一种机车空转保护控制系统及方法

技术领域

本公开属于机车空转控制技术领域，尤其涉及一种机车空转保护控制系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

机车在运行过程中不可避免的会存在空转的现象，具体的，例如，动车组轮轨间黏着的情况往往受到内、外多种因素的影响，且对动车组运行的环境比较敏感，由于轨面的状况随天气、异物等随机变化，导致动车组轮对发生空转的随机性。

发明人在研究中发现，空转后列车带来的冲动感是因为转矩卸载的过慢或转矩恢复的过快导致的，当轮轨黏着恢复时，发生空转的轮对仍然有可能存在较大的牵引力，导致车轮的转速继续增大，列车加速度增加，此时人在列车上的感受就是列车突然加速变快，感受到列车向前冲动。

目前动车组检测到空转后，一般是根据空转的程度，来卸载牵引电机转矩值并维持一定时间来消除空转实现黏着利用，然后逐渐地增加牵引电机的转矩，直到达到由司机手柄给出的牵引电机转矩给定值。但是此方法忽略了在时间上对转矩卸载以及转矩恢复的细化控制，导致空转后进行再黏着控制时列车出现冲动感，严重影响乘客的乘坐体验，对轮轨也会产生较大的磨耗。

因此，需要及时准确的判断出空转趋势，并采取相应的防空转措施，避免空转现象的加剧、恶性化，从而防止因轮对急剧空转所带来的安全隐患。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种机车空转保护控制系统，解决了动车组在下雨多雾等天气下轮轨间的黏着系数降低时，列车频繁发生空转后出现冲动感的问题。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一方面，公开了一种机车空转保护控制系统，包括：牵引控制单元，所述牵引控制单元被配置为与机车牵引执行结构通信，所述牵引控制单元在机车处于空转工作模式时进行再粘着控制，依次调用大小不同的转矩卸载斜率、第一转矩恢复斜率和第二转矩恢复斜率以使所述机车牵引执行结构转矩快速达到给定值，避免空转后的冲动感。

另一方面，公开了一种机车空转保护控制方法，包括：

判断机车是否处于空转工作模式；

可操作地设置机车牵引执行结构的转矩给定值，在机车处于空转工作模式时进行再粘着控制，依次调用大小不同的转矩卸载斜率、第一转矩恢复斜率和第二转矩恢复斜率以使所述机车牵引执行结构转矩快速达到给定值，避免空转后的冲动感。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开技术方案在机车处于空转工作模式时进行再粘着控制，以使所述机车牵引执行结构转矩快速达到给定值，避免空转后的冲动感。

本公开技术方案牵引控制单元在机车处于空转工作模式时进行再粘着控制时，基于机车空转的时间周期，调用不同的转矩卸载和恢复的斜率，以使所述机车牵引执行结构转矩快速达到给定值，在转矩卸载、转矩恢复阶段采用不同的斜率，转矩卸载时，将最大转矩卸载为零，保证空转后转矩的快速卸载，在空转结束后，通过相对缓慢的方式实现转矩恢复，有效的解决了现车空转后有冲动感的问题。

本公开技术方案解决了动车组在下雨多雾等天气下轮轨间的黏着系数降低时，列车频繁发生空转后出现冲动感的问题，提高了牵引电机功率利用率，降低了空转时对轮轨的磨耗，减少了铁路运营的保养维修费用，同时提高了乘客的乘坐体验。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例的系统整体架构图；

图2为本公开实施例的方法整体流程图；

图3为本公开实施例的控制策略示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种机车空转保护控制系统，包括：牵引控制单元及操作控制单元；

牵引控制单元被配置为与机车牵引执行结构通信，所述机车牵引执行结构上安装有至少一个机车速度检测设备，用以判断所述机车是否处于空转工作模式；

操作控制单元被配置为与所述牵引控制单元通信，所述操作控制单元可操作地设置机车牵引执行结构的转矩给定值，所述牵引控制单元在机车处于空转工作模式时进行再粘着控制，以使所述机车牵引执行结构转矩快速达到给定值，避免空转后的冲动感。

在一具体实施例子中，牵引控制单元可以为牵引变流器，也可以为处理器及变流设备的结合，机车牵引执行结构可以为牵引电机或者其他能够提供机车牵引力的设备均可，此处不再列举。

操作控制单元可以为司机控制器，目的在于实现对牵引电机转矩的设定。

具体的，牵引电机的数量可以为4个，每个牵引电机均安装有速度传感器，在机车运行的过程中，利用速度传感器采集得到牵引电机的速度信号，该速度信号传输至牵引变流器，牵引变流器中基于得到的不同牵引电机的速度信号计算得到轮对间速度差、轮对的加速度及加速度的变化率，当均没有超过空转检测阈值时，说明该机车处于正常的工作模式，牵引变流器控制牵引电机的转矩至操作控制单元下发的设定值，机车保持正常的运行状态。

在具体实施例子中，动车组在下雨多雾等天气下轮轨间的黏着系数降低时，轨面的状况随天气、异物等随机变化，牵引变流器中基于得到的不同牵引电机的速度信号计算得到轮对间速度差、轮对的加速度及加速度的变化率，作为机车空转指标，当其中任一一个空转指标超过空转检测阈值后，判断空转的发生。

在具体实施例子中，牵引变流器在空转发生后进行再粘着控制，根据空转的程度，按照转矩卸载斜率削减电动机的转矩值快速为零并维持一定时间，以消除空转。

在具体实施例子中，牵引变流器不断检测牵引电机的速度信号，计算得到轮对间速度差、轮对的加速度及加速度的变化率，当其中任一一个空转指标均没有超过空转检测阈值时，确定空转消失，在空转消失后维持一段时间的目的是确保空转彻底消失。

在一定的时间内，保持电动机转矩不变，如果在电动机转矩不变的时间内未发生空转，则在保持时间结束后，按照第一转矩恢复斜率，逐渐增加电动机转矩，直到达到空转开始时电动机转矩值的85％-90％，之后，按照第二转矩恢复斜率继续增加电动机转矩，直到达到由司机手柄对应的操作控制单元给出的电动机转矩给定值。

需要说明的时，在上述再粘着控制过程中，转矩卸载斜率、第一转矩恢复斜率及第二转矩恢复斜率的大小依次减小，上述斜率的大小选择时所考虑的具体技术因素是：转矩卸载斜率最大，目的是将牵引电机最大转矩快速卸载为零，保证空转后转矩的快速卸载，而在空转消失后，按照第一转矩恢复斜率，逐渐增加电动机转矩，直到达到空转开始时电动机转矩值的85％-90％，第一转矩恢复斜率大小小于转矩卸载斜率，是为了保证在5s至6s内恢复至85％-90％转矩指令，而后按照第二转矩恢复斜率继续增加电动机转矩，直到达到由司机手柄对应的操作控制单元给出的电动机转矩给定值，上述整个过程通过设定转矩卸载和恢复的斜率，实现的是【快降-保持-慢升】的控制策略，有效的解决了现车空转后有冲动感的问题。

具体实施例子中，转矩卸载斜率可以根据空转的持续时间、空转时牵引电机的转矩及空转后的电机转矩来进行计算，第一转矩恢复斜率可根据恢复转矩的开始转矩及预恢复到的转矩及该恢复转矩的时间差来计算，同样的道理，第二转矩恢复斜率可根据恢复转矩的开始转矩及设定的转矩及该恢复转矩的时间差来计算。

发生空转后的卸载斜率、第一转矩恢复斜率、第二转矩恢复斜率为一个定值，通过整车试验中多版空转控制软件的调试获得。

时间因素主要考虑人体感知的反应时间，正常人的反应时间在300ms左右，当发生空转后牵引力卸载对应整车加速度减小列车的加速会突然变慢不会感受到冲动感同时可有效抑制空转避免擦轮，在300ms内将最大转矩卸载为零；

空转恢复时，如果恢复的斜率过快，牵引力快速增加则会给人的感受是列车突然加速，直觉的感受就是列车向前冲动，给人带来不舒适的感觉。

通过不同空转控制卸载和恢复斜率的调试试验，最终确认了上述控制方案：【快降-保持(空转消失)-慢升】的控制策略，有效的解决了现车空转后有冲动感的问题。

第一转矩恢复斜率、第二转矩恢复斜率的计算

需要进一步的说明的是，在具体实施例子中，参见附图1所示，上述牵引变流器与网络单元通信，网络单元与司机控制器相连，司机控制器发出牵引转矩指令，网络单元将列车司机控制器发出的转矩指令发送至牵引变流器，牵引变流器接收牵引电机速度传感器采集的速度信号，经过计算得到轮对间的速度差、加速度等参数，用于空转的检测和再粘着控制，牵引变流器通过网络单元将空转信号发送至网络显示屏。网络显示屏安装在司机操控室内，以便后续进行准确的操作。

本申请技术方案当检测到空转以后，牵引力按照7500Nm/s的斜率快速卸载发生空转轴的牵引力，快速抑制空转；空转恢复即发生空转轴的速度跟踪上列车速度后，按照第一转矩恢复斜率500Nm/s，逐渐增加电动机转矩，直到达到空转开始时电动机转矩值的85％-90％；按照第二转矩恢复斜率250Nm/s，继续增加电动机转矩，直到达到操作控制单元给出的电动机转矩给定值，能够实现在时间上对转矩卸载以及转矩恢复的细化控制。

实施例二

本实施例公开了一种机车空转保护控制方法，参见附图2所示，包括：

判断机车是否处于空转工作模式；

可操作地设置机车牵引执行结构的转矩给定值，在机车处于空转工作模式时进行再粘着控制，依次调用大小不同的转矩卸载斜率、第一转矩恢复斜率和第二转矩恢复斜率以使所述机车牵引执行结构转矩快速达到给定值，避免空转后的冲动感。

具体实施例子中，在机车处于空转工作模式时进行再粘着控制，按照转矩卸载斜率削减机车牵引执行结构的转矩值快速为零并维持一定时间，以消除空转。

上述转矩值降至零以后使发生空转的轮子完全无牵引力，轮子变为无动力轮，速度可快速地与整车速度保持一致。若不降至零，发生空转的轮子仍然有牵引力，在轮轨粘着极差的情况下仍然有可能再次发生空转，损害轮轨。

维持一定时间结束后，按照第一转矩恢复斜率，逐渐增加牵引执行结构转矩，直到达到空转开始时设定百分比的牵引执行结构转矩值。

利用第一转矩恢复斜率时，加速度检测逻辑中的速度差、加速度等检测指标均恢复至报空转的阈值以下。

按照第二转矩恢复斜率继续增加电动机转矩，直到达到操作控制单元给出的电动机转矩给定值。

上述转矩恢复至85％-90％转矩指令时即认为第一转矩恢复斜率结束，可按照第二转矩恢复斜率进行控制。

优选的，转矩卸载斜率、第一转矩恢复斜率及第二转矩恢复斜率的大小依次减小。

例如：转矩卸载斜率：7500N/s；第一转矩恢复斜率：500N/s；第二转矩恢复斜率：250N/s；通过【快降-保持-慢升】的控制策略，有效的解决了现车空转后有冲动感的问题，同时可快速抑制空转，保证乘客的乘坐舒适度。

更为具体的实施例子中，包括：

第一步：空转检测：牵引变流器根据电机速度传感器采集的速度信号计算得到轮对间速度差、轮对的加速度及加速度的变化率，超过空转检测阈值后，判断空转的发生。具体过程详见图3的t1时刻。

第二步 再粘着控制：牵引变流器根据空转的程度，削减电动机的转矩值并维持一定时间，以消除空转。空转结束后，牵引变流器逐渐增加电动机转矩，直到达到空转时电动机转矩值的85％-90％，在一定的时间内，牵引变流器保持牵引电动机转矩不变，如果在电动机转矩不变的时间内未发生空转，则在保持时间结束后，牵引变流器继续增加电动机转矩，直到达到由司机手柄给出的电动机转矩给定值。具体过程详见图3的t1-t5。

更为具体的例子中，再次参见附图3所示：

t1时刻：加速度或速度差等空转检测逻辑达到空转阈值。

t1-t2区间：转矩快速下降，转矩卸载的斜率为7500N/s，在300ms内将最大转矩卸载为零。

t2时刻速度差、加速度等检测指标均恢复至阈值以下。

t2-t3区间：转矩保持不变，恢复粘着。

t3-t4区间：转矩恢复的斜率为500N/s，以此斜率恢复至85％-90％转矩指令。

t4-t5区间：转矩缓慢恢复至指令值。

将转矩卸载的斜率设定为7500N/s，300ms内将最大转矩卸载为零，保证空转后转矩的快速卸载。

将转矩恢复的斜率设定为500N/s，保证5s至6s内恢复至85％-90％转矩指令。

通过设定转矩卸载和恢复的斜率，【快降-保持-慢升】的控制策略，有效的解决了现车空转后有冲动感的问题。

本公开技术方案在机车发生空转后，通过对转矩卸载以及恢复的时间进行细化控制，快速地卸载转矩(300ms内卸载为零)和以一个较快的速度恢复转矩(5s至6s内恢复至85％-90％转矩指令)，有效的解决了动车组在下雨多雾等天气下轮轨间的黏着系数降低时，列车频繁发生空转后出现冲动感的问题，提高了牵引电机功率利用率，降低了空转时对轮轨的磨耗，减少了铁路运营的保养维修费用，同时提高了乘客的乘坐体验。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。