同程度蠕滑故障的注入/模拟，为高速列车轮对局部蠕滑故障下故障检测、诊断和黏着控制等技术研究，提供安全、可靠和逼真的故障注入与仿真环境。
技术实现思路
本专利技术提供的一种高速列车轮对的局部蠕滑故障的注入方法与系统，解决了现有技术无法对高速列车部分动力轮对发生不同程度蠕滑故障进行故障注入/模拟的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种高速列车轮对的局部蠕滑故障的注入方法，包括以下步骤：从历史数据中获取高速列车轮对发生局部蠕滑故障时高速列车的运行参数及其对应的蠕滑参数；根据所述运行参数及其对应的蠕滑参数构建故障注入模型；所述故障注入模型以待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和故障轮对的电机输出转矩为输入变量，以待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和/或故障轮对的电机机械角速度，以及高速列车的车体速度为输出变量；从待模拟的高速列车轮对的系统仿真模型中获取正常轮对和故障轮对的电机输出转矩，并设置待模拟的高速列车的运行参数及其对应的蠕滑参数，将所述电机输出转矩、运行参数及其对应的蠕滑参数输入至所述故障注入模型中进行计算，以求解所述待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和故障轮对的电机机械角速度，以及高速列车的车体速度。所述运行参数包括第一运行参数、第二运行参数以及第三运行参数，所述第一运行参数包括列车车体质量、列车动力轮对的总数、列车故障轮对的总数、列车运行基本阻力；所述第二运行参数包括正常轮对电机侧的转动惯量、正常轮对车轮侧的转动惯量、正常轮对齿轮箱的传递效率、正常轮对齿轮箱的变比、正常轮对的车轮半径、正常轮对的电机机械角速度、正常轮对的轴重以及正常轮对的蠕滑速度；所述第三运行参数包括故障轮对电机侧的转动惯量、故障轮对车轮侧的转动惯量、故障轮对齿轮箱的传递效率、故障轮对齿轮箱的变比、故障轮对的车轮半径、故障轮对的电机机械角速度、故障轮对的轴重以及故障轮对的蠕滑速度；所述蠕滑参数包括正常轮对的黏着特性曲线的特性参数和故障轮对的黏着特性曲线的特性参数；所述故障注入模型包括用于计算车体速度的第一故障模型、用于计算正常轮对的电机机械角速度的第二故障模型以及用于计算故障轮对的电机机械角速度的第三故障模型；其中，所述第一故障模型为：式中，M为列车车体质量；vt为车体速度；N为列车动力轮对的总数；m为列车故障轮对的总数；Fsn为单个正常轮对的输出牵引力；Fsf_i为第i个故障轮对的输出牵引力；Fd为列车运行基本阻力；其中，Fd＝M·g·(a+b·vt+c·vt2)，a、b和c均为列车运行基本阻力的拟合系数。所述第二故障模型为：Fsn＝μn(vsn)·Wn·g；μn＝fn·exp(-dn·vsn)-hn·exp(-en·vsn)；式中，Jmn为正常轮对电机侧的转动惯量；Jdn为正常轮对车轮侧的转动惯量；ηn为正常轮对齿轮箱的传递效率；Rgn为正常轮对齿轮箱的变比；rn为正常轮对的车轮半径；ωmn为正常轮对的电机机械角速度；Tmn为正常轮对的电机输出转矩；μn(vsn)为正常轮对的粘着系数，其数值与vsn有关，vsn为正常轮对的蠕滑速度；vdn为正常轮对车轮侧轮周速度；Wn为单个正常轮对的轴重；g为重力加速度；dn、en、fn和hn分别为正常轮对黏着特性曲线的第一特性参数、第二特性参数、第三特性参数和第四特性参数，其数值取决于轨道路面情况，参数选择一般是dn＜en；exp(·)为以自然常数为底的指数函数；所述第三故障模型为：Fsf_i＝μf_i(vsf_i)·Wf_i·g；μf_i＝ff_i·exp(-df_i·vsf_i)-hf_i·exp(-ef_i·vsf_i)；式中，Jmf_i为第i个故障轮对电机侧的转动惯量；Jdf_i为第i个故障轮对车轮侧的转动惯量；ηf_i为第i个故障轮对齿轮箱的传递效率；Rgf_i为第i个故障轮对齿轮箱的变比；rf_i为第i个故障轮对的车轮半径；ωmf_i为第i个故障轮对的电机机械角速度；Tmf_i为第i个故障轮对的电机输出转矩；μf_i(vsf_i)为列车第i个故障轮对的粘着系数，其数值与vsf_i有关，vsf_i为第i个故障轮对的蠕滑速度；vdf_i为第i个故障轮对车轮侧轮周速度；Wf_i为第i个故障轮对的轴重；df_i、ef_i、ff_i和hf_i为第i个故障轮对黏着特性曲线的第一特性参数、第二特性参数、第三特性参数和第四特性参数，其数值取决于轨道路面情况，参数选择一般是df_i＜ef_i。优选的，求解所述待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和故障轮对的电机机械角速度，以及高速列车的车体速度：包括以下步骤：将第二运行参数、正常轮对的电机输出转矩以及正常轮对的蠕滑参数输入至第二故障模型中，以得到所述正常轮对的输出牵引力和电机机械角速度；将第三运行参数、故障轮对的电机输出转矩以及故障轮对的蠕滑参数输入至第三故障模型中，以得到所述故障轮对的输出牵引力和电机机械角速度；将所述第一运行参数、正常轮对的输出牵引力和故障轮对的输出牵引力输入至第一故障模型中，以得到待模拟高速列车的车体速度。优选的，还包括以下步骤：设置故障注入时间，在故障注入时间内，采用拉普拉斯变换对第一故障模型、第二故障模型以及第三故障模型进行变换，并迭代求解出在故障注入时间的各个时刻的所述待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和故障轮对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速列车轮对的局部蠕滑故障的注入方法，其特征在于，包括以下步骤：/n从历史数据中获取高速列车轮对发生局部蠕滑故障时高速列车的运行参数及其对应的蠕滑参数；/n根据所述运行参数及其对应的蠕滑参数构建故障注入模型；所述故障注入模型以待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和故障轮对的电机输出转矩为输入变量，以待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和/或故障轮对的电机机械角速度，以及高速列车的车体速度为输出变量；/n从待模拟的高速列车轮对的系统仿真模型中获取正常轮对和故障轮对的电机输出转矩，并设置待模拟的高速列车的运行参数及其对应的蠕滑参数，将所述电机输出转矩、运行参数及其对应的蠕滑参数输入至所述故障注入模型中进行计算，以求解所述待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和故障轮对的电机机械角速度，以及高速列车的车体速度。/n

【技术特征摘要】
1.一种高速列车轮对的局部蠕滑故障的注入方法，其特征在于，包括以下步骤：
从历史数据中获取高速列车轮对发生局部蠕滑故障时高速列车的运行参数及其对应的蠕滑参数；
根据所述运行参数及其对应的蠕滑参数构建故障注入模型；所述故障注入模型以待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和故障轮对的电机输出转矩为输入变量，以待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和/或故障轮对的电机机械角速度，以及高速列车的车体速度为输出变量；
从待模拟的高速列车轮对的系统仿真模型中获取正常轮对和故障轮对的电机输出转矩，并设置待模拟的高速列车的运行参数及其对应的蠕滑参数，将所述电机输出转矩、运行参数及其对应的蠕滑参数输入至所述故障注入模型中进行计算，以求解所述待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和故障轮对的电机机械角速度，以及高速列车的车体速度。


2.根据权利要求1所述的高速列车轮对的局部蠕滑故障的注入方法，其特征在于，所述运行参数包括第一运行参数、第二运行参数以及第三运行参数，所述第一运行参数包括列车车体质量、列车动力轮对的总数、列车故障轮对的总数、列车运行基本阻力；所述第二运行参数包括正常轮对电机侧的转动惯量、正常轮对车轮侧的转动惯量、正常轮对齿轮箱的传递效率、正常轮对齿轮箱的变比、正常轮对的车轮半径、正常轮对的电机机械角速度、正常轮对的轴重以及正常轮对的蠕滑速度；所述第三运行参数包括故障轮对电机侧的转动惯量、故障轮对车轮侧的转动惯量、故障轮对齿轮箱的传递效率、故障轮对齿轮箱的变比、故障轮对的车轮半径、故障轮对的电机机械角速度、故障轮对的轴重以及故障轮对的蠕滑速度；所述蠕滑参数包括正常轮对的黏着特性曲线的特性参数和故障轮对的黏着特性曲线的特性参数；
所述故障注入模型包括用于计算车体速度的第一故障模型、用于计算正常轮对的电机机械角速度的第二故障模型以及用于计算故障轮对的电机机械角速度的第三故障模型；
其中，所述第一故障模型为：



式中，M为列车车体质量；vt为车体速度；N为列车动力轮对的总数；m为列车故障轮对的总数；Fsn为单个正常轮对的输出牵引力；Fsf_i为第i个故障轮对的输出牵引力；Fd为列车运行基本阻力；其中，Fd＝M·g·(a+b·vt+c·vt2)，a、b和c均为列车运行基本阻力的拟合系数；
所述第二故障模型为：



Fsn＝μn(vsn)·Wn·g；
μn＝fn·exp(-dn·vsn)-hn·exp(-en·vsn)；
式中，Jmn为正常轮对电机侧的转动惯量；Jdn为正常轮对车轮侧的转动惯量；ηn为正常轮对齿轮箱的传递效率；Rgn为正常轮对齿轮箱的变比；rn为正常轮对的车轮半径；ωmn为正常轮对的电机机械角速度；Tmn为正常轮对的电机输出转矩；μn(vsn)为正常轮对的粘着系数，其数值与vsn有关，vsn为正常轮对的蠕滑速度；Wn为单个正常轮对的轴重；g为重力加速度；dn、en、fn和hn分别为正常轮对黏着特性曲线的第一特性参数、第二特性参数、第三特性参数和第四特性参数，其数值取决于轨道路面情况，参数选择一般是dn＜en；exp(·)为以自然常数为底的指数函数；
所述第三故障模型为：



Fsf_i＝μf_i(vsf_i)·Wf_i·g；
μf_i＝ff_i·exp(-df_i·vsf_i)-hf_i·exp(-ef_i·vsf_i)；
式中，Jmf_i为第i个故障轮对电机侧的转动惯量；Jdf_i为第i个故障轮对车轮侧的转动惯量；ηf_i为第i个故障轮对齿轮箱的传递效率；Rgf_i为第i个故障轮对齿轮箱的变比；rf_i为第i个故障轮对的车轮半径；ωmf_i为第i个故障轮对的电机机械角速度；Tmf_i为第i个故障轮对的电机输出转矩；μf_i(vsf_i)为列车第i个故障轮对的粘着系数，其数值与vsf_i有关，vsf_i为第i个故障轮对的蠕滑速度；Wf_i为第i个故障轮对的轴重；df_i、ef_i、ff_i和hf_i为第i个故障轮对黏着特性曲线的第一特性参数、第二特性参数、第三特性参数和第四特性参数，其数值取决于轨道路面情况，参数选择一般是df_i<ef_i。


3.根据权利要求2所述的高速列车轮对的局部蠕滑故障的注入方法，其特征在于，求解所述待模拟局部蠕滑故障下的高速列车的正常轮对和故障轮对的电机机...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，桂卫华，高飞，陈志文，阳春华，彭涛，陶宏伟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43