[发明专利]用于机车附着控制的系统和方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及机车及其控制领域。更具体地，本发明涉及用于最大化机车的牵引效力(effort)或制动效力、以及最小化每个轮轴的共振扭转振动以改进整体性能的技术。

技术背景

机车和运输车辆以及其他大型牵引车辆，一般由以驱动关系耦合到车辆的一个或多个轮轴的电牵引马达供能。这种机车和运输车辆典型地在每个车辆上具有至少四个轴-轮组，并且每个轴-轮组经由合适的传动装置，接触到一般称为牵引马达的分开的电马达的柄(shaft)。在运行的发动(motoring)模式中，从可控的电力源(如引擎驱动的牵引交流发电机)给牵引马达提供电流。牵引马达将扭矩施加到各车辆车轮，这依次在如车辆正在发动的铁路轨道的平行钢轨的表面上施加切向力或牵引效力，由此在期望的方向上沿正确的道路推进车辆。在另一情况下，在运行的电制动模式下，各马达用作轴驱动的发电机。在这种情况下，由它们各自相关联的轴-轮组施加到所述轴-轮组的柄的扭矩，然后在所述表面上施加制动效力，由此阻碍或减缓车辆的运动。在任一情况下，为了车辆的有效运行，需要每个车轮与所述表面之间的良好的附着。

如果车辆的每个被供能的车轮正以其实际圆周速度稍微高于(在发动的情况下)、或稍微低于(在制动的情况下)所述车辆的实际速度的角速度旋转，则获得最大的牵引效力或制动效力。车辆正在发动的线性速度在文献中通常被称为地面速度或轨道速度，并且车轮速度与地面速度间的差被称为滑移(slip)速度或蠕变(creep)。对实现峰值牵引效力或制动效力的滑移速度的值，通常存在相对低的限制。通常已知为最佳蠕变的该数值是取决于地面速度和铁轨状况的变量。远离最佳蠕变的任何或所有车轮的运行，例如在太小的蠕变值或在太大的蠕变值，都可能导致轮-轨附着的降低或损失。同样地，如果轮-轨附着趋于降低或损失，则一些或所有车辆的车轮可能过度地滑移，即实际滑移速度或蠕变可能大于最佳蠕变。这种特征在于通过一个或多个滑移轴-轮组的发动模式、和通过一个或多个滑动(sliding)或侧滑(skidding)轴-轮组的制动模式的车轮滑移状态，可能导致推进系统的驱动组件中的车轮磨损、铁轨损伤、高机械应力，以及不期望的牵引(或制动)效力的减小。因此，期望的是控制所有车轮的允许的蠕变以最大化总的牵引性能。存在许多与确定峰值附着的最佳蠕变设置点相关联的困难。蠕变优化需要测量/估计车轮牵引效力和车轮蠕变。例如使用应变计(strain gage)来直接测量车轮的牵引效力是昂贵的，需要对车轮的显著的改变。而且，用于直接测量车辆牵引效力的传感器还易于受噪声的干扰。一些现有技术涉及基于通过使用齿轮传动比和车轮半径的简便方法测量马达扭矩来估计车轮的牵引效力；例如见2001年3月27日授予通用电气公司的美国专利No.6,208,097(因此通过引用并入本公开中)。由于驱动列车的动力学近似和有关的过程噪声，这种方法也有出错倾向。当驱动列车在其固有的振动模式下共振时，该方法尤其失去其有效性。当由于平台、所有的转向架(truck)和所有的轴-轮组之间的机械耦合的轴间动力学变得明显时，出现这种示例性的情形。这将是这样的情况，例如当机车的平台和转向架的颠簸(pitching)和摇摆(rolling)模式共振，导致显著的重量转移效应和相关的车轮法向力变化。所述共振可以典型地表现在马达扭矩中的显著的振动，其不利地影响现有技术中公开的扭矩最大化方法的精度。

车轮蠕变需要测量/估计车轮速度和地面速度。现有技术中发现的附着控制系统和方法，描述了以使用齿轮传动比的公知的方式、从马达柄的速度来确定车轮的速度。马达速度和车轮速度间的关系典型地被假设为是代数的，并且马达速度与轮轴的平均车轮速度的比取为等于齿轮齿数比(gear ratio)。该确定车轮速度的方法简便但易于出错，该错误由于马达速度测量中的误差，还由于在估计车轮速度时的驱动列车的动力学近似。后者尤其是这样的情况，此时驱动列车在其固有的振动模式共振，导致轴-轮组的两个车轮的速度差。