一种列车线路阻力模拟试验系统及试验方法

技术领域

本发明主要涉及列车运行阻力模拟技术领域，特指一种列车线路阻力模拟试验系统及试验方法。

背景技术

目前，轨道交通车辆的传动系统广泛采用交流传动技术，在轨道交通车辆的交流牵引传动系统的设计过程中，为节约设计成本，提高设计效率，一般需要通过地面组合联调系统对轨道交通车辆的交流牵引传动系统的设计方案进行模拟检测，通过模拟检测找出设计方案中的缺陷和不足，从而对交流牵引传动系统的设计方案的系统性能进行验证，以保证所设计的轨道交通车辆的交流牵引传动系统的性能可以满足运营要求。

线路阻力模拟主要用于被试列车在滚动试验台上模拟在实际某一指定线路中的运行阻力工况，以检验被试列车的性能和运行可靠性。从列车行驶的动力学分析可见，列车在滚动台架上需要模拟的线路阻力包括线路运行阻力和列车的惯量在启动加速和制动减速阻力。

为准确地还原列车运行时的真实工况，现有方案中采用角加速度的控制来实现电惯量的模拟，角加速度的直接测量方法有压阻式、压电式、液环式，但目前还没有成熟的安装在工业机械转轴上的传感器产品。间接测量是通过对转速的微分来估算角加速度，但微分运算会放大转速信号中的噪声，采用滤波处理会使相位滞后，导致动态测量误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、试验精度高、安全可靠性高的列车线路阻力模拟试验系统及试验方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种列车线路阻力模拟试验系统，包括控制单元、负载单元、惯量飞轮和信号采集单元，所述控制单元分别与所述信号采集单元和负载单元相连；所述惯量飞轮的一端通过轨道轮与被测列车轮对相连，所述负载单元与所述惯量飞轮的另一端相连；所述信号采集单元用于采集轨道轮的状态信息并发送至控制单元，所述控制单元根据所述状态信息控制所述负载单元输出与列车线路阻力相匹配的负载值。

作为上述技术方案的进一步改进，所述负载单元与用于提供被测列车能量的直流电网相连，用于将试验产生的能量回馈至直流电网。

本发明还公开了一种基于如上所述的列车线路阻力模拟试验系统的试验方法，包括以下步骤：

S01、试验开始前，选择与列车相匹配的惯量飞轮；

S02、试验开始，在列车按预设速度曲线运行过程中，所述信号采集单元采集列车轨道轮的状态信息，并根据状态信息得到列车的运行阻力；

S03、根据列车预设运行阻力与步骤S02得到的运行阻力之间的差值，控制所述负载单元输出与列车预设运行阻力相匹配的负载；其中预设运行阻力与预设速度曲线相对应。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤S03中，根据列车预设运行阻力与步骤S02得到的运行阻力之间的差值，输出对应的转矩给定值，控制所述负载单元中的负载电机按转矩给定值输出。

作为上述技术方案的进一步改进，实时检测所述负载电机的输出电流，并根据输出电流进行电流闭环控制，以实现负载电机的转矩闭环控制。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤S02中，所述状态信息包括转速和转矩。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤S02中，根据检测到的转速信号对列车速度进行闭环控制。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤S02中，根据列车车况信息、路况信息和模拟线路信息生成对应的预设速度曲线；其中所述列车车况信息包括动车质量、拖车质量和列车车辆数量；所述路况信息包括坡度和曲线半径。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤S02中，所述运行阻力W包括列车基本阻力W

作为上述技术方案的进一步改进，所述列车基本阻力

W

其中：M

所述列车附加阻力W

其中：ω

其中列车单位附加阻力为：

ω

其中：ω

曲线附加阻力：曲线半径r为0时，ω

隧道附加空气阻力：ω

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的列车线路阻力模拟试验系统，通过轨道轮模拟列车在无限长直轨道上的运行，通过轮对侧的城轨列车驱动系统实现牵引运行和控制，通过轨道轮侧的负载单元模拟列车运行阻力；通过惯量飞轮模拟列车在运行过程中的惯量，只需要选择与列车相匹配的等效惯性飞轮，相对于现有电惯量的方式，不需要对惯量进行控制，也不需要相应的信号检测，整个系统结构简单、试验精准度以及安全可靠性更高。

(2)本发明的列车线路阻力模拟试验系统，试验能量通过直流电网经城轨列车电气传动系统、负载单元再回馈至直流电网，从而实现能量回馈，整个系统能耗低。

(3)本发明的试验方法，通过选择与列车相匹配的惯量飞轮来模拟列车在运行过程中的惯量，从而只需要对线路运行阻力进行调控，对应的控制方法更加简单；在进行线路运行阻力的控制时，通过采集列车的状态信息，对负载电机进行转矩闭环控制，使得整个负载电机输出的负载与速度曲线相匹配，提高试验结果的精准度。

(4)本发明的试验方法，根据列车预设运行阻力与运行阻力之间的差值，输出对应的转矩给定值，控制负载单元中的负载电机按转矩给定值输出；同时实时检测负载电机的输出电流，并根据输出电流进行电流闭环控制，最终实现负载电机的转矩闭环控制，从而提高试验的精度。

(5)本发明的试验方法，通过转速信号和转矩信号计算得到线路运行阻力，再转换为负载电机的转矩给定值，根据转矩给定值进行转矩闭环控制，从而保证负载电机能够精准地输出对应的线路运行阻力，进一步提高试验结果的精准性。

(6)本发明的试验方法，根据列车车况信息、路况信息和模拟线路信息生成对应的预设速度曲线；列车按预设速度曲线运行，同时根据信号采集单元检测到的转速信号对列车速度进行闭环控制，从而保障列车能够精准的按预设速度曲线进行运行，进一步提高后续试验结果的精准性。

(7)本发明的试验系统及方法，采取负载电机直接转矩反馈控制的方式实现，城轨列车采用速度闭环的方式按照模拟的车辆速度曲线运行，保证了整个模拟试验系统的安全可靠，避免了飞车现象发生，在台架上可模拟在实际某一指定线路中的运行阻力工况，以实验室的试验系统来代替真车试验，在实验室条件下达到实车运行的真实环境，为改进牵引传动系统的系统结构和控制方法提供有效的实验依据，这样可以大大缩短新产品的开发周期和成本，极大地提高了企业的经济效益。

附图说明

图1为本发明的系统在实施例的结构示意图。

图2为本发明的系统在实施例的控制框图。

图例说明：1、列车轮对；2、轨道轮；3、信号采集单元；4、惯量飞轮；5、负载单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1和图2所示，本实施例的列车线路阻力模拟试验系统，包括控制单元、负载单元5、惯量飞轮4和信号采集单元3，控制单元分别与信号采集单元3和负载单元5相连；惯量飞轮4的一端通过轨道轮2与被测列车轮对1相连，负载单元5与惯量飞轮4的另一端相连；信号采集单元3用于采集轨道轮2的状态信息并发送至控制单元，控制单元根据状态信息控制负载单元5输出与列车线路阻力相匹配的负载值，从而实现列车线路阻力的模拟试验。

本发明的列车线路阻力模拟试验系统，通过轨道轮2模拟列车在无限长直轨道上的运行，通过轮对侧的城轨列车实现牵引运行和控制，通过轨道轮2侧的负载单元5模拟列车运行阻力；通过惯量飞轮4模拟列车在运行过程中的惯量，只需要选择与列车相匹配的等效惯性飞轮，相对于现有电惯量的方式，不需要对惯量进行控制，也不需要相应的信号检测，整个系统结构简单、试验精准度以及可靠性更高。

本实施例中，通过直流电网为被试车辆提供电源，实现被试车辆的牵引与制动控制；负载单元5包括负载电机和负载电机控制器，负载单元5与直流电网相连；信号采集单元3采用扭矩仪，安装于惯性飞轮与轨道轮2之间。试验时，试验样车从受电弓取电，控制试验样车牵引电机运行，带动样车轮对旋转，样车轮对带动轨道轮2旋转，轨道轮2与惯量飞轮4连接，转速提高，带动负载电机旋转，此时负载电机运行于发电状态，提供反力矩，模拟线路运行阻力。试验能量通过直流电网经城轨列车电气传动系统、负载单元5再回馈至直流电网，从而实现能量回馈，整个系统能耗低。

如图2所示，本发明还相应公开了一种基于如上所述的列车线路阻力模拟试验系统的试验方法，包括以下步骤：

S01、试验开始前，选择与列车相匹配的惯量飞轮4，其中惯量飞轮4可采用可调惯量飞轮4，选择相应的档位以与列车相匹配；

S02、试验开始，列车按预设速度曲线运行，在列车运行过程中，所述信号采集单元3采集列车轨道轮2的状态信息，并根据状态信息得到列车的运行阻力；

S03、根据列车预设运行阻力与步骤S02得到的运行阻力之间的差值，控制所述负载单元5输出与列车预设运行阻力相匹配的负载；其中预设运行阻力与预设速度曲线相对应。

具体地，城轨列车通过司控台牵引/制动手柄手动操作控制列车运行速度或通过导入车辆速度曲线数据自动按照速度曲线进行运行，城轨列车牵引传动控制系统工作在力矩控制速度限幅模式；采用力矩控制轴控模式，根据给定的阻力矩/位移曲线实时给定阻力矩，其中位移曲线与速度曲线相对应，也即对应的阻力矩(即线路运行阻力)与速度曲线相对应。同时为了为简化列车阻力模型便于实施，城轨列车整车所模拟的阻力矩均分至每轴。

本发明的试验方法，通过选择与列车相匹配的惯量飞轮4来模拟列车在运行过程中的惯量，从而只需要对线路运行阻力进行调控，对应的控制方法更加简单；在进行线路运行阻力的控制时，通过采集列车的状态信息，对负载电机进行转矩闭环控制，使得整个负载电机输出的负载与速度曲线相匹配，提高试验结果的精准度。

本实施例中，在步骤S03中，根据列车预设运行阻力与步骤S02得到的运行阻力之间的差值，输出对应的转矩给定值，控制负载单元5中的负载电机按转矩给定值输出；同时实时检测负载电机的输出电流，并根据输出电流进行电流闭环控制，最终实现负载电机的转矩闭环控制，从而提高试验的精度。

本实施例中，在步骤S02中，状态信息包括转速信号和转矩信号，通过转速信号和转矩信号计算得到线路运行阻力，即列车基本阻力和列车附加阻力，再转换为负载电机的转矩给定值，根据转矩给定值按上述方法进行转矩闭环控制，从而保证负载电机能够精准地输出对应的线路运行阻力，进一步提高试验结果的精准性。

本实施例中，在步骤S02中，根据列车车况信息、路况信息和模拟线路信息生成对应的预设速度曲线；其中列车车况信息包括动车质量、拖车质量和列车车辆数量；路况信息包括坡度和曲线半径；模拟线路信息如A-B地点的上行线路；在具体运行时，列车按预设速度曲线运行，同时根据信号采集单元3检测到的转速信号对列车速度进行闭环控制，从而保障列车能够精准的按预设速度曲线进行运行，进一步提高后续试验结果的精准性。

本实施例中，通过采集的转矩、转速等数据进行系统的安全性保护，超出阀值将触发保护动作以确保系统安全；试验过程中可同步跟踪及记录车辆的速度运行曲线与线路阻力模拟的转矩曲线。

本实施例中，城轨车辆负载阻力模拟加载就是根据信号采集单元3采集转速信号计算出列车运行的列车基本阻力，同时根据行驶里程信号(位移曲线中含有，也即预设速度曲线中含有的信息)转换为位置信号计算出列车附加阻力，综合上述列车基本阻力和列车附加阻力，从而得到最终实际情况下的线路运行阻力，具体地，

运行阻力W包括列车基本阻力W

W＝W

列车基本阻力

W

其中：M

列车附加阻力W

其中：ω

其中列车单位附加阻力为：

ω

其中：ω

曲线附加阻力：曲线半径r为0时，ω

隧道附加空气阻力：ω

本发明的试验系统及方法，采取负载电机直接转矩反馈控制的方式实现，城轨列车采用速度闭环的方式按照模拟的车辆速度曲线运行，保证了整个模拟试验系统的安全可靠，避免了飞车现象发生，在台架上可模拟在实际某一指定线路中的运行阻力工况，以实验室的试验系统来代替真车试验，在实验室条件下达到实车运行的真实环境，为改进牵引传动系统的系统结构和控制方法提供有效的实验依据，这样可以大大缩短新产品的开发周期和成本，极大地提高了企业的经济效益。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。