一种间谐波影响下的车轮多边形磨损演化计算方法技术

本发明专利技术公开了一种间谐波影响下的车轮多边形磨损演化计算方法，涉及磨损计算技术领域。该方法包括：根据机车电力牵引传动系统的拓扑结构和控制方式推导了间谐波及其产生的脉动转矩的计算公式；基于电力电力牵引传动系统和机车

【技术实现步骤摘要】
一种间谐波影响下的车轮多边形磨损演化计算方法


[0001]本专利技术涉及磨损计算
，具体而言，涉及一种间谐波影响下的车轮多边形磨损演化计算方法。

技术介绍

[0002]长期以来，国内外铁路朝着高速化、重载化方向发展，在此过程中交流牵引传动系统备受青睐。但是随着机车轴重与牵引功率的增加，机车车轮的服役环境急剧恶化。轮轨系统需要在有限的接触面积上传递巨大的牵引力与制动力来控制车辆运行。车轮多边形即车轮半径沿圆周呈现出周期性变化，也叫车轮波磨或车轮谐波磨耗。车轮多边形加剧了车轮
‑
轨道系统的冲击振动，导致机车关键部件产生异常振动和噪声；同时也会加剧机车和轨道关键部件的疲劳失效，如电机悬架、排障器支撑管、一系弹簧等转向架零部件；在极端情况下会引发机车运行安全事故。
[0003]车轮多边形磨损广泛存在于轨道车辆上，但由于车辆系统、轮轨系统的复杂性，车轮多边形受多个因素影响，到目前为止没有统一的理论去解释车轮多边形的形成和发展。现有研究对于车轮多边形的形成机理和发展规律的现有研究主要集中在机械侧，即车辆
‑
轨道动力学方面。在这些研究中，只考虑了轮轨振动等直接因素的影响，未考虑电力牵引传动系统的影响，这与实际的机车运行情况不符。在实际的情况中，由于谐波与间谐波的存在，电力牵引传动系统中输出的转矩中存在大量脉动分量，这些脉动分量可能会激励传动系统共振，最终导致形成车轮多边形磨损。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中车轮多边形磨损计算忽略电气侧参数影响，无法针对实际机车运行中的车轮多边形磨损情况进行有效演算的问题，本专利技术提供一种间谐波影响下的车轮多边形磨损演化计算方法，可准确分析并计算电力牵引传动系统中间谐波对车轮多边形磨损的影响。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]本专利技术提供一种间谐波影响下的车轮多边形磨损演化计算方法，包括以下步骤：
[0007]S1、根据预先确定的机车电力牵引传动系统拓扑结构和控制方式，推导间谐波的计算公式；并根据谐波转矩的产生机理，推导间谐波产生的脉动转矩的计算公式；
[0008]S2、基于预置的电力牵引传动系统模型和机车
‑
轨道耦合动力学模型，建立机电耦合模型，并基于机电耦合模型输出轮轨接触全局动力学响应参数；
[0009]S3、根据机电耦合模型输出的轮轨接触全局动力学响应参数，计算轮轨接触局部动力学响应；
[0010]S4、将轮轨接触局部动力学响应输入至预置的车轮磨耗计算模型中，计算轮轨接触斑内的车轮磨损分布数据；
[0011]S5、根据预设的机车运行里程和迭代计算次数，重复步骤S3和步骤S4，进行迭代计
算，对车轮磨损分布数据进行累计；对每次迭代计算的车轮磨损分布数据进行阶次分析与波长分析，并根据间谐波和脉动转矩的计算公式，分析间谐波与车轮多边形阶次之间的频率关系，实现车轮多边形磨损演化计算。
[0012]本专利技术考虑电力机车牵引传动系统的拓扑结构和控制方法，推导间谐波及其产生的脉动转矩的计算公式；然后基于电力牵引传动系统和机车
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轨道耦合动力学建立传动系统机电耦合模型；根据机电耦合模型中输出的动力学响应求解轮轨接触局部动力学响应，然后采用预设的车轮磨耗计算模型计算轮轨接触斑内的车轮磨耗分布；最后通过迭代计算实现车轮多边形磨损演化计算。本专利技术能够准确计算电力牵引传动系统中间谐波激励下的车轮多边形磨损演化，克服了传统的车轮多边形磨损计算中忽略电气侧参数影响的问题，使得车轮多边形磨损演化更加接近机车实际运行情况。
[0013]进一步地，上述机车电力牵引传动系统拓扑结构包括两电平脉冲整流器、三相全桥结构的逆变器和电机，所述控制方式为双闭环控制方式。
[0014]进一步地，上述步骤S1包括：
[0015]根据两电平脉冲整流器的电路结构和双闭环控制方式，分析得到网测电流中存在多个奇次谐波；
[0016]推导得到网侧电流表示为其中，I
N
为网侧电流幅值，f为网侧电流频率，t为时间，j为自然数；
[0017]多个奇次谐波经两电平脉冲整流器和逆变器被调制为间谐波，根据逆变器的电路结构，推导得出输入到电机的三相电流表示为：
[0018]其中，I
m
为逆变侧三相电流幅值，f0为逆变器基频，k为自然数；
[0019]对上式进行化简，得到电机定子电流中包含的间谐波频率表示为：
[0020]f
IH
＝|(4j
±
1)f
±
(6k
±
1)f0|；
[0021]当间谐波产生的旋转磁场与同步速度同向旋转时，由间谐波导致的振动谐波转矩的频率为|f0‑
f
IH
|；当间谐波产生的旋转磁场与同步速度反向旋转时，由间谐波导致的振动谐波转矩的频率为|f0‑
f
IH
|。
[0022]进一步地，上述步骤S2包括：
[0023]在Matlab/Simulink仿真软件中建立电力牵引传动系统模型，所述电力牵引传动系统模型包括整流器、中间直流环节、逆变器和电机；
[0024]在Simpack多体动力学软件中建立机车
‑
轨道耦合动力学模型，所述机车
‑
轨道耦合动力学模型包括车体动力学子系统、轨道子系统和轮
‑
轨刚柔耦合子系统；
[0025]通过Matlab/Simulink和Simpack的联合仿真接口，基于电力牵引传动系统和机车
‑
轨道耦合动力学模型，建立机电耦合模型，基于该机电耦合模型形成电气侧与机械侧的闭环反馈，实现电气参数与机械参数的实时交互；
[0026]运行该机电耦合模型，以得到间谐波激励下的轮轨接触全局响应参数。
[0027]进一步地，上述基于该机电耦合模型形成电气侧与机械侧的闭环反馈的方法包括：
[0028]基于机电耦合模型，在电力牵引传动系统模型中输出驱动转矩并且施加到机车
‑
轨道耦合动力学模型中的电机轴上，并将机车
‑
轨道耦合动力学模型中的转子速度反馈到电力牵引传动系统模型中的电机控制中，形成电气侧和机械侧的闭环反馈。
[0029]进一步地，上述轮轨接触全局动力学响应参数包括轮轨法向力P
z
，Kalker系数C
11
、C
22
、C
23
，纵向蠕滑率v
x
、横向蠕滑v
y
、自旋蠕滑率接触斑长半轴a、短半轴b。
[0030]进一步地，上述轮轨接触局部动力学响应包括轮轨接触斑内法向力分布和滑动速度分布。
[0031]进一步地，上述步骤S3包括：
[0032]采用Hertz接触理论求解轮轨接触斑内法向力分布，表达式为：
[0033]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种间谐波影响下的车轮多边形磨损演化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据预先确定的机车电力牵引传动系统拓扑结构和控制方式，推导间谐波的计算公式；并根据谐波转矩的产生机理，推导间谐波产生的脉动转矩的计算公式；S2、基于预置的电力牵引传动系统模型和机车
‑
轨道耦合动力学模型，建立机电耦合模型，并基于机电耦合模型输出轮轨接触全局动力学响应参数；S3、根据机电耦合模型输出的轮轨接触全局动力学响应参数，计算轮轨接触局部动力学响应；S4、将轮轨接触局部动力学响应输入至预置的车轮磨耗计算模型中，计算轮轨接触斑内的车轮磨损分布数据；S5、根据预设的机车运行里程和迭代计算次数，重复步骤S3和步骤S4，进行迭代计算，对车轮磨损分布数据进行累计；对每次迭代计算的车轮磨损分布数据进行阶次分析与波长分析，并根据间谐波和脉动转矩的计算公式，分析间谐波与车轮多边形阶次之间的频率关系，实现车轮多边形磨损演化计算。2.根据权利要求1所述的一种间谐波影响下的车轮多边形磨损演化计算方法，其特征在于，所述机车电力牵引传动系统拓扑结构包括两电平脉冲整流器、三相全桥结构的逆变器和电机，所述控制方式为双闭环控制方式。3.根据权利要求2所述的一种间谐波影响下的车轮多边形磨损演化计算方法，其特征在于，所述步骤S1包括：根据两电平脉冲整流器的电路结构和双闭环控制方式，分析得到网测电流中存在多个奇次谐波；推导得到网侧电流表示为其中，I
N
为网侧电流幅值，f为网侧电流频率，t为时间，j为自然数；多个奇次谐波经两电平脉冲整流器和逆变器被调制为间谐波，根据逆变器的电路结构，推导得出输入到电机的三相电流表示为：其中，I
m
为逆变侧三相电流幅值，f0为逆变器基频，k为自然数；对上式进行化简，得到电机定子电流中包含的间谐波频率表示为：f
IH
＝|(4j
±
1)f
±
(6k
±
1)f0|；当间谐波产生的旋转磁场与同步速度同向旋转时，由间谐波导致的振动谐波转矩的频率为|f0‑
f
IH
|；当间谐波产生的旋转磁场与同步速度反向旋转时，由间谐波导致的振动谐波转矩的频率为|f0‑
f
IH
|。4.根据权利要求1所述的一种间谐波影响下的车轮多边形磨损演化计算方法，其特征在于，所述步骤S2包括：在Matlab/Simulink仿真软件中建立电力牵引传动系统模型，所述电力牵引传动系统
模型包括整流器、中间直流环节、逆变器和电机；在Simpack多体动力学软件中建立机车
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轨道耦合动力学模型，所述机车
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轨道耦合动力学模型包括车体动力学子系统、轨道子系统和轮
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轨刚柔耦合子系统；通过Matlab/Simulink和Simpack的联合仿真接口，基于电力牵引传动系统和机车
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轨道耦合动力学模型，建立机电耦合模型，基于该机电耦合模型形成电气侧与机械侧的闭环反馈，实现电气参数与机械参数的实时交互；运行该机电耦合模型，以得到间谐波激励下的轮轨接触...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志刚，鲁兵，潘利科，陈立明，邢彤，宋洋，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：